Párování bází

Párování bázíje označení pro způsob, jímž jsounukleové báze(ať vDNAči vRNA) navzájem pospojovány pomocívodíkových můstků. V typickém případě se párování bází odehrává na základě základníchwatson-crickovskýchpravidelkomplementarity, tzn. bázeadenin(A) páruje sthyminem(T) [či suracilemv dsRNA] a bázeguanin(G) páruje scytosinem.Existují však i alternativní možnosti párování, které umožňují vznik některých méně obvyklých situací.
Prokomplementární pár bází(base pair) se používá zkratkabp.
Dvěma základními páry v typické dvouvláknové DNA je AT pár (adenin + thymin) a GC pár (guanin + cytosin), vdvouvláknové RNAse vyskytuje GC pár rovněž, ale druhým základním párem je AU pár (adenin+uracil). Pro tyto komplementární páry platí, že jedna z nukleových bází je vždypurin(A či G), druhá jepyrimidin(C, T, U).Jakékoliv jiné kombinace nukleových bází by silně deformovaly dvoušroubovici B-DNA a proto se v živých organismech téměř nevyskytují.
V GC páru jsou mezi guaninem a cytosinem třivodíkové 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.Ve skutečnosti jsou pravou příčinou tohoto jevu silnépatrové interakcemezi nad sebou umístěným guaninovou a cytosinovou nukleovou bází.
Chargaffova pravidlaříkají, 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 ubakteriíod 25 do 75 %, u savců v rozmezí 39-46 %.
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 párovánípojmenované podleKarsta Hoogsteena, který je v60. letech 20. stoletíjako první popsal.Co se týče vazeb mezi adeninem a thyminem, hoogsteenovské páry vznikají buď meziNH2skupinouadeninu aketoskupinouthyminu, nebo mezi Ndusíkem adeninu a vodíkem na Cthyminu. 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 Ncytosinu.Hoogsteenovské párování umožňuje vznik tzv.trojvláknové DNA(tripl-helixu). Mezi čtyřmi do čtverce uspořádanými guaniny dokonce může vzniknout tetraplex, tzv.G-kvartet.
Jinou možností je tzv.wobble párování, které umožňuje úsporné rozeznávání kodonů pomocítRNAmolekul. Při wobble párování může například guanin vytvářet vazbu s uracilem; někdy je rekrutováninosin, jenž má velmi obecné vazebné schopnosti a je schopen vázat se na C, A a U.
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 (r. 2017) prokázánain vivofunkční ekvivalence s přirozenými páry (cytosin-guanin, adenin-thymin).
V r. 1989 se švýcarskému biochemikovi Stevenu Bennerovi a jeho týmu podařilo implementovat do struktury DNA modifikovanénukleosidyiso-cytidinaiso-guanosinpárující se vodíkovými můstky odlišně od C-G. Nové úseky bylyin vitroschopné replikace a transkripce do RNA (přiřazování komplementárních deoxyribonukleosidů i ribonukleosidů).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 přirozenýmxanthosinem(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)).
V r. 2002 vyvinul japonský biochemik se svým týmem další nepřirozený pár nukleových bází založených napurinuapyridinu, fungujícíin vitropři transkripci a translaci, a sice „s“ (chemicky 2-amino-8-(2-thienyl)purin) a „y“ (chemicky pyridin-2-on).V roce 2006 pak vytvořili další takový pár, „Ds“ (chemicky 7-(2-thienyl)imidazo[4,5-b]pyridin) a „Pa“ (chemicky pyrrol-2-karbaldehyd)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).
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-methylisochinolin-1(2H)-thion; v popularizačních článcích označovaný jako „Y“) a „dNaM“ (chemicky (1R)-1,4-anhydro-2-deoxy-1-(3-methoxy-2-naftyl)-D-erythro-pentitol; v popularizačních článcích označovaný jako „X“– pozor, nejedná se oxanthosin). Ty již nejsou odvozeny zpurinuapyrimidinu, ale obě obsahují dva kondenzované aromatické cykly. V r. 2012 tým vedený Denisem Malyshevem publikoval funkčnost těchto bází při replikaciin vitro,v r. 2014 pak úspěšné uplatněníin vivo. Vědci přidali do buňkybakterieEscherichia coliplazmid 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.Díky dalšímu výzkumu se podařilo vyvinout nový transportér syntetických bází přes membránu a po chemické optimalizaci umělého páru bází se podařilo v roce 2016 udržet polosyntetický genom bakterieEscherichia coliživotaschopný a stabilní, tj. schopný přetrvat minimálně 60 buněčných dělení.
V roce 2015 publikovaly dva týmy syntetických biologů výsledky prací na rozšíření genetické abecedy o další pár bází – „Z“ (chemicky 6-amino-5-nitro-2(1H)-pyridon) a „P“ (chemicky 2-aminoimidazo[1,2-a]-1,3,5-triazin-4(8H)on) a průkazuin vivojejich rovnocennosti a kombinovatelnosti s přirozenými páry bází v řetězci DNA.Pokračující výzkumné práce vyústily ve vytvoření tzv.„hachimoji“ DNA a RNA(zjaponskýchslovhachi– osm amoji– písmeno), obsahujících 8 různých bází vzájemně se párujících tak, že zachovávají geometrické poměry přirozené DNA (2 páry bází jsou přitom přirozené, 2 páry umělé: výše zmíněný párZ···Pa nový párS···B, kde S je methylcytosin, B izoguanin) a hachimoji DNA je přitom schopna jednoznačného přepisu do hachimoji RNA (v níž S je izocytosin). Objev těchto uměle rozšířených nukleových kyselin byl publikován v r. 2019.
Chemická struktura nukleotidů je: