Основания и комплементарные пары нуклеотидов

Введение

Единица, состоящая из двух нуклеотидных оснований, связанных друг с другом водородными связями.

Пара оснований (bp) является фундаментальной единицей двухцепочечных нуклеиновых кислот, состоящей из двух нуклеотидных оснований, связанных друг с другом водородными связями. Они образуют строительные блоки двойной спирали ДНК и способствуют формированию пространственной структуры как ДНК, так и РНК. Определяемые специфическими схемами водородных связей, пары оснований "Уотсон-Крик" (или "Уотсон-Крик-Франклин") (гуанин-цитозин и аденин-тимин) позволяют ДНК-спирали поддерживать регулярную спиральную структуру, которая в тонкостях зависит от ее нуклеотидной последовательности. Дополнительная природа этой структуры, основанной на парах оснований, обеспечивает резервную копию генетической информации, закодированной в каждой цепи ДНК. Регулярная структура и избыточность данных, обеспечиваемые двойной спиралью ДНК, делают ДНК хорошо приспособленной для хранения генетической информации, в то время как спаривание оснований между ДНК и поступающими нуклеотидами обеспечивает механизм, посредством которого ДНК-полимераза реплицирует ДНК, а РНК-полимераза транскрибирует ДНК в РНК. Многие белки, связывающиеся с ДНК, могут распознавать специфические пары оснований, идентифицирующие определенные регуляторные области генов. Внутримолекулярные пары оснований могут возникать в одноцепочечных нуклеиновых кислотах. Это особенно важно в молекулах РНК (например, транспортной РНК), где пары оснований Уотсона-Крика (гуанин-цитозин и аденин-урацил) позволяют формировать короткие двухцепочечные спирали, а широкий спектр взаимодействий, отличных от Уотсона-Крика (например, G-U или A-A), позволяет РНК складываться в широкий спектр специфических трехмерных структур. Кроме того, спаривание оснований между транспортной РНК (тРНК) и матричной РНК (мРНК) является основой для молекулярных событий распознавания, которые приводят к тому, что нуклеотидная последовательность мРНК транслируется в аминокислотную последовательность белков посредством генетического кода. Размер отдельного гена или всего генома организма часто измеряется в парах оснований, поскольку ДНК обычно двухцепочечная. Следовательно, общее количество пар оснований равно количеству нуклеотидов в одной из цепей (за исключением некодирующих одноцепочечных областей теломер). Гаплоидный геном человека (23 хромосомы) оценивается примерно в 3,2 миллиарда оснований и содержит 20 000–25 000 различных генов, кодирующих белки. Килобаза (кб) — единица измерения в молекулярной биологии, равная 1000 парам оснований ДНК или РНК. Общее количество пар оснований ДНК на Земле оценивается в 5,0 с весом 50 миллиардов тонн. Для сравнения, общая масса биосферы оценивается в 4 триллиона тонн углерода.

