Sekundarna struktura nukleinske kiseline

**Sekundarna struktura nukleinske kiseline** je interakcija baznih parova unutar jednog polimera nukleinske kiseline ili između dva polimera. Može se predstaviti kao lista baza koje su sparene u molekuli nukleinske kiseline.

Sekundarne strukture bioloških DNK i RNK se obično razlikuju: biološka DNK uglavnom postoji kao potpuno par bazaizgrađene dvostruke spirale, dok je biološka RNK jednolančana i često formira složene i zamršene interakcije sparivanja baza zbog svoje povećane sposobnosti formiranja vodikovih veza koje proizlaze iz dodatne hidroksilnegrupe u riboznom šećeru.

U nebiološkom kontekstu, sekundarna struktura je vitalno razmatranje u dizajnu nukleinskih kiselina struktura nukleinskih kiselina za DNK nanotehnologiju i DNK računarstvo, budući da obrazac sparivanja baza u konačnici određuje ukupnu strukturu molekula.

## Osnovni koncepti
### Sparivanje baza
U molekulskoj biologiji, dva nukleotida na suprotnim komplementarnim DNK ili RNK lancima koji su povezani putem vodikove veze nazivaju se bazni par (često skraćeno bp). U kanonskom Watson-Crickovom sparivanju baza, adenin (A) formira bazni par sa timinom (T), a guanin (G) formira jedan sa citozinom (C) u DNK. U RNK, timin je zamijenjen sa uracilom (U). Alternativni obrasci vodikovih veza, kao što su voljutavi bazni par i Hoogsteenov bazni par, također se javljaju - posebno u RNK - što dovodi do složenih i funkcionalnih tercijarnih struktura nukleinske kiseline. Važno je napomenuti da je sparivanje mehanizam kojim se kodoni na molekulama informacijske RNK prepoznaju od strane antikodon ana transfernoj RNK tokom translacije proteina. Neki enzimi koji vežu DNK ili RNK mogu prepoznati specifične obrasce sparivanja baza koji identificiraju određene regulatorne regije gena.
Vodikovo vezivanje je hemijski mehanizam koji je u osnovi gore opisanih pravila sparivanja baza. Odgovarajuća geometrijska korespondencija donora i akceptora vodikovih veza omogućava stabilno formiranje samo "pravih" parova. DNK sa visokim sadržajem GC je stabilnija od DNK sa niskim GC-sadržajem, ali suprotno uvriježenom mišljenju, vodikove veze ne stabilizuju značajno DNK i stabilizacija je uglavnom posljedica slaganja interakcija.

Veće nukleobaze, adenin i guanin, pripadaju klasi dvostruko prstenastih hemijskih struktura koje se nazivaju purini; manje nukleobaze, citozin i timin (i uracil), pripadaju klasi jednostruko prstenastih hemijskih struktura koje se nazivaju pirimidini. Purini su komplementarni samo s pirimidinima: pirimidin-pirimidinski parovi su energetski nepovoljni jer su molekule previše udaljene da bi se uspostavile vodikove veze; purin-purinski parovi su energetski nepovoljni jer su molekule preblizu, što dovodi do odbijanja preklapanja. Jedini drugi mogući parovi su GT i AC; ovi parovi su neusklađeni jer se obrazac donora i akceptora vodika ne podudara. GU voljuta baza, s dvije vodikove veze, prilično se često javlja u RNK.

### Slaganje baza 
Stabilnost heliksa ne dolazi samo od vodikovih veza između baza, već i od slaganja interakcije između aromatskih prstenova baza, posebno kada su prstenovi paralelni jedan drugom. Na običnom dvostrukom heliksu, susjedne četiri baze dva lanca mogu imati ove tipove stabilizacije slaganjem:
* Slaganje unutar lanca se dešava između dvije susjedne baze istog lanca, poput dvije kraće ivice pravougaonika (parovi baza su "duže" ivice).
* Slaganje između lanaca se dešava između dvije susjedne baze različitih lanaca, poput dijagonala na pravougaoniku.

Zbog slaganja baza, opisi zašto i kako se RNK savija - što je sastavni dio predviđanja u koje oblike se savijaju - obično dolaze u dijelovima takozvanih fragmenata "najbližeg susjeda" kako bi se objasnilo i slaganje i sparivanje baza.

### Hibridizacija nukleinskih kiselina
Hibridizacija je proces vezivanja komplementarnih baznih parova, kako bi se formirala dvostruka spirala. Topljenje je proces kojim se prekidaju interakcije između lanaca dvostruke spirale, razdvajajući dva lanca nukleinske kiseline. Ove veze su slabe i lahko se razdvajaju blagim zagrijavanjem, enzimima ili fizičkom silom. Topljenje se preferencijalno događa na određenim tačkama u nukleinskoj kiselini. Sekvence bogate **T** i **A** se lakše tope od regija bogatih **C** i **G**, jer su dvije vodikove veze slabije od tri. Određeni bazni koraci su također podložni topljenju DNK, posebno **TA** i **TG** bazni koraci, jer je slaganje slabije. Ove mehaničke karakteristike se odražavaju u upotrebi sekvenci kao što je **TATAA** na početku mnogih gena kako bi se pomoglo RNK-polimerazi u topljenju DNK za transkripciju.

