Základní pár - Base pair

Znázornění páru adenin - thymin Watson – Crick

Pár bází ( bp ) je základní jednotka dvouvláknových nukleových kyselin skládající se ze dvou nukleobáz vzájemně spojených vodíkovými vazbami . Tvoří stavební kameny dvojité šroubovice DNA a přispívají k skládané struktuře DNA i RNA . Díky specifickým vzorcům vodíkových vazeb umožňují páry bází „Watson – Crick“ ( guanin - cytosin a adenin - thymin ) udržovat šroubovici DNA pravidelnou šroubovicovou strukturu, která je jemně závislá na její nukleotidové sekvenci . Komplementární povaha tohoto založený spárované konstrukce zajišťuje redundantní kopii genetické informace kódované v každém řetězci DNA. Pravidelná struktura a redundance dat poskytovaná dvojitou šroubovicí DNA činí DNA vhodnou pro ukládání genetických informací, zatímco párování bází mezi DNA a příchozími nukleotidy poskytuje mechanismus, kterým DNA polymeráza replikuje DNA a RNA polymeráza přepisuje DNA do RNA. Mnoho proteinů vázajících DNA dokáže rozpoznat specifické vzory párování bází, které identifikují konkrétní regulační oblasti genů.

Uvnitř jednovláknových nukleových kyselin se mohou vyskytovat páry intramolekulárních bází. To je zvláště důležité u molekul RNA (např. Přenosová RNA ), kde páry Watson-Crickova báze (guanin-cytosin a adenin- uracil ) umožňují tvorbu krátkých dvouvláknových šroubovic a širokou škálu interakcí mimo Watson-Crick (např. G – U nebo A – A) umožňují RNA skládat se do široké škály specifických trojrozměrných struktur . Kromě toho párování bází mezi přenosovou RNA (tRNA) a messengerovou RNA (mRNA) tvoří základ pro události molekulárního rozpoznávání, které vedou k tomu, že se nukleotidová sekvence mRNA převede do aminokyselinové sekvence proteinů prostřednictvím genetického kódu .

Velikost individuálního genu nebo celého genomu organismu se často měří v párech bází, protože DNA je obvykle dvouvláknová. Počet celkových párů bází je tedy roven počtu nukleotidů v jednom z řetězců (s výjimkou nekódujících jednovláknových oblastí telomer ). Haploidní Lidský genom (23 chromosomy ), se odhaduje na asi 3,2 miliardy bazí a obsahují 20,000-25,000 odlišné geny proteiny kódování. Kilobází (kb) je jednotka měření v molekulární biologii rovný 1000 párů bází z DNA nebo RNA. Celkový počet párů bází DNA na Zemi se odhaduje na 5,0 × 10 37 s hmotností 50 miliard tun . Pro srovnání, je celková hmotnost v biosféře se odhaduje, že je stejně jako 4  TTC (bilion tun uhlíku ).

Vodíkové vazby a stabilita

Základní pár GC.svg
Základní pár AT.svg
Nahoře, pár GC bází se třemi vodíkovými vazbami . Dole, pár bází AT se dvěma vodíkovými vazbami. Nekovalentní vodíkové vazby mezi bázemi jsou znázorněny čárkovaně. Kroutící se čáry znamenají spojení s pentózovým cukrem a směřují do vedlejší drážky.

Vodíková vazba je chemická interakce, která je základem výše popsaných pravidel pro párování bází. Příslušná geometrická korespondence donorů a akceptorů vodíkových vazeb umožňuje stabilně tvořit pouze „správné“ páry. DNA s vysokým obsahem GC je stabilnější než DNA s nízkým obsahem GC. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení však vodíkové vazby DNA výrazně nestabilizují; stabilizace je dána hlavně interakcemi stohování .

