Вторична структура на нуклеинските киселини

Вторична (секундарна) структура на нуклеинските киселини — заемодејства на базните парови во склоп на еден единствен полимер на нуклеинска киселина или помеѓу два одделни полимера. Таа може да се претстави како низа на азотни бази кои се спарени во молекула на нуклеинска киселина. Вторичните структури на биолошките ДНК и РНК молекули се различни: биолошката ДНК најчесто постои како целосно базно-спарен двоверижна завојница, додека биолошката РНК е едноверижна и често формира сложени заемодејства на спарување на базите поради нејзината зголемена способност да формира водородни врски, која потекнува од дополнителната хидроксилна група во состав на рибозата.
Во небиолошки контекст, вторичната структура е од витално значење во дизајнирањето на нуклеински киселини кое се применува во ДНК нанотехнологијата и ДНК сметачите, бидејќи шемата на базното спарување ја одредува целокупната структура на молекулите.
1 Основни концепти
1.1 Спарување на бази
Во молекуларната биологија, два нуклеотида кои се наоѓаат на спротивните комплементарни ДНК или РНК вериги и се поврзани со водородни врски се нарекуваат базен пар (честопати скратено во bp). При канонското спарување на Вотсон-Крик, аденин (А) формира базен пар со тимин (Т), а гванин (Г) формира базен пар со цитозин (Ц) во ДНК. Во РНК, тиминот е заменет со урацил (У). Исто така, се јавуваат и алтернативни начини на водородно врзување, како што се wobble базното спарување и Hoogsteen базното спарување, кои најчесто се присутни во РНК и се одговорни за сложените и функционални третични структури на РНК. Значајно е што спарувањето е исто така механизам со кој кодоните на информациските РНК молекули (иРНК) се препознаваат од страна на антикодоните на транспортните РНК молекули (тРНК) за време на процесот на транслација при синтезата на белковини . Ензимите кои се врзуваат за ДНК или РНК можат да препознаат специфични шеми на базни спарувања, кои служат за идентификација на одредени генски регулаторни региони. Водородното врзување е основниот хемиски механизам на правилата за базно спарување, опишани погоре. Соодветната геометриска кореспонденција на дарителите и акцепторите на водородни врски овозможува само „вистинските“ парови да се одржат како стабилни. ДНК молекулите со висока содржина на ГЦ се постабилни од ДНК молекулите со ниска содржина на ГЦ, но, спротивно на популарното верување, водородните врски значително не ја стабилизираат ДНК молекулата, туку стабилизацијата главно се должи на напластувачките заемодејства.
Поголемите азотни бази, аденин и гванин, се членови на класата на двоциклични органски соединенија наречени пурини; додека помалите азотни бази, цитозин, тимин и урацил, се членови на класата на едноциклични органски соединенија наречени пиримидини. Пурините се комплементарни само со пиримидините: пиримидин-пиримидин паровите се енергетски нестабилни поради тоа што молекулите се премногу оддалечени за да се формира стабилна водородна врска; пурин-пурин паровите се исто така енергетски нестабилни поради тоа што молекулите се премногу блиски, што доведува до одбивни сили. Единствените други можни спарувања се ГТ и АЦ; овие спарувања се неусогласени, бидејќи шемата на водородни дарители и акцептори не одговара. Wobble базното спарување помеѓу Г и У, со помош на две водородни врски, прилично често се јавува во РНК.
1.2 Хибридизација кај нуклеинските киселини
Хибридизацијата е процес на формирање на двојна завојница (двојна спирала) преку врзување на комплементарните базни парови. Топењето е процес при кој се прекинуваат заемодејствата помеѓу веригите на двојната завојница, со што се одвојуваат двете вериги (нишки) на нуклеинската киселина. Водородните врски се релативно слаби, така да со благо загревање, дејство на ензими или физичка сила тие лесно се нарушуваат. Топењето првенствено се случува на одредени места во нуклеинската киселина. Низите богати со Т и А полесно се топат од низите богати со Г и Ц. Одредени базни скали се, исто така, подложни на топење, особено базните скали на Т А и Т Г. Овие механички одлики се рефлектираат во употребата на низи како што е TATAA на почетокот на многу гени за да ѝ се овозможи на РНК-полимеразата полесно топење на ДНК за почеток на транскрипцијата.
Одвојувањето на ДНК нишките со благо загревање, што се користи кај ПВР методот, е можно доколку молекулите имаат помалку од околу 10.000 базни парови (10 килобазни парови или 10 kbp). Преплетувањето кај подолгите ДНК вериги прави да тие потешко се одделуваат. Клетката го решава овој проблем на тој начин што ензимите за топење на ДНК (хеликази) делуваат паралелно со топоизомеразите, кои хемиски го раскинуваат фосфатниот ’рбет на една од веригите, така да може да се врти околу другата. Хеликазите ги одврзуваат веригите за да го олеснат движењето на ензимите кои ги читаат низите, како што е ДНК-полимеразата.
2 Мотиви на вторична структура
Вторичната структура на нуклеинските киселини генерално е поделена на: завои (континуирани базни парови) и разни видови на петелки (неспарени нуклеотиди опкружени со завои). Често овие елементи или нивни комбинации понатаму се класифицираат во дополнителни категории, вклучувајќи ги, на пример, тетрапетелките, псевдојазлите и стебло-петелките.
2.1 Двојна завојница
Двојната завојница е важна третична структура на нуклеинските киселини, која е интимно поврзана со вторичната структура на молекулата. Двојната завојница се образува во региони со многу последователни базни парови.
