Basenpaar -
Base pair

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Darstellung der Adenin - Thymin Watson-Crick - Basenpaar

Ein Basenpaar ( bp ) ist eine grundlegende Einheit doppelsträngiger Nukleinsäuren, bestehend aus zwei Nukleobasen , die durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind . Sie bilden die Bausteine ​​der DNA -Doppelhelix und tragen zur gefalteten Struktur von DNA und RNA bei . Von spezifischen Wasserstoffbrückenmustern diktiert , ermöglichen die "Watson-Crick"-Basenpaare ( GuaninCytosin und AdeninThymin ) der DNA-Helix, eine regelmäßige helikale Struktur aufrechtzuerhalten, die subtil von ihrer Nukleotidsequenz abhängt . Die komplementäre Natur dieser basierenden gepaarten Struktur liefert eine redundante Kopie der genetischen Information , die in jedem DNA-Strang kodiert ist. Die durch die DNA-Doppelhelix bereitgestellte regelmäßige Struktur und Datenredundanz machen DNA gut für die Speicherung genetischer Informationen geeignet, während die Basenpaarung zwischen DNA und eingehenden Nukleotiden den Mechanismus liefert, durch den DNA-Polymerase DNA repliziert und RNA-Polymerase DNA in RNA transkribiert. Viele DNA-bindende Proteine ​​können spezifische Basenpaarungsmuster erkennen, die bestimmte regulatorische Regionen von Genen identifizieren.

Intramolekulare Basenpaare können innerhalb einzelsträngiger Nukleinsäuren vorkommen. Dies ist besonders wichtig bei RNA-Molekülen (z. B. Transfer-RNA ), bei denen Watson-Crick-Basenpaare (Guanin-Cytosin und Adenin- Uracil ) die Bildung kurzer doppelsträngiger Helices und eine Vielzahl von Nicht-Watson-Crick-Wechselwirkungen ermöglichen (zB G–U oder A–A) ermöglichen es RNAs, sich zu einer Vielzahl spezifischer dreidimensionaler Strukturen zu falten . Zusätzlich Basenpaarung zwischen Transfer - RNA (tRNA) und den Boten - RNA (mRNA) bildet die Grundlage für die molekularen Erkennungsereignisse dieses Ergebnis in der Nucleotidsequenz von mRNA immer übersetzt in die Aminosäuresequenz von Proteinen über den genetischen Code .

Die Größe eines einzelnen Gens oder des gesamten Genoms eines Organismus wird oft in Basenpaaren gemessen, da DNA normalerweise doppelsträngig ist. Daher ist die Zahl der Gesamtbasenpaare gleich der Zahl der Nukleotide in einem der Stränge (mit Ausnahme der nicht-kodierenden einzelsträngigen Regionen von Telomeren ). Das haploide menschliche Genom (23 Chromosomen ) wird auf etwa 3,2 Milliarden Basen geschätzt und enthält 20.000–25.000 verschiedene Protein-kodierende Gene. Eine Kilobase (kb) ist eine Maßeinheit in der Molekularbiologie , die 1000 Basenpaaren von DNA oder RNA entspricht. Die Gesamtzahl der DNA- Basenpaare auf der Erde wird auf 5,0

×
10
37
mit einem Gewicht von 50 Milliarden Tonnen geschätzt . Im Vergleich dazu wird die Gesamtmasse der Biosphäre auf bis zu 4 TtC (Billionen Tonnen Kohlenstoff ) geschätzt  .

Wasserstoffbrückenbindung und Stabilität

Basenpaar GC.svg Basenpaar AT.svg
Oben ein GC- Basenpaar mit drei Wasserstoffbrücken . Unten ein AT- Basenpaar mit zwei Wasserstoffbrücken. Nicht-kovalente Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen sind als gestrichelte Linien dargestellt. Die wackeligen Linien stehen für die Verbindung zum Pentosezucker und zeigen in Richtung der kleinen Furche.

Wasserstoffbrückenbindung ist die chemische Wechselwirkung, die den oben beschriebenen Basenpaarungsregeln zugrunde liegt. Eine geeignete geometrische Entsprechung von Wasserstoffbrücken-Donoren und -Akzeptoren erlaubt nur den "richtigen" Paaren, sich stabil zu bilden. DNA mit hohem GC-Gehalt ist stabiler als DNA mit niedrigem GC-Gehalt. Aber entgegen der landläufigen Meinung stabilisieren die Wasserstoffbrücken die DNA nicht wesentlich; Die Stabilisierung ist hauptsächlich auf Stapelwechselwirkungen zurückzuführen .

