Явление таутомерии

Благодаря феномену кето-енольной таутомерии азотистые основания в нуклеотидах могут существовать либо в лактимной, либо в лактамной формах. В физиологических условиях преобладает лактамная форма гуанина тимина и урацила, но лактимные формы аденина и цитозина.

Для осуществления специфического спаривания основания должны находиться в соответствующей таутомерной форме. Миграция водородного атома позволяет каждому основанию существовать в различных таутомерных формах. Основания в составе двойной спирали ДНК, образующие канонические пары, должны иметь аминогруппы (-NH₂) и кетогруппы (>С=О), в отличие от таутомеров, имеющих иминогруппы (=NH) и енольные группы (-ОН) и способных к неканоническому спариванию, как, например, пуриновое основание Ade, который может образовать пару с таутомерной формой Cyt (рис. 12.4).

А

В

Рис. 12.4. Образование неканонических пар с участием иминоформы цитозина и аденина (А) и иминоформы аденина с нормальным цитозином (В)

Как известно, точность копирования в процессе репликации ДНК настолько велика, что в среднем на каждые 1·10⁹ пар нуклеотидов приходится всего одна ошибка. Такую высокую точность репликации обеспечивает корректирующая (3^/®5^/)-экзонуклеазная активность ДНК-полимеразы. Тем не менее в ряде случаев ДНК-полимераза может ошибаться. Как раз одной из причин таких ошибок является способность всех азотистых оснований образовывать термодинамически невыгодные таутомерные формы за счет миграции атома водорода. При этом, как указывалось выше, амино- и оксогруппы превращаются в имино- и енольные группы соответственно. Такие редкие таутомерные формы, как правило, образуют неправильные, неканонические пары с другими основаниями. Примеры такого спаривания показаны на рис. 12.4.

Так, иминоформа Cyt образует пару не с Gua, а с Ade. В результате в процессе последующей репликации может произойти замена пары A-T на G-C. Точно так же Ade способен образовывать редкую таутомерную иминоформу, которая приобретает способность комплементарно спариваться с неканоническим для него Cyt.

В норме образование пар между двумя пуринами, а между двумя пиримидинами или некомплементарными основаниями A-C или G-T стерически затруднено, поскольку при этом не могут образовываться подходящие водородные связи и, следовательно, нарушается геометрия спирали. Модифицированные пурины и пиримидины, с небольшой частотой встречающиеся в ДНК, образуют такие же водородные связи, что и их немодифицированные аналоги. В этом случае правила спаривания не нарушаются.