Структура нуклеиновой кислоты

Структура нуклеиновой кислоты относится к структуре нуклеиновых кислот, таких как ДНК и РНК . С химической точки зрения ДНК и РНК очень похожи. Структуру нуклеиновой кислоты часто разделяют на четыре различных уровня: первичный, вторичный, третичный и четверичный.

Первичная структура

Первичная структура состоит из линейной последовательности нуклеотидов , связанных между собой фосфодиэфирной связью . Именно эта линейная последовательность нуклеотидов составляет первичную структуру ДНК или РНК . Нуклеотиды состоят из 3 компонентов:

Азотистая основа
1. Аденин
2. Гуанин
3. Цитозин
4. Тимин (присутствует только в ДНК )
5. Урацил (присутствует только в РНК )
5-углеродный сахар , который называется дезоксирибозой (содержится в ДНК) и рибозой (содержится в РНК).
Одна или несколько фосфатных групп . ^{[ 1 ]}

Азотистые основания аденин и гуанин имеют пуриновую структуру и образуют гликозидную связь между их 9-азотом и 1'-ОН-группой дезоксирибозы. Цитозин, тимин и урацил являются пиримидинами , следовательно, между их 1-азотом и 1'-ОН дезоксирибозы образуются гликозидные связи. Как для пуринового, так и для пиримидинового основания фосфатная группа образует связь с сахаром дезоксирибозы посредством сложноэфирной связи между одной из его отрицательно заряженных кислородных групп и 5'-ОН сахара. ^{[ 2 ]} Полярность ДНК и РНК определяется атомами кислорода и азота в основной цепи. Нуклеиновые кислоты образуются, когда нуклеотиды соединяются посредством фосфодиэфирных связей между 5'- и 3'-атомами углерода. ^{[ 3 ]} Последовательность нуклеиновой кислоты — это порядок нуклеотидов в молекуле ДНК (GACT) или РНК (GACU), который определяется серией букв. Последовательности представлены от 5'-конца к 3'-концу и определяют ковалентную структуру всей молекулы. Последовательности могут быть комплементарны другой последовательности в том смысле, что основание в каждой позиции является комплементарным, а также в обратном порядке. Примером последовательности, комплементарной AGCT, является TCGA. ДНК двухцепочечная, содержащая как смысловую , так и антисмысловую цепь. Следовательно, комплементарная последовательность будет относиться к смысловой цепи. ^{[ 4 ]}

Комплексы с ионами щелочных металлов

В нуклеиновых кислотах имеются три потенциальные металлосвязывающие группы: фосфатная, сахарная и основная. Рассмотрено твердотельное строение комплексов с ионами щелочных металлов. ^{[ 6 ]}

Вторичная структура

ДНК

Вторичная структура — это совокупность взаимодействий между основаниями, т. е. какие части нитей связаны друг с другом. В двойной спирали ДНК две нити ДНК удерживаются вместе водородными связями . Нуклеотиды с нуклеотидами оснований одной цепи образуют пары другой цепи. Вторичная структура отвечает за форму, которую принимает нуклеиновая кислота. Основания ДНК подразделяются на пурины и пиримидины . Пурины – аденин и гуанин . Пурины имеют двойную кольцевую структуру: шестичленное и пятичленное кольцо, содержащее азот. Пиримидины – это цитозин и тимин . Он имеет однокольцевую структуру, шестичленное кольцо, содержащее азот. Пуриновое основание всегда соединяется с пиримидиновым основанием (пары гуанина (G) с цитозином (C) и пары аденина (A) с тимином (T) или урацилом (U)). Вторичная структура ДНК преимущественно определяется спариванием оснований двух полинуклеотидных нитей, обернутых друг вокруг друга, образующих двойную спираль . Хотя две цепи выровнены за счет водородных связей в парах оснований, более сильные силы, удерживающие две цепи вместе, представляют собой штабелирующие взаимодействия между основаниями. Эти стэкинг-взаимодействия стабилизируются силами Ван-дер-Ваальса и гидрофобными взаимодействиями и демонстрируют большую локальную структурную изменчивость. ^{[ 7 ]} В двойной спирали также есть две канавки, которые называются большой и малой канавками в зависимости от их относительного размера .

РНК

Вторичная структура РНК состоит из одного полинуклеотида. Спаривание оснований в РНК происходит, когда РНК складывается между областями комплементарности. В молекулах РНК часто встречаются как одноцепочечные, так и двухцепочечные участки.

