3.4: Нуклеїнові кислоти
- Page ID
- 4382
Визначення структури найпоширенішої форми ДНК, відомої як форма В, було одним з найважливіших наукових досягнень 20 століття. Використовуючи дані Розалінди Франклін, Джеймс Уотсон та Френсіс Крик ініціювали сучасну епоху молекулярної біології своїм документом у випуску Nature 25 квітня 1953 року. Можливо, що односторінковий документ мав більший науковий вплив на слово, ніж будь-яка інша дослідницька стаття, коли-небудь опублікована. Сьогодні кожен студент біології середньої школи знає подвійну гвинтову структуру, в якій G пари з C і A пари з Т. Молекула ДНК - це полімер нуклеозидних монофосфатів з фосфодіефіровими зв'язками між фосфодіефірними зв'язками між фосфатом і 5' кінцем однієї дезоксирибози і 3' кінець наступного. У формі B спіраль ДНК має повторення 10,5 пар основ на свою чергу, при цьому цукру і фосфат утворюють ковалентний «кістяк» молекули, а аденін, гуанін, цитозин та тимін основи орієнтовані посередині, де вони утворюють тепер знайомі пари основ, які виглядають як сходинки сходів.
Водневі зв'язки допомагають утримувати пари основи разом, з двома водневими зв'язками на пару А-Т і трьома водневими зв'язками на пару G-C. Дві нитки дуплексу ДНК проходять в протилежних напрямках. 5' кінець однієї пасма в парі з 3' кінцем іншої пасма і навпаки на іншому кінці дуплексу. B-форма ДНК має видатну велику канавку та незначну канавку, що простежує шлях спіралі (показано ліворуч). Білки, такі як фактори транскрипції, зв'язуються в цих канавках і отримують доступ до водневих зв'язків пар основ, щоб «прочитати» послідовність в них.
Відомі й інші форми ДНК, крім форми В. Одна з них, форма «А», була ідентифікована Розаліндою Франклін у тому ж випуску «Природа», що і папір Уотсона та Крика. Хоча структура А є відносно незначною формою ДНК і нагадує форму B, вона виявляється важливою в дуплексній формі РНК і в гібридах РНК-ДНК. Як форма А, так і форма B ДНК мають спіраль, орієнтовану на те, що називається правша форма.
Вони стоять на відміну від іншої форми ДНК, відомої як форма Z. Z-ДНК, як відомо, має ті ж правила сполучення основи, що і форми B і A, але замість цього має спіралі, скручені в протилежному напрямку, роблячи ліву спіраль (рис.\(\PageIndex{3}\)). Форма Z має своєрідну зигзагоподібну форму, що дає назву Z ДНК. Крім того, спіраль досить витягнута в порівнянні з формами А і В. Чому існують різні форми ДНК. Відповідь стосується як супергвинтового натягу, так і зсуву послідовності. Зміщення послідовності означає, що певні послідовності, як правило, сприяють «перевертанню» ДНК форми B в інші форми. Z ДНК-формам сприяють довгі розтяжки чергуються Gs і Cs.
надгелівість
Короткі розтяжки лінійних дуплексів ДНК існують у формі B і мають 10,5 пар основ на хід. Подвійні спіралі ДНК в клітині можуть змінюватися за кількістю пар основ за хід, які вони містять. Для цього є кілька причин. Наприклад, під час реплікації ДНК нитки ДНК в місці реплікації розмотуються зі швидкістю 6000 об/хв ферментом під назвою helicase. Ефект такого локального розкручування в одному місці в ДНК має ефект збільшення звивистості попереду неї. Неполегшене таке «напруження» в дуплексі ДНК може призвести до структурних перешкод для реплікації.
Такі коригування можуть відбуватися трьома способами. По-перше, напруга може забезпечити енергію для «перевертання» структури ДНК. Z-ДНК може виникати як засіб зняття напруги. По-друге, ДНК може «суперкотушки» зняти напругу. При цьому методі пасма дуплекса можуть перетинатися один з одним неодноразово, так само, як гумка буде накручуватися, якщо одна секція тримає на місці і скручує іншу її частину. По-третє, ферменти, звані топоізомеразами, можуть діяти, щоб полегшити або, в деяких випадках, збільшити напругу шляхом додавання або видалення скруток в ДНК.
РНК структури
Що стосується структури, то РНК більш різноманітні, ніж їхні двоюрідні брати ДНК. Створені шляхом копіювання областей ДНК, клітинні РНК синтезуються як поодинокі нитки, але вони часто мають самодоповнюючі області, що призводять до «складки», що містять дуплексні області. Відмінними прикладами є структура ТРНК і РРНК. Правила сполучення основи ДНК однакові в РНК (з U в РНК замінює T з ДНК), але крім того, в РНК може відбуватися і базове сполучення між G і U. Цей останній факт призводить до набагато більше можливих дуплексних областей в РНК, які можуть існувати порівняно з окремими нитками ДНК.
Структура РНК, як і структура білка, має значення, в деяких випадках, для каталітичної функції. Як і випадкові котушки в білках, що породжують третинну структуру, одноланцюгові області РНК, які пов'язують дуплексні області, також надають цим молекулам третинну структуру. Каталітичні РНК, звані рибоцимами, каталізують важливі клітинні реакції, включаючи утворення пептидних зв'язків. ДНК, яка зазвичай присутня в клітині в строго дуплексних формах (без третинної структури, як такої), не відомо, що бере участь в каталізі.
РНК структури важливі з причин, відмінних від каталізу. 3D-розташування тРНК важливо для ферментів, які приєднують до них амінокислоти, щоб зробити це правильно. Малі РНК, звані sirNA, знайдені в ядрі клітин, як видається, відіграють роль як у регуляції генів, так і в клітинному захисті від вірусів. Ключем до механізмів цих дій є формування коротких складчастих структур РНК, які розпізнаються клітинними білками і потім подрібнюються на більш дрібні одиниці. Одна нитка копіюється і використовується для створення пари зі специфічними мРНК для запобігання синтезу білків з них.
Денатуруючі нуклеїнові кислоти
Як і білки, нуклеїнові кислоти можуть бути денатуровані. Сили, що утримують дуплекси разом, включають водневі зв'язки між основами кожної нитки, які, як і водневі зв'язки в білках, можуть бути порушені теплом або сечовиною. (Ще одна важлива стабілізуюча сила для ДНК виникає внаслідок взаємодії укладання між основами в пасмі.) Одиночні пасма поглинають світло на 260 нм сильніше, ніж подвійні (гіперхромний ефект), дозволяючи легко слідувати денатурації. Для ДНК поділ ниток та гібридизація ниток є важливими аспектами методики, відомої як полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР). Відділення ниток дуплексів ДНК здійснюється в способі шляхом нагрівання їх до кипіння. Гібридизація - важливий аспект методу, який вимагає взаємодоповнюючих окремих ниток, щоб «знайти» один одного і сформувати дуплекс. Таким чином, ДНК (і РНК теж) можуть легко ренатурувати, на відміну від більшості білків. Міркування щодо ефективної гібридизації (також званої відпалом) включають температуру, концентрацію солі, концентрацію ниток та рівні іонів магнію.
