Нуклеотидная основа

Нуклеотидные основания ^[1] (также основания азотистые , которые, в свою очередь , ) — азотсодержащие биологические соединения, образующие нуклеозиды являются компонентами нуклеотидов , причем все эти мономеры составляют основные строительные блоки нуклеиновых кислот . Способность азотистых 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. ^[2]^{[ нужна страница ]}Кроме того, у некоторых вирусов имеется аминоаденин вместо аденина (Z). Он отличается наличием дополнительной аминогруппы , создающей более стабильную связь с тимином. ^[3]

Аденин и гуанин имеют скелетную структуру из сросшихся колец , производную пурина , поэтому их называют пуриновыми основаниями . ^[4] Пуриновые азотистые основания характеризуются единственной аминогруппой ( −NH ₂ ), по углероду C6 в аденине и C2 в гуанине. ^[5] Точно так же простая кольцевая структура цитозина, урацила и тимина является производной пиримидина , поэтому эти три основания называются пиримидиновыми основаниями . ^[6]

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. ^[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

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 двойной спирали 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. ^{[ нужна ссылка ]}

Модифицированные азотистые основания

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. ⁵С). В РНК имеется множество модифицированных оснований, в том числе содержащиеся в нуклеозидах псевдоуридин (Ψ), дигидроуридин (D), инозин (I) и 7-метилгуанозин (м). ⁷Г). ^[10]^[11]

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, ^[12] а урацил образуется в результате дезаминирования цитозина.

Модифицированные пуриновые азотистые основания

Это примеры модифицированного аденозина или гуанозина.

нуклеиновое основание	Гипоксантин	Ксантин	7-Метилгуанин
Нуклеозид	инозин я	Ксантозин Х	7-метилгуанозин м ⁷Г

Модифицированные пиримидиновые нуклеиновые основания

Это примеры модифицированного цитидина, тимидина или уридина.

нуклеиновое основание	5,6-Дигидроурацил	5-метилцитозин	5-гидроксиметилцитозин
Нуклеозид	Дигидроуридин Д	5-Метилцитидин м ⁵С	Псевдоуридин

Искусственные азотистые основания

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 . ^[13]^[14]

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 ссылка ]} По крайней мере, один набор новых пар оснований был объявлен по состоянию на май 2014 года. ^[15]

Пребиотическая конденсация нуклеиновых оснований с рибозой

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, свободно плавающие рибонуклеотиды присутствовали в первичном супе . 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. ^[16] продемонстрировали прямую конденсацию нуклеиновых оснований с рибозой с образованием рибонуклеозидов в водных микрокапельках, что является ключевым этапом, ведущим к образованию РНК. Аналогичные результаты были получены Becker et al. ^[17]

См. также

Нуклеозид – любой из нескольких гликозиламинов, содержащий азотистое основание и молекулу сахара.
Нуклеотид - биологические молекулы, составляющие нуклеиновые кислоты.
Обозначение нуклеиновой кислоты - универсальное обозначение с использованием римских символов A, C, G и T для обозначения четырех нуклеотидов ДНК.
Последовательность нуклеиновой кислоты - последовательность нуклеотидов в нуклеиновой кислоте.

