Párování bází

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Dva základní komplementární páry
Base pair GC.svg
Base pair AT.svg

Párování bází je označení pro způsob, jímž jsou nukleové báze (ať v DNA či v RNA) navzájem pospojovány pomocí vodíkových můstků. V typickém případě se párování bází odehrává na základě základních watson-crickovských pravidel komplementarity, tzn. báze adenin (A) páruje s thyminem (T) [či s uracilem v dsRNA] a báze guanin (G) páruje s cytosinem.[1] Existují však i alternativní možnosti párování, které umožňují vznik některých méně obvyklých situací.

Pro komplementární pár bází (base pair) se používá zkratka bp.[1]

Watson-crickovské párování[editovat | editovat zdroj]

Dvěma základními páry v typické dvouvláknové DNA je AT pár (adenin + thymin) a GC pár (guanin + cytosin), v dvouvláknové RNA se vyskytuje GC pár rovněž, ale druhým základním párem je AU pár (adenin+uracil). Pro tyto komplementární páry platí, že jedna z nukleových bází je vždy purin (A či G), druhá je pyrimidin (C, T, U).[1] Jakékoliv jiné kombinace nukleových bází by silně deformovaly dvoušroubovici B-DNA a proto se v živých organismech téměř nevyskytují.[2]

V GC páru jsou mezi guaninem a cytosinem tři vodíkové můstky, zatímco v AT páru jsou pouze dva. V učebnicích se běžně uvádí, že přítomnost tří vodíkových vazeb mezi G a C je důvodem vyšší stability oblastí DNA bohatých na GC páry.[3] Ve skutečnosti jsou pravou příčinou tohoto jevu silné patrové interakce mezi nad sebou umístěným guaninovou a cytosinovou nukleovou bází.[4]

Chargaffova pravidla říkají, že v DNA je stejný počet adeninových a thyminových zbytků (A = T), to samé platí pro guanin s cytosinem (G = C). To však nic neříká o tom, v jakém poměru jsou GC a AT páry v molekule DNA. Ve skutečnosti se tzv. obsah GC (GC content), tedy zastoupení GC párů v DNA, pohybuje u bakterií od 25 do 75 %, u savců v rozmezí 39-46 %.[2]

Alternativní párování bází[editovat | editovat zdroj]

G kvartet, ukázka alternativního párování

Existuje celá řada dalších možností, jak pomocí vodíkových můstků spárovat báze, neboť atomů schopných podílet se na vzniku vodíkových vazeb je na molekulách purinů i pyrimidinů celá řada. Samostatnou kapitolou je tzv. hoogsteenovské párování pojmenované podle Karsta Hoogsteena, který je v 60. letech 20. století jako první popsal.[5] Co se týče vazeb mezi adeninem a thyminem, hoogsteenovské páry vznikají buď mezi NH2 skupinou adeninu a ketoskupinou thyminu, nebo mezi N7 dusíkem adeninu a vodíkem na C1 thyminu. Podobně mezi guaninem a cytosinem může vznikat alternativní párování mezi ketoskupinou na šesté pozici guaninu a aminoskupinou na čtvrtém uhlíku cytosinu, případně mezi dusíkem na sedmé pozici guaninu a protonovaným dusíkem na pozici N1 cytosinu.[1] Hoogsteenovské párování umožňuje vznik tzv. trojvláknové DNA (tripl-helixu). Mezi čtyřmi do čtverce uspořádanými guaniny dokonce může vzniknout tetraplex, tzv. G-kvartet.[5]

Jinou možností je tzv. wobble párování, které umožňuje úsporné rozeznávání kodonů pomocí tRNA molekul. Při wobble párování může například guanin vytvářet vazbu s uracilem; někdy je rekrutován inosin, jenž má velmi obecné vazebné schopnosti a je schopen vázat se na C, A a U.[6]

Nepřirozené páry bází[editovat | editovat zdroj]

Vědcům se podařilo syntetizovat již mnoho kandidátů na nepřirozené nukleové báze, jen naprostá menšina z nich je však skutečně replikovatelná DNA polymerázami a ještě menší počet umožňuje transkripci do RNA. Pouze u jediného umělého páru nukleových bází byla dosud prokázána in vivo funkční ekvivalence s přirozenými páry (cytosin-guanin, adenin-thymin).

V r. 1989 se švýcarskému biochemikovi Stevenu Bennerovi a jeho týmu podařilo implementovat do struktury DNA modifikované nukleosidy iso-cytidin a iso-guanosin párující se vodíkovými můstky odlišně od C-G. Nové úseky byly in vitro schopné replikace a transkripce do RNA (přiřazování komplementárních deoxyribonukleosidů i ribonukleosidů).[7] V roce 1990 publikoval objev dalších pozměněných nukleosidů, a sice uměle vytvořeného "κ" (chemicky 3-β-D-ribofuranosyl-(2,6-diaminopyrimidin)), párujícího se buďto s přirozeným xanthosinem (X) (má však nestálý deoxyribonukleotid) nebo uměle vytvořeným "π" (chemicky 3-β-D-ribofuranosyl-(1-methyl-pyrazolo[4,3-d]pyrimidin-5,7(4H,6H)-dion)).[8]

