Back to chapter

8.1:

Base-pairing and DNA Repair

JoVE Core
Cell Biology
This content is Free Access.
JoVE Core Cell Biology
Base-pairing and DNA Repair

Lingue

Condividere

דנ”א דומה לסולם מפותל. ושלבי סולם הדנ”א הם זוגות משלימים של בסיסים חנקניים. על פי כללי זיווג בסיס, אדנין, שהוא פורין, נקשר לתימין, שהוא פירימידין, עם שני קשרי מימן.וגואנין, שהוא פורין, מופיע עם ציטוזין, שהוא פירימידין, עם שלושה קשרי מימן. אך מדוע פורינים תמיד נקשרים לפירימידינים? בגלל אילוצים סטריים, שהם מגבלות מרחביות המוטלות על ידי עמוד השדרה של סוכר הפוספט של הדנ”א, רק 10.85 אנגסטרוםנחלל זמין לזוגות בסיס בסליל דנ”א כפול.לפורינים יש שני מבנה טבעתי כפול. לכן, שני פורינים יחד יהיו גדולים מכדי להיכנס למרחב זה. מצד שני, אם נחבר בין שני פירימידינים, הכוללים רק טבעת אחת, המרחק ביניהם יהיה גדול מכדי ליצור קשרי מימן, שהם באורך של כשני אנגסטרומים.יחד עם זאת, אם נקשר פורין ופירימידין, הם יתאימו באופן מושלם לתוך סליל הדנ”א ויהיו די קרובים זה לזה כדי ליצור קשרי מימן. קשרי מימן יכולים להיווצר כשאטום מימן הוא במרחק של כשני אנסטגרומים מאטום בעל אלקטרושליליות כגון חמצן או חנקן. לאדנין יש אטום מימן אחד הקרוב לחמצן ולתימין.ולתימין יש מימן אחד קרוב לחנקן ולאדנין. זה מוביל להיווצרות שני קשרי מימן. אדנין לא יכול ליצור קשרי מימן עם ציטוזין מפני שלציטוזין יש אטום מימן במקום שבו יימצאו החמצן והתימין.ואטום המימן הנמצא בתימין נעדר מציטוזין. תופעה דומה מתרחשת בזוג הבסיסים גואנין וציטוזין, שבו החמצן בגואנין וחמצן וחנקן בציטוזין ממוקמים כל אחד מול מימן, מה שמוביל להיווצרות של שלושה קשרי מימן, מה שלא קורה בזיווג בסיסים של גואנין ותימין. הספציפיות הגבוהה של זיווג בסיסים, וכן העזרה של אנזימי שכפול דנ”א, הם הסיבה לכך שאדנין נקשר תמיד לתימין וגואנין נקשר תמיד לציטוזין.

8.1:

Base-pairing and DNA Repair

Erwin Chargaff’s rules on DNA equivalence paved the way for the discovery of base pairing in DNA. Chargaff’s rules state that in a double-stranded DNA molecule,

  1. the amount of adenine (A) is equal to the amount of thymine (T);
  2. the amount of guanine (G) is equal to the amount of cytosine (C); and
  3. the sum of purines, A and G, is equal to the sum of pyrimidines, C and T (i.e., A+G = C+T).

Later work by Watson and Crick revealed that in double-stranded DNA, A always forms two hydrogen bonds with T, and G always forms three hydrogen bonds with C.  This base pairing maintains a constant width of the DNA double helix, as both A-T and C-G pairs are 10.85Å in length and fit neatly between the two sugar-phosphate backbones.

Base pairings cause the nitrogenous bases to be inaccessible to other molecules until the hydrogen bonds separate. However, specific enzymes can easily break these hydrogen bonds to carry out necessary cell processes, such as DNA replication and transcription. As a G-C pair has more hydrogen bonds than an  A-T pair, DNA with a high percentage of G-C pairs will need the higher energy for separation of two strands of DNA than one with a similar percentage of A-T pairs. 

Base Analogs as Medicine

Correct base pairing is essential for the faithful replication of DNA. Base analogs are molecules that can replace the standard DNA bases during DNA replication. These analogs are effective antiviral and anticancer agents against diseases such as hepatitis, herpes, and leukemia. Acyclovir, also known as Acycloguanosine, is a base analog of guanine and is commonly used in the treatment of the herpes simplex virus.  The guanine part of Acyclovir pairs with adenine as usual during DNA replication; however, because it does not have a 3’ end of the nucleotide, DNA polymerase cannot continue forming base pairs, and replication terminates.