Struktura nukleové kyseliny - Nucleic acid structure

Interaktivní obraz ze struktury nukleových kyselin (primární, sekundární, terciární a kvartérní) s použitím DNA šroubovice a příklady z ribozymu VS a telomerázy a nukleosom . ( PDB : ADNA , 1BNA , 4OCB , 4R4V , 1YMO , 1EQZ )

Nukleová kyselina struktura se vztahuje na strukturu z nukleových kyselin , jako je DNA a RNA . Z chemického hlediska jsou DNA a RNA velmi podobné. Struktura nukleové kyseliny je často rozdělena do čtyř různých úrovní: primární, sekundární, terciární a kvartérní.

Primární struktura

Chemická struktura DNA

Primární struktura se skládá z lineární sekvence nukleotidů, které jsou navzájem spojeny fosfodiesterovou vazbou . Právě tato lineární sekvence nukleotidů tvoří primární strukturu DNA nebo RNA . Nukleotidy se skládají ze 3 složek:

1. Dusíkatý základ
   1. Adenin
   2. Guanine
   3. Cytosin
   4. Thymine (přítomný pouze v DNA )
   5. Uracil (přítomný pouze v RNA )
2. Cukr s 5 uhlíky, který se nazývá deoxyribóza (nachází se v DNA) a ribóza (nachází se v RNA).
3. Jedna nebo více fosfátových skupin.

Dusíkaté báze adenin a guanin mají ve struktuře purin a tvoří glykosidickou vazbu mezi jejich 9 dusíkem a 1 '-OH skupinou deoxyribózy. Cytosin, thymin a uracil jsou pyrimidiny , proto se tvoří glykosidické vazby mezi jejich 1 dusíkem a 1 '-OH deoxyribózy. Pro purinové i pyrimidinové báze tvoří fosfátová skupina vazbu s deoxyribózovým cukrem prostřednictvím esterové vazby mezi jednou ze svých negativně nabitých kyslíkových skupin a 5' -OH cukru. Polarita v DNA a RNA je odvozena od atomů kyslíku a dusíku v páteři. Nukleové kyseliny se tvoří, když se nukleotidy spojují prostřednictvím fosfodiesterových vazeb mezi 5 'a 3' atomy uhlíku. Sekvence nukleové kyseliny je pořadí nukleotidů v DNA (GACT) nebo RNA (GACU) molekuly, která je určena řadou písmen. Sekvence jsou uvedeny od 5 'do 3' konce a určují kovalentní strukturu celé molekuly. Sekvence mohou být komplementární k jiné sekvenci v tom, že báze v každé poloze je komplementární, stejně jako v opačném pořadí. Příkladem komplementární sekvence k AGCT je TCGA. DNA je dvouvláknová obsahující jak sense vlákno, tak antisense vlákno. Komplementární sekvence bude tedy ve smyslu řetězce.

Návrh nukleové kyseliny lze použít k vytvoření komplexů nukleových kyselin s komplikovanými sekundárními strukturami, jako je tato čtyřramenná křižovatka. Tato čtyři vlákna se sdružují do této struktury, protože maximalizuje počet správných párů bází , přičemž As odpovídá TS a Cs odpovídá Gs . Obrázek z Mao, 2004.

Komplexy s ionty alkalických kovů

Na nukleových kyselinách existují tři potenciální skupiny vázající kovy: fosfátové, cukrové a zásadité skupiny. Byla přezkoumána struktura komplexů v pevné fázi s ionty alkalických kovů.

Sekundární struktura

DNA

Sekundární struktura je soubor interakcí mezi bázemi, tj. Které části vláken jsou navzájem spojeny. U dvojité šroubovice DNA jsou dvě vlákna DNA držena pohromadě vodíkovými vazbami . Tyto nukleotidy na jeden pramen párů bází s nukleotidem na druhém vláknu. Sekundární struktura je zodpovědná za tvar, který má nukleová kyselina. Báze v DNA jsou klasifikovány jako puriny a pyrimidiny . Puriny jsou adenin a guanin . Puriny se skládají z dvojité kruhové struktury, šestičlenného a pětičlenného kruhu obsahujícího dusík. Pyrimidiny jsou cytosin a tymin . Má strukturu jednoho kruhu, šestičlenný kruh obsahující dusík. Purinová báze se vždy páruje s pyrimidinovou bází (páry guaninu (G) s cytosinem (C) a páry adenin (A) s thyminem (T) nebo uracilem (U)). Sekundární struktura DNA je převážně určena párováním bází dvou polynukleotidových vláken obalených kolem sebe za vzniku dvojité šroubovice . Ačkoli jsou tyto dva prameny zarovnány vodíkovými vazbami v párech bází, silnější síly, které drží dva prameny pohromadě, stohují interakce mezi bázemi. Tyto stohovací interakce jsou stabilizovány Van der Waalsovými silami a hydrofobními interakcemi a vykazují velké množství lokální strukturální variability. Ve dvojité šroubovici jsou také dvě drážky, které se na základě jejich relativní velikosti nazývají hlavní drážka a vedlejší drážka .

