A estrutura terciaria dos ácidos nucleicos é a forma tridimensional dun polímero de ácido nucleico. As moléculas de ARN e ADN son capaces de realizar diversas funcións desde o recoñecemento molecular á catálise. Tales funcións requiren unha estrutura tridimensional moi precisa. Aínda que ditas estruturas son diversas e aparentemente complexas, están compostas de motivos estruturais terciarios doadamente recoñecibles que serven como bloques de construción moleculares. Algúns dos motivos máis comúns da estrutura terciaria do ARN e ADN descríbense neste artigo, pero esta información está baseada no limitado número de estruturas resoltas. A medida que se vaian caracterizando estruturalmente novas moléculas de ARN e ADN, iranse revelando moitos máis motivos de estrutura terciaria.
Estruturas helicoidais
miniatura|esquerda|282px|As estruturas en dobre hélice A, B e Z.
Dobre hélice
A dobre hélice é a estrutura terciaria dominante do ADN biolóxcio e tamén é unha estrutura posible para o ARN. Na natureza crese que existen tres estruturas do ADN chamadas ADN A, ADN B e ADN Z. A forma "B", descrita por James D. Watson e Francis Crick, é a que predomina nas células. Watson e Crick describiron esta estrutura como unha dobre hélice cun radio de 10 Å e unha volta de hélice de 34 Å (uns dez pares de bases). A dobre hélice en solución dá unha volta completa sobre o seu eixe cada 10,4–10,5 pares de bases. Esta frecuencia de xiro depende en gran medida das forzas de empillamento (stacking) que cada base exerce sobre as súas veciñas na cadea. O ARN en dobre hélice adopta unha conformación similar á da estrutura da forma A do ADN.
Son posibles outras conformacións; de feito, só quedan dispoñibles agora as letras F, Q, U, V e Y para describir calquera nova estrutura de ADN que se descubra no futuro. Porén, a maioría destas formas foron creadas sinteticamente e non foron observadas en sistemas biolóxicos naturais.
Tríplex de ARN dos sucos maior e menor
O tríplex do suco menor é un motivo estrutural do ARN. Como as interaccións co suco menor do ADN están a miúdo medidadas polo grupo 2'-OH do azucre ribosa, este motivo do ARN parece moi diferente do seu equivalente no ADN. O exemplo máis común dun tríplex do suco menor é o motivo A-menor ou a inserción de bases adenosina no suco menor (véxase máis arriba). Porén, este motivo non está restrinxido a adenosinas, xa que tamén se observaron outras nucleobases que interaccionan co suco menor do ARN.
O suco menor presenta un complemento case perfecto para unha base inserida. Isto permite contactos de van der Waals, unha ampla formación de enlaces de hidróxeno e o enterramento da superficie hidrófoba, ademais de crear unha interacción moi favorable enerxeticamente. Como os tríplex de suco menor poden empaquetar establemente un bucle libre ou unha hélice, son elementos clave na estrutura de grandes ribonucleótidos, incluíndo o intrón do grupo I, o intrón do grupo II, e o ribosoma.
Aínda que o suco maior do ARN da forma A estándar é bastante estreito e, por tanto, está menos dispoñible para a interacción tríplex que o suco menor, poden observarse interaccións tríplex do suco maior en varias estruturas do ARN. Estas estruturas constan de varias combinacións de pares de bases e interaccións Hoogsteen. Por exemplo, o tríplex GGC (GGC amino(N-2)-N-7, imino-carbonil, carbonil-amino(N-4); Watson e Crick) observadas na subunidade do ribosoma de 50S, compostas por un par G-C de tipo Watson e Crick e unha G entrante que forma unha rede pseudo-Hoogsteen de interaccións de enlaces de hidróxeno entre ambas as bases implicadas no apareamento canónico. Outros exemplos notables de tríplex do suco maior son (i) o núcleo catalítico do intrón do grupo II mostrado na figura da esquerda (ii) unha tripla hélice cataliticamente esencial observada no ARN da telomerase; ; obtido con PyMOL (iii) o riboswitch SAM-II e (iv) o elemento para a expresión nuclear (ENE), que actúa como un elemento de estabilización do ARN por medio da formación dunha tripla hélice coa cola poli(A).
Tamén é posible un ADN tricatenario (con tres febras) a partir de enlaces de hidróxeno de Hoogsteen ou Hoogsteen inverso no suco maior da forma B do ADN.
Cuádruplex
Ademais das dobres hélices e os antes mencionados tríplex, o ARN e o ADN poden tamén formar hélices cuádruplas. Hai diversas estruturas de cuádruplex de bases de ARN. Catro residuos consecutivos de guanina poden formar un cuádruplex no ARN por enlaces de hidróxeno de Hoogsteen para formar un “anel de Hoogsteen” (ver figura). Os pares G-C e A-U poden tamén formar cuádruplex de bases cunha combinación de apareamento de Watson e Crick e apareamento non canónico no suco menor do ADN.
O núcleo do aptámero Malaquita Verde é tamén un tipo de cuádruplex de bases cun padrón de enlaces de hidróxeno diferente (ver figura).; ; obtido con PyMOL O cuádruplex pode repetirse varias veces consecutivamente, producindo unha estrutura enormemente estable.
A estrutura única das rexións cuádruplex do ARN pode exercer diferentes funcións nun sistema biolóxico. Dúas importantes funcións son o potencial de unirse a ligandos ou proteínas e a súa capacidade de estabilizar a estrutura terciaria completa do ADN ou ARN. A forte estrutura pode inhibir ou modular a transcrición e a replicación do ADN, como nos telómeros dos cromosomas e na UTR do ARNm. A identidade de bases é importante para a unión de ligandos. O cuarteto G únese tipicamente a catións monovalentes como o ión potasio, mentres que outras bases poden unirse a outros numerosos ligandos como a hipoxantina nun cuádruplex U-U-C-U.