Větší nukleobáze , adenin a guanin, jsou členy třídy dvoukruhových chemických struktur nazývaných puriny ; menší nukleobáze, cytosin a tymin (a uracil), jsou členy třídy jednokruhových chemických struktur nazývaných pyrimidiny . Puriny jsou komplementární pouze s pyrimidiny: páry pyrimidin-pyrimidin jsou energeticky nepříznivé, protože molekuly jsou příliš daleko od sebe, aby bylo možné navázat vodíkové vazby; párování purin-purin je energeticky nepříznivé, protože molekuly jsou příliš blízko, což vede k překrývajícímu se odpuzování. Purinové a pyrimidinové párování AT nebo GC nebo UA (v RNA) vede ke správné duplexní struktuře. Jediné další páry purin-pyrimidin by byly AC a GT a UG (v RNA); tato párování jsou nesouladná, protože vzorce donorů a akceptorů vodíku neodpovídají. K párování GU se dvěma vodíkovými vazbami dochází v RNA poměrně často (viz pár kolísajících bází ).

Spárované molekuly DNA a RNA jsou při pokojové teplotě poměrně stabilní, ale dvě nukleotidová vlákna se oddělí nad bodem tání, který je dán délkou molekul, rozsahem nesprávného párování (pokud existuje) a obsahem GC. Vyšší obsah GC má za následek vyšší teploty tání; není proto překvapivé, že genomy extrémofilních organismů, jako je Thermus thermophilus, jsou obzvláště bohaté na GC. Naopak oblasti genomu, které se potřebují často oddělovat- například oblasti promotorů pro často transkribované geny- jsou relativně chudé na GC (například viz rámeček TATA ). Při navrhování primerů pro reakce PCR je také třeba vzít v úvahu obsah GC a teplotu tání .

Příklady

Následující sekvence DNA ilustrují párové dvouvláknové vzory. Podle konvence je horní vlákno zapsáno od 5 'konce do 3' konce ; spodní vlákno je tedy napsáno 3 'až 5'.

Sekvence DNA spárovaná se základnou:
ATCGATTGAGCTCTAGCG
TAGCTAACTCGAGATCGC
Odpovídající sekvence RNA, ve které je uracil nahrazen thyminem v řetězci RNA:
AUCGAUUGAGCUCUAGCG
UAGCUAACUCGAGAUCGC

Základní analogy a interkalátory

Chemické analogy nukleotidů mohou nahradit správné nukleotidy a vytvořit nekanonické párování bází, což vede k chybám (většinou bodovým mutacím ) v replikaci DNA a transkripci DNA . Je to dáno jejich izosterickou chemií. Jedním běžným analogem mutagenní báze je 5-bromuracil , který se podobá tyminu, ale může se párovat s guaninem ve své enolové formě.

Jiné chemikálie, známé jako interkalátory DNA , se vejdou do mezery mezi sousedními bázemi na jednom vlákně a indukují mutace posunu rámců „maškarádováním“ jako báze, což způsobí, že stroj pro replikaci DNA přeskočí nebo vloží další nukleotidy do interkalovaného místa. Většina interkalátorů jsou velké polyaromatické sloučeniny a jsou známými nebo podezřelými karcinogeny . Příklady zahrnují ethidiumbromid a akridin .

Nepřirozený základní pár (UBP)

Nepřirozený pár bází (UBP) je navržená podjednotka (nebo nukleobáze ) DNA, která je vytvořena v laboratoři a v přírodě se nevyskytuje. Byly popsány sekvence DNA, které používají nově vytvořené nukleobáze k vytvoření třetího páru bází, kromě dvou párů bází nacházejících se v přírodě, AT ( adenin - thymin ) a GC ( guanin - cytosin ). Několik výzkumných skupin hledalo třetí pár bází pro DNA, včetně týmů vedených Stevenem A. Bennerem , Philippe Marliereem , Floydem E. Romesbergem a Ichirem Hirao . Byly hlášeny některé nové páry bází založené na alternativních vodíkových vazbách, hydrofobních interakcích a koordinaci kovů.

