2) фосфодиэфирными (+)
3) гидроксильными
4) пептидными
Фосфодиэфирные связи формируют ковалентный сахарофосфатный остов ДНК. Фосфатная группа соединяет 3′-гидроксильную группу дезоксирибозы одного нуклеотида с 5′-гидроксильной группой дезоксирибозы следующего, поэтому такая связь называется 3′–5′-фосфодиэфирной. Один фосфат при этом образует два эфирных соединения, что и определяет термин диэфирная .
При синтезе ДНК ДНК-полимераза присоединяет дезоксирибонуклеотидтрифосфат к 3′-концу растущей цепи. Нуклеофильная атака 3′-OH-группы приводит к образованию фосфодиэфирной связи и высвобождению пирофосфата; вследствие этого цепь удлиняется в направлении 5′→3′. Фосфодиэфирные связи обеспечивают механическую целостность полинуклеотидной цепи, а их последовательное расположение определяет направление считывания и репликации генетического материала.
Именно ковалентный сахарофосфатный каркас отличает фосфодиэфирные связи от водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. Первые сохраняют линейную структуру цепи, вторые обеспечивают обратимое объединение двух цепей ДНК в двойную спираль. Расщепление фосфодиэфирных связей осуществляют нуклеазы, что используется в процессах репарации, рестрикционного анализа и подготовки образцов для секвенирования.
| Тип связи или взаимодействия | Основные компоненты | Локализация | Функциональное значение | Значение в лабораторной генетике |
|---|---|---|---|---|
| 3′–5′-фосфодиэфирная | 3′-OH и 5′-фосфат дезоксирибозы | Сахарофосфатный остов ДНК | Ковалентно соединяет нуклеотиды и формирует полинуклеотидную цепь | Субстрат действия нуклеаз; сохраняется или расщепляется при выделении и анализе ДНК |
| Фосфодиэфирная в РНК | 3′-OH и 5′-фосфат рибозы | Сахарофосфатный остов РНК | Обеспечивает непрерывность РНК-цепи | Более высокая химическая лабильность РНК связана с наличием 2′-OH-группы |
| Водородная | Комплементарные азотистые основания | Между двумя цепями ДНК или внутри вторичной структуры РНК | Стабилизирует двойную спираль и обеспечивает комплементарность | Разрыв при денатурации используется в ПЦР, гибридизации и секвенировании |
| N-гликозидная | Азотистое основание и C1′ дезоксирибозы | Внутри отдельного нуклеозида | Соединяет сахар с аденином, гуанином, цитозином или тимином | Её повреждение или гидролиз может приводить к образованию апуриновых участков |
| Пептидная | Карбоксильная и аминогруппа аминокислот | Полипептидная цепь белка | Формирует первичную структуру белков | Не относится к химическому строению нуклеиновых кислот |
| Фосфоангидридная | Две фосфатные группы | АТФ, дНТФ и другие макроэргические соединения | Участвует в переносе энергии и активации субстратов | Гидролиз пирофосфата сопровождает полимеризацию ДНК |
| Дисульфидная | Две тиоловые группы цистеина | Белки, преимущественно внеклеточные | Стабилизирует пространственную структуру белка | Не является структурным элементом ДНК или РНК |
Нарушение целостности фосфодиэфирного остова делает нуклеиновую кислоту фрагментированной и может препятствовать амплификации или секвенированию. В ПЦР новые связи синтезируются термостабильной ДНК-полимеразой, а в методах секвенирования прекращение цепи достигается включением дидезоксинуклеотидов, лишённых 3′-OH-группы. Поэтому наличие свободной 3′-гидроксильной группы является обязательным условием дальнейшего удлинения цепи. Фосфодиэфирная связь представляет собой основной ковалентный элемент, определяющий последовательность и направленность ДНК.