Почему в ДНК используется тимин, а не урацил?

Одна из основных проблем с использованием урацила в качестве основания заключается в том, что цитозин может быть дезаминирован , что превращает его в урацил. Это не редкая реакция; это происходит около 100 раз на клетку в день. Это не является серьезной проблемой при использовании тимина, поскольку клетка может легко распознать, что урацил ей не принадлежит, и может восстановить его, снова заменив его цитозином.

Существует фермент, урацил-ДНК-гликозилаза , который делает именно это; он вырезает урациловые основания из двухцепочечной ДНК. Это можно сделать безопасно, поскольку предполагается, что урацил не присутствует в ДНК и должен быть результатом модификации основания.

Теперь, если бы мы использовали урацил в ДНК, было бы не так просто решить, как исправить эту ошибку. Это предотвратило бы использование этого важного пути восстановления.

Неспособность восстанавливать такие повреждения не имеет значения для РНК, поскольку мРНК сравнительно недолговечна, и любые потенциальные ошибки не приводят к длительному повреждению. Это имеет большое значение для ДНК, поскольку ошибки повторяются при каждой репликации. Это объясняет преимущество использования тимина в ДНК, но не объясняет, почему в РНК используется урацил. Я предполагаю, что это просто эволюционировало таким образом, и не было никакого существенного недостатка, против которого можно было бы выбрать, но могла быть более веская причина (может быть, более сложный биосинтез тимина?).

Вы найдете немного больше информации об этом в «Молекулярной биологии клетки» Брюса Альбертса и др. в главе о репарации ДНК (со страницы 267 в 4-м издании).

Существование тимина в ДНК вместо урацила, по-видимому, связано с процессом эволюции, который сделал ДНК более стабильной.

Тимин обладает большей устойчивостью к фотохимическим мутациям, что делает генетическую информацию более стабильной. Примерное объяснение, почему тимин более защищен, чем урацил, можно найти в статье

Артур М., Л., Почему ДНК содержит тимин и урацил РНК? Журнал теоретической биологии, 1969. 22(3): с. 537-540.

что дает три основные причины для этого:

1. «Энергия возбуждения в ДНК подвижна и в конечном итоге передается остаткам тимина, которые являются местами радиационного повреждения».

2. «Урацил, но не тимин, образует стабильный продукт фотогидратации. Димеризация тимина может быть частично фотообращена облучением при относительно более длинных волнах, в то время как этот процесс менее эффективен для димеров урацила из-за конкурирующей реакции фотогидратации».

3. «Фотохимическая мутация является или, по крайней мере, когда-то была серьезной проблемой, поскольку существует ряд ферментов для восстановления радиационных повреждений. Поэтому устойчивость к радиационным повреждениям была важным избирательным преимуществом».

Тимин обладает большей устойчивостью к фотохимическим мутациям, что делает генетическую информацию более стабильной. Это дает приблизительное объяснение того, почему тимин более защищен, чем урацил.

Однако реальный вопрос заключается в следующем: почему тимин заменяет урацил в ДНК? Важно отметить, что хотя урацил существует как в виде уридина (U), так и в виде дезоксиуридина (dU), тимин существует только в виде дезокситимидина (dT). Таким образом, возникает вопрос: почему клетки метилируют урацил в тимин, прежде чем его можно будет использовать в ДНК? и простой ответ: метилирование защищает ДНК.

Помимо использования dT вместо dU, большинство организмов также используют различные ферменты для модификации ДНК после ее синтеза. Два таких фермента damи dcmметилируют аденины и цитозины соответственно по всей цепи ДНК. Это метилирование делает ДНК неузнаваемой для многих нуклеаз (ферментов, расщепляющих ДНК и РНК), так что она не может быть легко атакована захватчиками, такими как вирусы или некоторые бактерии. Очевидно, что метилирование нуклеотидов до их включения обеспечивает защиту всей цепи ДНК.

Тимин также защищает ДНК другим способом. Если вы посмотрите на компоненты нуклеиновых кислот, фосфатов, сахаров и оснований, вы увидите, что все они очень гидрофильны (растворимы в воде). Очевидно, что добавление гидрофобной (нерастворимой в воде) метильной группы к части ДНК изменит характеристики молекулы. Основной эффект заключается в том, что метильная группа будет отталкиваться от остальной части ДНК, перемещая ее в фиксированное положение в большой бороздке спирали. Это решает важную проблему с урацилом — хотя он предпочитает аденин, урацил может образовывать пары практически с любым другим основанием, включая самого себя, в зависимости от того, как он расположен в спирали. Приводя его к одной конформации, метильная группа ограничивает урацил (тимин) соединением только с аденином. Это значительно повышает эффективность репликации ДНК,