Frage:
Welche Auswirkungen hat das fehlende 2'-OH auf die Fähigkeit der DNA, 3D-Strukturen zu bilden?
Mad Scientist
2011-12-22 19:21:11 UTC
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Der chemische Unterschied zwischen RNA und DNA ist die fehlende 2'-Hydroxylgruppe in den Nukleotiden, die DNA bilden. Der mir bekannte Haupteffekt dieser Änderung ist die höhere Stabilität der DNA im Vergleich zur RNA. Ich frage mich jedoch, ob dieser Unterschied signifikante Auswirkungen auf die Fähigkeit der DNA hat, kompakte dreidimensionale Strukturen zu bilden.

Es ist bekannt, dass RNA aus komplexen Tertiärstrukturen in der Lage ist, als Ribozyme zu fungieren. Es hat eindeutig die Fähigkeit, eine breite Palette von Strukturen zu bilden und kann eine Vielzahl chemischer Reaktionen katalysieren.

Soweit ich weiß, sind keine natürlich vorkommenden katalytischen DNAs bekannt. Im Labor wurde jedoch eine Reihe synthetischer DNA-Enzyme hergestellt, sodass DNA im Allgemeinen katalytische Strukturen bilden kann (siehe Breaker und Joyce 1994 für das erste erzeugte DNA-Enzym).

Ich frage mich, ob das fehlende 2'-OH bedeutet, dass DNA im Vergleich zu RNA weniger Potenzial zur Bildung komplexer Strukturen hat. Ich stelle mir vor, dass es die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrücken verändert, aber ich weiß nicht, ob es die potenziellen Strukturen, die DNA annehmen könnte, signifikant verringern würde.


Breaker RR, Joyce GF; (Dezember 1994). "Ein DNA-Enzym, das RNA spaltet". Chem Biol. 1 (4): 223–9 sub>

Vier antworten:
#1
+13
Aleksandra Zalcman
2012-01-02 06:24:46 UTC
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Um sicherzustellen, dass ich keine Äpfel und Birnen vergleiche, wird mein (Versuch) die Frage in zwei Teile geteilt: Vergleich von einzelsträngigen und doppelsträngigen Nukleinsäuren.

Einzelstrang gestrandete DNA und RNA

Sowohl DNA als auch RNA können einzelsträngige komplexe Tertiärstrukturen bilden, in denen die Sekundärstrukturelemente über Van-der-Waals-Kontakte assoziiert sind und Wasserstoffbrücken. Das Vorhandensein einer 2'-Hydroxylgruppe führt dazu, dass der Ribosering in der DNA andere Konformationen als Desoxyribose bevorzugt. Da die 2'-OH-Einheit sowohl ein Wasserstoffdonor als auch ein Akzeptor ist, bietet sie RNA eine größere Flexibilität, um komplexe 3D-Strukturen zu bilden, und Stabilität, um in einer dieser Konformationen zu bleiben . Wie Aleadam bemerkt, zeigt dieses Papier, dass tRNA und ihr DNA-Analogon ähnliche Tertiärstrukturen bilden, obwohl tDNA nicht so stabil ist wie tRNA:

Daher geben wir an, dass das Globale Die Konformation von Nukleinsäuren wird hauptsächlich durch die Wechselwirkung von Purin- und Pyrimidinbasen mit Atomen und funktionellen Gruppen bestimmt, die sowohl RNA als auch DNA gemeinsam haben. In dieser Ansicht ist die 2-Hydroxylgruppe, zumindest in tRNA, ein Hilfsstrukturmerkmal, dessen Rolle auf die Förderung lokaler Wechselwirkungen beschränkt ist, die die Stabilität einer bestimmten Konformation erhöhen.

Diese Autoren zeigen auch, dass mindestens eine Schleife im tDNA-Analogon anfälliger für die Spaltung durch eine Restriktionsendonuklease ist. In dieser Region hat die tRNA ein Wassermolekül, das an eine 2'-Hydroxylgruppe wasserstoffgebunden ist.

Ich konnte in der Literatur keine derart interessanteren Vergleiche finden.

Doppelsträngige DNA und RNA

Sowohl DNA als auch RNA können doppelsträngige Strukturen bilden. Wiederum bestimmt die Zuckerkonformation die Form der Helix: Für die DNA-Helix ist es normalerweise B-Form, während helikale RNA unter fast allen Bedingungen eine A-Geometrie bildet. In der RNA-Helix finden wir die Ribose vorwiegend in der C3'-Endo -Konformation, da 2'-OH die für die Geometrie der B-Form notwendige C2'-Endo-Konformation sterisch ablehnt.

Physiologische Bedeutung

dsRNA und ssDNA geben der Zelle häufig ein Signal, dass etwas nicht stimmt. dsRNA tritt natürlich bei normalen Prozessen wie der RNA-Interferenz auf, kann aber auch die Proteinsynthese stoppen und Virusinfektionen signalisieren (vgl. doppelsträngige RNA-Viren). In ähnlicher Weise ist ssDNA viel anfälliger für Abbau als dsDNA, sie signalisiert häufig eine Schädigung der DNA oder Infektionen durch einzelsträngige DNA-Viren und induziert den Zelltod. Aufgrund ihrer Funktionen ist die DNA-3D-Struktur unter normalen Bedingungen meist eine doppelsträngige Helix, während die RNA eine einzelsträngige, "proteinartige", komplexe 3D-Struktur aufweist.

Diese Antwort ist aus verschiedenen Gründen falsch. Zum einen wird die Einschätzung getroffen, dass RNA flexibler ist. Es ist nicht; DNA ist. Die im Aleadam-Artikel beschriebene Rolle ist daher minimal. Die Kommentare zur Verschlechterung haben wenig mit der Fähigkeit zu tun, 3D-Strukturen zu übernehmen. Es ist eher ein Spiegelbild des Vorhandenseins spezifischer Abwehrmechanismen über DNasen und RNasen.
#2
+6
Aleadam
2011-12-22 23:54:51 UTC
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Dies ist nicht mein Fachgebiet, daher riskiere ich hier eine falsche / unvollständige Antwort, aber ich würde sagen, dass der entscheidende Unterschied das fast vollständige Auftreten doppelsträngiger DNA ist, das die Bildung der Tertiärstrukturen in Einzel- ausschließt. gestrandete RNA anstelle des 2'OH-Unterschieds. Tatsächlich und nach dem von Ihnen geposteten Link kommentieren die Autoren in der Einleitung sogar Folgendes:

"Es ist bekannt, dass einzelsträngige DNA interessante Tertiärstrukturen annehmen kann. Eine tRNA und ihre DNA analoge Form sehr ähnliche Strukturen [9] ".

Ich folgte nicht dem Zitat 9 [Paquette et al. (1990), Eur. J. Biochem. 189,259-265], aber sie scheinen Ihre Frage mit diesem Satz zu beantworten. Im Wesentlichen hat es wahrscheinlich keine wesentlichen Auswirkungen.

#3
+3
bobthejoe
2012-01-23 16:40:20 UTC
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Die Antwort liegt vollständig in der thermodynamischen Stabilität, die mit einem 2'-OH versehen ist. Wie von Aleksandra erwähnt, nimmt RNA nur die C3'-Endo-Konformation an, während DNA sowohl das C2'-Endo als auch das C3'-Endo annimmt. Dies macht den DNA-Strang effektiv flexibler als RNA. Auf diese Weise kann ein einzelsträngiges DNA-Oligomer mehr Zustände annehmen. Die DNA / RNA-Helixbildung wird überwiegend enthalpisch gesteuert. Wenn sich eine Helix bildet, nimmt die RNA nur eine Helix in A-Form an, während die DNA sowohl eine A-Form als auch eine B-Form annimmt. Während es mehr mögliche Konformationen für DNA gibt, macht die Verringerung der entropischen Beiträge es signifikant ungünstiger. Interessanterweise haben RNA-Analoga wie PNA und Morpholinos deshalb gute Bindungseigenschaften, da sie mit ihrer Zielsequenz eine entropisch stabilere Basenpaarung bilden.

Aus diesen Gründen ist dies viel häufiger der Fall, siehe strukturierte Ribozyme und nicht-kodierende RNAs in der Natur, obwohl es physikalisch möglich ist, DNAzyme zu produzieren. Auch dies ist einer der vielen Gründe, warum die RNA-Welthypothese sinnvoll ist.

#4
-1
ChemWizzard
2016-05-23 22:38:37 UTC
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Die OH-Gruppe in den beiden Positionen wirkt als nukleophiler Katalysator für die Spaltung von RNA oder DNA, wenn sie eine solche Gruppe aufweist. Da DNA während des gesamten Lebens einer Zelle intakt bleiben muss, wäre es katastrophal, wenn sie aufgrund der 2'OH-Gruppe gespalten würde. Andererseits wird RNA nach Bedarf von der Zelle schnell gespalten, ohne dass sich dies nachteilig auf den genetischen Code der Zelle auswirkt, so dass sie eine OH-Gruppe haben kann
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