Hoogsteenovo párovanie báz

Hoogsteenovo párovanie báz popisuje alternatívny spôsob párovania báz nukleových kyselín. Týmto spôsobom párovania vznikajú vodíkové mostíky medzi dvoma dusíkatými bázami, jednou na každom vlákne, vo veľkom žliabku. Hoogsteenov pár vzniká vďaka N7 (ako akceptorom vodíkovej väzby) a C6 aminoskupinou (ako donorom vodíkovej väzby) purínu, ktoré sa viažu na Watsonovu-Crickovu stranu (N3-C4) pyrimidínu.
História.
Desať rokov po tom, čo James Watson a Francis Crick publikovali svoj model dvojzávitnice DNA popísal Karst Hoogsteen kryštálovú štruktúru komplexu, v ktorom adenín (A) a tymín (T) tvorili bázový pár, ktorý mal inú geometriu než popísali Watson a Crick. Podobným spôsobom môže vzniknúť alternatívne geometrické usporiadanie páru guanínu (G) a cytozínu (C). Hoogsteen poukázal na to, že ak by tieto alternatívne vodíkové väzby boli prítomné v DNA, tak by dvojzávitnica mala výrazné odlišný tvar. Hoogsteenovo párovanie báz sa vyskytuje v alternatívnych štruktúrach, napríklad štvorzávitnicovom G-kvadruplexe, ktoré vznikajú u DNA a RNA.
Chemické vlastnosti.
Hoogsteenove páry majú odlišné vlastnosti od Watsonových-Crickových párov. Uhol medzi glykozidickými väzbami (približne 80° u páru A•T) je väčší a vzdialenosť C1'–C1' (asi 860 pm alebo 8,6 Å) je menšia, než u štandardného usporiadania. V niektorých prípadoch je jedna báza otočená o 180° oproti druhej.
V niektorých sekvenciách DNA, hlavne dinukleotidoch CA a TA, existujú Hoogsteenove páry ako prechodné stavy, ktoré sú prítomné v rovnováhe so štandardnými Watsonovými-Crickovými pármi. Detekcia týchto prechodných stavov vyžaduje použitie relaxačnej disperznej NMR spektroskopie.
Hoogsteenovo párovanie bolo pozorované i v komplexoch proteín–DNA. Niektoré bielkoviny sa vyvinuli tak, že rozoznávajú iba jeden pár báz a využívajú intermolekulárne interakcie, pomocou ktorých posúvajú rovnováhu medzi týmito dvoma geometrickými usporiadaniami.
DNA má mnoho vlastností, ktoré umožňujú rozpoznávanie špecifických sekvencií pomocou proteínov. Pôvodne sa predpokladalo, že toto rozpoznávanie spočíva v konkrétnych interakciách pomocou vodíkových väzieb medzi bočnými reťazcami aminokyselín a dusíkatými bázami. Rýchlo sa však ukázalo, že neexistuje jednoznačný spôsob rozoznávania (kedy by jedna aminokyselina rozoznávala jednu konkrétnu bázu). Súčasťou problému je to, že DNA podlieha rôznym konformačným zmenám, ktoré vedú k deformáciám klasickej dvojzávitnice. Tieto variácie potom predstavujú rôzne spôsoby, ktorými DNA „ukazuje“ bázy bielkovinám, čo ovplyvňuje i rozpoznávacie mechanizmy.
Keďže deformácie dvojzávitnice sú takisto závislé na sekvencii báz, bielkoviny sú schopné rozoznať DNA podobným spôsobom, ako rozpoznávajú iné bielkoviny a malé ligandy, teda podľa ich geometrického tvaru (namiesto konkrétnej sekvencie). Napríklad sekvencie tvorené adenínom (A) a tymínom (T) môžu viesť k zúženiu malého žliabku DNA, čo má za následok zvýšenie lokálneho záporného elektrostatického potenciálu, čo potom vytvára väzbové miesta pre kladne nabitý arginín prítomný v bielkovinách.
Triplex.
Toto nekanonické párovanie báz umožňuje, aby sa okolo duplexu (dvojzávitnice) navinulo tretie vlákno nukleovej kyseliny, ktoré potom tvorí Watsonove-Crickove páry, čím vznikajú trojzávitnice DNA (triplexy), napríklad poly(dA)•2poly(dT) alebo (poly(rG)•2poly(rC)). Tento typ interakcie takisto možno vidieť v trojdimenzionálnej štruktúre transferovej RNA, napríklad u T54•A58 a U8•A14.
Watsonove-Crickove párovanie sa znázorňuje pomocou „•“, „-“ alebo „.“ (napríklad: A•T alebo poly(rC)•2poly(rC)). Hoogsteenovo párovanie sa v rámci trojzávitnice označuje pomocou „*“ alebo „:“ (napríklad: C•G*C+, T•A*T, C•G*G, alebo T•A*A).
Kvadruplex.
Hoogsteenovo párovanie takisto umožňuje tvorbu sekundárnych štruktúr jednovláknovej DNA a RNA bohatej na guanín, v ktorej vznikajú páry medzi štyrmi bázami, ktoré sa nazývajú G-kvadruplexy (G4-DNA a G4-RNA). Existujú dôkazy o tvorbe G4 "in vitro" i "in vivo." Predpokladá sa, že genómové G4 môžu ovplyvňovať transkripciu génov a na úrovni RNA inhibujú syntézu bielkovín pomocou sterickej inhibície funkcie ribozómov. Tvorba G-kvadruplexu vyžaduje štyri trojice guanínov, ktoré sú oddelené krátkymi medzerami. Toto usporiadania umožňuje tvorbu planárnych štvoríc, ktoré sa skladajú z guanínov viazaných pomocou Hoogsteenových vodíkových väzieb.