Нуклеиновые основания ( азотистые основания или просто основания ) — азотсодержащие биологические соединения, образующие нуклеозиды , которые, в свою очередь, являются компонентами нуклеотидов , причем все эти мономеры составляют основные строительные блоки нуклеиновых кислот . Способность нуклеиновых оснований образовывать пары оснований и укладываться друг на друга непосредственно приводит к образованию длинноцепочечных спиральных структур, таких как рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Пять азотистых оснований — аденин (А), цитозин (С), гуанин (G), тимин (Т) и урацил (U) — называются первичными или каноническими . Они функционируют как фундаментальные единицы генетического кода : основания A, G, C и T находятся в ДНК, а A, G, C и U — в РНК. Тимин и урацил отличаются лишь наличием или отсутствием метильной группы на пятом углероде (C5) этих гетероциклических шестичленных колец. [1] [ нужна страница ] Кроме того, некоторые вирусы содержат аминоаденин (Z) вместо аденина. Он отличается наличием дополнительной аминогруппы , создающей более стабильную связь с тимином. [2]
Аденин и гуанин имеют скелетную структуру из сросшихся колец , производную пурина , поэтому их называют пуриновыми основаниями . Пуриновые азотистые основания характеризуются единственной аминогруппой ( -NH 2 ) при атоме углерода C6 в аденине и C2 в гуанине. [3] Точно так же простая кольцевая структура цитозина, урацила и тимина является производной пиримидина , поэтому эти три основания называются пиримидиновыми основаниями .
Каждая из пар оснований в типичной двойной спирали ДНК содержит пурин и пиримидин: либо A в паре с T, либо C в паре с G. Эти пары пурин-пиримидин, которые называются комплементарными основаниями , соединяют две цепи. спирали и часто сравниваются со ступенями лестницы. Только соединение пурина с пиримидином обеспечивает постоянную ширину ДНК. Спаривание A–T основано на двух водородных связях , а спаривание C–G – на трех. В обоих случаях водородные связи находятся между аминной и карбонильной группами комплементарных оснований.
Нуклеиновые основания, такие как аденин, гуанин, ксантин , гипоксантин , пурин, 2,6-диаминопурин и 6,8-диаминопурин, возможно, образовались как в космическом пространстве, так и на Земле. [4] [5] [6]
Происхождение термина « основание» отражает химические свойства этих соединений в кислотно-основных реакциях , но эти свойства не особенно важны для понимания большинства биологических функций азотистых оснований.
По бокам структуры нуклеиновой кислоты молекулы фосфата последовательно соединяют два сахарных кольца двух соседних нуклеотидных мономеров, создавая тем самым длинноцепочечную биомолекулу . Эти соединения фосфатов с сахарами ( рибозой или дезоксирибозой ) создают «основные» цепи одно- или двухспиральной биомолекулы. В двойной спирали ДНК две цепи химически ориентированы в противоположных направлениях, что позволяет спаривать основания, обеспечивая комплементарность между двумя основаниями, и что важно для репликации или транскрипции закодированной информации, обнаруженной в ДНК.
ДНК и РНК также содержат другие (непервичные) основания, которые были модифицированы после образования цепи нуклеиновой кислоты. В ДНК наиболее распространенным модифицированным основанием является 5-метилцитозин (м 5 С). В РНК имеется множество модифицированных оснований, в том числе содержащиеся в нуклеозидах псевдоуридине (Ψ), дигидроуридине (D), инозине (I) и 7-метилгуанозине (м 7 G). [7] [8]
Гипоксантин и ксантин — два из многих оснований, созданных в результате присутствия мутагена , причем оба они являются результатом дезаминирования (замены аминогруппы карбонильной группой). Гипоксантин образуется из аденина, ксантин — из гуанина [9] , а урацил — в результате дезаминирования цитозина.
Это примеры модифицированного аденозина или гуанозина.
Это примеры модифицированного цитидина, тимидина или уридина.
Существует огромное количество аналогов азотистых оснований. Чаще всего используются флуоресцентные зонды, прямо или косвенно, такие как аминоаллилнуклеотиды , которые используются для мечения кРНК или кДНК в микрочипах . Несколько групп работают над альтернативными «дополнительными» парами оснований для расширения генетического кода, такими как изогуанин и изоцитозин или флуоресцентный 2-амино-6-(2-тиенил)пурин и пиррол-2-карбальдегид. [10] [11]
В медицине несколько аналогов нуклеозидов используются в качестве противораковых и противовирусных средств. Вирусная полимераза включает эти соединения с неканоническими основаниями. Эти соединения активируются в клетках путем преобразования в нуклеотиды; их вводят в виде нуклеозидов , поскольку заряженные нуклеотиды не могут легко проникать через клеточные мембраны. [ нужна цитата ] По состоянию на май 2014 года было объявлено как минимум об одном наборе новых пар оснований. [12]
Чтобы понять, как возникла жизнь, необходимы знания о химических путях, которые позволяют формировать ключевые строительные блоки жизни в вероятных пребиотических условиях . Согласно гипотезе мира РНК, в первичном супе присутствовали свободно плавающие рибонуклеотиды . Это были фундаментальные молекулы, которые последовательно соединялись, образуя РНК . Молекулы, столь сложные, как РНК, должны были возникнуть из небольших молекул, реакционная способность которых определялась физико-химическими процессами. РНК состоит из пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, оба из которых необходимы для надежной передачи информации и, следовательно, для дарвиновской эволюции . Нам и др. [13] продемонстрировали прямую конденсацию азотистых оснований с рибозой с образованием рибонуклеозидов в водных микрокапельках, что является ключевым этапом, ведущим к образованию РНК. Аналогичные результаты были получены Becker et al. [14]