Супрамолекулярные структуры нуклеиновых кислот формируются за счёт специфических нековалентных взаимодействий между нуклеотидными цепями и отдельными молекулами. ДНК и РНК способны образовывать сложные пространственные структуры, включающие двойные и тройные спирали, петли, шпильки, гаpп-катены и квазикристаллические комплексы. Основу этих структур составляют водородные связи, π-π взаимодействия между основаниями, ионные взаимодействия с катионами, а также ван-дер-ваальсовы силы между молекулами сахара и фосфатного остова.
B-ДНК является наиболее распространенной формой, характеризующейся правозакрученностью, регулярной шириной канала и оптимизированной геометрией для формирования водородных связей между аденином и тимином, гуанином и цитозином. A-ДНК формируется в условиях низкой гидратации и демонстрирует укороченный шаг спирали с большим наклоном оснований, что усиливает π-π взаимодействия. Z-ДНК, левозакрученная форма, возникает в условиях высокой соли или специфической последовательности и играет ключевую роль в регуляции генов и механическом напряжении хроматина.
РНК демонстрирует более разнообразную пространственную архитектуру из-за присутствия гидроксильной группы на 2’-углероде рибозы, что позволяет формировать локальные петли, шпильки и внутренние соединительные участки. Эти элементы стабилизируются как водородными связями внутри цепи, так и взаимодействиями с катионами и малыми молекулами.
Тройные спирали образуются посредством взаимодействия третьей цепи с двойной спиралью через хоpмоскопические водородные связи, преимущественно в последовательностях, богатых пуринами. Эти структуры играют роль в регуляции транскрипции и поддержании стабильности хромосом.
G-квадруплексы формируются в последовательностях, обогащённых гуанином, где четыре гуанина образуют планарные тетрады, стабилизируемые катионами калия или натрия. G-квадруплексы присутствуют в теломерах и промоторах генов, оказывая влияние на процессы репликации, транскрипции и защиту геномной стабильности.
ДНК и РНК активно взаимодействуют с белками-регуляторами, формируя супрамолекулярные комплексы, которые обеспечивают специфичность распознавания последовательностей и динамическую организацию хроматина. Белковые домены, такие как цинковые пальцы, лепестковые мотивы или RNA-binding domains, направляют нуклеиновые кислоты в определённые конформации, способствуя сборке больших многокомпонентных комплексов.
Малые молекулы, включая лекарства и металлические комплексы, могут внедряться в структуры ДНК и РНК через вставку между основаниями (intercalation), связывание с бороздками (groove binding) или ковалентное взаимодействие с фосфатным остовом. Эти взаимодействия изменяют супрамолекулярную организацию нуклеиновых кислот, регулируя их биологическую активность.
Супрамолекулярная организация ДНК и РНК определяется динамическим балансом между гибкостью цепей, электроstaticескими взаимодействиями и стереохимической совместимостью оснований. Самосборка происходит по принципу минимизации свободной энергии системы, приводя к формированию устойчивых, но в то же время адаптивных структур. Микроокружение, концентрация ионных видов, наличие белков-хелперов и малых молекул напрямую влияют на кинетику и термодинамику сборки супрамолекулярных структур.
Супрамолекулярные структуры нуклеиновых кислот обеспечивают регуляцию транскрипции, репликации, рекомбинации и репарации. G-квадруплексы и тройные спирали выступают как сенсоры механического стресса, а петли и шпильки в РНК определяют эффективность трансляции и стабильность мРНК.
В нанотехнологиях супрамолекулярная организация ДНК используется для создания каркасов ДНК, нанопроволок, логических устройств и носителей лекарств. Контролируемое формирование G-квадруплексных и тройных структур позволяет проектировать молекулярные датчики и каталитические комплексы на основе нуклеиновых кислот.
Супрамолекулярная химия ДНК и РНК объединяет принципы стехиометрии, геометрии и слабых взаимодействий, формируя динамичные и функциональные архитектуры. Каждая структура, от стандартной двойной спирали до сложных тройных и G-квадруплексных форм, отражает тесное взаимодействие химической природы оснований, сахарофосфатного остова и окружающей среды, обеспечивая разнообразие и гибкость биологических процессов.