Die größeren Nukleobasen , Adenin und Guanin, sind Mitglieder einer Klasse von doppelringigen chemischen Strukturen, die Purine genannt werden ; die kleineren Nukleobasen Cytosin und Thymin (und Uracil) sind Mitglieder einer Klasse von einringigen chemischen Strukturen, die Pyrimidine genannt werden . Purine sind nur zu Pyrimidinen komplementär: Pyrimidin-Pyrimidin-Paarungen sind energetisch ungünstig, da die Moleküle zu weit voneinander entfernt sind, um Wasserstoffbrückenbindungen aufzubauen; Purin-Purin-Paarungen sind energetisch ungünstig, da die Moleküle zu nahe beieinander liegen, was zu einer Überlappungsabstoßung führt. Purin-Pyrimidin-Basenpaarung von AT oder GC oder UA (in RNA) führt zu einer richtigen Duplexstruktur. Die einzigen anderen Purin-Pyrimidin-Paarungen wären AC und GT und UG (in RNA); diese Paarungen sind Fehlpaarungen, da die Muster von Wasserstoffdonoren und -akzeptoren nicht übereinstimmen. Die GU-Paarung mit zwei Wasserstoffbrücken tritt in RNA ziemlich häufig auf (siehe Wobble-Basenpaar ).

Gepaarte DNA- und RNA-Moleküle sind bei Raumtemperatur vergleichsweise stabil, aber die beiden Nukleotidstränge trennen sich oberhalb eines Schmelzpunkts , der durch die Länge der Moleküle, das Ausmaß der Fehlpaarung (falls vorhanden) und den GC-Gehalt bestimmt wird. Ein höherer GC-Gehalt führt zu höheren Schmelztemperaturen; Daher überrascht es nicht, dass die Genome extremophiler Organismen wie Thermus thermophilus besonders reich an GC sind. Umgekehrt sind Regionen eines Genoms, die häufig getrennt werden müssen – beispielsweise die Promotorregionen für häufig transkribierte Gene – vergleichsweise GC-arm (siehe beispielsweise TATA-Kasten ). GC-Gehalt und Schmelztemperatur müssen auch beim Design von Primern für PCR- Reaktionen berücksichtigt werden .

Beispiele

Die folgenden DNA-Sequenzen veranschaulichen doppelsträngige Musterpaare. Konventionell wird der obere Strang vom 5'-Ende zum 3'-Ende geschrieben ; somit wird der untere Strang von 3' bis 5' geschrieben.

Eine basengepaarte DNA-Sequenz:
ATCGATTGAGCTCTAGCG
TAGCTAACTCGAGATCGC
Die entsprechende RNA-Sequenz, in der Thymin durch Uracil im RNA-Strang ersetzt ist:
AUCGAUUGAGCUCUAGCG
UAGCUAACUCGAGAUCGC

Basisanaloga und Interkalatoren

Chemische Analoga von Nukleotiden können die richtigen Nukleotide ersetzen und nicht-kanonische Basenpaarungen herstellen, was zu Fehlern (meist Punktmutationen ) bei der DNA-Replikation und DNA-Transkription führt . Dies liegt an ihrer isosterischen Chemie. Ein übliches mutagenes Basenanalogon ist 5-Bromuracil , das Thymin ähnelt, aber mit Guanin in seiner Enolform Basenpaare bilden kann.

Andere Chemikalien, die als DNA-Interkalatoren bekannt sind , passen in die Lücke zwischen benachbarten Basen auf einem Einzelstrang und induzieren Frameshift-Mutationen, indem sie sich als Base "maskieren", was dazu führt, dass die DNA-Replikationsmaschinerie zusätzliche Nukleotide an der interkalierten Stelle überspringt oder einfügt. Die meisten Interkalatoren sind große polyaromatische Verbindungen und sind bekannte oder vermutete Karzinogene . Beispiele umfassen Ethidiumbromid und Acridin .