Ссылки

^ Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). «ИЮПАК – нуклеотидные основания (N04254)» . goldbook.iupac.org .
^ Соукуп, Гаррет А. (2003). «Нуклеиновые кислоты: общие свойства». ЭЛС . Американское онкологическое общество. дои : 10.1038/npg.els.0001335 . ISBN 9780470015902 .
^ «Некоторые вирусы разрушают бактериальную защиту с помощью уникального генетического алфавита» . 5 мая 2021 г.
^ Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). «ИЮПАК – пуриновые основания (Р04953)» . goldbook.iupac.org . дои : 10.1351/goldbook.p04953 .
^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. «Раздел 25.2. Пуриновые основания могут быть синтезированы заново или переработаны путем утилизации» . Биохимия. 5-е издание . Проверено 11 декабря 2019 г.
^ Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). «ИЮПАК – пиримидиновые основания (Р04958)» . goldbook.iupac.org . дои : 10.1351/goldbook.p04958 .
^ Каллахан, член парламента, Смит К.Е., Кливс Х.Дж., Ружичка Дж., Стерн Дж.К., Главин Д.П., Палата представителей, Дворкин Дж.П. (август 2011 г.). «Углеродистые метеориты содержат широкий спектр внеземных азотистых оснований» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (34). ПНАС : 13995–8. Бибкод : 2011PNAS..10813995C . дои : 10.1073/pnas.1106493108 . ПМК 3161613 . ПМИД 21836052 .
^ Штайгервальд, Джон (8 августа 2011 г.). «Исследователи НАСА: строительные блоки ДНК можно создавать в космосе» . НАСА . Проверено 10 августа 2011 г.
^ Сотрудники ScienceDaily (9 августа 2011 г.). «Строительные блоки ДНК можно создавать в космосе, как показывают данные НАСА» . ScienceDaily . Проверено 9 августа 2011 г.
^ Стейвли, Брайан Э. «BIOL2060: Перевод» . www.mun.ca. Проверено 17 августа 2020 г. .
^ «Роль 5'-мРНК и 5'-U кэп-структур мяРНК в регуляции экспрессии генов» - Исследование - Проверено 13 декабря 2010 г.
^ Нгуен Т., Брансон Д., Креспи К.Л., Пенман Б.В., Вишнок Дж.С., Танненбаум С.Р. (апрель 1992 г.). «Повреждение и мутация ДНК в клетках человека, подвергшихся воздействию оксида азота in vitro» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (7): 3030–4. Бибкод : 1992PNAS...89.3030N . дои : 10.1073/pnas.89.7.3030 . ПМК 48797 . ПМИД 1557408 .
^ Джонсон С.К., Шерил С.Б., Маршалл Д.Д., Мозер М.Дж., Прудент Дж.Р. (2004). «Третья пара оснований для полимеразной цепной реакции: вставка isoC и isoG» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (6): 1937–41. дои : 10.1093/nar/gkh522 . ПМК 390373 . ПМИД 15051811 .
^ Кимото М, Мицуи Т, Харада Й, Сато А, Ёкояма С, Хирао И (2007). «Флуоресцентное зондирование молекул РНК с помощью неестественной системы пар оснований» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (16): 5360–69. дои : 10.1093/нар/gkm508 . ПМК 2018647 . ПМИД 17693436 .
^ Малышев Д.А., Дхами К., Лавернь Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж.М., Корреа И.Р., Ромесберг Ф.Е. (май 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом» . Природа . 509 (7500): 385–8. Бибкод : 2014Natur.509..385M . дои : 10.1038/nature13314 . ПМК 4058825 . ПМИД 24805238 .
^ Нам, Инхо; Нам, Хонг Гиль; Заре, Ричард Н. (2018). «Абиотический синтез пуриновых и пиримидиновых рибонуклеозидов в водных микрокапельках» . Труды Национальной академии наук . 115 (1): 36–40. Бибкод : 2018PNAS..115...36N . дои : 10.1073/pnas.1718559115 . ПМК 5776833 . ПМИД 29255025 .
^ Беккер, Сидни; Фельдманн, Йонас; Видеманн, Стефан; Окамура, Хиденори; Шнайдер, Кристина; Иван, Катарина; Крисп, Энтони; Росса, Мартин; Аматов, Тынчтик; Карелл, Томас (2019). «Единый пребиотически возможный синтез пиримидиновых и пуриновых РНК-рибонуклеотидов» (PDF) . Наука . 366 (6461): 76–82. Бибкод : 2019Sci...366...76B . дои : 10.1126/science.aax2747 . ПМИД 31604305 . S2CID 203719976 .

Внешние ссылки

Спаривание оснований в двойной спирали ДНК (показаны специфические водородные связи)

[1] Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). «ИЮПАК – нуклеотидные основания (N04254)» . goldbook.iupac.org .

[2] Соукуп, Гаррет А. (2003). «Нуклеиновые кислоты: общие свойства». ЭЛС . Американское онкологическое общество. дои : 10.1038/npg.els.0001335 . ISBN 9780470015902 .

[3] «Некоторые вирусы разрушают бактериальную защиту с помощью уникального генетического алфавита» . 5 мая 2021 г.