Razdvajanje lanaca blagim zagrijavanjem, kao što se koristi u PCR, je jednostavno pod uslovom da molekule imaju manje od oko 10.000 baznih parova (10 kilobaznih parova ili 10 kbp). Ispreplitanje lanaca DNK otežava odvajanje dugih segmenata. Ćelija izbjegava ovaj problem tako što dozvoljava svojim enzimima za razlaganje DNK (helikaze) da rade istovremeno sa topoizomerazama, koje mogu hemijski cijepati fosfatni lanac jednog od lanaca tako da se on može okretati oko drugog. Helikaze odmotavaju lance kako bi olakšale napredovanje enzima za čitanje sekvenci kao što je DNK-polimeraza.

## Reprezentacija 
Najosnovniji način za opisivanje sekundarne strukture RNK je putem notacije sa tačkastim zagradama. Nesparene baze su označene kao tačke; sparene baze su označene kao parovi zagrada. U strukturi bez pseudočvorova, ovo rezultira urednim nizom uravnoteženih zagrada. Pseudočvorovi ovise mogu predstaviti kao različite vrste zagrada. Svaki znak niza sa tačkastim zagradama opisuje jednu bazu, stoga bi trebala imati istu dužinu kao i nukleinska kiselina. 
Drugi način predstavljanja jedne strukture kao niza iste širine kao i sekvenca nukleinske kiseline naziva se BEAR.

Sparivanje baza se također može posmatrati dvodimenzijski kao "tačkasti dijagram" kvadratne matrice (u općoj vizualizaciji podataka, ovo je najsličnije dvodimenzijskoj toplotnoj mapi). Kod jedne strukture, tačke jednostavno imaju dvije vrijednosti i predstavljaju sparivanje. Snaga tačkastih dijagrama je njihova sposobnost da predstave skup struktura, pri čemu veličine tačaka odgovaraju nekom svojstvu baznog para kao što su pouzdanost, snaga ili učestalost u skupu.

## Motivi sekundarne strukture
[thumb| Glavna nukleinska kiselina [Dvostruka spirala nukleinske kiseline|strukture spirala (A-, B- i Z-oblik)]]
Sekundarna struktura nukleinske kiseline se generalno dijeli na spirala (susjedne bazne parove; "drške") i različite vrste petlji (nespareni nukleotidi okruženi spiralama). Često se ovi elementi, ili njihove kombinacije, dalje klasifikuju u dodatne kategorije, uključujući, na primjer, tetrapetlje, pseudoknot i petlje stabljike. Topološki pristupi se mogu koristiti za kategorizaciju i poređenje složenih struktura koje nastaju kombinovanjem ovih elemenata u različitim aranžmanima.

### Dvostruka spirala 
Dvostruka spirala je važna tercijarna struktura u molekulama nukleinske kiseline koja je blisko povezana sa sekundarnom strukturom molekula. Dvostruka spirala se formira od regija mnogih uzastopnih baznih parova.

Dvostruka spirala nukleinske kiseline je spiralni polimer, obično desnog smjera, koji sadrži dva nukleotidna lanca koji su bazni par zajedno. Jedan zavoj spirale čini oko deset nukleotida i sadrži glavni i mali žlijeb, pri čemu je glavni žlijeb širi od manjeg žlijeba. S obzirom na razliku u širini glavnog i malog žlijeba, mnogi proteini koji se vežu za DNK to čine kroz širi glavni žlijeb.   Mogući su mnogi dvostruko-spiralni oblici; za DNK tri biološki relevantna oblika su A-DNK, B-DNK i Z-DNK, dok dvostruke spirale RNK imaju strukture slične A obliku DNK.

### Strukture matične petlje 
[thumb| Sekundarna struktura RNK [petlja-matica

Sekundarna struktura molekula nukleinske kiseline često se može jedinstveno rastaviti na petlje i matrice. Struktura petlja-matica (također se često naziva "ukosnica"), u kojoj se heliks sa sparenim bazama završava kratkom nesparenom petljom, izuzetno je česta i predstavlja gradivni blok za veće strukturne motive kao što su strukture lista djeteline, koje su spojevi sa četiri spirale poput onih koji se nalaze u transfer RNK. Unutrašnje petlje (kratak niz nesparenih baza u dužoj sparenoj spirali) i izbočine (regije u kojima jedan lanac spirale ima "dodatne" umetnute baze bez pandana u suprotnom lancu) također su česte.

Postoje mnogi elementi sekundarne strukture od funkcionalne važnosti za biološke RNK; neki poznati primjeri su Rho-nezavisni terminator petlje-matice i tRNK list djeteline. Aktivna istraživanja su u toku kako bi se odredila sekundarna struktura molekula RNK, s pristupima koji uključuju i eksperimentalne i računarske metode (pogledajte također Lista softvera za predviđanje strukture RNK).