Четыре основных элемента вторичной структуры РНК:

Спирали
Выпуклости
Петли
Развязки

Антипараллельные нити образуют спиральную форму. ^{[ 3 ]} Выпуклости и внутренние петли образуются путем разделения двойного спирального тракта либо на одной цепи (выпуклость), либо на обеих цепях (внутренние петли) неспаренными нуклеотидами.

Стебель-петля или шпилька-петля — наиболее распространенный элемент вторичной структуры РНК. ^{[ 8 ]} Ствол-петля образуется, когда цепи РНК сворачиваются, образуя двойной спиральный тракт, называемый «стебель», а неспаренные нуклеотиды образуют одноцепочечную область, называемую «петлей». Тетрапетля . представляет собой шпильку из четырех пар оснований РНК В рибосомальной РНК есть три распространенных семейства тетрапетли: UNCG , GNRA и CUUG ( N — один из четырех нуклеотидов, а R — пурин). UNCG — самый стабильный тетрапетля. ^{[ 9 ]}

Псевдоузел — это вторичная структура РНК, впервые обнаруженная у вируса желтой мозаики репы . ^{[ 10 ]} Он состоит как минимум из двух спиральных сегментов, соединенных одноцепочечными участками или петлями. Лучше всего охарактеризованы складчатые псевдоузлы H-типа. В сгибе H-типа нуклеотиды в шпильке-петле спариваются с основаниями за пределами стебля шпильки, образуя второй стебель и петлю. Это приводит к образованию псевдоузлов с двумя стеблями и двумя петлями. ^{[ 11 ]} Псевдоузлы — это функциональные элементы структуры РНК, имеющие разнообразные функции и встречающиеся в большинстве классов РНК.

Вторичную структуру РНК можно предсказать на основе экспериментальных данных об элементах вторичной структуры, спиралях, петлях и выпуклостях. Метод DotKnot-PW используется для сравнительного прогнозирования псевдоузлов. Основным моментом метода DotKnot-PW является оценка сходств, обнаруженных в стеблях, вторичных элементах и псевдоузлах H-типа. ^{[ 12 ]}

Третичная структура

Третичная структура относится к расположению атомов в трехмерном пространстве с учетом геометрических и стерических ограничений. Это более высокий порядок, чем вторичная структура, при которой происходит крупномасштабное сворачивание линейного полимера и вся цепь сворачивается в определенную трехмерную форму. Выделяют 4 области, по которым структурные формы ДНК могут различаться.

Рукопись – правая или левая.
Длина витка спирали
Количество пар оснований за ход
Разница в размерах между главными и второстепенными канавками ^{[ 3 ]}

ДНК Третичное расположение двойной спирали в пространстве включает B-ДНК , A-ДНК и Z-ДНК . Структуры трехцепочечной ДНК были продемонстрированы в повторяющихся полипурин: полипиримидиновых микросателлитных последовательностях и сателлитной ДНК .

B-ДНК является наиболее распространенной формой ДНК in vivo и представляет собой более узкую и удлиненную спираль, чем A-ДНК. Его широкая основная бороздка делает его более доступным для белков. С другой стороны, он имеет узкую малую канавку. Предпочтительные конформации B-ДНК возникают при высоких концентрациях воды; гидратация малой бороздки, по-видимому, благоприятствует B-ДНК. Пары оснований B-ДНК почти перпендикулярны оси спирали. Сахарная складка, определяющая форму а-спирали, независимо от того, будет ли спираль существовать в А-форме или в В-форме, возникает на С2'-эндо. ^{[ 13 ]}

А-ДНК представляет собой форму дуплекса ДНК, наблюдаемого в условиях обезвоживания. Она короче и шире, чем B-ДНК. РНК принимает эту двойную спиральную форму, и дуплексы РНК-ДНК в основном имеют А-форму, но наблюдались дуплексы РНК-ДНК В-формы. ^{[ 14 ]} В локализованных одноцепочечных динуклеотидных контекстах РНК также может принимать B-форму без спаривания с ДНК. ^{[ 15 ]} А-ДНК имеет глубокую и узкую главную бороздку, которая затрудняет доступ белкам. С другой стороны, его широкая и неглубокая малая бороздка делает его доступным для белков, но с меньшим информационным содержанием, чем большая бороздка. Его предпочтительная конформация наблюдается при низких концентрациях воды. Пары оснований А-ДНК наклонены относительно оси спирали и смещены от оси. Сахарная складка возникает на C3'-эндо, а в РНК 2'-OH ингибирует конформацию C2'-эндо. ^{[ 13 ]} Долгое время А-ДНК считалась не более чем лабораторным изобретением, но теперь известно, что она выполняет несколько биологических функций .