Unnatürliches Basenpaar (UBP)

Ein unnatürliches Basenpaar (UBP) ist eine entworfene Untereinheit (oder Nukleobase ) der DNA, die in einem Labor hergestellt wird und in der Natur nicht vorkommt. Es wurden DNA-Sequenzen beschrieben, die neben den beiden in der Natur vorkommenden Basenpaaren AT ( AdeninThymin ) und GC ( GuaninCytosin ) aus neu entstandenen Nukleobasen ein drittes Basenpaar bilden . Einige Forschungsgruppen haben nach einem dritten Basenpaar für DNA gesucht, darunter Teams um Steven A. Benner , Philippe Marliere , Floyd E. Romesberg und Ichiro Hirao . Einige neue Basenpaare basierend auf alternativen Wasserstoffbrücken, hydrophoben Wechselwirkungen und Metallkoordination wurden beschrieben.

1989 führten Steven Benner (damals an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich tätig) und sein Team in vitro mit modifizierten Formen von Cytosin und Guanin zu DNA-Molekülen . Die Nukleotide, die für RNA und Proteine ​​kodierten, wurden erfolgreich in vitro repliziert . Seitdem versucht Benners Team, Zellen zu entwickeln, die fremde Basen von Grund auf neu herstellen können, um die Notwendigkeit eines Rohstoffs zu vermeiden.

2002 entwickelte die Gruppe von Ichiro Hirao in Japan ein unnatürliches Basenpaar zwischen 2-Amino-8-(2-thienyl)purin (s) und Pyridin-2-on (y), das bei der Transkription und Translation für die ortsspezifische Einbau von nicht standardmäßigen Aminosäuren in Proteine. 2006 schufen sie 7-(2-Thienyl)imidazo[4,5-b]pyridin (Ds) und Pyrrol-2-carbaldehyd (Pa) als drittes Basenpaar für die Replikation und Transkription. Danach wurde Ds und 4-[3-(6-Aminohexanamido)-1-propinyl]-2-nitropyrrol (Px) als High-Fidelity-Paar bei der PCR-Amplifikation entdeckt. Im Jahr 2013 wandten sie das Ds-Px-Paar auf die DNA-Aptamer-Erzeugung durch in-vitro- Selektion (SELEX) an und zeigten, dass die genetische Alphabet-Expansion die DNA-Aptamer-Affinitäten zu Zielproteinen signifikant erhöht.

und PCR ., effizient und mit hoher Genauigkeit repliziert wurde -basierte Anwendungen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass für PCR- und PCR-basierte Anwendungen das unnatürliche Basenpaar d5SICS-dNaM funktionell äquivalent zu einem natürlichen Basenpaar ist, und wenn es mit den anderen beiden natürlichen Basenpaaren, die von allen Organismen verwendet werden, A–T und G–C . kombiniert wird , sie bieten ein voll funktionsfähiges und erweitertes "genetisches Alphabet" mit sechs Buchstaben.

Im Jahr 2014 berichtete dasselbe Team vom Scripps Research Institute, dass sie einen Abschnitt zirkulärer DNA synthetisiert haben, der als Plasmid mit natürlichen TA- und CG-Basenpaaren bekannt ist E. coli , die die unnatürlichen Basenpaare über mehrere Generationen hinweg erfolgreich replizierten. Die Transfektion behinderte das Wachstum der E. coli- Zellen nicht und zeigte keine Anzeichen dafür, dass ihre unnatürlichen Basenpaare an ihre natürlichen DNA-Reparaturmechanismen verloren gingen . Dies ist das erste bekannte Beispiel für einen lebenden Organismus, der einen erweiterten genetischen Code an nachfolgende Generationen weitergibt. Romesberg sagte, er und seine Kollegen hätten 300 Varianten entwickelt, um das Design von Nukleotiden zu verfeinern, die stabil genug seien und sich bei der Zellteilung genauso leicht replizieren würden wie die natürlichen. Dies wurde teilweise durch die Zugabe eines unterstützenden Algengens erreicht , das einen Nukleotidtriphosphat- Transporter exprimiert, der die Triphosphate von sowohl d5SICSTP als auch dNaMTP effizient in E. coli- Bakterien importiert . Dann verwenden die natürlichen bakteriellen Replikationswege sie, um ein Plasmid, das d5SICS-dNaM enthält , genau zu replizieren . Andere Forscher waren überrascht, dass die Bakterien diese vom Menschen hergestellten DNA-Untereinheiten replizierten.