Завојницата на нуклеинска киселина е спирален полимер, најчесто десностран, кој содржи две полинуклеотидни нишки, базно спарени меѓусебе. Единечно свртување на завојницата содржи десет нуклеотиди, и содржи голем жлеб и мал жлеб, со тоа што големиот жлеб е поширок од малиот жлеб. Поради оваа разлика во ширината, белковините кои се врзуваат за ДНК најчесто тоа го прават преку големиот жлеб. Можни се повеќе форми на двојната завојница; за ДНК трите биолошки релевантни форми се А-ДНК, Б-ДНК и З-ДНК, додека РНК двојните завои имаат структури слични на А-формата на ДНК.
2.2 Структури на стебло-петелка
Структурата на ''стебло-петелка'' (честопати нарекувана „''шнола''“, англ. ''hairpin''), во која базно спарената завојница завршува со кратка неспарена петелка, е доста честа и претставува основна градбена единица за поголеми структурни мотиви, како што се структурите на детелина, кои се состојат од крстосница меѓу четири завои, а се среќаваат кај тРНК молекулите. ''Внатрешните петелки'' (кратки низи на неспарени бази во состав на подолга спарена завојница) и ''испакнатините'' (региони во кои едната верига на завојницата има дополнителни вметнати бази, додека соодветниот регион на другата верига нема) исто така се чести.
Постојат многу вторични структурни елементи од функционална важност за биолошките РНК молекули; познати примери се Rho-независните терминатори и тРНК детелината. Во тек е активно истражување за утврдување на вторичната структура на молекулите на РНА, со пристапи кои вклучуваат и експериментални и сметачки методи.
2.3 Псевдојазли
Псевдојазолот е вторична структура на нуклеинска киселина која содржи најмалку две структури на стебло-петелка, кај кои половина од едното стебло е вметнато помеѓу двете половини на другото стебло. Псевдојазлите се преклопуваат во тридимензионални конформации во облик на јазол, но не се вистински тополошки јазли. Спарувањето на базите во псевдојазлите не е добро вгнездено; т.е., постојат базни парови кои се „преклопуваат“ меѓу себе во положбата на низата. Ова го прави присуството на општи псевдојазли во низите на нуклеинските киселини невозможно да се предвиди со стандардниот метод на динамичко програмирање, кој користи рекурзивен систем за бодување за да идентификуваат спарени стебла и, следствено, не може да открие невгнездени базни парови со вообичаените алгоритми. Сепак, ограничени поткласи на псевдојазли можат да се предвидат со користење на изменети динамички програми. Поновите техники за предвидување на структура, како што е стохастичката контексно-независна граматика, исто така, не се во состојба да ги предвидат псевдојазлите.
Псевдојазлите можат да формираат различни структури со каталитичка активност, а неколку значајни биолошки процеси се посредувани од РНК молекули кои формираат псевдојазли. На пример, РНК компонентата на хуманата теломераза содржи псевдојазол кој е критичен за нејзината активност. Рибозимот на хепатит делта вирусот е добро познат пример за каталитичка РНК со псевдојазол во активното место. Иако ДНК исто така може да формира псевдојазли, тие обично не се присутни при стандардни физиолошки услови.
3 Предвидување на вторичните структури
Повеќето методи за предвидување на вторичните структури на нуклеинските киселини се засноваат на најблискиот соседен термодинамички модел. Најчеста метода за одредување на најверојатните структури на дадена полинуклеотидна низа користи алгоритам на динамичко програмирање кој ги бара оние структури со ниска слободна енергија. Алгоритмите на динамичко програмирање често забрануваат псевдојазли или други случаи каде базните парови не се целосно вгнездени, бидејќи земањето предвид на овие структури го прави сметачкиот процес екстремно тежок. Други методи, како што е стохастичката контексно-независна граматика, исто така, може да се користат за да се предвиди вторичната структура на нуклеинските киселини.
За многу РНК молекули, вторичната структура е многу поважна за нивното правилно функционирање - честопати повеќе од првичната низа. Овој факт помага во анализата на некодирачките РНК, кои понекогаш се нарекуваат „РНК-гени“. Една од апликациите на биоинформатиката е користењето на предвидени вторични структури на РНК кога во одреден геном се бараат некодирачки, но функционални форми на РНК. На пример, микроРНК молекулите имаат структури на долги стебло-петелка испрекинати со мали внатрешни петелки.
Вторичната структура на РНК има улога во РНК сплајсинг кај одредени видови. Кај луѓето и другите тетраподи, покажано е дека без белковината U2AF2, процесот на сплајсинг е инхибиран. Меѓутоа, кај рибата-зебра и другите видови на целокоскени риби процесот на РНА сплајсинг може да се одвива кај одредени гени и во отсуство на U2AF2. Ова се јавува веројатно затоа што 10% од гените на рибата-зебра имаат наизменични ТГ и АЦ базни парови на 3' позицијата на сплајсинг и 5' позицијата на сплајсинг, соодветно, на секој интрон, што ја менува вторичната структура на РНК. Ова сугерира дека вторичната структура на РНК може да влијае врз сплајсингот, потенцијално без помошта на белковините како U2AF2, за кои се сметаше дека се неопходни за одвивањето на овој процес.
4 Поврзано
*ДНК нанотехнологија
*Молекуларни модели на ДНК
*Првична структура на нуклеинските киселини
*Третична структура на нуклеинските киселини
*Четвртична структура на нуклеинските киселини