Z-ДНК представляет собой относительно редкую левостороннюю двойную спираль. При правильной последовательности и сверхспиральном натяжении он может образоваться in vivo, но его функция неясна. У нее более узкая и удлиненная спираль, чем у A или B. Большая бороздка Z-ДНК на самом деле не является бороздкой, а имеет узкую малую бороздку. Наиболее предпочтительная конформация возникает при высоких концентрациях соли. Есть некоторые замены оснований, но они требуют чередующейся пурин-пиримидиновой последовательности. N2-аминогруппа G H-связывается с 5'PO, что объясняет медленный обмен протонов и потребность в G-пурине. Пары оснований Z-ДНК почти перпендикулярны оси спирали. Z-ДНК содержит не отдельные пары оснований, а скорее повтор GpC с разными расстояниями PP для GpC и CpG. В стеке GpC перекрытие баз хорошее, тогда как в стеке CpG перекрытие меньше. Зигзагообразный остов Z-ДНК обусловлен конформацией сахара C, компенсирующей конформацию гликозидной связи G. Конформация G – син, С2'-эндо; для С это анти, С3'-эндо. ^{[ 13 ]}

Линейная молекула ДНК, имеющая свободные концы, может вращаться, приспосабливаясь к изменениям различных динамических процессов в клетке, изменяя, сколько раз две цепи ее двойной спирали закручиваются друг вокруг друга. Некоторые молекулы ДНК имеют кольцевую форму и топологически ограничены. Совсем недавно было описано, что кольцевая РНК представляет собой естественный широко распространенный класс нуклеиновых кислот, экспрессирующийся во многих организмах (см. CircRNA ).

Ковалентно замкнутая кольцевая ДНК (также известная как кккДНК) топологически ограничена, поскольку количество раз, когда цепи обвивают друг друга, не может измениться. Эта cccDNA может быть сверхспиральной , что представляет собой третичную структуру ДНК. Суперспирализация характеризуется числом связей, скручиванием и скручиванием. Число связывания (Lk) для кольцевой ДНК определяется как количество раз, которое одна цепь должна пройти через другую, чтобы полностью разделить две цепи. Число связей кольцевой ДНК может быть изменено только путем разрыва ковалентной связи в одной из двух цепей. Всегда целое число, число связей кссДНК представляет собой сумму двух компонентов: скручиваний (Tw) и скручиваний (Wr). ^{[ 16 ]}

Lk=Tw+Wr

Скрутки — это количество раз, когда две нити ДНК скручиваются друг вокруг друга. Корчи — это количество раз, когда спираль ДНК пересекает сама себя. ДНК в клетках имеет отрицательную сверхспираль и имеет тенденцию к раскручиванию. Следовательно, разделение цепей происходит легче в отрицательно сверхскрученной ДНК, чем в расслабленной ДНК. Двумя компонентами сверхспиральной ДНК являются соленоид и плектонемика . Плектонемическая суперспираль встречается у прокариот, а соленоидальная суперспираль чаще всего наблюдается у эукариот.

Четвертичная структура

Четвертичная структура нуклеиновых кислот аналогична четвертичной структуре белков . Хотя некоторые концепции не совсем одинаковы, четвертичная структура относится к более высокому уровню организации нуклеиновых кислот. Более того, это относится к взаимодействиям нуклеиновых кислот с другими молекулами. Наиболее часто встречающаяся форма организации нуклеиновых кислот более высокого уровня наблюдается в форме хроматина, что приводит к его взаимодействию с небольшими белками- гистонами . Кроме того, четвертичная структура относится к взаимодействиям между отдельными единицами РНК в рибосоме или сплайсосоме . ^{[ 17 ]}

