Ζεύγη βάσεων Watson και Crick

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο βιοχημείας, μαθαίνουμε τα πάντα για τα ζεύγη βάσεων Watson και Crick, συμπεριλαμβανομένης της σημασίας, της δομής και της χημείας τους, καθώς και μερικά σημαντικά ζεύγη βάσεων που δεν είναι Watson-Crick.

Τι είναι το μοντέλο του DNA Watson-Crick;

Το 1953, οι βιοχημικοί James Watson και Francis Crick δημοσίευσαν το πρώτο μοντέλο της διπλής έλικας του DNA. Κατάφεραν να αναπτύξουν αυτό το διάσημο πλέον μοντέλο μέσω της απεικόνισης DNA που έκαναν οι Maurice Wilkins και Rosalind Franklin χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. Το μοντέλο δομής του DNA Watson-Crick αντιστοιχούσε ειδικά στο B-DNA, το πιο κοινό ταυτομερές DNA, και περιλάμβανε πολλές σωστές λεπτομέρειες:

• Τα φωσφορικά άλατα και τα σάκχαρα δείχνουν προς τα έξω, ενώ οι αζωτούχες βάσεις παραμένουν ζευγαρωμένες μέσα στην έλικα, με αποτέλεσμα μια "στριμμένη σκάλα"
• Ο αντιπαράλληλος προσανατολισμός των κλώνων (3'-5' και 5'-3')
• Η ύπαρξη μεγάλων και δευτερευουσών αυλακώσεων
• Η δεξιόστροφη, δεξιόστροφη συστροφή του DNA

Μακράν η πιο πρωτοποριακή λεπτομέρεια του μοντέλου ήταν ο συνδυασμός αζωτούχων βάσεων, με την κατάλληλη ονομασία ζεύγος βάσεων Watson-Crick. Θεωρούμενο βασικό στοιχείο της βιοχημείας του DNA, το ζεύγος βάσεων Watson-Crick περιλαμβάνει σύζευξη αδενινών με θυμίνες και γουανίνες με κυτοσίνες. Ή, όπως συχνά απομνημονεύουν οι φοιτητές βιολογίας:Τα Α με Τ, τα Γ με Γ.

Για τη δουλειά τους, οι Watson και Crick μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσιολογίας και Ιατρικής το 1962 με τον Maurice Wilkins. Η Rosalind Franklin δεν πιστώθηκε με το βραβείο του 1962 για τη συνεισφορά της.

Η δομή των αζωτούχων βάσεων σε ζεύγη βάσεων Watson-Crick

Οι τέσσερις αζωτούχες βάσεις στο DNA μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες:

• Πυριμιδίνες:Θυμίνη και Κυτοσίνη
• Πουρίνες:Αδενίνη και Γουανίνη

Στην οργανική χημεία, η πυριμιδίνη είναι ένας αρωματικός δακτύλιος που μοιάζει με βενζόλιο με δύο άζωτα στις θέσεις 1 και 3. Ως παράγωγα της πυριμιδίνης, της θυμίνης και της κυτοσίνης έχουν μοναδικούς υποκαταστάτες συνδεδεμένους στη δομή του δακτυλίου. Η κυτοσίνη έχει μια αμινομάδα συνδεδεμένη με τον άνθρακα 4 και ένα καρβονύλιο στον άνθρακα 2. Αντίθετα, η θυμίνη έχει δύο καρβονύλια στους άνθρακες 2 και 4 καθώς και μια μεθυλ ομάδα στον άνθρακα 5. Η ουρακίλη, το ισοδύναμο RNA της θυμίνης, μετράει επίσης ως πυριμιδίνη , με την ίδια δομή με τη θυμίνη μείον το μεθύλιο.

Αντίθετα, η πουρίνη είναι ένας εννέαμελής αρωματικός διπλός δακτύλιος που περιλαμβάνει τέσσερα ετεροάτομα αζώτου στις θέσεις 1, 3, 7 και 9. Η αδενίνη και η γουανίνη διατηρούν αυτή τη βασική δομή αλλά έχουν χαρακτηριστικούς υποκαταστάτες. Η αδενίνη έχει μια αμινομάδα συνδεδεμένη με τον άνθρακα 6. Ωστόσο, η γουανίνη έχει μια αμινομάδα συνδεδεμένη με τον άνθρακα 2 και ένα καρβονύλιο στον άνθρακα 6.

