Nekanonski bazni par

[thumb|( A) Tri interagujuća ruba [nukleobaza, (B) kanonske interakcije baznih parova i (C) nekanonska interakcija tipa G:U Wobbleovog baznog para ]]
**Nekanonski bazni parovi** su planarni, vodikom vezani parovi nukleobaza sa obrascima vodikovih veza koji se razlikuju od onih standardnih Watson-Crickovih baznih parova koji se nalaze u klasičnoj dvostruko-spiralnoj strukturi DNK. Iako se nekanonski parovi mogu pojaviti i u DNK i u RNK, oni prvenstveno formiraju stabilne strukture u RNK, gdje doprinose njenoj strukturnoj raznolikosti i funkcionalnoj složenosti. U DNK, takvi bazni parovi su obično prolazni i nastaju tokom procesa poput replikacija DNK.

Svaka nukleobaza predstavlja jedinstvenu distribuciju donora i akceptora vodikove veze duž tri ruba: Watson-Crickov rub, Hoogsteenov rub (ili C-H rub u pirimidinima) i šećerni rub. Kanonski bazni parovi se formiraju putem vodikovih veza duž Watson-Crickovih rubova, dok nekanonski parovi često uključuju Hoogsteenove ili šećerne rubove.

Uobičajeni tipovi nekanonskih baznih parova u RNK uključuju G:U Wobbleov bazni par, smicani G:A par, obrnuti Hoogsteenov A:U par i G:A imino par. Zajedno, ovi alternativni parovi čine otprilike jednu trećinu svih baznih parova u funkcionalnim strukturama RNK. Bez ovih interakcija, RNK ne bi imala strukturnu plastičnost potrebnu za njene multifunkcionalne uloge u ćelijskim procesima.

## Strukturna pozadina 
Ovaj odjeljak se bavi osnovnom strukturom nekanonskog sparivanja baza, tj. samim parovima baza, a ne strukturama višeg reda koje se iz njih formiraju. Ovo je "dvodimenzijski" pogled.
alt=|thumb|392x392px| Slika 2: Rub sparivanja baza nukleobaza. Gornja slika je primjer purina (adenina) gdje su rubovi poznati kao Watson-Crick (*anti*), Hoogsteen (*syn*) i šećerni rubovi. Donja slika je primjer pirimidina (citozina) sa Watson-Crick (*anti*), C-H (*syn*) i šećernim rubovima.

Procjenjuje se da 60% baza u strukturiranoj RNK učestvuje u kanonskim Watson-Crick baznim parovima.

Pored tri ivične interakcije, bazni parovi mogu varirati i u svojim cis/trans oblicima. Cis i trans strukture zavise od orijentacije riboznog šećera, a ne od interakcije vodikove veze. Ove različite orijentacije su prikazane na Slici 3. Stoga, sa cis/trans oblicima i 3 ivice vodikove veze, postoji 12 osnovnih tipova geometrija sparivanja baza koje se mogu naći u strukturama RNK. Tih 12 tipova su WC:WC (cis/trans), WC:HC (cis/trans), WC:S (cis/trans), H:S (cis/trans), H:H (cis/trans) i S:S (cis/trans).

### Uobičajeni tipovi 
Najčešći nekanonski bazni parovi su trans A:G Hoogsteen/šećerna ivica, A:U Hoogsteen/WC i G:U Wobbleovi parovi.

#### Hoogsteenovt bazni parovi
thumb| Slika 5: Primjer nekanonskog sparivanja baza. Prikazan je Hoogsteenov AU bazni par.
Hoogsteenov bazni par se javlja između adenina (A) i timina (T); i guanina (G) i citozina (C); slično Watson-Crickovom baznom paru. Međutim, purin (A i G) zauzima alternativnu konformaciju u odnosu na pirimidin. U A-U Hoogsteenovom baznom paru, adenin je rotiran za 180° oko glikozidne veze, što rezultira alternativnom shemom vodikovih veza koja ima jednu vodikovu vezu zajedničku s Watson-Crickovim baznim parom (adenin N6 i timin N4), dok se druga vodikova veza, umjesto da se javlja između adenina N1 i timina N3 kao u Watson-Crickovom baznom paru, javlja između adenina N7 i timina N3 (Hoogsteenova strana). The A-U base pair is shown in Figure 5. In the G-C Hoogsteen base pair, like the A-T Hoogsteen base pair, the purine (guanine) is rotated 180° about the glycosidic bond while the pyrimidine (cytosine) remains in place. One hydrogen bond from the Watson-Crick base pair is maintained (guanine O6 and cytosine N4) and the other occurs between guanine N7 and a protonated cytosine N3 (note that the Hoogsteen G-C base pair has two hydrogen bonds, while the Watson-Crick G-C base pair has three).

#### Wobbleovi bazni parovi
left|thumb| Slika 6: Četiri primjera nestabilnih baznih parova.
Wobbleov bazni par se javlja između dva nukleotida koji nisu Watson-Crickovi bazni parovi, a predložio ga je Watson 1966. godine. Javljaju se između Watson-Crickovih strana baza. Četiri glavna primjera su guanin-uracil (G-U), hipoksantin-uracil (I-U), hipoksantin-adenin (I-A) i hipoksantin-citozin (I-C). Ovi nestabilni bazni parovi su vrlo važni u tRNK. Većina organizama ima manje od 45 molekula tRNA iako bi tehnički bilo potrebno 61 molekula tRNK za kanonsko sparivanje s kodonom. Sparivanje baza nestabilnim putem omogućava 5' antikodonu da se veže za nestandardni bazni par. Primjeri nestabilnih baznih parova dati su na Slici 6.

## Klasifikacija 
[thumb|(a) Tri vodonične veze na rubu četiri nukleotida (gvanin), koje prikazuju nomenklaturu svakog ruba i (b) cis i trans orijentacije šećernih dijelova dva nukleotidna ostatka [glikozidna veza|glikozidnih veza baznog para u odnosu na smjer vodoničnih veza. Strelice u (b) označavaju glikozidne veze kao vektore.]]