См. также

Ссылки

^ Кригер М., Скотт М.П., Мацудайра П.Т., Лодиш Х.Ф., Дарнелл Дж.Э., Лоуренс З., Кайзер С., Берк А. (2004). «Раздел 4.1: Структура нуклеиновых кислот» . Молекулярно-клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman and CO. ISBN 978-0-7167-4366-8 .
^ «Строение нуклеиновых кислот» . СпаркНотес .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Энтони-Кэхилл С.Дж., Мэтьюз К.К., ван Холде К.Е., Эпплинг Д.Р. (2012). Биохимия (4-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл. ISBN 978-0-13-800464-4 .
^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уоттер П. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.) . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3 .
^ Мао С. (декабрь 2004 г.). «Возникновение сложности: уроки ДНК» . ПЛОС Биология . 2 (12): е431. дои : 10.1371/journal.pbio.0020431 . ПМЦ 535573 . ПМИД 15597116 .
^ Кацуюки, Аоки; Кадзутака, Мураяма; Ху, Нин-Хай (2016). «Твердотельные структуры ионных комплексов щелочных металлов, образованных низкомолекулярными лигандами биологического значения». В Астрид Сигел; Хельмут, Сигель; Роланд КО, Сигел (ред.). Ионы щелочных металлов: их роль для жизни . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 16. Спрингер. стр. 43–66. дои : 10.1007/978-3-319-21756-7_3 . ISBN 978-3-319-21755-0 . ПМИД 26860299 .
^ Седова А, Банавали Н.К. (2017). «Геометрические закономерности для соседних оснований вблизи многослойного состояния в цепях нуклеиновых кислот». Биохимия . 56 (10): 1426–1443. doi : 10.1021/acs.biochem.6b01101 . ПМИД 28187685 .
^ Тиноко I, Бустаманте С (октябрь 1999 г.). «Как складывается РНК». Журнал молекулярной биологии . 293 (2): 271–81. дои : 10.1006/jmbi.1999.3001 . ПМИД 10550208 .
^ Холлифилд Дж.Г., Бешарс Дж.К., Рэйборн М.Э. (декабрь 1976 г.). «Влияние света на количество фагосом в пигментном эпителии». Экспериментальное исследование глаз . 23 (6): 623–35. дои : 10.1016/0014-4835(76)90221-9 . ПМИД 1087245 .
^ Ритвельд К., Ван Поелгест Р., Плейдж К.В., Ван Бум Дж.Х., Бош Л. (март 1982 г.). «ТРНК-подобная структура на 3'-конце РНК вируса желтой мозаики репы. Различия и сходства с канонической тРНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 10 (6): 1929–46. дои : 10.1093/нар/10.6.1929 . ПМК 320581 . ПМИД 7079175 .
^ Staple DW, Butcher SE (июнь 2005 г.). «Псевдоузлы: структуры РНК с разнообразными функциями» . ПЛОС Биология . 3 (6): е213. дои : 10.1371/journal.pbio.0030213 . ПМЦ 1149493 . ПМИД 15941360 .
^ Спершнайдер Дж., Датта А., Уайз М.Дж. (декабрь 2012 г.). «Прогнозирование псевдоузловых структур по двум последовательностям РНК» . Биоинформатика . 28 (23): 3058–65. doi : 10.1093/биоинформатика/bts575 . ПМК 3516145 . ПМИД 23044552 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дикерсон Р.Э., Дрю Х.Р., Коннер Б.Н., Уинг Р.М., Фратини А.В., Копка М.Л. (апрель 1982 г.). «Анатомия A-, B- и Z-ДНК». Наука . 216 (4545): 475–85. Бибкод : 1982Sci...216..475D . дои : 10.1126/science.7071593 . ПМИД 7071593 .
^ Чен Х; Рамакришнан Б; Сундаралингам М (1995). «Кристаллические структуры химеров ДНК-РНК B-формы в комплексе с дистамицином». Структурная биология природы . 2 (9): 733–735. дои : 10.1038/nsb0995-733 . ПМИД 7552741 . S2CID 6886088 .
^ Седова А, Банавали Н.К. (2016). «РНК приближается к B-форме в многоцепочечном динуклеотидном контексте». Биополимеры . 105 (2): 65–82. дои : 10.1002/бип.22750 . ПМИД 26443416 . S2CID 35949700 .
^ Миркин С.М. (2001). «Топология ДНК: основы». ЭЛС . дои : 10.1038/npg.els.0001038 . ISBN 978-0470016176 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^ «Структурная биохимия/Нуклеиновая кислота/ДНК/Структура ДНК» . Проверено 11 декабря 2012 г.

[Krieger_2004-1] Кригер М., Скотт М.П., Мацудайра П.Т., Лодиш Х.Ф., Дарнелл Дж.Э., Лоуренс З., Кайзер С., Берк А. (2004). «Раздел 4.1: Структура нуклеиновых кислот» . Молекулярно-клеточная биология . Нью-Йорк: WH Freeman and CO. ISBN 978-0-7167-4366-8 .

[Sparknotes-2] «Строение нуклеиновых кислот» . СпаркНотес .

[Anthony-Cahill_2012-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Энтони-Кэхилл С.Дж., Мэтьюз К.К., ван Холде К.Е., Эпплинг Д.Р. (2012). Биохимия (4-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл. ISBN 978-0-13-800464-4 .

