Стереохимия нуклеиновых кислот представляет собой область, изучающую пространственное расположение их структурных элементов и влияние этого расположения на биологические функции. Нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — содержат в основе полимерную цепь из нуклеотидов, каждый из которых состоит из сахарного компонента, азотистого основания и фосфатной группы. Геометрия связи между этими компонентами определяет конформационные свойства всей макромолекулы.
Рибоза и дезоксирибоза в составе нуклеотидов обладают множеством возможных конформаций, связанных с так называемым кольцевым пукером. Для пятичленного фуранозного цикла характерны конформации типа C2’-endo, C3’-endo, а также менее стабильные варианты. Конформация сахара непосредственно влияет на общий тип вторичной структуры нуклеиновой кислоты. Так, в двойной спирали ДНК типа B рибозный цикл обычно находится в конформации C2’-endo, тогда как в А-форме ДНК и в большинстве структур РНК преобладает конформация C3’-endo.
Фосфатные группы формируют фосфодиэфирные связи, задавая спиральную топологию молекулы. Геометрия этих связей выражается в терминах торсионных углов: α, β, γ, δ, ε и ζ. Набор значений этих углов в совокупности образует конформационный «паспорт» каждой нуклеотидной единицы.
Азотистые основания соединяются с сахаром посредством β-N-гликозидной связи. Основным параметром, определяющим ориентацию основания относительно сахарного остатка, является торсионный угол χ. Различают две главные конформации: антипараллельную (anti), наиболее характерную для ДНК и РНК, и параллельную (syn), которая встречается реже, но играет важную роль в образовании нетипичных структур, например в G-квадруплексах.
Нуклеиновые кислоты могут существовать в различных спиральных формах.
Эти формы демонстрируют, что стереохимия определяет не только локальную геометрию, но и глобальные характеристики макромолекулы.
Помимо канонических спиралей, нуклеиновые кислоты способны формировать разнообразные нетипичные конформации.
Каждый из этих вариантов обладает уникальными стереохимическими параметрами, которые обеспечивают специфичность взаимодействий в клетке.
Ключевым фактором в поддержании пространственной организации нуклеиновых кислот являются водородные связи между азотистыми основаниями. Комплементарные пары A–T (или A–U в РНК) и G–C различаются по числу водородных связей, что отражается на стабильности спирали. Точное пространственное расположение доноров и акцепторов водородных связей жёстко задаёт геометрию пар и предопределяет закономерности спирального скручивания.
ДНК в клетке редко существует в линейной форме; она подвергается суперспирализации, что является прямым следствием стереохимии двойной спирали. Перекручивание и изгиб цепей зависят от упругих свойств сахарофосфатного остова, а также от конфигурационных переходов между А-, B- и Z-формами.
Двойная спираль ДНК представляет собой хиральный объект: стандартная B-форма является правозакрученной, а Z-форма — левозакрученной. Эта хиральность влияет на взаимодействие с белками, в частности с ферментами репликации и транскрипции. Белковые домены узнают бороздки ДНК именно благодаря их стереохимической организации.
РНК, в отличие от ДНК, чаще формирует сложные третичные структуры: шпильки, стебли, петли, псевдоузлы. Их устойчивость обеспечивается не только водородными связями, но и стэкинг-взаимодействиями оснований, а также ионной стабилизацией. Стереохимия этих элементов предопределяет каталитические свойства рибозимов и способность РНК служить структурным каркасом для рибосомы.
Нуклеиновые кислоты обладают высокой гибкостью, что выражается в переходах между различными конформациями сахарного остатка, вращениях вокруг фосфодиэфирных связей и изменениях ориентации оснований. Эти движения носят кооперативный характер и обеспечивают возможность адаптации структуры к взаимодействиям с белками, лигандами и другими нуклеиновыми кислотами.
Для изучения пространственной организации нуклеиновых кислот применяются рентгеноструктурный анализ, ЯМР-спектроскопия, криоэлектронная микроскопия и круговой дихроизм. Эти методы позволяют определять как статическую структуру, так и динамику конформационных переходов, что критически важно для понимания функциональных аспектов стереохимии.