Нуклеотидные основания [1] (также нуклеобазы , азотистые основания ) — это азотсодержащие биологические соединения, которые образуют нуклеозиды , которые, в свою очередь, являются компонентами нуклеотидов , причем все эти мономеры составляют основные строительные блоки нуклеиновых кислот . Способность нуклеобаз образовывать пары оснований и накладываться друг на друга приводит непосредственно к длинноцепочечным спиральным структурам, таким как рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Пять нуклеобаз — аденин (A), цитозин (C), гуанин (G), тимин (T) и урацил (U) — называются первичными или каноническими . Они функционируют как основные единицы генетического кода , при этом основания A, G, C и T находятся в ДНК, а A, G, C и U находятся в РНК. Тимин и урацил различаются только наличием или отсутствием метильной группы на пятом углероде (C5) этих гетероциклических шестичленных колец. [2] [ нужна страница ] Кроме того, некоторые вирусы имеют аминоаденин (Z) вместо аденина. Он отличается наличием дополнительной аминогруппы , что создает более стабильную связь с тимином. [3]
Аденин и гуанин имеют конденсированную кольцевую скелетную структуру, полученную из пурина , поэтому их называют пуриновыми основаниями . [4] Пуриновые азотистые основания характеризуются своей единственной аминогруппой ( −NH 2 ), на углероде C6 в аденине и C2 в гуанине. [5] Аналогично, простая кольцевая структура цитозина, урацила и тимина получена из пиримидина , поэтому эти три основания называются пиримидиновыми основаниями . [6]
Каждая из пар оснований в типичной двухспиральной ДНК состоит из пурина и пиримидина: либо A в паре с T, либо C в паре с G. Эти пары пурин-пиримидин, которые называются комплементарными основаниями , соединяют две нити спирали и часто сравниваются со ступенями лестницы. Только спаривание пурина с пиримидином обеспечивает постоянную ширину ДНК. Спаривание A–T основано на двух водородных связях , тогда как спаривание C–G основано на трех. В обоих случаях водородные связи возникают между аминогруппами и карбонильными группами на комплементарных основаниях.
Такие азотистые основания, как аденин, гуанин, ксантин , гипоксантин , пурин, 2,6-диаминопурин и 6,8-диаминопурин, могли образоваться как в открытом космосе, так и на Земле. [7] [8] [9]
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, тем самым создавая длинную цепочку биомолекулы . Эти цепочечные соединения фосфатов с сахарами ( рибозой или дезоксирибозой ) создают нити «основы» для одинарной или двойной спирали биомолекулы. В двойной спирали ДНК две нити химически ориентированы в противоположных направлениях, что позволяет спаривать основания, обеспечивая комплементарность между двумя основаниями, и что необходимо для репликации или транскрипции закодированной информации, обнаруженной в ДНК. [ необходима цитата ]
ДНК и РНК также содержат другие (непервичные) основания, которые были модифицированы после формирования цепи нуклеиновой кислоты. В ДНК наиболее распространенным модифицированным основанием является 5-метилцитозин (m 5 C). В РНК существует множество модифицированных оснований, включая те, которые содержатся в нуклеозидах псевдоуридин (Ψ), дигидроуридин (D), инозин (I) и 7-метилгуанозин (m 7 G). [10] [11]
Гипоксантин и ксантин — два из многих оснований, созданных в присутствии мутагена , оба они образуются путем дезаминирования (замены аминогруппы на карбонильную группу). Гипоксантин образуется из аденина, ксантин — из гуанина [12] , а урацил — в результате дезаминирования цитозина.
Это примеры модифицированного аденозина или гуанозина.
Это примеры модифицированного цитидина, тимидина или уридина.
Существует огромное количество аналогов нуклеиновых оснований. Наиболее распространенные приложения используются в качестве флуоресцентных зондов, как напрямую, так и косвенно, например, аминоаллил нуклеотид , который используется для маркировки кРНК или кДНК в микрочипах . Несколько групп работают над альтернативными «дополнительными» парами оснований для расширения генетического кода, например, изогуанин и изоцитозин или флуоресцентный 2-амино-6-(2-тиенил)пурин и пиррол-2-карбальдегид. [13] [14]
В медицине несколько аналогов нуклеозидов используются в качестве противораковых и противовирусных средств. Вирусная полимераза объединяет эти соединения с неканоническими основаниями. Эти соединения активируются в клетках, превращаясь в нуклеотиды; они вводятся в виде нуклеозидов , поскольку заряженные нуклеотиды не могут легко пересекать клеточные мембраны. [ необходима цитата ] По состоянию на май 2014 года было объявлено как минимум об одном наборе новых пар оснований. [15]
Чтобы понять, как возникла жизнь , необходимо знание химических путей, которые позволяют формировать ключевые строительные блоки жизни в вероятных пребиотических условиях . Согласно гипотезе мира РНК , в первичном бульоне присутствовали свободно плавающие рибонуклеотиды . Это были основные молекулы, которые последовательно объединялись для образования РНК . Молекулы, столь сложные, как РНК, должны были возникнуть из небольших молекул, реакционная способность которых регулировалась физико-химическими процессами. РНК состоит из пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, оба из которых необходимы для надежной передачи информации и, таким образом, дарвиновской эволюции . Нам и др. [16] продемонстрировали прямую конденсацию азотистых оснований с рибозой с образованием рибонуклеозидов в водных микрокаплях, что является ключевым шагом, ведущим к образованию РНК. Аналогичные результаты были получены Беккером и др. [17].