Analozi nukleinske kiseline su spojevi koji su strukturno analogni prirodno prisutnim RNK i DNK, putem supstitucije bilo koje od njihovih komponenti šećera, fosfata i nukleobaze. Koriste se u medicini i u istraživanjima molekularne biologije.
Pregled thumb|300px|RNK sa svojim nukleobazama lijevo i DNK desno. Nukleinske kiseline su lanci nukleotida, koji se sastoje od tri dijela: okosnice koja se sastoji od pentoznog šećera ili riboze ili dezoksiriboze, povezanih fosfatnim grupama; i jedne od četiri nukleobaze. Analog može imati bilo koju od ovih izmijenjenih. Tipski, analogne nukleobaze, između ostalog, daju različita svojstva sparivanja i slaganja baza. Primjeri uključuju univerzalne baze, koje se mogu spariti sa sve četiri kanonske baze, i analoge fosfatno-šećernog lanca kao što je PNA, koji utiču na svojstva lanca (PNA može čak formirati trostruku spiralu).
Analozi glavnog lanca Analozi nukleinskih kiselina mogu imati zamjene glavnog lanca na šećernim ili fosfatnim komponentama, ili na objema.
Polielektrolitna teorija gena predlaže da genetska molekula zahtijeva nabijeni glavni lanac za funkcioniranje.
Analozi šećera
Riboza-ova 2' hidroksilna grupa reaguje sa fosfatno vezanom 3' hidroksilnom grupom, čineći RNK previše nestabilnom za pouzdanu upotrebu ili sintezu. Da bi se ovo prevazišlo, može se koristiti analog riboze. Najčešći RNK analozi su 2'-O-metil-supstituirana RNK, zaključana nukleinska kiselina (LNA) ili premoštena nukleinska kiselina (BNA), i peptidna nukleinska kiselina (PNA), kao i glikolne nukleinske kiseline (GNA), treozne nukleinske kiseline (TNA) i heksitol nukleinske kiseline (HNA).
Iako ovi oligonukleotidi imaju drugačiji osnovni šećer - ili, u slučaju PNA, ostatak aminokiseline umjesto riboza fosfata - oni se i dalje vežu za RNK ili DNK prema Watsonovom i Crickovom sparivanju, dok su imuni na aktivnost nukleaze. Ne mogu se enzimski sintetizirati i mogu se dobiti samo sintetički korištenjem strategije fosforamidita ili, za PNA, drugih metoda sinteze peptida.
Dideoksinukleotidi se koriste u sekvenciranju. Ovi nukleozidni trifosfati posjeduju nekanonski šećer, dideoksiribozu, kojoj nedostaje 3' hidroksilna grupa koja je normalno prisutna u DNK i stoga se ne može vezati sa sljedećom bazom. Nedostatak 3' hidroksilne grupe prekida lančanu reakciju jer je DNK polimeraze pogrešno zamjenjuju za regularni deoksiribonukleotid.
Drugi analog koji prekida lanac, a kojem nedostaje 3' hidroksilna grupa i koji oponaša adenozin, naziva se kordicepin. Kordicepin je lijek protiv raka koji cilja replikaciju RNA. Drugi analog u sekvenciranju je nukleobazni analog, 7-deaza-GTP, koji se koristi za sekvenciranje CG bogatih regija. Umjesto toga, 7-deaza-ATP se naziva tubercidin, antibiotik.
Kseno nukleinske kiseline predstavljaju jedan od glavnih stubova ksenobiologije, dizajna novih prirodnih oblika života zasnovanih na alternativnim biohemijama.
Analozi fosfata Analozi fosfata uključuju fosforotioatne nukleinske kiseline i fosforodiamidat nukleinske kiseline.
Obje thumb|130px| Hemijska struktura morfolina Morfolino nukleinske kiseline zamjenjuju šećer morfolinskom komponentom, a fosfat fosforodiamidatnom komponentom.
Miravirzen je antisensni kandidat za lijek koji uključuje i zaključane nukleinske kiseline šećerne komponente i fosforotioatne grupe.
Bazni analozi
Za strukture analoga koji se mogu spomenuti u literaturi je jednostavni aromatskii prsten. Prema svojoj strukturi, prirodne baze mogu se podijeliti u dvije klase: Pirimidini su šestočlane heterocikličke molekule s atomima dušika na pozicijama 1 i 3. Purini su bicikličke, sastoje se od pirimidina spojenog s imidazolnim prstenom.
Vještački nukleotidi (Neprirodni parovi baza (UBP) nazvani d5SICS UBP i dNaM UBP) su umetnuti u bakterijsku DNK, ali ovi geni nisu formirali iRNK niti inducirali sintezu proteina. Vještački nukleotidi su sadržavali dva spojena aromatska prstena koji su formirali (d5SICS–dNaM) kompleks oponašajući prirodni (dG–dC) bazni par.