A base pair (bp) is a fundamental unit of double stranded nucleic acids consisting of two nucleobases bound to each other by hydrogen bonds. They form the building blocks of the DNA double helix and contribute to the folded structure of both DNA and RNA. Dictated by specific hydrogen bonding patterns, "Watson–Crick" (or "Watson–Crick–Franklin") base pairs (guanine–cytosine and adenine–thymine) allow the DNA helix to maintain a regular helical structure that is subtly dependent on its nucleotide sequence. The complementary nature of this based paired structure provides a redundant copy of the genetic information encoded within each strand of DNA. The regular structure and data redundancy provided by the DNA double helix make DNA well suited to the storage of genetic information, while base pairing between DNA and incoming nucleotides provides the mechanism through which DNA polymerase replicates DNA and RNA polymerase transcribes DNA into RNA. Many DNA binding proteins can recognize specific base pairing patterns that identify particular regulatory regions of genes. Intramolecular base pairs can occur within single stranded nucleic acids. This is particularly important in RNA molecules (e. g., transfer RNA), where Watson–Crick base pairs (guanine–cytosine and adenine–uracil) permit the formation of short double stranded helices, and a wide variety of non–Watson–Crick interactions (e. g., G–U or A–A) allow RNAs to fold into a vast range of specific three dimensional structures. In addition, base pairing between transfer RNA (tRNA) and messenger RNA (mRNA) forms the basis for the molecular recognition events that result in the nucleotide sequence of mRNA becoming translated into the amino acid sequence of proteins via the genetic code. The size of an individual gene or an organism's entire genome is often measured in base pairs because DNA is usually double stranded. Hence, the number of total base pairs is equal to the number of nucleotides in one of the strands (with the exception of non coding single stranded regions of telomeres). The haploid human genome (23 chromosomes) is estimated to be about 3.2 billion bases long and to contain 20,000–25,000 distinct protein coding genes. A kilobase (kb) is a unit of measurement in molecular biology equal to 1000 base pairs of DNA or RNA. The total number of DNA base pairs on Earth is estimated at 5.0 with a weight of 50 billion tonnes. In comparison, the total mass of the biosphere has been estimated to be as much as 4 TtC (trillion tons of carbon).

Водородные связи и стабильность

Сверху – G–C основание с тремя водородными связями. Снизу – A–T основание с двумя водородными связями. Нековалентные водородные связи между основаниями показаны пунктирными линиями. Волнистые линии обозначают связь с пентозным сахаром и указывают направление к минорной бороздке. Водородное связывание – это химическое взаимодействие, лежащее в основе правил комплементарности оснований, описанных выше. Соответствие геометрических характеристик доноров и акцепторов водородных связей позволяет стабильно образовываться только «правильным» парам. ДНК с высоким содержанием Г–Ц более стабильна, чем ДНК с низким содержанием Г–Ц. Однако, что важно, стабилизацией двойной спиральной структуры в основном обеспечивают взаимодействия между основаниями (stacking interactions); вклад комплементарного спаривания оснований по Уотсону–Крику в глобальную структурную стабильность минимален, но его роль в специфичности, лежащей в основе комплементарности, напротив, имеет максимальное значение, поскольку она определяет процессы, зависящие от матрицы, в рамках центральной догмы (например, репликацию ДНК). Более крупные нуклеобазы – аденин и гуанин – относятся к классу двойных кольцевых химических структур, называемых пуринами; меньшие нуклеобазы – цитозин и тимин (и урацил) – относятся к классу однокольцевых химических структур, называемых пиримидинами. Пурины комплементарны только пиримидинам: пиримидин–пиримидиновые пары энергетически невыгодны, поскольку молекулы находятся слишком далеко друг от друга для образования водородных связей; пурин–пуриновые пары энергетически невыгодны, поскольку молекулы слишком близки, что приводит к отталкиванию из-за перекрытия. Пурин–пиримидиновое спаривание оснований A–T, G–C или A–U (в РНК) приводит к образованию правильной дуплексной структуры. Другие возможные пурин–пиримидиновые пары – A–C и G–T, а также U–G (в РНК); эти пары являются несовместимыми, поскольку не соответствуют схемы доноров и акцепторов водородных связей. Спаривание G–U с двумя водородными связями довольно часто встречается в РНК (см. «колеблющиеся» основания). Спаренные молекулы ДНК и РНК относительно стабильны при комнатной температуре, но две нуклеотидные цепи разделяются при температуре плавления, которая определяется длиной молекул, степенью несовпадения оснований (если оно есть) и содержанием Г–Ц. Более высокое содержание Г–Ц приводит к более высокой температуре плавления; поэтому неудивительно, что геномы экстремофильных организмов, таких как Thermus thermophilus, особенно богаты Г–Ц. Напротив, области генома, которые должны часто разделяться – например, промоторные области часто транскрибируемых генов – относительно бедны Г–Ц (например, см. TATA-бокс). Содержание Г–Ц и температуру плавления также необходимо учитывать при разработке праймеров для ПЦР.