Dvije baze mogu se približiti jedna drugoj na različite načine, što na kraju dovodi do specifičnog molekularnog prepoznavanja posredovanog, često nekanonskim, interakcijama sparivanja baza, pored jakih interakcije slaganja. One su neophodne za proces savijanja pojedinačnih lanaca RNK u trodimenzijske strukture. Rane studije o takvim neobičnim baznim parovima koje su proveli Jiri Sponer, Pavel Hobza i njihova grupa bile su donekle nepovoljne zbog nedostupnosti odgovarajućih nedvosmislenih sistematskih shema imenovanja. Dok su nekim od posmatranih baznih parova dodijeljena imena prema nomenklaturnoj shemi Saenger drugima su različiti istraživači proizvoljno dodijelili imena. Može se spomenuti da su Michael Levitt i saradnici također pokušali klasificirati povezanost baza-baza u smislu njihove susjednost, bilo putem sparivanja ili interakcija slaganja. Očigledno je postojala potreba za klasifikacijskom shemom za različite tipove nekanonskih baznih parova, koja bi mogla sveobuhvatno i nedvosmisleno obraditi novije varijante koje se pojavljuju zbog brzog povećanja prostora uzorkovanja. Različiti pristupi koji su se razvili kao odgovor na ovu potrebu opisani su u nastavku.

### Rubne porodice 
Nukleotidne baze su gotovo planarni heterociklički dijelovi, sa konjugiranim pi-elektronskim oblakom, i sa nekoliko donora i akceptora vodikovih veza raspoređenih oko rubova, obično označenih kao W, H ili S, na osnovu toga da li rubovi mogu biti uključeni u formiranje Watson-Crickovog baznog para, Hoogsteenovog baznog para ili, da li je rub susjedni C2'-OH grupi riboznog šećera. Eric Westhof i Neocles Leontis koristili su ove oznake rubova kako bi predložili trenutno široko prihvaćenu nomenklaturnu shemu za bazne parove. Atomi donora i akceptora vodikovih veza stoga bi se mogli klasificirati prema njihovom položaju duž svoja tri ruba, naime Watson-Crickov ili W rub, Hoogsteenov ili H rub i Sugar ili S rub. Budući da su bazni parovi posredovani interakcijama vodikovih veza zasnovanim na komplementarnosti donora i akceptora vodikovih veza, ovo, zauzvrat, pruža praktičan pristup odozdo prema gore za klasifikaciju geometrija baznih parova u smislu odgovarajućih međudjelujućih rubova baza koje učestvuju. Može se napomenuti da, za razliku od Hoogsteenovog ruba purina, odgovarajući rubovi pirimidinskih baza nemaju polarni atom akceptora vodikove veze kao što je N7. Međutim, ove baze imaju C—H grupe na svojim C6 i C5 atomima, koje mogu djelovati kao slabi donori vodikove veze, kako je predložio Gautam Desiraju. Hoogsteenova ivica se stoga naziva i Hoogsteen/C-H ivica u unificiranoj shemi za označavanje ekvivalentnih položaja purina, kao i pirimidina. Dakle, ukupan broj mogućih kombinacija ivica uključenih u sparivanje baza je 6, i to Watson-Crick/Watson-Crick (ili W:W), Watson-Crick/Hoogsteen (ili W:H), Watson-Crick/Šećer (ili W:S), Hoogsteen/Hoogsteen (ili H:H), Hoogsteen/Šećer (ili H:S) i Šećer/Šećer (ili S:S).

U kanonskim Watson-Crick baznim parovima, glikozidne veze koje spajaju N9 (purina) i N1 (pirimidina) sparenih baza sa njihovim odgovarajućim šećernim dijelovima nalaze se na istoj strani srednje ose vodikovih veza, te se stoga nazivaju Cis Watson-Crick bazni parovi. Međutim, relativne orijentacije dva šećera mogu biti i trans u odnosu na srednji smjer vodikovih veza, što dovodi do zasebne trans Watson-Crickove geometrijske klase, koja se sastoji od vrsta koje su ranije nazivane obrnutim Watson-Crickovim bazni parovima prema nomenklaturi Saenger. Mogućnost orijentacije i Cis i Trans glikozidne veze za svaku od 6 mogućih kombinacija rubova dovodi do 12 geometrijskih porodica baznih parova (vidi tabelu).

#### Napomena o lokalnom smjeru lanca 
Ovdje se može napomenuti da su zbog geometrijskog odnosa baza sa šećerno-fosfatnim skeletom, ovih 12 geometrijskih porodica baznih parova povezane s dvije moguće lokalne orijentacije lanca, naime paralelnom i antiparalelnom. Za 6 porodica s kombinacijama rubova koje uključuju Watson-Crickove i Sugar rubove, W:W, W:S i S:S, *cis* i *trans* porodice su respektivno povezane s antiparalelnim i paralelnim 5' do 3' lokalnim smjerom lanca. Uvođenje Hoogsteen-ove ivice, kao jednog od partnera u kombinaciji, uzrokuje inverziju u odnosu. Dakle, za W:H i H:S, *cis* i *trans* respektivno odgovaraju paralelnoj i antiparalelnoj lokalnoj orijentaciji lanca. Kao što se i očekivalo, kada su obje ivice H, uočava se dvostruka inverzija, a H:H *cis* i *trans* odgovaraju antiparalelnoj i paralelnoj lokalnoj orijentaciji lanca. Označavanje lokalne orijentacije lanca u smislu paralelnih i antiparalelnih smjerova pomaže u razumijevanju koje se strane pojedinačnih baza mogu vidjeti za dati bazni par sa 5'- ili 3' strane. Ova oznaka također pomaže u klasifikaciji 12 geometrija u dvije grupe od po 6, gdje se geometrije potencijalno mogu međusobno pretvarati unutar svake grupe, relativnom rotacijom baza u ravni. Međutim, treba napomenuti da je gornja teorija primjenjiva samo kada su glikozidni torzioni uglovi oba nukleotidna ostatka *anti*. Posebno, kristalografka posmatranja. i energetski Razmatranja ukazuju na to da su i *syn* glikozidne torzije sasvim moguće. Stoga, gornja klasifikacija paralelne ili antiparalelne prirode smjerova lanaca, sama po sebi, ne pruža uvijek potpuno razumijevanje.