[4] Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). «ИЮПАК – пуриновые основания (Р04953)» . goldbook.iupac.org . дои : 10.1351/goldbook.p04953 .

[NIH.gov-5] Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. «Раздел 25.2. Пуриновые основания могут быть синтезированы заново или переработаны путем утилизации» . Биохимия. 5-е издание . Проверено 11 декабря 2019 г.

[6] Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). «ИЮПАК – пиримидиновые основания (Р04958)» . goldbook.iupac.org . дои : 10.1351/goldbook.p04958 .

[Callahan-7] Каллахан, член парламента, Смит К.Е., Кливс Х.Дж., Ружичка Дж., Стерн Дж.К., Главин Д.П., Палата представителей, Дворкин Дж.П. (август 2011 г.). «Углеродистые метеориты содержат широкий спектр внеземных азотистых оснований» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (34). ПНАС : 13995–8. Бибкод : 2011PNAS..10813995C . дои : 10.1073/pnas.1106493108 . ПМК 3161613 . ПМИД 21836052 .

[Steigerwald-8] Штайгервальд, Джон (8 августа 2011 г.). «Исследователи НАСА: строительные блоки ДНК можно создавать в космосе» . НАСА . Проверено 10 августа 2011 г.

[DNA-9] Сотрудники ScienceDaily (9 августа 2011 г.). «Строительные блоки ДНК можно создавать в космосе, как показывают данные НАСА» . ScienceDaily . Проверено 9 августа 2011 г.

[10] Стейвли, Брайан Э. «BIOL2060: Перевод» . www.mun.ca. Проверено 17 августа 2020 г. .

[11] «Роль 5'-мРНК и 5'-U кэп-структур мяРНК в регуляции экспрессии генов» - Исследование - Проверено 13 декабря 2010 г.

[pmid1557408-12] Нгуен Т., Брансон Д., Креспи К.Л., Пенман Б.В., Вишнок Дж.С., Танненбаум С.Р. (апрель 1992 г.). «Повреждение и мутация ДНК в клетках человека, подвергшихся воздействию оксида азота in vitro» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (7): 3030–4. Бибкод : 1992PNAS...89.3030N . дои : 10.1073/pnas.89.7.3030 . ПМК 48797 . ПМИД 1557408 .

[pmid15051811-13] Джонсон С.К., Шерил С.Б., Маршалл Д.Д., Мозер М.Дж., Прудент Дж.Р. (2004). «Третья пара оснований для полимеразной цепной реакции: вставка isoC и isoG» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (6): 1937–41. дои : 10.1093/nar/gkh522 . ПМК 390373 . ПМИД 15051811 .

[14] Кимото М, Мицуи Т, Харада Й, Сато А, Ёкояма С, Хирао И (2007). «Флуоресцентное зондирование молекул РНК с помощью неестественной системы пар оснований» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (16): 5360–69. дои : 10.1093/нар/gkm508 . ПМК 2018647 . ПМИД 17693436 .

[15] Малышев Д.А., Дхами К., Лавернь Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж.М., Корреа И.Р., Ромесберг Ф.Е. (май 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом» . Природа . 509 (7500): 385–8. Бибкод : 2014Natur.509..385M . дои : 10.1038/nature13314 . ПМК 4058825 . ПМИД 24805238 .

[16] Нам, Инхо; Нам, Хонг Гиль; Заре, Ричард Н. (2018). «Абиотический синтез пуриновых и пиримидиновых рибонуклеозидов в водных микрокапельках» . Труды Национальной академии наук . 115 (1): 36–40. Бибкод : 2018PNAS..115...36N . дои : 10.1073/pnas.1718559115 . ПМК 5776833 . ПМИД 29255025 .

[17] Беккер, Сидни; Фельдманн, Йонас; Видеманн, Стефан; Окамура, Хиденори; Шнайдер, Кристина; Иван, Катарина; Крисп, Энтони; Росса, Мартин; Аматов, Тынчтик; Карелл, Томас (2019). «Единый пребиотически возможный синтез пиримидиновых и пуриновых РНК-рибонуклеотидов» (PDF) . Наука . 366 (6461): 76–82. Бибкод : 2019Sci...366...76B . дои : 10.1126/science.aax2747 . ПМИД 31604305 . S2CID 203719976 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]