### Pseudočvotovi 
[thumb|300px| Struktura RNK [pseudoknota. Naprimjer, RNK komponenta ljudske telomeraze.]]

Pseudočvor je sekundarna struktura nukleinske kiseline koja sadrži najmanje dvije strukture petlja-matica  u kojima je polovina jedne matrice interkalirana između dvije polovine druge matrice. Pseudočvorovi se savijaju u trodimenzionalne konformacije u obliku čvora, ali nisu pravi topološki čvorovi. Bazni par u pseudočvorovima nije dobro ugniježđen; to jest, javljaju se bazni parovi koji se "preklapaju" u položaju sekvence. Zbog toga je prisustvo općih pseudočvorova u sekvencama nukleinskih kiselina nemoguće Predviđanje standardnim metodom dinamičkog programiranja, koji koristi rekurzivni sistem bodovanja za identifikaciju uparenih matrica i posljedično ne može detektovati neugniježđene bazne parove uobičajenim algoritmima. Međutim, ograničene potklase pseudočvorova mogu se predvidjeti korištenjem modificiranih dinamičkih programa.
Novije tehnike predviđanja strukture, kao što su stohastička gramatika bez konteksta, također ne mogu uzeti u obzir pseudočvorove.

Pseudočvorovi mogu formirati različite strukture s katalitskom aktivnošću. i nekoliko važnih bioloških procesa oslanja se na molekule RNK koje formiraju pseudočvorove. Naprimjer, RNK komponenta ljudske telomeraze sadrži pseudočvor koji je ključan za njenu aktivnost. Group I intron is another example of catalytic RNA with multiple pseudoknots, such as P3 and P7 in the catalytic domain, and auxiliary subclass-specific pseudoknots that provide additional structural support. Iako DNK može formirati i pseudočvorove, oni uglavnom nisu prisutni u standardnim fiziološkim stanjima.

## Predviđanje sekundarne strukture
Većina metoda za predviđanje sekundarne strukture nukleinske kiseline oslanja se na termodinamički model najbližeg susjeda. Uobičajeni metod za određivanje najvjerovatnijih struktura na osnovu niza nukleotida koristi algoritam dinamičkog programiranja koji traži strukture sa niskom slobodnom energijom. Algoritmi dinamičkog programiranja često zabranjuju pseudočvor ili druge slučajeve u kojima bazni parovi nisu u potpunosti ugniježđeni, jer razmatranje ovih struktura postaje računski vrlo skupo čak i za male molekule nukleinske kiseline. Drugi metodi, poput stohastičke gramatike bez konteksta, također se mogu koristiti za predviđanje sekundarne strukture nukleinske kiseline.

Za mnoge molekule RNK, sekundarna struktura je vrlo važna za ispravnu funkciju RNK - često više od samog slijeda. Ova činjenica pomaže u analizi nnekodirajućih RNK koje se ponekad nazivaju "RNK geni". Jedna primjena bioinformatike koristi predviđene sekundarne strukture RNK u pretraživanju genoma za nekodirajuće, ali funkcionalne oblike RNK. Naprimjer, mikroRNK imaju kanonske duge strukture petlji stabljike prekinute malim unutrašnjim petljama.

Sekundarna struktura RNK primjenjuje se u splajsovanju RNK kod određenih vrsta. Kod ljudi i drugih tetrapoda, pokazano je da je bez proteina U2AF2 proces splajsovanja inhibiran. Međutim, kod zebrice i drugih teleostea riba, proces spajanja RNK se i dalje može odvijati na određenim genima u odsustvu U2AF2. To može biti zato što 10% gena kod zebrice ima naizmjenične TG i AC bazne parove na 3' mjestu spajanja (3'ss) i 5' mjestu spajanja (5'ss) respektivno na svakom intronu, što mijenja sekundarnu strukturu RNK. Ovo sugerira da sekundarna struktura RNK može utjecati na spajanje, potencijalno bez upotrebe proteina poput U2AF2 za koje se smatra da su potrebni za spajanje.

## Određivanje sekundarne strukture
Sekundarna struktura RNK može se odrediti iz atomskih koordinata (tercijarna struktura) dobijenih rendgenskom kristalografijom, često pohranjenom u Banci podataka o proteinima. Trenutne metode uključuju 3DNA/DSSR  and MC-annotate.

## Također pogledajte
*Molekularna genetika
*DNK-nanotehnologija
*Molekularni modeli DNK
*DiProDB. Baza podataka je dizajnirana za prikupljanje i analizu termodinamičkih, strukturnih i drugih svojstava dinukleotida.
*RNAK CoSSMos

## Reference
## Vanjski linkovi
*MDDNA: Structural Bioinformatics of DNA
*Abalone &mdash; Commercial software for DNA modeling
*DNAlive: a web interface to compute DNA physical properties. Also allows cross-linking of the results with the UCSC Genome browser and DNA dynamics.

Kategorija:DNK
Kategorija:Biofizika
Kategorija:Molekularna genetika
Kategorija:RNK