Направленность в молекулярной биологии и биохимии — это химическая ориентация конца-в-конец одной нити нуклеиновой кислоты . В одной нити ДНК или РНК химическое соглашение об обозначении атомов углерода в нуклеотидном пентозо-сахарной цепи означает, что будет 5′ конец (обычно произносится как «пятиглавый конец»), который часто содержит фосфатную группу, присоединенную к 5′ углероду рибозного кольца , и 3′ конец (обычно произносится как «трехглавый конец»), который обычно не модифицирован от заместителя рибозы -ОН. В двойной спирали ДНК нити идут в противоположных направлениях, чтобы обеспечить спаривание оснований между ними, что необходимо для репликации или транскрипции закодированной информации.
Нуклеиновые кислоты могут быть синтезированы in vivo только в направлении от 5′ к 3′, так как полимеразы , которые собирают различные типы новых цепей, обычно полагаются на энергию, вырабатываемую при разрыве связей нуклеозидтрифосфата , чтобы прикрепить новые нуклеозидмонофосфаты к 3′- гидроксильной (−OH) группе через фосфодиэфирную связь . Относительное расположение структур вдоль цепей нуклеиновой кислоты, включая гены и различные сайты связывания белков , обычно отмечается как либо восходящее (по направлению к 5′-концу), либо нисходящее (по направлению к 3′-концу). (См. также восходящее и нисходящее .)
Направленность связана с чувством , но отличается от него . Транскрипция одноцепочечной РНК с двухцепочечной ДНК-матрицы требует выбора одной цепи ДНК-матрицы в качестве цепи-матрицы, которая напрямую взаимодействует с зарождающейся РНК из-за комплементарной последовательности . Другая цепь не копируется напрямую, но обязательно ее последовательность будет похожа на последовательность РНК. Сайты инициации транскрипции обычно встречаются на обеих цепях ДНК организма и определяют местоположение, направление и обстоятельства, при которых будет происходить транскрипция. Если транскрипт кодирует один или (редко) несколько белков , трансляция каждого белка рибосомой будет происходить в направлении от 5′ до 3′ и будет расширять белок от его N-конца к его C-концу . Например, в типичном гене стартовый кодон (5′-ATG-3′) представляет собой последовательность ДНК в смысловой цепи. Транскрипция начинается в восходящем участке (относительно смысловой цепи), и по мере продвижения по региону она копирует 3′-TAC-5′ из цепи матрицы, чтобы произвести 5′-AUG-3′ в матричной РНК (мРНК). МРНК сканируется рибосомой с 5′ конца, где стартовый кодон направляет включение метионина ( бактерии , митохондрии и пластиды используют вместо него N -формилметионин ) на N-конце белка. По соглашению, отдельные цепи последовательностей ДНК и РНК записываются в направлении 5′-к-3′, за исключением случаев, когда это необходимо для иллюстрации схемы спаривания оснований.
5′-конец (произносится как «пять основных концов») обозначает конец цепи ДНК или РНК, который имеет пятый углерод в сахарном кольце дезоксирибозы или рибозы на своем конце. Фосфатная группа, присоединенная к 5′-концу, позволяет лигировать два нуклеотида , т. е. ковалентно связывать 5′-фосфат с 3′-гидроксильной группой другого нуклеотида, чтобы сформировать фосфодиэфирную связь . Удаление 5′-фосфата предотвращает лигирование. Чтобы предотвратить нежелательное лигирование нуклеиновых кислот (например, самолигирование плазмидного вектора при клонировании ДНК ), молекулярные биологи обычно удаляют 5′-фосфат с помощью фосфатазы .
5'-конец новообразованной информационной РНК является местом, на котором происходит посттранскрипционное кэпирование , процесс, который жизненно важен для производства зрелой информационной РНК. Кэпирование увеличивает стабильность информационной РНК во время трансляции , обеспечивая устойчивость к деградативному воздействию экзонуклеаз . [1] Он состоит из метилированного нуклеотида ( метилгуанозина ), присоединенного к информационной РНК в редкой 5'-5'-трифосфатной связи.
5′ - фланкирующая область гена часто обозначает область ДНК, которая не транскрибируется в РНК. 5′-фланкирующая область содержит промотор гена , а также может содержать энхансеры или другие сайты связывания белков.
5′- нетранслируемая область (5′-UTR) — это область гена, которая транскрибируется в мРНК и расположена на 5′-конце мРНК. Эта область мРНК может транслироваться или нет , но обычно участвует в регуляции трансляции. 5′-нетранслируемая область — это часть ДНК, начинающаяся с кэп-сайта и простирающаяся до основания непосредственно перед кодоном инициации трансляции AUG основной кодирующей последовательности. Эта область может иметь последовательности, такие как сайт связывания рибосомы и последовательность Козака , которые определяют эффективность трансляции мРНК или которые могут влиять на стабильность мРНК.
3′-конец (три основных конца) цепи так назван из-за того, что он заканчивается на гидроксильной группе третьего углерода в сахарном кольце , и известен как хвостовой конец . 3′-гидроксил необходим для синтеза новых молекул нуклеиновой кислоты, поскольку он лигируется (присоединяется) к 5′-фосфату отдельного нуклеотида, что позволяет формировать цепи связанных нуклеотидов.
Молекулярные биологи могут использовать нуклеотиды , в которых отсутствует 3′-гидроксил (дидезоксирибонуклеотиды), чтобы прервать репликацию ДНК . Этот метод известен как метод обрыва дидезокси-цепи или метод Сэнгера и используется для определения порядка нуклеотидов в ДНК .
3'-конец зарождающейся информационной РНК является местом посттранскрипционного полиаденилирования , которое присоединяет цепь из 50–250 остатков аденозина для получения зрелой информационной РНК. Эта цепь помогает определить, как долго информационная РНК остается в клетке, влияя на то, сколько белка из нее вырабатывается.
3′ - фланкирующая область — это область ДНК, которая не копируется в зрелую мРНК, но которая присутствует рядом с 3′-концом гена. Первоначально считалось, что 3′-фланкирующая ДНК вообще не транскрибируется, но было обнаружено, что она транскрибируется в РНК и быстро удаляется во время обработки первичного транскрипта для формирования зрелой мРНК. 3′-фланкирующая область часто содержит последовательности, которые влияют на формирование 3′-конца сообщения. Она также может содержать энхансеры или другие сайты, с которыми могут связываться белки.
3′- нетранслируемая область (3′-UTR) — это область ДНК, которая транскрибируется в мРНК и становится 3′-концом сообщения, но которая не содержит последовательность, кодирующую белок. Все, что находится между стоп-кодоном и полиА-хвостом, считается 3′-нетранслируемым. 3′-нетранслируемая область может влиять на эффективность трансляции мРНК или стабильность мРНК. Она также имеет последовательности, которые требуются для добавления поли(А)-хвоста к сообщению, включая гексануклеотид AAUAAA.