La struttura secondaria di un acido nucleico corrisponde alla forma ottenuta dalle interazioni tra coppie di basi in un singolo polimero di acido nucleico o tra due di questi polimeri. Questa struttura può essere rappresentata come un elenco di basi accoppiate con una molecola di acido nucleico. Le strutture secondarie del DNA biologico e dell'RNA tendono ad essere diverse: il DNA biologico esiste prevalentemente sotto forma di una doppia elica in cui tutte le basi sono accoppiate, mentre l'RNA biologico è a singolo filamento e spesso forma interazioni tra coppie di basi piuttosto complesse a causa della sua maggiore capacità di formare legami idrogeno dal gruppo idrossile esterno a ciascun ribosio .
In un contesto non biologico, la struttura secondaria è un dato importante da considerare nella progettazione di strutture di acidi nucleici nel campo delle nanotecnologie del DNA e dei computer del DNA , poiché il modello di accoppiamento delle basi determina la struttura complessiva delle molecole degli acidi nucleici .
In biologia molecolare , due nucleotidi situati su filamenti complementari di DNA o RNA e collegati da legami idrogeno sono chiamati "coppia di basi" (spesso abbreviato in bp, o bp per anche base in inglese). Nell'accoppiamento canonico di Watson e Crick , l' adenina (A) forma una coppia di basi con la timina (T) e la guanina (G) forma una coppia di basi con la citosina (C) nel DNA. Nell'RNA, la timina è sostituita dall'uracile (U). Motivi alternativi di legame idrogeno, come l' accoppiamento di oscillazione e l'accoppiamento di Hoogsteen , possono anche verificarsi, in particolare nell'RNA, dando origine a strutture terziarie funzionali e complesse. Abbinamento è importante perché costituisce il meccanismo con cui codoni di mRNA sono riconosciuti da anticodoni di tRNA durante traduzione in proteine. Alcuni enzimi di legame del DNA o dell'RNA possono riconoscere specifici modelli di accoppiamento che identificano particolari regioni di regolazione genica . Il fenomeno del legame idrogeno è il meccanismo chimico alla base delle regole di accoppiamento di base sopra descritte. Una corretta corrispondenza geometrica tra i donatori di legami idrogeno e gli accettori consente solo a coppie "buone" di formarsi stabilmente. Il DNA con un contenuto GC elevato è più stabile del DNA con un contenuto GC inferiore, ma contrariamente alla credenza popolare, i legami idrogeno non stabilizzano il DNA in modo significativo; questa stabilizzazione è principalmente dovuta alle interazioni di impilamento.
Le basi più grandi , vale a dire adenina e guanina, sono membri di una classe di strutture chimiche a doppio anello chiamate purine ; le basi più piccole, vale a dire citosina e timina (e uracile), sono membri di una classe di semplici strutture chimiche ad anello chiamate pirimidine . Le purine sono complementari solo alle pirimidine: gli accoppiamenti pirimidina-purina sono energeticamente sfavorevoli perché le molecole sono troppo distanti per poter stabilire un legame idrogeno; gli accoppiamenti purina-purina sono energeticamente sfavorevoli perché le molecole sono troppo vicine, con conseguente repulsione per sovrapposizione. Gli unici altri abbinamenti possibili sono GT e AC; questi accoppiamenti non corrispondono perché il modello di donatori e accettori di idrogeno non corrisponde. L' oscillazione della coppia GU, con due legami idrogeno, non si verifica molto spesso nell'RNA.
L'ibridazione è il processo di legame di coppie di basi complementari per formare una doppia elica. La fusione è il processo mediante il quale vengono interrotte le interazioni tra i fili della doppia elica, che separa i due fili dell'acido nucleico. Questi legami sono deboli, facilmente separati da un leggero aumento di temperatura , enzimi o forza fisica. La fusione avviene preferibilmente in certi punti a livello dell'acido nucleico. Le sequenze ricche di T e A sono più sensibili alla fusione rispetto alle regioni ricche di C e G. Particolari passaggi di base sono anche sensibili alla fusione del DNA, in particolare i passaggi TA e TG. Queste caratteristiche meccaniche sono evidenziate dall'uso di sequenze come scatole TATA all'inizio di molti geni per aiutare la RNA polimerasi a "fondere" il DNA per iniziare la trascrizione.
La separazione dei filamenti mediante riscaldamento delicato, come avviene nella PCR , è semplice fintanto che le molecole sono inferiori a 10.000 paia di basi (10 kilo (paia di basi) o 10 k (p) b). L'intreccio dei filamenti di DNA rende difficile separare i segmenti lunghi. La cellula aggira questo problema consentendo ai suoi enzimi di fusione del DNA ( elicasi ) di lavorare in parallelo con le topoisomerasi , che possono scindere chimicamente la spina dorsale di fosfato di uno dei filamenti in modo tale che possa ruotare attorno all'altro. Le elicasi srotolano i fili per facilitare l'avanzamento degli enzimi di lettura della sequenza come la DNA polimerasi .
La struttura secondaria di un acido nucleico è generalmente divisa in due eliche (coppie di basi contigue) e vari tipi di anelli (nucleotidi spaiati circondati da eliche). Frequentemente, questi elementi, o una combinazione di questi elementi, possono quindi essere classificati, ad esempio tetraboucle , pseudonodi e anelli del gambo .