V roce 1989 Steven Benner (poté pracoval na Švýcarském federálním technologickém institutu v Curychu) a jeho tým vedl s modifikovanými formami cytosinu a guaninu do molekul DNA in vitro . Nukleotidy, které kódovaly RNA a proteiny, byly úspěšně replikovány in vitro . Od té doby se Bennerův tým pokouší zkonstruovat buňky, které mohou od nuly vytvářet cizí základny, čímž se vyhne potřebě suroviny.

V roce 2002 skupina Ichiro Hirao v Japonsku vyvinula nepřirozený pár bází mezi 2-amino-8- (2-thienyl) purinem (y) a pyridin-2-on (y), který funguje při transkripci a translaci, pro místně specifické začlenění nestandardních aminokyselin do proteinů. V roce 2006 vytvořili 7- (2-thienyl) imidazo [4,5-b] pyridin (Ds) a pyrrol-2-karbaldehyd (Pa) jako třetí pár bází pro replikaci a transkripci. Poté byly Ds a 4- [3- (6-aminohexanamido) -1-propynyl] -2-nitropyrrol (Px) objeveny jako vysoce věrný pár při PCR amplifikaci. V roce 2013 aplikovali pár Ds-Px na generování DNA aptamerů in vitro výběrem (SELEX) a prokázali expanzi genetické abecedy, která významně zvyšuje afinitu DNA aptamerů k cílovým proteinům.

V roce 2012 skupina amerických vědců vedená Floydem Romesbergem, chemickým biologem z Scripps Research Institute v San Diegu v Kalifornii, zveřejnila, že jeho tým navrhl nepřirozený pár bází (UBP). Dva nové umělé nukleotidy neboli Unnatural Base Pair (UBP) byly pojmenovány d5SICS a dNaM . Techničtěji tyto umělé nukleotidy nesoucí hydrofobní nukleobáze obsahují dva kondenzované aromatické kruhy, které v DNA tvoří komplex (d5SICS – dNaM). Jeho tým navrhl řadu šablon in vitro nebo "zkumavek" obsahujících nepřirozený pár bází a potvrdili, že byla účinně replikována s vysokou věrností prakticky ve všech sekvenčních kontextech pomocí moderních standardních technik in vitro , konkrétně PCR amplifikace DNA a PCR -aplikace na bázi. Jejich výsledky ukazují, že pro aplikace založené na PCR a PCR je nepřirozený pár d5SICS – dNaM funkčně ekvivalentní páru přirozených bází a v kombinaci s dalšími dvěma páry přírodních bází, které používají všechny organismy, A – T a G – C , poskytují plně funkční a rozšířenou šestipísmennou „genetickou abecedu“.

V roce 2014 stejný tým z Výzkumného ústavu Scripps oznámil, že syntetizovali úsek kruhové DNA známý jako plazmid obsahující přirozené páry bází TA a CG spolu s nejvýkonnější laboratoří UBP Romesberg navrhl a vložil do buněk běžné bakterie E. coli, která úspěšně replikovala nepřirozené páry bází prostřednictvím několika generací. Transfekce se neomezují růst E. coli buněk a nebyly pozorovány žádné známky ztráty svých nepřirozených párů bází na jeho přirozený opravy DNA mechanismů. Toto je první známý příklad živého organismu předávajícího rozšířený genetický kód dalším generacím. Romesberg řekl, že on a jeho kolegové vytvořili 300 variant, aby vylepšili konstrukci nukleotidů, které by byly dostatečně stabilní a při dělení buněk by se daly replikovat stejně snadno jako přirozené. Toho bylo částečně dosaženo přidáním podpůrného genu řas, který exprimuje transportér nukleotid trifosfátu, který účinně importuje trifosfáty d5SICSTP i dNaMTP do bakterií E. coli . Poté je přirozené cesty bakteriální replikace používají k přesné replikaci plazmidu obsahujícího d5SICS – dNaM. Další vědci byli překvapeni, že bakterie replikovaly tyto podjednotky DNA vytvořené člověkem.