Top, a G. C base pair with three hydrogen bonds. Bottom, an A. T base pair with two hydrogen bonds. Non covalent hydrogen bonds between the bases are shown as dashed lines. The wiggly lines stand for the connection to the pentose sugar and point in the direction of the minor groove. Hydrogen bonding is the chemical interaction that underlies the base pairing rules described above. Appropriate geometrical correspondence of hydrogen bond donors and acceptors allows only the "right" pairs to form stably. DNA with high GC content is more stable than DNA with low GC content. Crucially, however, stacking interactions are primarily responsible for stabilising the double helical structure; Watson Crick base pairing's contribution to global structural stability is minimal, but its role in the specificity underlying complementarity is, by contrast, of maximal importance as this underlies the template dependent processes of the central dogma (e. g. DNA replication). The bigger nucleobases, adenine and guanine, are members of a class of double ringed chemical structures called purines; the smaller nucleobases, cytosine and thymine (and uracil), are members of a class of single ringed chemical structures called pyrimidines. Purines are complementary only with pyrimidines: pyrimidine–pyrimidine pairings are energetically unfavorable because the molecules are too far apart for hydrogen bonding to be established; purine–purine pairings are energetically unfavorable because the molecules are too close, leading to overlap repulsion. Purine–pyrimidine base pairing of AT or GC or UA (in RNA) results in proper duplex structure. The only other purine–pyrimidine pairings would be AC and GT and UG (in RNA); these pairings are mismatches because the patterns of hydrogen donors and acceptors do not correspond. The GU pairing, with two hydrogen bonds, does occur fairly often in RNA (see wobble base pair). Paired DNA and RNA molecules are comparatively stable at room temperature, but the two nucleotide strands will separate above a melting point that is determined by the length of the molecules, the extent of mispairing (if any), and the GC content. Higher GC content results in higher melting temperatures; it is, therefore, unsurprising that the genomes of extremophile organisms such as Thermus thermophilus are particularly GC rich. On the converse, regions of a genome that need to separate frequently — for example, the promoter regions for often transcribed genes — are comparatively GC poor (for example, see TATA box). GC content and melting temperature must also be taken into account when designing primers for PCR reactions.

Аналоги и интеркаляторы для базовых элементов

Химические аналоги нуклеотидов могут занимать место нормальных нуклеотидов и образовывать неканонические пары оснований, что приводит к ошибкам (в основном точечным мутациям) в репликации ДНК и транскрипции ДНК. Это обусловлено их изостерическим сходством. Одним из распространенных мутагенных аналогов оснований является 5-бромурацил, который похож на тимин, но в энольной форме может образовывать пару с гуанином. Другие химические вещества, известные как интеркаляторы ДНК, встраиваются в пространство между соседними основаниями на одной цепи и вызывают мутации со сдвигом рамки считывания, "маскируясь" под основание и заставляя механизм репликации ДНК пропускать или добавлять дополнительные нуклеотиды в месте интеркаляции. Большинство интеркаляторов – это крупные полиароматические соединения, известные или подозреваемые в канцерогенности. Примеры включают бромид этидия и акридин.

Ремонт несоответствия

Несовместимые пары оснований могут образовываться в результате ошибок репликации ДНК и как промежуточные продукты при гомологичной рекомбинации. Процесс репарации (восстановления) несоответствий обычно должен распознавать и правильно исправлять небольшое количество неправильно спаренных оснований в длинной последовательности нормальных пар оснований ДНК. Для исправления несоответствий, возникших во время репликации ДНК, эволюционировало несколько различных механизмов репарации, позволяющих различать матричную и вновь синтезированную цепь, чтобы удалялся только вновь вставленный некорректный нуклеотид (с целью предотвращения возникновения мутации). Белки, участвующие в репарации несоответствий при репликации ДНК, и клиническая значимость дефектов в этом процессе описаны в статье «Репарация (восстановление) несоответствий ДНК». Процесс исправления неправильных пар оснований во время рекомбинации описан в статье «Генная конверсия».