Για αυτό το στοιχείο του μοντέλου τους, οι Watson και Crick είχαν έναν βασικό υπαινιγμό με τη μορφή της πρόσφατης διαπίστωσης του Erwin Chargaff ότι το άθροισμα των πουρινών (Αδενίνη και Γουανίνη) ισούται πάντα με το άθροισμα των πυριμιδινών (Θυμίνη και Κυτοσίνη) σε οποιοδήποτε τμήμα του DNA. Από αυτό, οι Watson και Crick διαπίστωσαν ότι και οι δύο πουρίνες είχαν μια αντίστοιχη πυριμιδίνη με την οποία «ταιριάζουν» μεταξύ τους.

Ζεύγος βάσεων Watson-Crick:Αδενίνη και θυμίνη

Οι Watson και Crick παρατήρησαν ότι η αδενίνη και η θυμίνη είχαν δύο ζεύγη χημικών ομάδων ικανών να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου ταυτόχρονα:

• Το αμινο της αδενίνης και το καρβονύλιο της κυτοσίνης
• Το ακόρεστο άζωτο στον εξαμελή δακτύλιο της αδενίνης και το κορεσμένο άζωτο στον δακτύλιο της θυμίνης

Ζεύγος βάσεων Watson-Crick:Γουανίνη και Κυτοσίνη

Οι Watson και Crick παρατήρησαν ότι η γουανίνη και η κυτοσίνη είχαν τρία ζεύγη χημικών ομάδων ικανών να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου ταυτόχρονα:

• Το καρβονύλιο της γουανίνης και το αμινο της κυτοσίνης
• Το κορεσμένο άζωτο στον εξαμελή δακτύλιο της γουανίνης και το ακόρεστο άζωτο στον δακτύλιο της κυτοσίνης
• Το αμινο της γουανίνης και το καρβονύλιο της κυτοσίνης

Επιπλέον, δεδομένου ότι το ζεύγος γουανίνης-κυτοσίνης περιλαμβάνει έναν επιπλέον δεσμό υδρογόνου από το ζεύγος αδενίνης-θυμίνης, οι κλώνοι DNA έχουν ισχυρότερη συγγένεια μεταξύ τους με υψηλότερα ζεύγη γουανίνης-κυτοσίνης ή υψηλότερη περιεκτικότητα σε "GC". Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε GC, με τη σειρά της, αυξάνει τη θερμοκρασία «τήξης» ή «μετουσίωσης» που απαιτείται για τον αυθόρμητο διαχωρισμό των κλώνων του DNA. Αυτό έχει σημαντικές επιπτώσεις για ορισμένες τεχνικές εργαστηρίου μοριακής βιολογίας, όπως η PCR, οι οποίες εξαρτώνται από τον διαχωρισμό των κλώνων DNA σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες.

Ζεύγη βάσεων εκτός Watson-Crick

Αν και το DNA, και το RNA επίσης, τείνουν να περιλαμβάνουν αποκλειστικά ζεύγη βάσεων Watson-Crick, υπάρχουν περισσότερα «μη κανονικά» ζεύγη βάσεων. Αυτά τα εναλλακτικά ζεύγη βάσεων μπορούν να βρεθούν στο DNA υπό όξινες συνθήκες ή ορισμένες δομές RNA.

Ζεύγη βάσεων Hoogsteen

Στο ζευγάρωμα βάσεων Hoogsteen, η γουανίνη εξακολουθεί να ζευγαρώνει με την κυτοσίνη και η αδενίνη εξακολουθεί να ζευγαρώνει με τη θυμίνη. Ωστόσο, οι βάσεις πυριμιδίνης, η γουανίνη και η αδενίνη, «αναστρέφονται» 180° σε σχέση με τον προσανατολισμό Watson-Crick τους. Οι βιοχημικοί αποκαλούν αυτόν τον «αναποδογυρισμένο» προσανατολισμό επιβεβαίωση syn, σε αντίθεση με τον προσανατολισμό κατά της σύζευξης βάσεων Watson-Crick.