[Alberts_20022-4] Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уоттер П. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.) . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3 .

[Mao04-5] Мао С. (декабрь 2004 г.). «Возникновение сложности: уроки ДНК» . ПЛОС Биология . 2 (12): е431. дои : 10.1371/journal.pbio.0020431 . ПМЦ 535573 . ПМИД 15597116 .

[6] Кацуюки, Аоки; Кадзутака, Мураяма; Ху, Нин-Хай (2016). «Твердотельные структуры ионных комплексов щелочных металлов, образованных низкомолекулярными лигандами биологического значения». В Астрид Сигел; Хельмут, Сигель; Роланд КО, Сигел (ред.). Ионы щелочных металлов: их роль для жизни . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 16. Спрингер. стр. 43–66. дои : 10.1007/978-3-319-21756-7_3 . ISBN 978-3-319-21755-0 . ПМИД 26860299 .

[7] Седова А, Банавали Н.К. (2017). «Геометрические закономерности для соседних оснований вблизи многослойного состояния в цепях нуклеиновых кислот». Биохимия . 56 (10): 1426–1443. doi : 10.1021/acs.biochem.6b01101 . ПМИД 28187685 .

[8] Тиноко I, Бустаманте С (октябрь 1999 г.). «Как складывается РНК». Журнал молекулярной биологии . 293 (2): 271–81. дои : 10.1006/jmbi.1999.3001 . ПМИД 10550208 .

[9] Холлифилд Дж.Г., Бешарс Дж.К., Рэйборн М.Э. (декабрь 1976 г.). «Влияние света на количество фагосом в пигментном эпителии». Экспериментальное исследование глаз . 23 (6): 623–35. дои : 10.1016/0014-4835(76)90221-9 . ПМИД 1087245 .

[10] Ритвельд К., Ван Поелгест Р., Плейдж К.В., Ван Бум Дж.Х., Бош Л. (март 1982 г.). «ТРНК-подобная структура на 3'-конце РНК вируса желтой мозаики репы. Различия и сходства с канонической тРНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 10 (6): 1929–46. дои : 10.1093/нар/10.6.1929 . ПМК 320581 . ПМИД 7079175 .

[11] Staple DW, Butcher SE (июнь 2005 г.). «Псевдоузлы: структуры РНК с разнообразными функциями» . ПЛОС Биология . 3 (6): е213. дои : 10.1371/journal.pbio.0030213 . ПМЦ 1149493 . ПМИД 15941360 .

[12] Спершнайдер Дж., Датта А., Уайз М.Дж. (декабрь 2012 г.). «Прогнозирование псевдоузловых структур по двум последовательностям РНК» . Биоинформатика . 28 (23): 3058–65. doi : 10.1093/биоинформатика/bts575 . ПМК 3516145 . ПМИД 23044552 .

[Dickerson_1982-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дикерсон Р.Э., Дрю Х.Р., Коннер Б.Н., Уинг Р.М., Фратини А.В., Копка М.Л. (апрель 1982 г.). «Анатомия A-, B- и Z-ДНК». Наука . 216 (4545): 475–85. Бибкод : 1982Sci...216..475D . дои : 10.1126/science.7071593 . ПМИД 7071593 .

[14] Чен Х; Рамакришнан Б; Сундаралингам М (1995). «Кристаллические структуры химеров ДНК-РНК B-формы в комплексе с дистамицином». Структурная биология природы . 2 (9): 733–735. дои : 10.1038/nsb0995-733 . ПМИД 7552741 . S2CID 6886088 .

[15] Седова А, Банавали Н.К. (2016). «РНК приближается к B-форме в многоцепочечном динуклеотидном контексте». Биополимеры . 105 (2): 65–82. дои : 10.1002/бип.22750 . ПМИД 26443416 . S2CID 35949700 .

[Mirkin_2001-16] Миркин С.М. (2001). «Топология ДНК: основы». ЭЛС . дои : 10.1038/npg.els.0001038 . ISBN 978-0470016176 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[17] «Структурная биохимия/Нуклеиновая кислота/ДНК/Структура ДНК» . Проверено 11 декабря 2012 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

v т и Биомолекулярная структура
Структура белка	Начальный вторичный Третичный Четвертичный период Определение Прогноз Дизайн Термодинамика
Структура нуклеиновой кислоты	Начальный вторичный Третичный Четвертичный период Определение Прогноз Дизайн Термодинамика
См. также	Белок Белковый домен Белковая инженерия Протеасома Нуклеиновая кислота ДНК РНК Структурный мотив Двойная спираль нуклеиновой кислоты