Úspěšné začlenění třetího páru bází je významným průlomem k cíli výrazně rozšířit počet aminokyselin, které lze kódovat DNA, ze stávajících 20 aminokyselin na teoreticky možných 172, čímž se rozšíří potenciál živých organismů na produkují nové proteiny . Umělé řetězce DNA zatím nic nekódují, ale vědci spekulují, že by mohly být určeny k výrobě nových proteinů, které by mohly mít průmyslové nebo farmaceutické využití. Odborníci uvedli, že syntetická DNA zahrnující nepřirozený pár bází zvyšuje možnost životních forem založených na jiném kódu DNA.

Nekanonické párování bází

Kolísavé páry základen
Porovnání párů bází Hoogsteen a Watson – Crick.

Kromě kanonického párování mohou některé podmínky upřednostňovat také párování bází s alternativní orientací bází a počet a geometrii vodíkových vazeb. Tato párování jsou doprovázena změnami tvaru místní páteře.

Nejběžnějším z nich je párování wobble bází , ke kterému dochází mezi tRNA a mRNA ve třetí poloze báze mnoha kodonů během transkripce a během nabíjení tRNA některými tRNA syntetázami . Byly také pozorovány v sekundárních strukturách některých sekvencí RNA.

Kromě toho může v některých sekvencích DNA (např. CA a TA dinukleotidy) existovat párování Hoogsteenových bází (typicky psané jako A • U/T a G • C) v dynamické rovnováze se standardním párováním Watson -Crick. Byly také pozorovány v některých komplexech protein -DNA.

Kromě těchto alternativních párů bází je v sekundární a terciární struktuře RNA pozorován široký rozsah vodíkových vazeb báze-báze. Tyto vazby jsou často nezbytné pro přesný, komplexní tvar RNA, stejně jako pro její vazbu na interakční partnery.

Měření délky

K popisu délky molekuly D/R NA se běžně používají následující zkratky :

  • bp = pár (páry) bází - jeden bp odpovídá přibližně 3,4 Á (340 pm ) délky podél vlákna a zhruba 618 nebo 643 daltonů pro DNA a RNA.
  • kb (= kbp) = páry párů bází = 1 000 bp
  • Mb (= Mbp) = mega párů bází = 1 000 000 bp
  • Gb = giga párů bází = 1 000 000 000 bp.

Pro jednovláknovou DNA/RNA se používají jednotky nukleotidů -zkráceně nt (nebo knt, Mnt, Gnt)-protože nejsou spárovány. K rozlišení mezi jednotkami počítačového úložiště a základen lze pro páry základen použít kbp, Mbp, Gbp atd.

Centimorgan je také často používán implikovat vzdálenost podél chromozomu, ale počet párů bazí odpovídá velmi liší. V lidském genomu je centimorgan asi 1 milion párů bází.

Viz také

Reference

Další čtení

  • Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R (2004). Molekulární biologie genu (5. ed.). Pearson Benjamin Cummings: CSHL Press. (Viz zejména kap. 6 a 9)
  • Sigel A, Sigel H, Sigel RK, eds. (2012). Souhra kovových iontů a nukleových kyselin . Kovové ionty v biologických vědách. 10 . Springer. doi : 10,1007/978-94-007-2172-2 . ISBN 978-9-4007-2171-5. S2CID  92951134 .
  • Chytrý GH, Shionoya M (2012). „Kapitola 10. Alternativní párování bází DNA prostřednictvím koordinace kovů“. Souhra kovových iontů a nukleových kyselin . Kovové ionty v biologických vědách. 10 . s. 269–294. doi : 10,1007/978-94-007-2172-2_10 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210343 .
  • Megger DA, Megger N, Mueller J (2012). „Kapitola 11. Kovem zprostředkované základní páry v nukleových kyselinách s neutrony odvozenými z purinu a pyrimidinu“. Souhra kovových iontů a nukleových kyselin . Kovové ionty v biologických vědách. 10 . s. 295–317. doi : 10.1007/978-94-007-2172-2_11 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210344 .

externí odkazy

  • DAN -webserver verze EMBOSS pomůcka pro výpočet teploty tavení