Xunto con estas funcións, o cuádruplex G do ARNm arredor das rexións de unión ao ribosoma podería servir como un regulador da expresión xénica en bacterias. Pode haber máis estruturas e funcións interesantes que están aínda por descubrir in vivo.
Empillamento coaxial 300px|miniatura|esquerda|alt=|Estruturas secundaria (engadida á esquerda) e terciaria do ARNt mostrando empillamento coaxial.; ; obtido con PyMOL.
O empillamento coaxial (coaxial stacking), tamén coñecido como empillamento helicoidal, é factor determinante da estrutura terciaria do ARN de maior orde. O empillamento coaxial ocorre cando dous dúplex de ARN forman unha hélice contigua, que se estabiliza por empillamento de bases na interface das dúas hélices. O empillamento coaxial detectouse na estrutura cristalina do ARNtPhe. Máis recentemente, o empillamento coaxial foi observado en estruturas de orde máis alto de moitos ribocimas, incluíndo moitas formas dos intróns de autoempalme do grupo I e grupo II. Entre os motivos de empillamento coaxial comúns están a interacción do bucle bicante (kissing loop) e o pseudonó. A estabilidade destas interaccións pode predicirse por unha adaptación das “regras de Turner”.
En 1994, Walter e Turner determinaron as contribucións de enerxía libre de interaccións de empillamento co veciño máis próximo dentro da interface hélice-hélice usando un sistema modelo que creou unha interface hélice-hélice entre un oligómero curto e un tramo colgante de catro nucleótidos ao final dun talo forquita. Os seus experimentos confirmaron que a contribución termodinámica de empillamento de bases entre dúas estruturas secundarias helicoidais imitan estreitamente a termodinámica da formación do dúplex estándar (as interaccións co veciño máis próximo predín a estabilidade termodinámica da hélice resultante). A estabilidade relativa das interaccións co veciño máis próximo poden utilizarse para predicir o empillamento coaxial favorable baseado na estrutura secundaria coñecida. Walter e Turner atoparon que, como media, a predición da estrutura do ARN melloraba en exactitude do 67% ao 74% cando se incluían as contribucións do empillamento coaxial.
A maioría das estruturas terciarias do ARN ben estudadas conteñen exemplos de empillamento coaxial. Algúns exemplos prominentes son o ARNtPhe, os intróns do grupo I, os intróns do grupo II e os ARNs ribosómicos. As estruturas cristalinas do ARNt revelaron a presenza de dúas hélices estendidas que se orixinan por empillamento coaxial do talo aceptor de aminoácidos co brazo T, e o empillamento dos brazos D e anticodón. Estas interaccións no ARNt orientan o talo anticodón perpendicularmente ao talo aminoácido, orixinando a estrutura terciaria con forma de L funcional. Nos intróns do grupo I, demostrouse que as hélices P4 e P6 teñen empillamento coaxial usando unha combinación de métodos bioquímicos e cristalográficos. A estrutura cristalina de P456 proporcionou unha visión detallada de como o empillamento coaxial estabiliza o empaquetamento de hélices de ARN en estruturas terciarias. No intrón do grupo II de autoempalme de Oceanobacillus iheyensis, os talos IA e IB empíllanse coaxialmente e contribúen á orientación relativa das hélices que constitúen unha unión de cinco vías. Esta orientación facilita o pregamento correcto do sitio activo dun ribocima funcional. O ribosoma contén numerosos exemplos de empillamento coaxial, incluíndo segmentos empillados de ata 70 bp.
miniatura|right|Formación dun pseudonó con empillamento coaxial das dúas hélices. Dous motivos comúns con empillamento coaxial son os bucles bicantes e os pseudonós. Nas interaccións de bucle bicante, as rexións de bucle monocatenario de dúas forquitas interaccionan por apareamento de bases, formando unha hélice empillada coaxialmente composta. Hai que salientar que esta estrutura permite que todos os nucleótidos de cada bucle participen no apareamento de bases e nas interaccións de empillamento. Este motivo foi visualizado e estudado usando análise de resonancia magnética nuclear por Lee e Crothers. O motivo do pseudonó parece cando as bases dunha rexión monocatenaria dun bucle forquita se aparean cunha secuencia de augas arriba ou augas abaixo na secuencia dentro dunha mesma febra de ARN. As dúas rexións dúplex resultantes a miúdo empílanse entre si, formando unha hélice empillada coaxialmente composta. Un exemplo dun motivo pseudonó é o moi estable ribocima do virus da hepatite delta, no cal o seu esqueleto molecular mostra unha topoloxía de pseudonó dobre global.
Un efecto similar ao empillamento coaxial observouse en estruturas de ADN deseñado racionalmente. As estruturas do ADN origami conteñen un gran número de dobres hélices con extremos romos expostos. Observouse que estas estruturas se adhiren polos bordos que conteñen estes extremos romos expostos, debido a interaccións de empillamento hidrófobas.
Outros motivos
Interaccións tetrabucle-receptor
200px|miniatura|esquerda|alt=|Representación de barras do tetrabucle GAAA, un exemplo da familia dos tetrabucles GNRA.; ; obtido con PyMOL As interaccións tetrabucle-receptor combinan o apareamento de bases e as interaccións de empillamento entre os nucleótidos do bucle dun motivo tetrabucle e un motivo receptor localizado dentro dun dúplex de ARN, creando un contacto terciario que estabiliza o pregamento terciario global dunha molécula de ARN. Os tetrabucles son tamén estruturas posibles nos dúplex de ADN.