21.10: Parowanie zasad DNA

Reguły Erwina Chargaffa dotyczące równoważności DNA utorowały drogę do odkrycia par zasad w DNA. Reguły Chargaffa stwierdzają, że w dwuniciowej cząsteczce DNA:

1. ilość adeniny (A) jest równa ilości tyminy (T);
2. ilość guaniny (G) jest równa ilości cytozyny (C); I
3. suma puryn A i G jest równa sumie pirymidyn C i T (tj. A+G = C+T).

Późniejsze prace Watsona i Cricka ujawniły, że w dwuniciowym DNA A zawsze tworzy dwa wiązania wodorowe z T, a G zawsze tworzy trzy wiązania wodorowe z C. To parowanie zasad utrzymuje stałą szerokość podwójnej helisy DNA, ponieważ zarówno A-T, jak i Pary C-G mają długość 10,85 Å i idealnie mieszczą się pomiędzy dwoma szkieletami cukrowo-fosforanowymi.

Pary zasad powodują, że zasady azotowe stają się niedostępne dla innych cząsteczek, dopóki wiązania wodorowe nie rozdzielą się. Jednakże specyficzne enzymy mogą z łatwością rozerwać te wiązania wodorowe, aby przeprowadzić niezbędne procesy komórkowe, takie jak replikacja i transkrypcja DNA. Ponieważ para G-C ma więcej wiązań wodorowych niż para A-T, DNA z wysokim odsetkiem par G-C będzie potrzebowało większej energii do rozdzielenia dwóch nici DNA niż DNA z podobnym odsetkiem par A-T.

Podstawowe analogi jako lekarstwo

Prawidłowe parowanie zasad jest niezbędne dla wiernej replikacji DNA. Analogi zasad to cząsteczki, które mogą zastąpić standardowe zasady DNA podczas replikacji DNA. Analogi te są skutecznymi środkami przeciwwirusowymi i przeciwnowotworowymi przeciwko chorobom takim jak zapalenie wątroby, opryszczka i białaczka. Acyklowir, znany również jako acykloguanozyna, jest podstawowym analogiem guaniny i jest powszechnie stosowany w leczeniu wirusa opryszczki pospolitej. Część guaninowa acyklowiru jak zwykle łączy się w pary z adeniną podczas replikacji DNA; jednakże, ponieważ nie ma końca 3' nukleotydu, polimeraza DNA nie może kontynuować tworzenia par zasad i replikacja dobiega końca.

DNA przypomina skręconą drabinę. A szczeble drabiny DNA są komplementarnymi parami zasad azotowych. Zgodnie z regułami parowania zasad adenina, puryna, łączy się z tyminą, pirymidyną, z dwoma wiązaniami wodorowymi. A guanina, puryna, pojawia się z cytozyną, pirymidyną, z trzema wiązaniami wodorowymi. Ale dlaczego puryny zawsze łączą się z pirymidynami?

Ze względu na ograniczenia steryczne, to znaczy ograniczenia przestrzenne narzucone przez szkielet fosforanu cukru DNA, dla par zasad w podwójnej helisie DNA dostępna jest tylko przestrzeń 10,85 angstrema.

Puryny mają strukturę podwójnego pierścienia. Dlatego dwie puryny razem będą zbyt duże, aby zmieścić się w tej przestrzeni. Z drugiej strony, jeśli połączymy ze sobą dwie pirymidyny, które zawierają tylko jeden pierścień, odległość między nimi będzie zbyt duża, aby utworzyć wiązania wodorowe, które mają około dwóch angstremów długości.

Jeśli jednak połączymy ze sobą purynę i pirymidynę, idealnie pasują one do helisy DNA i są wystarczająco blisko, aby utworzyć wiązania wodorowe. Wiązania wodorowe mogą powstawać, gdy atom wodoru znajduje się w odległości około dwóch angstremów od atomu elektroujemnego, takiego jak tlen lub azot.

Adenina ma jeden atom wodoru zbliżony do tlenu i tyminy. A tymina ma jeden wodór zbliżony do azotu i adeniny. Prowadzi to do powstania dwóch wiązań wodorowych.

Adenina nie może tworzyć wiązań wodorowych z cytozyną, ponieważ cytozyna ma atom wodoru, w którym znajdowałby się tlen i tymina. A atom wodoru, który jest obecny w tyminie, jest nieobecny w cytozynie.

Podobne zjawisko zachodzi w parze zasad cytozyny guaniny, w której tlen w guaninie oraz tlen i azot w cytozynie są umieszczone naprzeciwko wodoru, co prowadzi do powstania trzech wiązań wodorowych, co nie ma miejsca w parowaniu zasad guaniny tyminy.

Wysoka specyficzność parowania zasad, wraz z pomocą enzymów replikacji DNA, powoduje, że adenina zawsze łączy się z tyminą, a guanina zawsze łączy się z cytozyną.