Пара оснований

редактировать
Блок, состоящий из двух азотистых оснований, связанных друг с другом водородными связями Изображение аденина - тимин пара оснований Уотсона-Крика

A пара оснований (bp) является основной единицей двухцепочечных нуклеиновых кислот, состоящих из двух азотистых оснований, связанных друг с другом. водородными связями. Они образуют строительные блоки двойной спирали ДНК и вносят вклад в складчатую структуру как ДНК, так и РНК. Продиктовано определенными типами водородных связей, пар оснований «Ватсона-Крика» (гуанин - цитозин и аденин - тимин ) позволяют спирали ДНК поддерживать регулярную спиральную структуру, которая тонко зависит от ее нуклеотидной последовательности. комплементарный характер этой основанной парной структуры обеспечивает избыточную копию генетической информации, закодированной в каждой цепи ДНК. Регулярная структура и избыточность данных, обеспечиваемая двойной спиралью ДНК, делают ДНК хорошо подходящей для хранения генетической информации, в то время как спаривание оснований между ДНК и поступающими нуклеотидами обеспечивает механизм, посредством которого ДНК-полимераза реплицирует ДНК и РНК-полимераза транскрибирует ДНК в РНК. Многие ДНК-связывающие белки могут распознавать специфические паттерны спаривания оснований, которые идентифицируют определенные регуляторные области генов.

Внутримолекулярные пары оснований могут встречаться в одноцепочечных нуклеиновых кислотах. Это особенно важно в молекулах РНК (например, РНК переноса ), где пары оснований Уотсона-Крика (гуанин-цитозин и аденин-урацил ) позволяют образовывать короткие двухцепочечные спирали. и широкий спектр взаимодействий, не связанных с Ватсоном – Криком (например, G – U или A – A), позволяет РНК складываться в широкий диапазон конкретных трехмерных структур. Кроме того, спаривание оснований между транспортной РНК (тРНК) и информационной РНК (мРНК) формирует основу для событий молекулярного распознавания, которые приводят к нуклеотидной последовательности мРНК транслируемой в аминокислотную последовательность белков через генетический код.

Размер отдельного гена или всего организма геном часто измеряется парами оснований, потому что ДНК обычно двухцепочечная. Следовательно, общее количество пар оснований равно количеству нуклеотидов в одной из цепей (за исключением некодирующих одноцепочечных областей теломер ). гаплоид геном человека (23 хромосомы ), по оценкам, имеет длину около 3,2 миллиарда оснований и содержит 20 000–25 000 различных генов, кодирующих белок. килобаз (кб) - это единица измерения в молекулярной биологии, равная 1000 парам оснований ДНК или РНК. Общее количество пар оснований ДНК на Земле оценивается в 5,0 × 10 при весе 50 миллиардов тонн. Для сравнения, общая масса биосферы оценивается в 4 TtC (триллион тонн углерода ).

Содержание

  • 1 Водородное связывание и стабильность
    • 1.1 Примеры
  • 2 Базовые аналоги и интеркаляторы
  • 3 Неестественные пары оснований (UBP)
  • 4 Измерения длины
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

Водородная связь и стабильность

Базовая пара GC.svg
Базовая пара AT.svg
Вверху, пара оснований GC с тремя водородными связями. Внизу, AT пара оснований с двумя водородными связями. Нековалентные водородные связи между основаниями показаны пунктирными линиями. Волнистые линии обозначают соединение с пентозным сахаром и указывают в направлении малой бороздки.

Водородная связь - это химическое взаимодействие, лежащее в основе правил образования пар оснований, описанных выше. Соответствующее геометрическое соответствие доноров и акцепторов водородных связей позволяет стабильно формировать только «правильные» пары. ДНК с высоким GC-содержанием более штат лучше, чем ДНК с низким содержанием GC. Но, вопреки распространенному мнению, водородные связи существенно не стабилизируют ДНК; стабилизация происходит в основном за счет стэкинг-взаимодействий.

