Химическое различие между РНК и ДНК заключается в отсутствии 2'-гидроксильной группы в нуклеотидах, из которых построена ДНК. Главный эффект этого изменения, о котором я знаю, заключается в более высокой стабильности ДНК по сравнению с РНК. Но мне интересно, имеет ли это различие существенное значение для способности ДНК формировать сложные трехмерные структуры.
Известно, что РНК может образовывать сложные третичные структуры и функционировать как рибозимы. Он явно обладает способностью образовывать широкий спектр структур и может катализировать различные химические реакции.
Насколько я знаю, в природе не известны каталитические ДНК. Но в лаборатории было создано несколько синтетических ДНК-ферментов, так что в целом ДНК может образовывать каталитические структуры (см. Breaker and Joyce 1994 о первом созданном ДНК-ферменте).
Мне интересно, означает ли отсутствие 2'-OH, что ДНК имеет меньший потенциал для образования сложных структур по сравнению с РНК? Я предполагаю, что это изменяет способность создавать водородные связи, но я не знаю, значительно ли это уменьшит потенциальные структуры, которые может принять ДНК.
Чтобы убедиться, что я не сравниваю яблоки и груши, моя (попытка) ответить на вопрос будет разбита на две части: сравнение одноцепочечных и двухцепочечных нуклеиновых кислот.
И ДНК, и РНК могут образовывать сложные одноцепочечные третичные структуры, в которых элементы вторичной структуры связаны ван-дер-ваальсовыми контактами и водородными связями. Наличие 2'-гидроксильной группы заставляет рибозное кольцо предпочитать другие конформации , чем дезоксирибоза в ДНК. Кроме того, поскольку фрагмент 2'-ОН является как донором, так и акцептором водорода, он обеспечивает РНК большую гибкость для образования трехмерных сложных структур и стабильность , чтобы оставаться в одной из этих конформаций. Как отмечает Алеадам, эта статья показывает, что тРНК и ее аналог ДНК образуют сходные третичные структуры, хотя тДНК не так стабильна, как тРНК:
Поэтому мы полагаем, что глобальная конформация нуклеиновых кислот в первую очередь определяется взаимодействием пуриновых и пиримидиновых оснований с атомами и функциональными группами, общими как для РНК, так и для ДНК. С этой точки зрения 2-гидроксильная группа, по крайней мере, в тРНК, является вспомогательной структурной особенностью, роль которой ограничивается обеспечением локальных взаимодействий, повышающих стабильность данной конформации.
Эти авторы также показывают, что по крайней мере одна петля в аналоге тДНК более чувствительна к расщеплению эндонуклеазами рестрикции. В этой области тРНК имеет молекулу воды, связанную водородной связью с 2'-гидроксильной группой.
Больше таких интересных сравнений в литературе мне найти не удалось.
И ДНК, и РНК могут образовывать двухцепочечные структуры. Опять же, конформация сахара определяет форму спирали: для спирали ДНК это обычно B-форма , тогда как спиральная РНК почти во всех условиях образует A-геометрию. В спирали РНК мы находим рибозу преимущественно в С3'-эндо - конформации, поскольку 2'-ОН стерически неблагоприятен для С2'-эндо-конформации, необходимой для геометрии В-формы.
дцРНК и оцДНК часто подают клетке сигнал о том, что что-то не так. дцРНК, конечно, наблюдается в нормальных процессах, таких как РНК-интерференция, но она также может останавливать синтез белка и сигнализировать о вирусных инфекциях (ср . двухцепочечные РНК-вирусы ). Точно так же оцДНК гораздо более склонна к деградации, чем двухцепочечная ДНК, она часто сигнализирует о повреждении ДНК или инфекциях от одноцепочечных ДНК-вирусов и вызывает гибель клеток. Следовательно, из-за их функций в нормальных условиях трехмерная структура ДНК представляет собой в основном двухцепочечную спираль, тогда как РНК имеет одноцепочечную, «белкоподобную», сложную трехмерную структуру.
Это не моя область, поэтому я рискую дать здесь неправильный/неполный ответ, но я бы сказал, что критическое отличие заключается в почти полном появлении двухцепочечной ДНК, что исключает образование третичных структур в одноцепочечной РНК, а не разница 2'OH. На самом деле, и по ссылке, которую вы разместили, авторы даже комментируют во введении, что:
«Хорошо известно, что одноцепочечная ДНК может иметь интересные третичные структуры. ТРНК и ее аналог ДНК образуют очень похожие структуры [9]».
Я не следил за цитатой 9 [Paquette et al (1990), Eur. Дж. Биохим. 189,259-265] , но они, кажется, отвечают на ваш вопрос этой фразой. По сути, это, вероятно, не имеет большого значения.
Ответ полностью заключается в термодинамической стабильности, обеспечиваемой наличием 2'-ОН. Как упоминала Александра, РНК принимает только конформацию C3'-эндо, тогда как ДНК принимает как C2'-эндо, так и C3'-эндо. По сути, это делает цепь ДНК более гибкой, а не РНК. При этом одноцепочечный олигомер ДНК сможет принимать больше состояний.
Формирование спирали ДНК/РНК происходит в основном за счет энтальпии . Когда образуется спираль, РНК примет только спираль А-формы, тогда как ДНК примет как А-форму, так и В-форму. Хотя существует больше возможных конформаций ДНК, уменьшение энтропийных вкладов делает ее значительно более неблагоприятной. Интересно, что именно поэтому аналоги РНК, такие как PNA и morpholinos, обладают хорошими свойствами связывания, поскольку они будут образовывать более энтропийно стабильное спаривание оснований со своей последовательностью-мишенью.
По этим причинам это гораздо более распространено, поэтому см. Структурированные рибозимы и некодирующие РНК в природе, хотя физически возможно производить ДНКзимы. Опять же, это одна из многих причин, почему гипотеза мира РНК имеет смысл.
ОН-группа во втором положении действует как нуклеофильный катализатор расщепления РНК или ДНК, если она имеет такую группу. Поскольку ДНК должна оставаться неповрежденной на протяжении всей жизни клетки, было бы катастрофой, если бы она была расщеплена из-за 2'ОН-группы. РНК, с другой стороны, быстро расщепляется клеткой по мере необходимости без вредных последствий для генетического кода клетки, поэтому она может иметь группу ОН.
Бобтеджо