La doppia elica è un'importante struttura terziaria nelle molecole di acido nucleico, intimamente connessa con la struttura secondaria della molecola. Una doppia elica è formata da regioni costituite da più coppie di basi consecutive.
La doppia elica dell'acido nucleico è un polimero a spirale, solitamente destrogiro , contenente due filamenti di nucleotidi le cui coppie di basi corrispondono tra loro. Un singolo giro dell'elica è lungo circa 10 nucleotidi e contiene una cavità maggiore e una cavità minore, il dito medio è più largo del minore. A causa di questa differenza, molte proteine che si legano al DNA lo fanno alla depressione principale. Sono possibili diverse forme di doppia elica; per il DNA, le tre forme biologicamente rilevanti sono DNA A , DNA B e DNA Z , mentre le doppie eliche dell'RNA hanno strutture simili alla forma A del DNA.
La struttura secondaria delle molecole di acido nucleico può spesso essere scomposta solo in barre e anelli. La struttura stelo-loop, in cui un'elica contenente basi accoppiate termina in un piccolo anello spaiato, è estremamente comune e forma un mattone per modelli strutturali più grandi come le strutture a foglia di trifoglio, che sono giunzioni a quattro eliche come quelle che si trovano nei tRNA. Sono comuni anche i loop interni (piccole serie di basi spaiate in un'elica contenente più basi appaiate) e le protuberanze (regioni in cui un filo di un'elica ha basi "extra" inserite senza corrispondenza nel filo opposto).
Ci sono molti elementi strutturali secondari di importanza funzionale negli RNA biologici; alcuni esempi noti sono gli stelo-loops con terminazioni intrinseche e il tRNA quadrifoglio . C'è ancora una piccola comunità di ricercatori che cercano di determinare la struttura secondaria delle molecole di RNA. Gli approcci includono metodi sperimentali e computazionali.
Uno pseudonoto è una struttura secondaria di acido nucleico contenente almeno due strutture stelo-loop in cui metà di uno stelo è inserita tra le due metà dell'altro stelo. Gli pseudonodi si piegano in conformazioni tridimensionali a forma di nodo ma non sono veri nodi topologici. L'accoppiamento di basi negli pseudonodi non è ben annidato, cioè a volte le coppie di basi "si sovrappongono" nella posizione della sequenza. Ciò rende impossibile prevedere la presenza di pseudonodi nelle sequenze di acidi nucleici con il metodo standard di programmazione dinamica , che utilizza un sistema di punteggio ricorsivo per identificare le radici corrispondenti, e quindi non può rilevare coppie di basi non annidate con gli algoritmi più comuni. È possibile prevedere sottoclassi limitate di pseudnodi utilizzando programmi dinamici descritti nel riferimento precedente. Anche le nuove tecniche di predizione della struttura, come le grammatiche stocastiche senza contesto, non tengono conto degli pseudonodi.
Gli pseudonodi possiedono una varietà di strutture con attività catalitica e diversi importanti processi biologici sono basati su molecole di RNA che formano pseudonodi. Ad esempio, il componente RNA della telomerasi umana contiene uno pseudo-non cruciale per la sua attività enzimatica. Il ribozima del virus dell'epatite D è un noto esempio di RNA catalitico con uno pseudonomo nel suo sito attivo . Sebbene il DNA possa anche formare pseudonodi, di solito non si trovano nel DNA biologico.
La maggior parte dei metodi per prevedere la struttura secondaria degli acidi nucleici si basano su un modello energetico del vicino più prossimo. Un metodo generale per calcolare la probabile struttura secondaria di un acido nucleico è la programmazione dinamica, che viene utilizzata per calcolare le strutture ottimizzando l'energia libera termodinamica. Gli algoritmi di programmazione dinamica spesso escludono pseudonodi o altri casi in cui le coppie di basi non sono completamente annidate, perché prendere in considerazione queste strutture diventa computazionalmente molto costoso, anche per piccoli acidi nucleici. Altri metodi, come grammatiche stocastiche senza contesto, possono essere utilizzati anche per prevedere la struttura secondaria degli acidi nucleici.
Per molte molecole di RNA, la struttura secondaria è molto importante per svolgere correttamente la funzione dell'RNA, spesso più della sequenza stessa (struttura primaria). Questo fatto aiuta nell'analisi dell'RNA non codificante, a volte indicato come "geni dell'RNA". Un'applicazione della bioinformatica utilizza strutture secondarie di RNA predette per cercare forme di RNA non codificanti ma funzionali all'interno di un genoma. Ad esempio, i microRNA hanno lunghe strutture staminali canoniche, intervallate da piccoli anelli interni.
La struttura secondaria dell'RNA viene applicata nello splicing in alcune specie. Negli esseri umani e in altri tetrapodi , è stato dimostrato che senza la proteina U2AF2, il processo di splicing è inibito. Tuttavia, nel pesce zebra e in altri teleostei , il processo di splicing dell'RNA può ancora avvenire in alcuni geni in assenza di questa proteina. Ciò può essere dovuto al fatto che il 10% dei geni del pesce zebra ha coppie di basi TG e AC alternate nei siti di giunzione 3 'e 5' su ciascun introne , rispettivamente , che altera la struttura secondaria dell'RNA. Ciò suggerisce che la struttura secondaria dell'RNA può influenzare lo splicing, potenzialmente senza l'uso di proteine come U2AF2 che si pensava fossero necessarie per lo splicing.