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

Idiomas

COMPARTILHAR

DNA resembles a twisted ladder. And the rungs of the DNA ladder are complementary pairs of nitrogenous bases. According to base pairing rules, adenine, a purine, pairs with thymine, a pyrimidine, with two hydrogen bonds. And guanine, a purine, appears with cytosine, a pyrimidine, with three hydrogen bonds. But why do purines always pair with pyrimidines? Due to steric constraints, that is, spatial restrictions imposed by the sugar phosphate backbone of the DNA, only a 10.85 angstrom space is available for the base pairs in a DNA double helix. Purines have a double ring structure. Therefore, two purines together will be too big to fit in this space. On the other hand, if we put two pyrimidines together, which contain only a single ring, the distance between them will be too large to form hydrogen bonds, which are approximately two angstroms long. However, if we pair a purine and a pyrimidine together, they fit perfectly inside the DNA helix and are close enough to form hydrogen bonds. Hydrogen bonds can form when a hydrogen atom is approximately two angstroms away from an electronegative atom, such as oxygen or nitrogen. Adenine has one hydrogen atom close to an oxygen and thymine. And thymine has one hydrogen close to a nitrogen and adenine. This leads to the formation of two hydrogen bonds. Adenine cannot form hydrogen bonds with cytosine, because cytosine has a hydrogen atom where the oxygen and thymine would be. And the hydrogen atom that is present in thymine is absent in cytosine. A similar phenomenon occurs in the guanine cytosine base pair where an oxygen in guanine, and an oxygen and a nitrogen in cytosine are each positioned across from a hydrogen, leading to the formation of three hydrogen bonds, which does not happen in guanine thymine base pairing. The high specificity of base pairing, along with the help of DNA replication enzymes, is why adenine always pairs with thymine and guanine always pairs with cytosine.

8.1:

Base-pairing and DNA Repair

エルヴィン・シャルガフが提唱した「DNAの等価性に関する規則」は、DNAの塩基対の発見を導いました。シャルガフの法則とは、二本鎖のDNA分子において、次が成立することをいいます。

  1. アデニン(A)の量とチミン(T)の量は等しいです。
  2. グアニン(G)の量とシトシン(C)の量は等しいです。
  3. プリン体であるAとGの合計は、ピリミジン体であるCとTの合計に等しい(すなわち、A+G=C+T)。

その後のワトソンとクリックの研究により、二本鎖DNAでは、Aは常にTと2つの水素結合を形成し、Gは常にCと3つの水素結合を形成することが明らかになった。A-T と C-G のペアは、両者とも10.85Åの長さがあり、それはDNAの2本の糖-リン酸主鎖の間隔に合致します。そのため、このような塩基対の形成により、DNAの二重らせんの幅は一定に保たれています。

塩基が対を形成すると、水素結合が切れるまで窒素塩基は他の分子にアクセスできなくなります。しかし、特定の酵素は、この水素結合を容易に切断して、DNAの複製や転写など、細胞に必要なプロセスを実行することができます。G-CペアはA-Tペアよりも多くの水素結合を持つため、G-Cペアの割合が高いDNAは、A-Tペアの割合が同程度のものよりも、2本のDNAを分離するために高いエネルギーを必要とします。

医薬品としての塩基配列

DNAが厳密に複製されるためには、正しい塩基対の形成が必要です。塩基類似体は、DNA複製時に標準的なDNA塩基を置き換えることができる分子です。これらの塩基類似体は、肝炎、ヘルペス、白血病などの疾患に対して有効な抗ウイルス剤や抗がん剤となります。アシクロビルは、アシクログアノシンとも呼ばれるグアニンの塩基類似体であり、単純ヘルペスウイルスの治療によく用いられます。アシクロビルのグアニン部分は、DNA複製の際に通常通りアデニンと対になりますが、ヌクレオチドの3’末端がないため、DNAポリメラーゼが塩基対の形成を続けることができず、複製が終了します。