[thumb|( a) Model [tRNKPhe u obliku lista djeteline (slika kreirana od strane VARNA)  for 1EHZ) i (b) Tipski bazni triplet koji uključuje ostatke 9, 12 i 23 iste tRNK.]]

Različite funkcionalne molekule RNK stabilizirane su, u svom specifičnom savijenom obrascu, i kanonskim i nekanonskim baznim parovima. Većina molekula tRNK, naprimjer, poznata je po tome što ima četiri kratka dvostruka spiralna segmenta, što dovodi do dvodimenzijske strukture nalik listu djeteline. Međutim, trodimenzijska struktura tRNK ima oblik slova L. Ovo je posredovano nekoliko nekanonskih baznih parova i baznih tripleta. D-petlja i TψC petlja drže se zajedno pomoću nekoliko takvih baznih parova. Postoji niz nekanonskih varijanti baznih parova, koje se mogu pregledati na različitim web stranicama kao što je NDB, RNABPDB, RNABP COGEST, itd., radi boljeg razumijevanja.

Može se napomenuti da gornja shema vrijedi za prirodno prisutne nukleotidne baze. Međutim, postoji mnogo primjera posttranskripcijskih hemijskih modifikacija baza, od kojih se mnoge vide u tRNK ili ribosomima. Važno je razumjeti i njihove strukturne karakteristike.

### Podjela porodica 
Ovih 12 tipova može se dalje podijeliti u više podgrupa koje zavise od usmjerenosti glikozidnih veza i sternih ekstenzija.

#### Odnosi parametara krutog tijela 
alt=|thumb|498x498px|Slika 4: 6 parametara krutog tijela
Veze između različitih baza su dobro definirane zbog njihovog krutog i ravnog oblika. Prostorne interakcije između dvije baze mogu se klasificirati u šest parametara krutog tijela ili parametara unutar baznog para (tri translacijska,tri rotacijska) kao što je prikazano na Slici 4. Razumijevanje konfiguracije baznog para je slično teško jer sparivanje zavisi od okruženja baza. Ovo okruženje može se sastojati od susjednih baznih parova, susjednih petlji ili trećih interakcija (kao što je trojka baza).

Prema Leontis-Westhoffovoj shemi, bilo koji bazni par može se sistematski i nedvosmisleno imenovati korištenjem sintakse.  gdje Baza_1 i Baza_2 nose informacije o odgovarajućim identitetima baza i njihovom nukleotidnom broju. Ova nomenklaturna shema nam također omogućava da nabrojimo ukupan broj različitih mogućih tipova baznih parova. Za datu orijentaciju glikozidne veze, recimo *cis*, četiri prirodno prisutne baze imaju po tri moguće ivice za formiranje baznih parova, što dovodi do 12 takvih mogućih identiteta rubova sparivanja baza, od kojih svaka u principu može formirati sparivanje baza s bilo kojom ivicom druge baze, bez obzira na komplementarnost. To dovodi do 12x12 simetrični matriksi koji prikazuju 144 parne permutacije identiteta rubova sparivanja baza, gdje, osim 12 dijagonalnih unosa, drugi uključuju ponavljajuće kombinacije. Dakle, postoji 78 (= 12 + 132/2) jedinstvenih unosa koji odgovaraju *cis* orijentaciji glikozidne veze. Uzimajući u obzir i *cis* i *trans* orijentacije glikozidnih veza, broj tipova baznih parova iznosi 156.

Naravno, ovaj broj 156 je samo indikator. Uključuje kombinacije baza-ivica gdje se bazni parovi ne mogu formirati zbog odsustva komplementarnosti donora i akceptora vodikove veze. Naprimjer, potencijalno sparivanje između dva ostatka guanina koji koriste njihove Watson-Crickove ivice u *cis* obliku (cWW) nije podržano komplementarnošću donora i akceptora vodikove veze i nije uočeno sa konzistentnim obrascem vodikovih veza. Ovaj metod nabrajanja mogućeg broja različitih tipova baznih parova također ne uzima u obzir mogućnosti multimodalnosti ili bifurkiranih baznih parova, ili čak slučajeve baznih parova koji uključuju modificirane baze, protonirane baze i posredovanje vode ili iona u formiranju vodikove veze. Dvije citozinske baze mogu formirati trans Watson-Crick/Watson-Crick (tWW) sparivanje baza sa svojim neutralnim, kao i hemiprotoniranim oblicima, moguće oba, što dovodi do i-motivne DNK. Međutim, i C(+):C tWW i C:C tWW se računaju kao jedan tip među 156 mogućih tipova.

#### Geometrijski izosteri 
Iako postoje značajne razlike između struktura nekanonskih baznih parova koji pripadaju različitim geometrijskim porodicama, utvrđeno je da neki bazni parovi unutar iste geometrijske porodice zamjenjuju jedni druge bez narušavanja ukupne strukture. Ovi bazni parovi se nazivaju izosterni bazni parovi. Izosterni bazni parovi uvijek pripadaju istim geometrijskim porodicama, ali svi bazni parovi u određenoj geometrijskoj porodici nisu uvijek izosterni. Dva bazna para se nazivaju izosternim ako ispunjavaju sljedeća tri kriterija: (i) udaljenosti C1′–C1′ trebaju biti slične; (ii) sparene baze trebaju biti povezane sličnom rotacijom u 3D prostoru; i (iii) formiranje H-veza treba se dogoditi između ekvivalentnih baznih položaja. Detaljan pristup kvantifikaciji izosternosti, u smislu indeksa izodiskrepancije (IDI), koji može olakšati pouzdano predviđanje o tome koje se zamjene baznih parova potencijalno mogu pojaviti u konzerviranim motivima, formulirali su Neocles Leontis, Craig Zirbel i Eric Westhof. Na osnovu IDI vrijednosti i dostupnih podataka o strukturi baznih parova, grupa održava kurirani online katalog baznih parova i ažurirani skup izosteričnih matrica (IM) koje odgovaraju svakoj od 12 geometrijskih porodica. Koristeći ovaj resurs, moguće je sveobuhvatno klasifikovati različite tipove kanonskih i nekanonskih baznih parova u smislu njihovih pozicija u izosteričnim matricama. Ovaj pristup, na primjer, ukazuje na to da su četiri tipa baznih parova: A:U cWW, U:A cWW, G:C cWW i C:G cWW izosterični jedan drugom. Dakle, kao što je potvrđeno i detaljnim poređenjima sekvenci, dvostruke mutacije koje mijenjaju A:U cWW u U:A cWW ili čak u G:C cWW možda neće poremetiti strukturu i, osim ako nisu uključeni problemi sa stabilnošću, funkciju povezane RNK. Također je utvrđeno da Wobbleov bazni par G:U cWW bazni par nije zaista izosteričan sa U:G cWW baznim parom, što ukazuje na to da takve dvostruke mutacije mogu značajno utjecati na funkcioniranje odgovarajuće RNK. S druge strane, neki od baznih parova koji su stabilizirani uključujući šećerni rub baza su međusobno izosterični.