RNA

Příklad sekundární struktury RNA. Tento obrázek obsahuje několik strukturálních prvků, včetně; jednovláknové a dvouvláknové oblasti, boule, vnitřní smyčky a vlásenky. Dvouvláknová RNA tvoří šroubovicovou strukturu typu A, na rozdíl od běžné konformace typu B odebrané dvouvláknovými molekulami DNA.

Sekundární struktura RNA se skládá z jednoho polynukleotidu. K párování bází v RNA dochází, když se RNA složí mezi komplementární oblasti. V molekulách RNA se často nacházejí jednovláknové i dvouvláknové oblasti.

Čtyři základní prvky v sekundární struktuře RNA jsou:

• Helices
• Vyboulení
• Smyčky
• Spoje

Antiparalelní prameny tvoří šroubovicový tvar. Vypukliny a vnitřní smyčky jsou tvořeny oddělením dvojitého šroubovicového traktu buď na jednom vláknu (vyboulení), nebo na obou vláknech (vnitřní smyčky) nepárovými nukleotidy.

Kmenová smyčka nebo vlásenka je nejběžnějším prvkem sekundární struktury RNA. Kmenová smyčka se vytvoří, když se řetězce RNA složí zpět na sebe a vytvoří dvojitý šroubovicový trakt nazývaný 'kmen', nepárové nukleotidy tvoří jednovláknovou oblast nazývanou 'smyčka'. Tetraloop je čtyři-páry bází vlásenkové RNA struktura. V ribozomální RNA existují tři běžné rodiny tetraloopů: UNCG , GNRA a CUUG ( N je jeden ze čtyř nukleotidů a R je purin). UNCG je nejstabilnější tetraloop.

Pseudoknot je sekundární struktura RNA, která byla poprvé identifikována u viru žluté mozaiky tuřínu . Pseudoknoty se vytvářejí, když nukleotidy z páru vlásenka-smyčka s jednovláknovou oblastí mimo vlásenku vytvoří šroubovicový segment. Nejlepší jsou charakterizovány pseudoknoty typu H. V záhybu typu H nukleotidy v páru vlásenka-smyčka se základnami mimo vlásenku tvoří druhou stopku a smyčku. To způsobuje tvorbu pseudoknotů se dvěma stonky a dvěma smyčkami. Pseudoknoty jsou funkční prvky ve struktuře RNA, které mají různou funkci a nacházejí se ve většině tříd RNA.

Sekundární strukturu RNA lze předpovědět experimentálními údaji o prvcích sekundární struktury, šroubovicích, smyčkách a výdutích. Pro srovnávací predikci pseudoknotů se používá metoda DotKnot-PW. Hlavními body metody DotKnot-PW je vyhodnocení podobností nalezených u stonků, sekundárních prvků a pseudoknotů typu H.

Terciární struktura

Struktura a základy DNA

Boční pohled ABZ-DNA

Terciární struktura se týká umístění atomů v trojrozměrném prostoru, s přihlédnutím k geometrickým a sterickým omezením. Je to vyšší řád než sekundární struktura, ve které dochází k velkému skládání v lineárním polymeru a celý řetězec je složen do specifického trojrozměrného tvaru. Existují 4 oblasti, ve kterých se strukturální formy DNA mohou lišit.

1. Handedness - vpravo nebo vlevo
2. Délka otáčení šroubovice
3. Počet párů bází za tah
4. Rozdíl ve velikosti mezi hlavní a vedlejší drážkou

Terciární uspořádání dvojité šroubovice DNA v prostoru zahrnuje B-DNA , A-DNA a Z-DNA .

B-DNA je nejběžnější formou DNA in vivo a je užší, prodlouženou šroubovicí než A-DNA. Jeho široká hlavní drážka ho činí přístupnějším pro bílkoviny. Na druhou stranu má úzkou menší drážku. K příznivým konformacím B-DNA dochází při vysokých koncentracích vody; zdá se, že hydratace vedlejší drážky zvýhodňuje B-DNA. Páry bází B-DNA jsou téměř kolmé na osu šroubovice. Cukrovka, která určuje tvar a-šroubovice, ať už bude šroubovice existovat ve formě A nebo ve formě B, se vyskytuje na C2'-endo.