Der erfolgreiche Einbau eines dritten Basenpaar ist ein bedeutender Durchbruch in Richtung auf das Ziel deutlich die Anzahl der expandierenden Aminosäuren , die von DNA codiert werden kann, aus den vorhandenen 20 Aminosäuren zu einem theoretisch möglichen 172, wodurch das Potential expandierende für lebende Organismen neue Proteine ​​herstellen . Die künstlichen DNA-Stränge kodieren noch für nichts, aber Wissenschaftler spekulieren, dass sie entwickelt werden könnten, um neue Proteine ​​herzustellen, die industrielle oder pharmazeutische Anwendungen haben könnten. Experten sagten, dass die synthetische DNA, die das unnatürliche Basenpaar enthält, die Möglichkeit von Lebensformen erhöht, die auf einem anderen DNA-Code basieren.

Nicht-kanonische Basenpaarung

Wobble Basenpaare
Vergleich von Hoogsteen- und Watson-Crick-Basenpaaren.

Neben der kanonischen Paarung können einige Bedingungen auch eine Basenpaarung mit alternativer Basenorientierung sowie Anzahl und Geometrie von Wasserstoffbrücken begünstigen. Diese Paarungen gehen mit Veränderungen der lokalen Rückgratform einher.

Die häufigste davon ist die Wobble-Basenpaarung , die zwischen tRNAs und mRNAs an der dritten Basenposition vieler Codons während der Transkription und während des Ladens von tRNAs durch einige tRNA-Synthetasen auftritt . Sie wurden auch in den Sekundärstrukturen einiger RNA-Sequenzen beobachtet.

Darüber hinaus kann die Hoogsteen-Basenpaarung (typischerweise als A•U/T und G•C geschrieben) in einigen DNA-Sequenzen (zB CA- und TA-Dinukleotiden) im dynamischen Gleichgewicht mit der Standard-Watson-Crick-Paarung existieren. Sie wurden auch in einigen Protein-DNA-Komplexen beobachtet.

Zusätzlich zu diesen alternativen Basenpaarungen wird eine breite Palette von Basen-Base-Wasserstoffbrücken in der Sekundär- und Tertiärstruktur der RNA beobachtet. Diese Bindungen sind oft für die präzise, ​​komplexe Form einer RNA sowie deren Bindung an Interaktionspartner notwendig.

Längenmaße

Die folgenden Abkürzungen werden häufig verwendet, um die Länge eines D/R- NA-Moleküls zu beschreiben :

  • bp = Basenpaar (e) -on bp entspricht ungefähr 3,4 Å (340 pm ) der Länge entlang des Stranges, und auf etwa 618 oder 643 Dalton jeweils für DNA und RNA.
  • kb (= kbp) = Kilobasenpaare = 1.000 bp
  • Mb (= Mbp) = Megabasenpaare = 1.000.000 bp
  • Gb = Giga-Basenpaare = 1.000.000.000 bp.

Für einzelsträngige DNA/RNA werden Nukleotideinheiten verwendet – abgekürzt nt (oder knt, Mnt, Gnt) – da sie nicht gepaart sind. Um zwischen Computerspeichereinheiten und Basen zu unterscheiden, können kbp, Mbp, Gbp usw. für Basenpaare verwendet werden.

, aber die Anzahl der Basenpaare, denen es entspricht, variiert stark. Im menschlichen Genom besteht das Centimorgan aus etwa 1 Million Basenpaaren.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R (2004). Molekularbiologie des Gens (5. Aufl.). Pearson Benjamin Cummings: CSHL-Presse.
    (Siehe insbes. Kap. 6 und 9)
  • Sigel A, Sigel H, Sigel RK, Hrsg. (2012). Wechselspiel zwischen Metallionen und Nukleinsäuren . Metallionen in den Biowissenschaften. 10 . Springer. doi : 10.1007/978-94-007-2172-2 . ISBN 978-9-4007-2171-5. S2CID  92951134 .
  • Clever GH, Shionoya M (2012). „Kapitel 10. Alternative DNA-Basenpaarung durch Metallkoordination“. Wechselspiel zwischen Metallionen und Nukleinsäuren . Metallionen in den Biowissenschaften. 10 . S. 269–294. doi : 10.1007/978-94-007-2172-2_10 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210343 .
  • Megger DA, Megger N, Müller J (2012). „Kapitel 11. Metall-vermittelte Basenpaare in Nukleinsäuren mit Purin und Pyrimidin-derived Neucleosides“. Wechselspiel zwischen Metallionen und Nukleinsäuren . Metallionen in den Biowissenschaften. 10 . S. 295–317. doi : 10.1007/978-94-007-2172-2_11 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210344 .

  • DAN —Webserver-Version des EMBOSS- Tools zur Berechnung von Schmelztemperaturen