## Identifikacija 
U slučaju dvostruke spiralne DNK, identifikacija baznih parova je prilično trivijalna korištenjem molekularnih vizualizatora kao što su VMD, RasMol, PyMOL itd. Međutim, to nije tako jednostavno za jednolančane presavijene funkcionalne molekule RNK. Nekoliko algoritama je implementirano u softverske alate za automatsku detekciju baznih parova u RNK strukturama riješenim rendgeneskom kristalografijom, NMR ili drugim metodima. U suštini, programi detektuju vodikove veze između dvije baze i osiguravaju njihovu (skoro) planarnu orijentaciju, prije nego što prijave da čine bazni par. Budući da je većina struktura RNK, dostupnih u javnom domenu, riješena rendgenskom kristalografijom, položaji atoma vodika se rijetko objavljuju. Stoga, detekcija vodikove veze postaje netrivijalan zadatak.

DSSR algoritam prema Lu-u i WSilmi Okson smatra da su dvije baze sparene kada detektuju jednu ili više vodikovih veza između baza, stvarnim modeliranjem položaja atoma vodika i osiguravanjem da su okomice na dvije baze gotovo paralelne jedna drugoj. Položaji atoma vodika mogu se zaključiti pretvaranjem Unutrašnje koordinate (dužina veze i ugao veze i torzijski ugao) zajedno s položajima atoma prekursora, kao što su atomi dušika amino grupe i oni vezani za dušik ili Z-matrica u eksterni Kartezijeve koordinate. Bazni parovi identificirani ovim metodom navedeni su u NDB-u. i FR3Dbazama podataka.

Jedinstven način identifikacije baznih parova u RNK uključen je u MC-Annotate od Francoisa Majora. U ovom algoritmu koriste položaje atoma vodika kao i elektroni usamljenog para koristeći odgovarajuću molekularnu mehaniku/dinamiku polja-sila i izvode vjerovatnoće formiranja vodikovih veza za njih. Konačne identifikacije baznih parova vrše se na osnovu ovih vjerovatnoća i približavanja atoma vodika usamljenim elektronskim parovima dušika ili kisika. Ovaj metod je također pokušala klasificirati nomenklaturu baznih parova s dodatnim informacijama o svakoj interagujućoj ivici, kao što je *Ws* što označava šećerni ugao Watson-Crickove ivice, *Wh* što predstavlja Hoogsteenov ugao Watson-Crickove ivice, *Bw* što označava bifurkiranu trocentričnu vodikovu vezu koja uključuje oba atoma vodika amino grupa, kako bi se formirale vodikove veze s karbonilnim kisikom koji uključuje oba njegova usamljena para, itd. Kako tvrde autori, ova nomenklaturna shema dodaje neke dodatne karakteristike Leontis-Westhofovoj (LW)  shemi i može se nazivati LW+ shema. Glavna prednost ove sheme leži u njenoj sposobnosti da razlikuje alternativne geometrije sparivanja baza, gdje se uočava multimodalnost unutar LW porodice. Međutim, ovaj metod ne uzima u obzir moguće učešće 2'-OH grupe riboznih šećera u formiranju baznih parova.

Drugi algoritam, naime BPFIND od Dhananjay Bhattacharyya i saradnika, zahtijeva najmanje dvije vodikove veze koristeći dva različita seta atoma donora i akceptora između baza. Ovaj algoritam zasnovan na hipotezi uzima u obzir udaljenosti između dva para atoma (donor vodikove veze (D1 i D2) i akceptor (A1 i A2) i četiri odgovarajuće odabrana atoma prekursora (PD1, PD2, PA1, PA2) koji odgovaraju D i A. Male vrijednosti takvih udaljenosti u kombinaciji s velikim vrijednostima uglova definiranih sa θ1(PD1—D1—A1), θ2(D1—A1—PA1), θ3(PD2—D2—A2), θ4(D2—A2—PA2) (blizu 180o ili πc) osigurava dvije strukturne karakteristike koje karakteriziraju dobro definirane bazne parove: i) vodikove veze su jake i linearne i ii) dvije baze su koplanarne. Značajno je da, sve dok se pretraga ograničava na bazne parove koji su stabilizirani s najmanje dvije različite vodikove veze, gore navedeni algoritmi, uglavnom, daju isti skup baznih parova u različitim RNK strukturama.