A-DNA , je forma duplexu DNA pozorovaného za dehydratačních podmínek. Je kratší a širší než B-DNA. RNA přijímá tuto dvojitou šroubovicovou formu a duplexy RNA-DNA jsou většinou A-formy, ale byly pozorovány B-formy RNA-DNA duplexy. V lokalizovaných jednořetězcových dinukleotidových kontextech může RNA také přijmout B-formu bez párování s DNA. A-DNA má hlubokou, úzkou hlavní drážku, díky které není snadno dostupná pro bílkoviny. Na druhou stranu je jeho široká, mělká malá drážka přístupná proteinům, ale s nižším obsahem informací než hlavní drážka. Jeho oblíbená konformace je při nízkých koncentracích vody. Páry bází A-DNA jsou nakloněny vzhledem k ose šroubovice a jsou z osy posunuty. Cukrář se vyskytuje na C3'-endo a v RNA 2'-OH inhibuje C2'-endo konformaci. A-DNA, dlouho považovaná za něco více než laboratorní umělost, je nyní známá tím, že má několik biologických funkcí .

Z-DNA je relativně vzácná levotočivá dvoušroubovice. Vzhledem ke správné sekvenci a superhelickému napětí může být vytvořen in vivo, ale jeho funkce je nejasná. Má užší, prodlouženou šroubovici než A nebo B. Hlavní drážka Z-DNA ve skutečnosti není drážka a má úzkou vedlejší drážku. K nejoblíbenější úpravě dochází, když jsou vysoké koncentrace solí. Existují určité substituce bází, ale vyžadují střídavou sekvenci purin-pyrimidin. N2-amino GH-vazeb na 5 'PO, což vysvětluje pomalou výměnu protonů a potřebu G purinu. Páry bází Z-DNA jsou téměř kolmé na osu šroubovice. Z-DNA neobsahuje jednotlivé páry bází, ale spíše GpC opakování s PP vzdálenostmi měnícími se pro GpC a CpG. Na GpC stacku je dobré překrytí základny, zatímco na CpG stacku je menší překrývání. Cikcaková páteř Z-DNA je dána konformací cukru C kompenzující konformaci G glykosidické vazby. Konformace G je syn, C2'-endo; pro C je to anti, C3'-endo.

Lineární molekula DNA s volnými konci se může otáčet, aby se přizpůsobila změnám různých dynamických procesů v buňce změnou, kolikrát se dva řetězce její dvojité šroubovice otočí kolem sebe. Některé molekuly DNA jsou kruhové a jsou topologicky omezené. Nedávno byla také popsána cirkulární RNA jako přirozená všudypřítomná třída nukleových kyselin, exprimovaná v mnoha organismech (viz CircRNA ).

Kovalentně uzavřená, kruhová DNA (také známá jako cccDNA) je topologicky omezena, protože počet, kolikrát se řetězce navinuté kolem sebe nemohou změnit. Tento cccDNA může být vysoce sbalené , což je terciární struktura DNA. Supercoiling se vyznačuje spojovacím číslem, kroucením a stáčením. Spojovací číslo (Lk) pro kruhovou DNA je definováno jako počet, kolikrát by jedno vlákno muselo projít druhým vláknem, aby se obě vlákna úplně oddělila. Spojovací číslo pro kruhovou DNA lze změnit pouze přerušením kovalentní vazby v jednom ze dvou řetězců. Vždy celé číslo, číslo propojení cccDNA je součtem dvou složek: zákrutů (Tw) a svinutí (Wr).

${\ displaystyle Lk = Tw+Wr}$

Zvraty udávají, kolikrát jsou dvě vlákna DNA stočena kolem sebe. Writhes je počet překračování šroubovice DNA nad sebou. DNA v buňkách je negativně nadšroubovicová a má tendenci se odvíjet. Oddělení vláken je tedy snazší v negativně superšroubovicové DNA než v uvolněné DNA. Dvě složky superšroubovicové DNA jsou solenoidové a plektonemické. Plectonemic supercoil se nachází v prokaryotech, zatímco solenoidní supercoiling je většinou vidět v eukaryotech.

Kvartérní struktura

Kvartérní struktura nukleových kyselin je podobná struktuře proteinové kvartérní struktury . Ačkoli některé koncepty nejsou úplně stejné, kvartérní struktura odkazuje na vyšší úroveň organizace nukleových kyselin. Kromě toho se týká interakcí nukleových kyselin s jinými molekulami. Nejčastěji viděná forma vyšší úrovně organizace nukleových kyselin je vidět ve formě chromatinu, který vede k jeho interakcím s histony malých proteinů . Kvartérní struktura také odkazuje na interakce mezi oddělenými jednotkami RNA v ribozomu nebo spliceosomu .

Viz také

Reference