stringtranslate.com

Нуклеотидное основание

Спаривание оснований: Две пары оснований образуются четырьмя нуклеотидными мономерами, азотистые основания показаны синим цветом . Гуанин (G) соединен с цитозином (C) посредством трех водородных связей , показано красным цветом . Аденин (A) соединен с урацилом (U) посредством двух водородных связей, показано красным цветом .
Пуриновые азотистые основания представляют собой молекулы с конденсированными кольцами.
Пиримидиновые азотистые основания представляют собой простые кольцевые молекулы.

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.

Структура

Химическая структура ДНК, показывающая четыре пары азотистых оснований, образованные восемью нуклеотидами: аденин (A) соединен с тимином (T), а гуанин (G) соединен с цитозином (C). + Эта структура также показывает направленность каждого из двух фосфат-дезоксирибозных остовов, или нитей. Направления от 5' до 3' ( читается как «от 5-го до 3-го») следующие: вниз по нити слева и вверх по нити справа. Нити закручиваются друг вокруг друга, образуя структуру двойной спирали.

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 ]

Модифицированные азотистые основания

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.

Модифицированные пуриновые азотистые основания

Это примеры модифицированного аденозина или гуанозина.

Модифицированные пиримидиновые азотистые основания

Это примеры модифицированного цитидина, тимидина или уридина.

Искусственные азотистые основания

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]

Пребиотическая конденсация азотистых оснований с рибозой

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].

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). "ИЮПАК - нуклеотидные основания (N04254)". goldbook.iupac.org .
  2. ^ Soukup, Garrett A. (2003). "Нуклеиновые кислоты: общие свойства". eLS . Американское онкологическое общество. doi :10.1038/npg.els.0001335. ISBN 9780470015902.
  3. ^ «Некоторые вирусы разрушают защиту бактерий с помощью уникального генетического алфавита». 5 мая 2021 г.
  4. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). "ИЮПАК - пуриновые основания (P04953)". goldbook.iupac.org . doi :10.1351/goldbook.p04953.
  5. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. «Раздел 25.2, Пуриновые основания могут быть синтезированы de Novo или переработаны с помощью спасательных путей». Биохимия. 5-е издание . Получено 11 декабря 2019 г.
  6. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). "ИЮПАК - пиримидиновые основания (P04958)". goldbook.iupac.org . doi :10.1351/goldbook.p04958.
  7. ^ Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP (август 2011 г.). «Углеродистые метеориты содержат широкий спектр внеземных азотистых оснований». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (34). PNAS : 13995–8. Bibcode : 2011PNAS..10813995C. doi : 10.1073/pnas.1106493108 . PMC 3161613. PMID  21836052 . 
  8. ^ Штайгервальд, Джон (8 августа 2011 г.). «Исследователи НАСА: строительные блоки ДНК можно изготавливать в космосе». НАСА . Получено 10 августа 2011 г.
  9. ^ Сотрудники ScienceDaily (9 августа 2011 г.). «Строительные блоки ДНК могут быть созданы в космосе, свидетельствуют данные НАСА». ScienceDaily . Получено 9 августа 2011 г.
  10. ^ Stavely, Brian E. "BIOL2060: Translation". www.mun.ca . Получено 17 августа 2020 г. .
  11. ^ «Роль структур кэпа 5' мРНК и 5' U мяРНК в регуляции экспрессии генов» – Исследования – Получено 13 декабря 2010 г.
  12. ^ Nguyen T, Brunson D, Crespi CL, Penman BW, Wishnok JS, Tannenbaum SR (апрель 1992 г.). «Повреждение ДНК и мутация в клетках человека, подвергшихся воздействию оксида азота in vitro». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (7): 3030–4. Bibcode : 1992PNAS...89.3030N. doi : 10.1073/pnas.89.7.3030 . PMC 48797. PMID  1557408 . 
  13. ^ Джонсон SC, Шеррилл CB, Маршалл DJ, Мозер MJ, Прудент JR (2004). «Третья пара оснований для полимеразной цепной реакции: вставка isoC и isoG». Nucleic Acids Research . 32 (6): 1937–41. doi :10.1093/nar/gkh522. PMC 390373. PMID  15051811 . 
  14. ^ Кимото М., Мицуи Т., Харада И., Сато А., Ёкояма С., Хирао И. (2007). «Флуоресцентное зондирование молекул РНК с помощью неестественной системы пар оснований». Nucleic Acids Research . 35 (16): 5360–69. doi :10.1093/nar/gkm508. PMC 2018647. PMID  17693436. 
  15. ^ Малышев DA, ​​Дхами K, Лавернь T, Чен T, Дай N, Фостер JM, Корреа IR, Ромесберг FE (май 2014). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом». Nature . 509 (7500): 385–8. Bibcode :2014Natur.509..385M. doi :10.1038/nature13314. PMC 4058825 . PMID  24805238. 
  16. ^ Нам, Инхо; Нам, Хонг Гил; Заре, Ричард Н. (2018). «Абиотический синтез пуриновых и пиримидиновых рибонуклеозидов в водных микрокаплях». Труды Национальной академии наук . 115 (1): 36–40. Bibcode : 2018PNAS..115...36N. doi : 10.1073 /pnas.1718559115 . PMC 5776833. PMID  29255025. 
  17. ^ Беккер, Сидней; Фельдманн, Йонас; Видеманн, Стефан; Окамура, Хиденори; Шнайдер, Кристина; Иван, Катарина; Крисп, Энтони; Росса, Мартин; Аматов, Тынчтык; Карелл, Томас (2019). «Единый пребиотически правдоподобный синтез рибонуклеотидов пиримидиновой и пуриновой РНК» (PDF) . Science . 366 (6461): 76–82. Bibcode :2019Sci...366...76B. doi :10.1126/science.aax2747. PMID  31604305. S2CID  203719976.

Внешние ссылки