Ponekad se u kristalnim strukturama primjećuje da su dvije blisko raspoređene baze orijentirane na takav način da su, osim regularnih vodikovih veza, dva dodatna elektronegativna atoma akceptora vodikove veze vrlo blizu jedan drugom, što može uzrokovati elektrostatičko odbijanje. Koncept sparivanja protoniranih baza, koji implicira moguću protonaciju jednog od ovih elektronegativnih, (potencijalno) atoma akceptora vodikove veze, čime se on pretvara u donora vodikove veze, uveden je kako bi se objasnila stabilnost takvih geometrija. Neke od NMR struktura također podržavaju hipotezu o protonaciji, ali moguće je da bi rigoroznije studije korištenjem neutronske difrakcije ili drugih tehnika mogle to potvrditi. Ukoliko kvalitet kristalnih struktura dozvoljava, neki algoritmi su također pokušali detektovati formiranje baznih parova posredovano vodom ili kationima. 
thumb|Opisi atoma vodikovih veza, zajedno s njihovim prekursorima, za tipski nekanonski bazni par (kako ih koristi BPFIND)

## Stabilnost 
Kanonski Watson-Crickovi bazni parovi, G:C i A:T/U, kao i većina nekanonskih, stabilizirani su s dvije ili više (npr. tri u slučaju G:C cWW) vodikovih veza. Opravdano je proveden značajan broj istraživanja nekanonskih baznih parova s ciljem poređenja njihovih snaga (energija interakcije) i (geometrijske) stabilnosti u odnosu na kanonske bazne parove. Ovdje se može napomenuti da su geometrije baznih parova, kako su uočene u kristalnim strukturama, često pod uticajem nekoliko interakcija prisutnih u kristalnom okruženju, što narušava njihove intrinzično stabilne geometrije koje proizlaze iz vodikovih veza i srodnih interakcija između dvije baze. Stoga je, u principu, moguće da su uočene geometrije u nekim slučajevima intrinzično nestabilne i da su stabilizirane drugim interakcijama koje pruža okruženje. Nekoliko grupa je pokušalo odrediti energije interakcije u ovim nekanonskim baznim parovima koristeći različite pristupe zasnovane na kvantnoj hemiji, kao što su metode Teorija funkcionala gustoće (DFT) ili MP2. Ov metod su primijenjen na odgovarajuće skraćene, s dodatkom vodika i geometrijski optimizirane modele baznih (ili nukleozidnih) parova ekstrahiranih iz PDB struktura. Ovisno o protokolu optimizacije, obično su prijavljene tri vrste energija interakcije. U prvom metodu, geometrije modela baznih parova, izolirane iz njihovih odgovarajućih okruženja, potpuno su optimizirane bez ikakvih ograničenja, čime se dobivaju intrinzične geometrije i energije interakcije izoliranih modela. Međutim, ovaj postupak ponekad dovodi do optimiziranih geometrija baznih parova koje uključuju rubove različite od početne kristalne geometrije. Abhijit Mitra i saradnici su također koristili dodatni drugi protokol, gdje se koordinate teških atoma (koji nisu vodik) zadržavaju kao u kristalnim geometrijama, optimizirajući samo položaje dodanih atoma vodika. U trećem protokolu, kojeg su uglavnom slijedili Jiri Sponer i njegova grupa,

Naravno, svi nekanonski bazni parovi nisu nužno vrlo jaki ili stabilni u smislu energije interakcije. Nekoliko baznih parova je detektovano na osnovu slabih vodikovih veza koje uključuju atome C—H...O/N, gdje su energije interakcije prilično male. Nadalje, utvrđeno je da geometrijske optimizacije nekih od posmatranih baznih parova, posebno, ali ne ograničavajući se na one koje uključuju slabe vodikove veze ili one stabilizovane pojedinačnim vodikovim vezama, usvajaju alternativne geometrije, Mnogi uobičajeni nekanonski bazni parovi mogu se dodati složenoj RNK stabljici bez narušavanja njenog spiralnog karaktera.

### Sekundarna struktura 
[thumb|Slika 7: Ovo prikazuje strukturu ukosnica koja se nalazi u pre [iRNK.]]
Osnovni sekundarni strukturni elementi RNK uključuju izbočine, dvostruke spirale, petlje ukosnica i unutrašnje petlje. Primjer petlje ukosnica RNK dat je na Slici 7. Kao što je prikazano na slici, petlje ukosnica i unutrašnje petlje zahtijevaju naglu promjenu smjera glavnog lanca. Nekanonsko sparivanje baza omogućava povećanu fleksibilnost na spojevima ili zavojima potrebnim u sekundarnoj strukturi. Postoji nekoliko javno dostupnih softvera, kao što je Curves od Richarda Laveryja, 3DNK Olsonov NUPARM  od Manjua Bansala, itd., koji se mogu koristiti za izračunavanje ovih parametara. Dok prva dva izračunavaju parametre kanonskih i nekanonskih baznih parova u odnosu na standardnu kanonsku Watson-Crickovu geometriju baznih parova, NUPARM algoritam izračunava u apsolutnom smislu, koristeći sistem osa specifičan za ivice sparivanja baza. Stoga, za većinu nekanonskih baznih parova, koji uključuju ivice koje nisu Watson-Crickove, neki od parametara (otvorenost, smicanje istezanje) izračunatih pomoću Curves-a ili 3DNK su obično veliki čak i u njihovim odgovarajućim intrinzično najstabilnijim geometrijama. S druge strane, vrijednosti koje daje NUPARM ukazuju na kvalitet vodikovih veza i planarnost dvije baze na realističniji način. Dakle, NUPARM vrijednosti istezanja, koje ukazuju na razdvajanje dvije baze baznog para i koje zavise od optimalnih udaljenosti vodikovih veza, uvijek su oko 3Ǻ. Neki drugi opći trendovi uočeni u vrijednostima gore navedenih parametara mogu biti zanimljivi za napomenuti. Većina *cis* baznih parova ima Propeller vrijednosti oko -10o i male vrijednosti Buckle i Stagger. Vrijednosti Open i Shear često zavise od položaja atoma vodikovih veza. Naprimjer, GU cWW wobble bazni parovi imaju Shear vrijednost oko -2.2Ǻ, dok GC ili AU cWW bazni parovi imaju Shear vrijednosti oko nule. Vrijednosti Open za većinu baznih parova su blizu nule, ali vrijednosti su često prilično velike za one koje uključuju 2'-OH grupu šećera u skupu parametara izvedenim iz NUPARM-a. Međutim, *trans* bazni parovi ne pokazuju nikakav sistematski trend u svojim Propeller vrijednostima.