Mutageni Jedan od najčešćih analoga baza je 5-bromouracil (5BU), abnormalna baza koja se nalazi u mutagenom nukleotidnom analogu BrdU. Kada se nukleotid koji sadrži 5-bromouracil ugradi u DNK, najvjerovatnije će se spariti s adeninom; međutim, može spontano preći u drugi izomer koji se sparuje s drugom nukleobazom, guaninom. Ako se to dogodi tokom replikacije DNK, gvanin će biti umetnut kao suprotni analog baze, a u sljedećoj replikaciji DNK, taj guanin će se spariti s citozinom. To rezultira promjenom u jednom baznom paru DNK, tačnije tranzicija mutacija.
Osim toga, dušična kiselina (HNO2) je snažan mutagen koji djeluje na replicirajuću i nereplicirajuću DNK. Može uzrokovati deaminaciju amino grupa adenina, guanina i citozina. Adenin se deaminira u hipoksantin, čija se baza sparuje s citozinom umjesto s timinom. Citozin se deaminira u uracil, koji se baza sparuje s adeninom umjesto s guaninom. Deaminacija guanina nije mutagena. Mutacije izazvane dušičnom kiselinom također se induciraju da mutiraju natrag u divlji tip.
Fluorofori
thumb|200px|Struktura aminoalil-uridina Uobičajeno su fluorofori (kao što su rodamin ili fluorescein) povezani s prstenom povezanim sa šećerom (u para) putem fleksibilnog kraka, vjerovatno istiskujućeg iz glavnog žlijeba spirale. Zbog niske procesivnosti nukleotida povezanih s glomaznim aduktima poput fluorofora pomoću Taq -polimeraza, sekvenca se obično kopira pomoću nukleotida s krakom, a kasnije se spaja s reaktivnim fluoroforom (indirektno označavanje): Reaktivni na amino: aminoalil-nukleotidi sadrže primarnu amino grupu na linkeru koja reagira s amino-reaktivnom bojom kao što su boje cijanin ili Alexa Fluor, koje sadrže reaktivnu izlaznu grupu poput sukcinimidil-estera (NHS). Amino grupe koje sparuju baze nisu pogođene. Reaktivni na tiol: nukleotidi koji sadrže tiol reagiraju s fluoroforom povezanim s reaktivnom izlaznom grupom poput maleimida. Biotinom-vezani nukleotidi oslanjaju se na isti princip indirektnog označavanja (i fluorescentni streptavidin) i koriste se u Affymetrix DNK-čipovima.
Fluorofori nalaze različite upotrebe u medicini i biohemiji.
Najčešće korišteni i komercijalno dostupni fluorescentni bazni analog, 2-aminopurin (2-AP), ima visok kvantni prinos fluorescencije u slobodnom stanju u rastvoru (0,68) koji je znatno smanjen (otprilike 100 puta, ali u velikoj mjeri zavisi od sekvence baza) kada se ugradi u nukleinske kiseline. Osjetljivost 2-AP na emisiju u neposrednoj okolini dijele i drugi obećavajući i korisni fluorescentni bazni analozi poput 3-MI, 6-MI, 6-MAP, pirolo-dC (također komercijalno dostupan), modificirani i poboljšani derivati pirolo-dC, furan-modificirane baze i mnogi drugi (pogledajte nedavne recenzije). Ova osjetljivost na mikrookruženje korištena je u studijama npr. strukture i dinamike unutar DNK i RNK, dinamike i kinetike interakcije DNK-protein i prijenosa elektrona unutar DNK.
Novo razvijena i vrlo zanimljiva grupa fluorescentnih baznih analoga koja ima kvantni prinos fluorescencije koji je gotovo neosjetljiv na njihovu neposrednu okolinu je porodica tricikličkih citozina. 1,3-Diaza-2-oksofenotiazin, tC, ima kvantni prinos fluorescencije od približno 0,2 i u jednostrukim i u dvostrukim lancima, bez obzira na okolne baze. Također, okso-homolog tC nazvan tCO (oba komercijalno dostupna), 1,3-diaza-2-oksofenoksazin, ima kvantni prinos od 0,2 u dvolančanim sistemima. Međutim, donekle je osjetljiv na okolne baze u jednolančanim lancima (kvantni prinosi od 0,14–0,41). Visoki i stabilni kvantni prinosi ovih baznih analoga čine ih vrlo svijetlim, a u kombinaciji s njihovim dobrim svojstvima baznih analoga (ostavlja strukturu i stabilnost DNK gotovo neporemećenima), posebno su korisni u fluorescentnoj anizotropiji i FRET mjerenjima, područjima gdje su drugi fluorescentni bazni analozi manje precizni. Također, u istoj porodici citozinskih analoga, razvijen je FRET-akceptorski bazni analog, tCnitro. Zajedno sa tCO kao FRET-donorom, ovo predstavlja prvi FRET-par analognih nukleinsko-kiselinskih baza ikada razvijen. tC-familija je, na primjer, korištena u studijama vezanim za mehanizme vezivanja DNK polimerazom i polimerizacije DNK.