Μεταξύ της αδενίνης και της θυμίνης, εξακολουθούν να σχηματίζονται δύο δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των ακόλουθων ζευγών ομάδων:

• Η αμινομάδα της αδενίνης και το καρβονύλιο της θυμίνης
• Το ακόρεστο άζωτο στον πενταμελή δακτύλιο της αδενίνης και το κορεσμένο άζωτο στον δακτύλιο της θυμίνης

Μεταξύ γουανίνης και κυτοσίνης, σχηματίζονται δύο δεσμοί υδρογόνου (αντί για 3) μεταξύ των ακόλουθων ζευγών ομάδων:

• Το καρβονύλιο της γουανίνης και το αμινο της κυτοσίνης
• Το ακόρεστο άζωτο στον πενταμελή δακτύλιο της γουανίνης και το πρωτονιωμένο άζωτο στον δακτύλιο της θυμίνης

Σημείωση:στο ζεύγος γουανίνης-κυτοσίνης, το άζωτο του δακτυλίου της κυτοσίνης πρέπει να πρωτονιωθεί για να σχηματιστεί ο απαραίτητος δεσμός υδρογόνου. Εξαιτίας αυτού, το ζεύγος βάσεων Hoogsteen τείνει να ευνοείται σε χαμηλά pH, ενώ το ζεύγος βάσεων Watson-Crick κυριαρχεί σε ουδέτερα ή υψηλά pH.

Είναι ενδιαφέρον ότι, δεδομένου ότι οι συνήθεις ομάδες σύνδεσης της αδενίνης και της γουανίνης παραμένουν ασύζευκτες, το triplex DNA είναι δυνατό μέσω του ζευγαρώματος βάσεων Hoogsteen. Ωστόσο, αυτές οι δομές τείνουν να μην σχηματίζονται στις περισσότερες συνθήκες.

Ζεύγη βάσεων ταλάντωσης

Στη μεταγραφή, οι πολυμεράσες RNA βασίζονται στο ζεύγος βάσεων Watson-Crick για τον προσδιορισμό του κώδικα των κλώνων mRNA. Στη μετάφραση, ωστόσο, αυτό που οι βιοχημικοί αποκαλούν «ταλαντευόμενα» ζεύγη βάσεων υπάρχουν επίσης στην αλληλεπίδραση μεταξύ mRNA και tRNA.
Περιέργως, το tRNA έχει μια εναλλακτική βάση πυριμιδίνης που ονομάζεται υποξανθίνη, η οποία σχηματίζει το νουκλεοτίδιο ινοσίνη.

Η υποξανθίνη μοιάζει με τη γουανίνη, μείον την αμινομάδα. Λειτουργικά, η υποξανθίνη σχηματίζει δύο δεσμούς υδρογόνου σε ζεύγη βάσεων με την ουρακίλη, την κυτοσίνη και την αδενίνη. Αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται ειδικά από το καρβονύλιο και το κορεσμένο άζωτο της υποξανθίνης.

Εκτός από αυτά τα τρία νέα ζεύγη βάσεων με υποξανθίνη, η γουανίνη μπορεί επίσης να σχηματίσει ένα ζεύγος βάσεων ταλάντωσης με ουρακίλη. Και οι δύο δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ των καρβονυλίων και των κορεσμένων αζώτων τους.

Αυτά τα εναλλακτικά ζεύγη βάσεων που δεν είναι Watson-Crick επιτρέπουν τον πλεονασμό του γενετικού κώδικα. Όταν τοποθετούνται στην τρίτη θέση του αντικωδικονίου tRNA, η ουρακίλη, η γουανίνη και η υποξανθίνη μπορούν να συνδεθούν με πολλαπλές πιθανές βάσεις mRNA.

Για παράδειγμα, το αμινοακυλο-tRNA με ένα αντικωδικόνιο του UAI έχει πάντα ένα αμινοξύ ισολευκίνη. Λόγω του ζεύγους βάσεων ταλάντωσης της υποξανθίνης, τα κωδικόνια mRNA των AUC, AUA και AUU συνδέονται όλα σε αυτήν, και επομένως όλα κωδικοποιούν την ισολευκίνη στην τελική πρωτεΐνη.