#### U RNK 
Strukturna hijerarhija u RNK se obično opisuje u smislu 2D sekundarne strukture petlje stabla, koja se dalje savija formirajući svoju 3D tercijarnu strukturu, stabiliziranu onim što se naziva tercijarnim kontaktima dugog dometa. Najčešće su nekanonski bazni parovi uključeni u te tercijarne kontakte ili ekstra-stabljične bazne parove. Na primjer, neki od nekanonskih baznih parova u tRNK pojavljuju se između D-stebla i TψC petlji (Slika 5), koje su bliske u trodimenzijskoj strukturi. Takve interakcije sparivanja baza daju stabilnost L-oblikovanoj strukturi tRNK. U ovoj regiji, neki bazni parovi su dodatno vodonično vezani za treću bazu. Dakle, 23. ostatak je istovremeno sparen sa 9. i 12. ostatkom, zajedno formirajući trojku baza, najmanjeg člana klase multipleta višeg reda.

#### Multipleti 
Jedna baza, pored formiranja odgovarajućeg planarnog sparivanja baza sa drugom bazom, često može učestvovati u formiranju baznog para, a treća baza formira trojku baza. Jedan takav klasičan primjer je formiranje DNK trostruke spirale, gdje dvije baze dva antiparalelna lanca formiraju uzastopne Watson-Crickove bazne parove u dvostrukoj spirali, a baza trećeg lanca formira Hoogsteenovo sparivanje baza sa purinskim bazama Watson-Crickovih baznih parova. Mnogi različiti tipovi trojki baza su prijavljeni u dostupnim strukturama RNK i elegantno su klasifikovani u literaturi. Međutim, multipleti nisu ograničeni samo na formiranje tripleta. Četiri baze koje daju bazni kvartet sada su dobro dokumentovane u strukturi G-kvadripleksa karakterističnog za telomere. Ovdje se četiri guaninska ostatka sparuju unutar sebe u cikličnom obliku koji uključuje Watson-Crick/Hoogsteenov *cis* (cWH) shemu sparivanja baza i utvrđeno je da svaka od guaninskih baza interaguje sa dvije druge guaninske baze. Tri do četiri takva bazna G-kvadripleksa slažu se na vrh drugog formirajući četverolančanu strukturu DNK. Pored takve ciklične topologije, moguće je nekoliko drugih topologija sparivanja baza:baza za multiplete višeg reda kao što su kvarteti, kvinteti itd.

#### Dvospiralne regije 
Nekanonski bazni parovi se prilično često pojavljuju unutar dvostruko spiralnih regija RNK. Nekanonski bazni parovi G:U cWW se vrlo često viđaju unutar dvostruko spiralnih regija jer je ovaj bazni par gotovo izosteran u odnosu na ostale kanonske. i RNK FRABASE. Također, NASSAM može identificirati nekoliko ovih motiva u datoj PDB datoteci upita. web-server. Najčešće se detektuju na krajevima dvostrukog spiralnog segmenta koji djeluju kao ostaci koji zatvaraju, često prethodeći ukosnice. Najčešće pronađeni nekanonski bazni par, naime G:A tSH, sastavni je dio GNRA tetrapetlje, gdje N može biti bilo koji nukleotidni ostatak, a R je purinski ostatak. Ovaj motiv pokazuje određenu fleksibilnost i promjene strukturnih karakteristika ovisno o tome jesu li gvanin i adenin spareni ili ne. Nekoliko drugih vrsta motiva tetrapetlji, kao što su UNCG, YNMG, GNAC, CUYG, (gdje Y označava pirimidin, a M je ili adenin ili citozin) itd., pronađeno je u dostupnim strukturama RNK. Međutim, oni uglavnom ne pokazuju uključenost nekanonskog sparivanja baza. Pored ovih uobičajenih motiva ukosnica, gdje ostaci petlje uglavnom ostaju nespareni, postoji i nekoliko motiva gdje ostaci petlje ostvaruju opsežne interakcije između sebe ili s drugim ostacima izvan petlje. Uobičajen primjer je motiv C-petlje, gdje ostaci ispupčene petlje formiraju nekanonsko sparivanje baza s bazama dvostrukih spiralnih regija formirajući nekanonsko sparivanje baza (**Slika 9**). Dodatni bazni parovi u ovim slučajevima dovode do dodatne stabilizacije kompozitnog motiva koji sadrži dvostruku spiralu. Nekanonski bazni parovi su također uključeni u interakciju receptora i petlje, kao što je motiv T-petlje.

## Modeliranje 
Predviđanje biomolekularne strukture samo iz sekvence je dugoročni cilj naučnika koji rade u oblastima bioinformatike, računarske hemije, statističke fizike, kao i u računarstvu. Predviđanje proteinskih struktura iz sekvence aminokiselina metodama poput modeliranja homologije, komparativnog modeliranja, navoja, itd., bile su uglavnom uspješne zbog dostupnosti oko 1.200 jedinstvenih nabora proteina. Inspirisani iskustvom s proteinima, sada postoji nekoliko pristupa predviđanju struktura RNK, iako s različitim stepenom uspjeha.

Može se vidjeti da je većina pristupa u suštini ograničena na predviđanje stabljika i petlji u 2D, što se naziva i sekundarna struktura RNK. Naprimjer, predviđanje minimalne izračunate slobodne energije dvostrukih spiralnih regija sekvenci RNK na osnovu energije sparivanja baza i interakcija slaganja, u suštini računski izvedeno iz eksperimentalnih termodinamičkih podataka, prvobitno je predstavila Ruth Nussinov, a kasnije Michael Zuker. Ovo je, zauzvrat, inspirisalo nekoliko srodnih modificiranih algoritama, uključujući podatke o interakcijama susjednih grupa itd. Većina ovih pristupa, međutim, uglavnom uzima u obzir podatke o kanonskom sparivanju baza, dok samo nekoliko njih uzima u obzir i termodinamičke podatke o Hoogsteen-ovim baznim parovima. Dakle, pored računarskih troškova i komplikacija povezanih s identifikacijom pseudočvorova, svi ovi metodi također pate od nedostatka povezanog s nedostatkom eksperimentalnih podataka o nekanonskim baznim parovima.

Međutim, postoji i nekoliko pristupa koji pokušavaju predvidjeti tercijarnu 3D strukturu koja odgovara datim predviđenim 2D strukturama. Postoji i nekoliko koji uključuju modeliranje zasnovano na 3D fragmentima, što se dodatno olakšava sve većom dostupnošću podataka o 3D strukturi RNK po motivima. RNAPDBee, RNKWolfe, itd. dostupni za istraživanje nekanonskog sparivanja baza u 3D strukturama RNK. Neke od ovih metoda zavise od strukturne baze podataka RNK, kao što je FRABASE, od Bhattacharyya i Bansala. Ovi softverski paketi koriste parametre baznih parova za generiranje 3D koordinata pojedinačnih dinukleotidnih koraka, koji se mogu proširiti za modeliranje dvostrukih heliksa proizvoljnih dužina s kanonskim ili nekanonskim baznim parovima.

Gore spomenute metode pokušavaju modelirati jednu strukturu (2D ili 3D) date sekvence RNK. Međutim, sve više dokaza ukazuje na to da data RNK sekvenca može usvojiti ansambl struktura i moguće ih međusobno konvertirati.  Ovaj ansambl očigledno usvaja različite obrasce sparivanja baza između različitih skupova ostataka. Dakle, postoji dovoljno pokazatelja koji ukazuju na to da je fokus na modeliranju pojedinačnih struktura bio usko grlo za precizno modeliranje strukture RNK.

Teorijska predikcija 2D strukture RNK, a posljedično i 3D strukture, može se potvrditi i različitim metodama hemijskog ispitivanja. Jedan od najnovijih takvih alata je [SHAPE (Selektivna 2′-hidroksilna [acilacija analizirana ekstenzijom primera) i SHAPE- predviđanje usmjerene sekundarne strukture RNK čini se najperspektivnijim. U kombinaciji s mutacijskim profiliranjem, ansambli struktura RNK, koji često uključuju nekanonsko sparivanje baza, mogu se eksperimentalno proučavati korištenjem SHAPE-MaP pristupa. Jedan od načina koji danas predstoji čini se integracijom Zukerovog pristupa minimalne slobodne energije s eksperimentalno izvedenim SHAPE podacima, uključujući simulirane SHAPE podatke kako je opisano u Montaseri et al. (2016) i Spasic et al. (2017).

## Historija 
[thumb| Primjeri nekoliko često uočenih nekanonskih baznih parova, (a) [adenin:guanin trans Hoogsteen/ Šećerna ivica, (b) adenin:uracil trans Hoogsteen/Watson-Crick, (c) gvanin:gvanin cis Watson-Crick/Hoogsteen; (d) Protonirani citozin(+):citozin trans Watson-Crick/Watson-Crick.]] 
[thumb|[IUPAC|IUB preporučena nomenklatura nukleotidnih baznih atoma adeninskih, guaninskih, uracilnih i citozinskih baza (kreirana u MOLDEN).]]

Dvostruke spiralne strukture DNK, kao i presavijena jednolančana RNK, sada su poznate po tome što se stabilizuju Watson-Crickovim sparivanjem baza između purina, adenina i guanina, sa pirimidinima, timinom (ili uracilom za RNK) i citozinom. U ovoj shemi, N1 atomi purinskih ostataka formiraju vodikovu vezu sa N3 atomima pirimidinskih ostataka u A:T i G:C komplementarnosti. Druga vodikova veza u A:T baznim parovima uključuje N6 amino grupu adenina i O4 atom timina (ili uracila u RNK). Slično tome, druga vodikova veza u G:C baznim parovima uključuje O6 atom i N4 amino grupu guanina, odnosno citozina. G:C bazni parovi također imaju treću vodikovu vezu koja uključuje N2 amino grupu guanina i O2 atom citozina. Međutim, čak i do otprilike dvadeset godina nakon što su ovu shemu prvobitno predložili James D. Watson i Francis H.C. Crick, eksperimentalni dokazi koji ukazuju na druge oblike interakcija baza-baza nastavili su privlačiti pažnju istraživača koji su istraživali strukturu DNK.

Prva struktura visoke rezolucije baznog para adenin:timin, kako ju je riješio Karst Hoogsteen pomoću rendgenske kristalografije monokristala 1959. otkrila je strukturu čija se geometrija veoma razlikovala od one koju su predložili Watson i Crick. Imala je dvije vodikove veze koje uključuju atome N7 i N6 adenina i atome N3 i O4 (ili O2) timina. Može se primijetiti da zbog upotrebe timinske baze s metilnom grupom koja predstavlja šećer, osa simetrije izgleda prolazi kroz atome N1 i C6, a atomi O2 i O4 izgledaju identično. Da bi se razlikovala ova alternativna shemu sparivanja baza od Watson-Crickove sheme, bazni parovi gdje vodikova veza uključuje atom N7 purinskog ostatka nazivani su Hoogsteenovim baznim parom, a kasnije se rub purinske baze koji uključuje njegov atom N7 naziva njegovim Hoogsteenovim rubom. Prva struktura visoke rezolucije para guanin:citozin, koju je dobio W. Guschelbauer, također je bila slična Hoogsteenovom baznom paru, iako je ova struktura zahtijevala neobičnu protonaciju N1 imino dušika citozina, što je moguće samo pri značajno nižim . Eksperimentalni dokazi, uključujući NMR studije niske rezolucije kao i kristalografske studije visoke rezolucije rendgenskim zracima, potvrđuju Watson-Crickovo sparivanje baza, postignuto je tek početkom 70-ih. Gotovo deceniju kasnije, pojavom efikasnih metoda sinteze DNK, Richard Dickerson nakon čega je uslijedilo nekoliko drugih grupa, riješili su strukture fiziološke dvostruke spiralne B-DNK s potpunim spiralnim zaokretom, na osnovu kristala sintetskih oligomera DNK. Geometrije sparivanja A:T (A:U u RNK) i G:C parova u ovim strukturama potvrdile su uobičajeni ili kanonski oblik sparivanja baza kako su predložili Watson i Crick, dok se one sa svim ostalim geometrijama i sastavima sada nazivaju nekanonskim baznim parovima.

Primijećeno je da čak i u dvolančanoj  DNK, gdje kanonski Watson-Crick bazni parovi povezuju dva komplementarna antiparalelna lanca, povremeno se javljaju Hoogsteenovi i drugi ne-Watson-Crick bazni parovi. Također je predloženo da unutar dvostrukih heliksa DNK kojima dominiraju Watson-Crick bazni parovi, formiranje Hoogsteenovih baznih parova može biti prolazna pojava. Utvrđeno je da pojedinačni lanci koji sadrže gore navedene motive sekvence formiraju zanimljive četverolančane mini-spiralne strukture stabilizirane Hoogsteenovim sparivanjem baza između ostataka gvanina. U ovim strukturama, četiri ostatka gvanina formiraju gotovo planarni kvartet baza, nazvan G-kvadrupleks, gdje svaki gvanin učestvuje u sparivanju baza sa susjednim gvaninom, uključujući njihove Watson-Crick i Hoogsteenove rubove na cikličan način. Četiri centralne karbonilne grupe često su stabilizirane kalijevim ionima (K+). Iz punih genomskih sekvenci različitih organizama, uočeno je da sekvence slične telomerama ponekad prekidaju i dvostruke spiralne regije blizu mjesta početka transkripcije nekih onkogena, kao što je c-myc. Moguće je da se ova sekvencna istezanja formiraju strukture slične G-kvadripleksu, koje mogu suzbiti ekspresiju srodnih gena. Komplementarne sekvence bogate citozinom, na drugom lancu, mogu usvojiti drugu sličnu četverolančanu strukturu, i-motiv, stabiliziran nekanonskim baznim parovima citozin:citozin. 
[thumb|260px| Struktura reprezentativnog G-kvadripleksa koji se sastoji od Hoogsteenovih baznih parova između svih susjednih guaninskih ostataka ([PDB|1KF1).]]
thumb|260px|Tri G-kvadrupleksa se slažu i formiraju četverolančane telomere s različitim topologijama za d(GGGATTGGGATTGGGATTGGG) sekvencu.

Dok su nekanonski bazni parovi još uvijek relativno rijetki u DNK, u molekulama RNK, gdje se uglavnom jedan polimerni lanac savija na sebe formirajući različite sekundarne i tercijarne strukture, pojava ne-Watson-Crickovih baznih parova ispada mnogo češća. Još 1970-ih, analiza kristalne strukture kvasca tRNKPhe pokazala je da RNK strukture posjeduju značajne nekanonske varijacije u shemama sparivanja baza. Naknadno, strukture ribozima, ribosoma, ribosklopki itd. istakle su njihovu rasprostranjenost, a time i potrebu za sveobuhvatnom karakterizacijom nekanonskih baznih parova.

Ove trodimenzijske RNK strukture uglavnom posjeduju nekoliko sekundarnih strukturnih motiva, kao što su dvostruke spiralne drške, stabljike s ukosnicama, simetrične i asimetrične unutrašnje petlje, petlje za poljubac između dva motiva ukosnica, pseudočvor, kontinuirani naslagani elementi između dva segmenta spirale, Višestruki spojevi spirale itd. zajedno s jednolančanim regijama. Ovi sekundarni strukturni motivi, osim jednolančanih motiva, stabilizirani su vodikovim vezama baznih parova, a nekoliko njih su nekanonski bazni parovi, uključujući G:U kolebajuće bazne parove.

U ovom kontekstu je značajno da je Hipoteza kolebanja Francisa Cricka predvidjela mogućnost da bazni par G:U, umjesto kanonskih baznih parova G:C ili A:U, također posreduje u prepoznavanju između kodona iRNK i tRNK antikodona tokom sinteze proteina. G:U kolebajući bazni par je najčešće uočeni nekanonski bazni par. Iako se, zbog svoje geometrijske sličnosti s kanonskim baznim parovima, često javljaju u dvostrukim spiralnim regijama struktura stabljike RNK, geometrijske razlike i dalje privlače pažnju istraživača nukleinskih kiselina, pružajući nove uvide vezane za njegov strukturni značaj. Može se primijetiti da, iako bazni parovi u presavijenim strukturama RNK daju dvostruke spiralne stabljike, njihova dva područja pukotine – glavni žlijeb i sporedni žlijeb, razlikuju se po svojim dimenzijama od onih u dvostrukim spiralama DNK. Za razliku od onih u DNK, glavni žlijebovi koji razlikuju sekvencu u dvostrukim spiralama RNK su vrlo uski i duboki. S druge strane, područja sporednih žljebova, iako široka i plitka, ne nose mnogo informacija specifičnih za sekvencu u smislu pozicioniranja donora i akceptora vodikovih veza odgovarajućih rubova baznog para. G:U baznih parova koji se kolebaju, zajedno s raznim drugim nekanonskim baznim parovima, uvode varijacije u strukture dvostrukih heliksa RNK, čime se poboljšava dostupnost razlikovnih rubova glavnih žlijebova povezanih baznih parova. Ovo se pokazalo vrlo važnim za korake molekularnog prepoznavanja tokom aminoacilacija tRNK, kao i u funkcijama ribosoma.

S obzirom na ogroman značaj nekanonskih baznih parova u strukturi, savijanju i funkcijama RNK, istraživači iz više oblasti, kao što su biologija, hemija, fizika, matematika, računarstvo itd., udružili su se u nastojanju da razumiju njihovu strukturu, dinamiku, funkciju i njihove posljedice. Složenost povezana s eksperimentalnim rukovanjem RNK dodatno naglašava važnost različitih teorijskih doprinosa rješavanju ovih pitanja.

## Također pogledajte
*Hoogsteenov bazni par
*Wobbleov bazni par
## Reference 
Kategorija:Molekularna genetika
Kategorija:Nukleinske kiseline