Prirodne nekanonske baze U ćeliji je prisutno nekoliko nekanonskih baza: CpG ostrva u DNK (često metilirana), sve eukariotske iRNK (prekrivene metil-7-gvanozinom) i nekoliko baza rRNK (metilirane). Često su tRNK posttranskripcijski znatno modificirane kako bi se poboljšala njihova konformacija ili sparivanje baza, posebno u ili blizu antikodona: inozin se može spariti sa C, U, pa čak i s A, dok je tiouridin (sa A) specifičniji od uracila (sa purinom). Druge uobičajene modifikacije tRNK baza su pseudouridin (koji je dao ime TΨC petlji), dihidrouridin (koji se ne slaže jer nije aromatičan), kvenozin, viozin i tako dalje. Ipak, sve su to modifikacije normalnih baza i ne postavlja ih polimeraza. Sparivanje baza Kanonske baze mogu imati karbonilnu ili amino grupu na ugljicima koji okružuju atom dušika najudaljeniji od glikozidne veze, što im omogućava da par baza (Watson-Crickovo sparivanje baza) formiraju putem vodikovih veza (amin sa ketonom, purin sa pirimidinom). Adenin i 2-aminoadenin imaju jednu/dvije amino grupe, dok timin ima dvije karbonilne grupe, a citozin i gvanin su mješoviti amin i karbonil (invertovani jedan u odnosu na drugi).
Prirodni bazni parovi size|280pxsize|280px GC bazni par: purinski karbonil/amin formira tri intermolekularne vodikove veze sa pirimidinskim aminom/karbonilomAT bazni par: purinski amin/- formira dvije intermolekulske vodikove veze sa pirimidinskim karbonilom/karbonilom Precizan razlog zašto postoje samo četiri nukleotida je predmet rasprave, ali postoji nekoliko neiskorištenih mogućnosti. Nadalje, adenin nije najstabilniji izbor za sparivanje baza: u Cijanofag S-2L, diaminopurin (DAP) se koristi umjesto adenina. Diaminopurin se savršeno sparuje s timinom jer je identičan adeninu, ali ima amino grupu na poziciji 2, formirajući tri intramolekulske vodikove veze, eliminirajući glavnu razliku između dva tipa baznih parova (slabi A-T naspram jakih C-G). Ova poboljšana stabilnost utiče na interakcije vezivanja proteina koje se oslanjaju na te razlike. Druge kombinacije uključuju: Izoguanin i izocitozin, koji imaju invertovani amin i keton u poređenju sa standardnim guaninom i citozinom. Ne koriste se vjerovatno jer su tautomeri problematični za sparivanje baza, ali izoC i izoG se mogu ispravno amplificirati PCR-om čak i u prisustvu četiri kanonske baze. Diaminopirimidin i ksantin, koji se vežu kao 2-aminoadenin i timin, ali s invertovanim strukturama. Ovaj par se ne koristi jer je ksantin produkt deaminacije.
Neiskorišteni rasporedi baznih parova size|280pxsize|280pxsize|280pxDAP-T baza: purinski amin/amin formira tri intermolekulske vodikove veze sa pirimidinskim ketonom/ketonomX-DAP baza: purinski keton/keton formira tri intermolekularne vodikove veze sa pirimidinskim aminom/aminomiG-iC baza: purinski amin/keton formira tri intermolekularne vodikove veze sa pirimidinskim ketonom/aminom Međutim, ispravna struktura DNK može se formirati čak i kada baze nisu sparene putem vodoničnih veza; to jest, baze se sparuju zahvaljujući hidrofobnosti, kao što su studije pokazale sa DNK izosterima (analozima sa istim brojem atoma) kao što su analog timina 2,4-difluorotoluen (F) ili analog adenina 4-metilbenzimidazol (Z). Alternativni hidrofobni par mogao bi biti izohinolin i pirolo[2,3-b]piridin.
Ostali značajni bazni parovi: Napravljeno je i nekoliko fluorescentnih baza, kao što je bazni par 2-amino-6-(2-tienil)purin i pirol-2-karbaldehid. Metalno koordinirane baze, kao što je sparivanje između piridin-2,6-dikarboksilata (tridentatni ligand) i piridina (monodentatni ligand) putem kvadratne planarne koordinacije do centralnog bakarnog iona.