Более крупные азотистые основания, аденин и гуанин, являются членами класса двойных кольцевых химических структур, называемых пуринами ; более мелкие азотистые основания, цитозин и тимин (и урацил), являются членами класса однокольцевых химических структур, называемых пиримидинами. Пурины комплементарны только пиримидинам: пары пиримидин-пиримидин энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком далеко друг от друга для установления водородной связи; Пурин-пуриновые пары энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком близко, что приводит к перекрыванию отталкивания. Спаривание пурин-пиримидиновых оснований AT или GC или UA (в РНК) приводит к правильной дуплексной структуре. Единственными другими парами пурин-пиримидин будут AC, GT и UG (в РНК); эти спаривания не соответствуют друг другу, потому что структуры доноров и акцепторов водорода не соответствуют. Спаривание GU с двумя водородными связями действительно довольно часто встречается в РНК (см. пара оснований колебания ).

Парные молекулы ДНК и РНК сравнительно стабильны при комнатной температуре, но две нуклеотидные нити будут разделяться выше точки плавления, которая определяется длиной молекул, степенью неправильного спаривания ( если есть), и содержимое GC. Более высокое содержание GC приводит к более высоким температурам плавления; поэтому неудивительно, что геномы экстремофильных организмов, таких как Thermus thermophilus, особенно богаты GC. Напротив, области генома, которые необходимо часто разделять, например, промоторные области для часто- транскрибируемых генов, относительно бедны GC (например, см. блок TATA ). При разработке праймеров для реакций ПЦР необходимо также учитывать содержание ГХ и температуру плавления.

Примеры

Следующие последовательности ДНК иллюстрируют парные двухцепочечные структуры. По соглашению, верхняя нить записывается от 5 'конца до 3' конца ; таким образом, нижняя нить написана от 3 'до 5'.

Последовательность ДНК, спаренная по основанию:
ATCGATTGAGCTCTAGCG
TAGCTAACTCGAGATCGC
Соответствующая последовательность РНК, в которой урацил заменен на тимин в цепи РНК:
AUCGAUUGAGC 197UCUAGCG>UAGCUAACUCGAGAUCGC

Аналоги оснований и интеркаляторы

Химические аналоги нуклеотидов могут заменять правильные нуклеотиды и устанавливать неканонические пары оснований, что приводит к ошибкам (в основном точечным мутациям ) в Репликация ДНК и Транскрипция ДНК. Это связано с их изостерической химией. Одним из распространенных мутагенных аналогов оснований является 5-бромурацил, который напоминает тимин, но может образовывать пары оснований с гуанином в его форме енола.

Другие химические вещества, известные как интеркаляторы ДНК, вписываются в промежуток между соседними основаниями на одной цепи и вызывают мутации сдвига рамки считывания, «маскируясь» под основу, вызывая механизм репликации ДНК для пропуска или вставки дополнительных нуклеотидов в интеркалированный сайт. Большинство интеркаляторов представляют собой крупные полиароматические соединения, которые известны или предполагаются канцерогенами. Примеры включают бромид этидия и акридин.

Неестественная пара оснований (UBP)

Неестественная пара оснований (UBP) представляет собой разработанную субъединицу (или азотистое основание ) ДНК, которая создана в лаборатории и не встречается в природе. Были описаны последовательности ДНК, которые используют вновь созданные азотистые основания для образования третьей пары оснований в дополнение к двум парам оснований, встречающимся в природе, AT (аденин - тимин ) и GC (гуанин - цитозин ). Несколько исследовательских групп искали третью пару оснований для ДНК, в том числе группы под руководством Стивена А. Беннера и. Сообщалось о некоторых новых парах оснований.

В 1989 году Стивен Беннер (тогда работавший в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе) и его команда возглавили разработку модифицированных форм цитозина и гуанина в ДНК. молекулы in vitro. Нуклеотиды, кодирующие РНК и белки, успешно реплицировались in vitro. С тех пор команда Беннера пытается создать клетки, которые могут создавать чужеродные основания с нуля, устраняя необходимость в сырье.

В 2002 году группа Ичиро Хирао в Японии разработала неестественную пару оснований между 2-амино- 8- (2-тиенил) пурин (ы) и пиридин-2-он (у), которые участвуют в транскрипции и трансляции, для сайт-специфического включения нестандартных аминокислот в белки. В 2006 году они создали 7- (2-тиенил) имидазо [4,5-b] пиридин (Ds) и пиррол-2-карбальдегид (Pa) в качестве третьей пары оснований для репликации и транскрипции. Впоследствии Ds и 4- [3- (6-аминогексанамидо) -1-пропинил] -2-нитропиррол (Px) были обнаружены как высокоточная пара в ПЦР-амплификации. В 2013 году они применили пару Ds-Px для создания ДНК-аптамеров посредством отбора in vitro (SELEX) и продемонстрировали, что расширение генетического алфавита значительно увеличивает сродство ДНК-аптамеров к целевым белкам.