V r. 2002 vyvinul japonský biochemik se svým týmem další nepřirozený pár nukleových bází založených na purinu a pyridinu, fungující in vitro při transkripci a translaci, a sice "s" (chemicky 2-amino-8-(2-thienyl)purin) a "y" (chemicky pyridin-2-on).[9] V roce 2006 pak vytvořili další takový pár, "Ds" (chemicky 7-(2-thienyl)imidazo[4,5-b]pyridin) a "Pa" (chemicky pyrrol-2-karbaldehyd)[10] a v r. 2009 objevili, že vhodnější chování má pár "Ds" s nově vytvořenou bází "Px" (chemicky 4-[3-(6-aminohexanamido)-1-propynyl]-2-nitropyrrol).[11]

Skupina amerických vědců vedených Floydem Romesbergem v r. 2008 vytvořila další dvojici párujících se deoxynukleosidů "d5SICS" (chemicky 2-((2R,4R,5R)-tetrahydro-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)furan-2-yl)-6-methylisoquinoline-1(2H)-thion) a "dNaM". Ty již nejsou odvozeny z purinu a pyrimidinu, ale obě obsahují dva kondenzované aromatické cykly. V r. 2012 tým vedený Denisem Malyshevem publikoval funkčnost těchto bází při replikaci in vitro,[12] v r. 2014 pak úspěšné uplatnění in vivo. Vědci přidali do buňky bakterie Escherichia coli plazmid s novými bázemi. Bakterie s plazmidem se rozmnožovaly, jako by byly úplně obyčejné. Uměle syntetizované báze, nutné pro toto množení, byly dodávány z vnějšího prostředí (jejich syntézu buňka neumí) pomocí přenosového aparátu vypůjčeného z řas – gen pro jeho tvorbu byl vložen do genomu bakterie. Nový pár se tak ukázal plně funkčně ekvivalentní přirozeným párům nukleových bází.[13][14]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. a b c d Oxford dictionary of biochemistry and molecular biology; revised edition. Příprava vydání R. Cammack et al. New York : Oxford university press, 2006. ISBN 0-19-852917-1.  
  2. a b VOET, Donald; VOET, Judith. Biochemie. 1.. vyd. Praha : Victoria Publishing, 1995. ISBN 80-85605-44-9.  
  3. Robert K. Murray; Daryl K. Granner; Joe C. Davis; Peter A. Mayes; Victor W. Rodwell. Harper’s Illustrated Biochemistry; twenty-sixth edition. [s.l.] : [s.n.], 2003. ISBN 0-07-138901-6.  
  4. YAKOVCHUK, P.; PROTOZANOVA, E.; FRANK-KAMENETSKII, M. D.. Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix. Nucleic Acids Res.. 2006, roč. 34, čís. 2, s. 564-74. Dostupné online. ISSN 1362-4962.  
  5. a b NELSON, David L.; COX, Michael M.. Lehninger principles of biochemistry. 5. vyd. New York : W. H. Freeman and Company, 2008. ISBN 978-0-7167-7108-1.  
  6. LODISH, Harvey, et al. Molecular Cell Biology. New York : W.H. Freedman and Company, 2004. ISBN 0-7167-4366-3.  
  7. SWITZER, Christopher; MORONEY, Simon E.; BENNER, Steven A.. Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA. Journal of the American Chemical Society [online]. , říjen 1989, svazek 111, čís. 21, s. 8322-8323. Dostupné online. ISSN 1520-5126. DOI:10.1021/ja00203a067.  (anglicky) 
  8. PICCIRILLI, Joseph A.; KRAUCH, Tilman; MORONEY, Simon E., BENNER, Steven A. Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA extends the genetic alphabet. Nature [online]. , 4. leden 1990, svazek 343, čís. 6253, s. 33-37. Dostupné online. ISSN 1476-4687. DOI:10.1038/343033a0. PMID 1688644.  (anglicky) 
  9. HIRAO, Ichiro, a kol. An unnatural base pair for incorporating amino acid analogs into proteins. Nature Biotechnology [online]. 2002, svazek 20, čís. 2, s. 177-182. Dostupné online. ISSN 1546-1696. DOI:10.1038/nbt0202-177. PMID 11821864.  (anglicky) 
  10. HIRAO, Ichiro, a kol. An unnatural hydrophobic base pair system: site-specific incorporation of nucleotide analogs into DNA and RNA. Nature Methods [online]. , 23. srpen 2006, svazek 3, čís. 9, s. 729-735. Dostupné online. ISSN 1548-7105. DOI:10.1038/nmeth915. PMID 16929319.  (anglicky) 
  11. KIMOTO, Michiko, a kol. Generation of high-affinity DNA aptamers using an expanded genetic alphabet. Nature Biotechnology [online]. , 7. duben 2013, svazek 31, čís. 5, s. 453-457. Dostupné online. ISSN 1548-7105. DOI:10.1038/nbt.2556. PMID 23563318.  (anglicky) 
  12. MALYSHEV, Denis A., a kol. Efficient and sequence-independent replication of DNA containing a third base pair establishes a functional six-letter genetic alphabet. Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS) [online]. , 24. červenec 2012, svazek 109, čís. 30, s. 12005–12010. Dostupné online. ISSN 1091-6490. DOI:10.1073/pnas.1205176109. PMID 22773812.  (anglicky) 
  13. MALYSHEV, Denis A., a kol. A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet. Nature [online]. , 7. květen 2014, svazek 509, čís. 7500, s. 385–388. Dostupné online. ISSN 1476-4687. DOI:10.1038/nature13314. PMID 24805238.  (anglicky) 
  14. JOHN, Radek: Vědci stvořili bakterii s novým genetickým kódem. Týden, 12. květen 2014. Dostupné online