В 2012 году группа американских ученых под руководством Флойда Ромесберга, химического биолога из Исследовательского института Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, опубликовал, что его команда разработала неестественную пару оснований (UBP). Два новых искусственных нуклеотида или пара неестественных оснований (UBP) были названы d5SICS и dNaM. С технической точки зрения, эти искусственные нуклеотиды, несущие гидрофобные азотистые основания, содержат два слитых ароматических кольца, которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК. Его команда разработала множество шаблонов in vitro или «пробирки», содержащих неестественную пару оснований, и они подтвердили, что она эффективно воспроизводилась с высокой точностью практически во всех контекстах последовательностей с использованием современных стандартных методов in vitro, а именно ПЦР-амплификации Приложения на основе ДНК и ПЦР. Их результаты показывают, что для приложений на основе ПЦР и ПЦР пара неестественных оснований d5SICS – dNaM функционально эквивалентна естественной паре оснований, а в сочетании с двумя другими естественными парами оснований, используемыми всеми организмами, A – T и G – C, они представляют собой полностью функциональный и расширенный шестибуквенный «генетический алфавит».

В 2014 году та же команда из Исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали отрезок кольцевой ДНК, известный как плазмида содержащая естественные пары оснований TA и CG, а также наиболее эффективную лабораторию UBP, разработанную Ромесбергом и вставленную в клетки обычной бактерии E. coli, которые успешно реплицировали неестественные пары оснований в нескольких поколениях. трансфекция не препятствовала росту клеток E. coli и не показывала признаков потери неестественных пар оснований из-за естественных механизмов репарации ДНК. Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям. Ромесберг сказал, что он и его коллеги создали 300 вариантов для уточнения конструкции нуклеотидов, которые будут достаточно стабильными и будут воспроизводиться так же легко, как и естественные, при делении клеток. Частично это было достигнуто путем добавления поддерживающего гена водорослей, который экспрессирует переносчик нуклеотидтрифосфата, который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP в бактерии E. coli. Затем естественные пути репликации бактерий используют их для точной репликации плазмиды, содержащей d5SICS-dNaM. Другие исследователи были удивлены тем, что бактерии реплицируют эти созданные человеком субъединицы ДНК.

Успешное включение третьей пары оснований является значительным прорывом в достижении цели значительного увеличения количества аминокислот которые могут кодироваться ДНК, от существующих 20 аминокислот до теоретически возможных 172, тем самым расширяя возможности живых организмов производить новые белки. Искусственные нити ДНК еще ничего не кодируют, но ученые предполагают, что они могут быть созданы для производства новых белков, которые могут иметь промышленное или фармацевтическое применение. Эксперты заявили, что синтетическая ДНК, включающая неестественную пару оснований, увеличивает возможность существования форм жизни, основанных на другом коде ДНК.

Измерения длины

Для описания длины D обычно используются следующие сокращения. / R молекула NA :

  • п.н. = пара (и) оснований - одно п.о. соответствует приблизительно 3,4 Å (340 пм ) длины вдоль цепи и примерно 618 или 643 дальтон для ДНК и РНК соответственно.
  • kb (= kbp) = килограммы пар оснований = 1000 bp
  • Mb (= Mbp) = мегапары оснований = 1000000 п.н.
  • Gb = гига пар оснований = 1000000000 п.н.

Для одноцепочечной ДНК / РНК используются единицы из нуклеотидов - сокращенно nt (или knt, Mnt, Gnt) - поскольку они не парные. Чтобы различать единицы компьютерной памяти и базы, для пар оснований можно использовать kbp, Mbp, Gbp и т.д.

сантиморган также часто используется для обозначения расстояния вдоль хромосомы, но количество пар оснований, которым он соответствует, широко варьируется. В геноме человека сентиморган составляет около 1 миллиона пар оснований.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с базовым соединением.
  • DAN - веб-серверной версией инструмента EMBOSS для расчет температуры плавления
Последняя правка сделана 2021-05-11 13:45:30
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте