miniatura|300px|ARN coas súas nucleobases á esquerda e ADN coas súas nucleobases á dereita.
Os análogos de ácido nucleico son compostos que son análogos (estruturalmente similares) aos ARNs e ADNs que aparecen na Natureza, que se usan en medicina e investigación en bioloxía molecular. Os ácidos nucleicos son cadeas de nucleótidos, que están compostos por tres partes: un esqueleto molecular formado por fosfato e un azucre pentosa, que pode ser ribosa ou desoxirribosa, ao que están unidas nucleobases. Un análogo pode ter calquera destas tres partes alterada. Caracteristicamente, as nucleobases análogas confiren, entre outras cousas, diferentes apareamentos de bases e distintas propiedades de empillamento. Exemplos son as bases universais, que poden aparearse con calquera das catro bases canónicas, e os análogos do esqueleto de fosfato-azucre como o PNA, que afecta as propiedades da cadea (o PNA incluso pode formar unha hélice tripla). Os análogos de ácido nucleico sintéticos tamén se chaman ácidos xenonucleicos (XNA) e representan un dos principais piares da xenobioloxía, o deseño de formas de vida de natureza nova baseadas en bioquímicas alternativas. Outro grupo de análogos de ácido nucleico son os Morpholino.
Entre os ácidos nucleicos artificiais están os ácidos peptonucleicos (PNA), os Morpholinos e os ácidos nucleicos bloqueados (LNA), así como os ácidos glicolnucleicos (GNA), ácidos treonucleicos (TNA) e os ácidos hexitolnucleicos (HNA). Cada un deles distínguese dos ADNs ou ARNs naturais polos cambios que presenta no esqueleto da molécula. Porén, a teoría do polielectrólito do xene propón que unha molécula xenética require un esqueleto cargado para funcionar.
En maio de 2014 anunciouse que se conseguira introducir dous novos nucleótidos artificias no ADN bacteriano, e ao incluírse nucleótidos artificiais individuais no medio de cultivo, estes puideron pasar ás bacerias 24 veces; pero non se crearon ARNms ou proteínas capaces de usaren os nucleótidos artificiais. Os nucleótidos artificiais posuían dous aneis aromáticos fusionados.
Medicina Varios análogos de nucleósidos utilízanse como axentes antivirais ou anticancro. A polimerase viral incorpora estes compostos con bases non canónicas. Estes compostos son activados nas células ao seren convertidos en nucleótidos, pero son administrados como nucleósidos, xa que os nucleótidos cargados non poden atravesr doadamente as membranas celulares.
Bioloxía molecular miniatura|200px|Cambios comúns en análogos de nucleótidos Os análogos de ácidos nucleicos utilízanse en bioloxía molecular para varios propósitos: Investigación de posibles escenarios da orixe da vida. Ao probaren diferentes análogos, os investigadores tratan de responder a cuestión de se o uso polos seres vivos do ADN e ARN foi seleccionado co tempo debido ás súas propiedades, ou se foron elixidos por un azar arbitrario; Como ferramenta para detectar secuencias determinadas: o XNA pode usarse para etiquetar e identificar unha ampla variedade de compoñentes do ADN e ARN con alta especificidade e exactitude; Como encima que actúa sobre o ADN e ARN e substratos XNA. O XNA ten a capacidade de cortar enlaces e ligalos no ADN, ARN e outras moléculas de XNA de xeito similar ás accións que realizan os ribocimas de ARN; Como ferramenta con resistencia á hidrólise do ARN; Investigación dos mecanismos usados por encimas; e Investigación das características estruturais de ácidos nucleicos.
Análogos do esqueleto da molécula Análogos do ARN resistentes á hidrólise
miniatura|100px|Estrutura química dun Morpholino. O grupo 2' hidroxilo da ribosa reacciona co fosfato enlazado ao grupo 3' hidroxilo, facendo que o ARN sexa demasiado inestable para ser usado ou sintetizado con fiablilidade. Para superar ese problema, pode utilizarse un análogo da ribosa. Os análogos do ARN máis comúns son o ARN 2'-O-metil-substituído, o ácido nucleico bloqueado (LNA) ou ponteado (BNA), o morpholino, e o ácido peptonucleico (PNA). Aínda que estes oligonucleótidos teñen un esqueleto molecular cun azucre (ou no caso do PNA hai un residuo de aminoácido en lugar da ribosa-fosfato), aínda se seguen unindo ao ARN ou ADN segundo o apareamento de bases de Watson e Crick á vez que son inmunes á actividade das nucleases. Non poden ser sintetizados encimaticamente e só se poden obter sinteticamente usando a estratexia da fosforamidita ou, no caso do PNA, outros métodos de síntese de péptidos.
Outros notables análogos usados como ferramentas
Os didesoxinucleótidos utilízanse en secuenciación. Estes nucleósidos trifosfato posúen un azucre non canónico, a didesoxirribosa, que carece do grupo 3' hidroxilo normalmente presente no ADN e, polo tanto, non se poden unir coa seguinte base. A falta do grupo 3' hidroxilo fai que termine a cadea de reacción, xa que as ADN polimerases confúndeno cun desoxirribonucleótido normal. Outro análogo terminador da cadea que carece de 3' hidroxilo e imita a adenosina denomínase Cordycepin. O Cordycepin é unha droga anitcancro que afecta a replicación do ARN. Outro análogo para secuenciación é o análogo de nucleobase 7-deaza-GTP, que se utiliza para secuenciar rexións ricas en CG, que é distinto do 7-deaza-ATP, denominado tubercidina, que é un antibiótico.
Precursores do mundo de ARN prebiótico
Suxeriuse que o actual mundo no que prevalece o ADN como molécula xenética foi precedido por un mundo de ARN e que este á súa vez puido ser precedido por un "mundo similar ao ARN" no que habería outros ácidos nucleicos parecidos ao ARN pero con diferente esqueleto molecular, como o PNA. Porén, as evidencias desta hipótese son polo momento escasas.
Análogos de bases
Estrutura e nomenclatura das nucleobases
As bases que aparecen naturalmente poden dividirse en dúas clases segundo a súa estrutura: Pirimidinas. Son heterociclos de seis membros con átomos de nitróxeno nas posicións 1 e 3. Purinas. Son bicíclicas, consistindo nunha pirimidina fusionada cun anel de imidazol.
Ademais, pódense crear nucleótidos artificiais. Inseríronse uns nucleótidos artificiais (con "pares de bases non naturais) chamados d5SICS UBP e dNaM UBP no ADN bacteriano pero estes xenes non orixinan ARNm nin inducen a síntese de proteínas. Estes nucleótidos artificiais presentan dous aneis aromáticos fusionados que forman un complexo (d5SICS–dNaM) que imita un par de bases natural (dG–dC).
Mutáxenos Un dos análogos de bases máis común é o 5-bromouracilo (5BU), a base anormal atopada no análogo de nucleótido mutaxénico BrdU. Cando un nucleótido que contén 5-bromouracilo se incorpora ao ADN, é máis probable que se aparee coa adenina; porén, pode cambiar espontaneamente a outro isómero (paso de ceto a enol) que se aparea cunha nucleobase diferente, a guanina. Se isto ocorre durante a replicación do ADN , inserirase unha guanina enfronte do análogo da base, e na seguinte replicación do ADN, esa guanina aparéase cunha citosina. Isto ten como resultado un cambio nun par de bases do ADN, concretamente unha mutación por transición.Roger S. Lasken and Myron F. Goodman. The Biochemical Basis of 5-Bromouracil-induced Mutagenesis. The Journal of Biological Chemistry de The American Society of Biological Chemists, Inc. Vol. 259, No. 18, 25 de setembro 1984, pp. 11491-11495 Kaufman ER. Replication of DNA containing 5-bromouracil can be mutagenic in Syrian hamster cells. Mol Cell Biol. novembro de 1984; 4(11):2449-54. doi: 10.1128/mcb.4.11.2449-2454.1984. ; PMCID: PMC369076.
Adicionalmente, o ácido nitroso (HNO2) é un potente mutáxeno que actúa sobre ADN replicante e non replcante. pode causar desaminación dos grupos amino da adenina, guanina e citosina. A adenina é desaminada a hipoxantina, que se aparea coa citosina en vez de coa timina. A citosina é desaminada a uracilo, que se aparea coa adenina en vez de coa guanina. A desaminación da gunaina non é mutaxénica. As mutacións inducidas polo ácido nitroso tamén poden causar retromutacións ao tipo silvestre.
Fluoróforos miniatura|200px|Estrutura da aminoalil-uridina
Normalmente líganse fluoróforos (como a rodamina ou a fluoresceína) ao anel unido ao azucre (en posición para) por medio dun brazo molecular flexible, presumiblemente extrudíndoo do suco maior da hélice. Debido á baixa procesividade das Taq polimerases cos nucleótidos ligados a adutos voluminosos como os floróforos, normalmente a secuencia é copiada usando un nucleótido que posúe un brazo e posteriormente é acoplada co fluoróforo reactivo (etiquetado indirecto), que pode ter distintas reactividades: Reactivo ao amino: os aminoalil nucleótidos conteñen un grupo amino primario sobre un enlazador (linker) que reacciona co marcador fluorescente aminorreactivo como os marcadores cianina ou Alexa Fluor, que conteñen un grupo reactivo saínte como o succinimidil éster (NHS). Os grupos amino de bases apareadas non son afectados. Reactivo ao tiol: Os nucleótidos que conteñen tiol reaccionan co fluoróforo unido a un grupo sainte reactivo como a maleimida. Os nucleótidos unidos a biotina dependen do mesmo principio de etiquetaxe indirecta (e da estreptavidina fluorescente) e utilízanse en chips de ADN Affymetrix.
Os fluoróforos teñen varios usos en medicina e bioquímica.
Análogos de bases fluorescentes
O análogo de bases fluorescente máis comunmente usado e dispoñible comercialmente é a 2-aminopurina (2-AP), que ten un rendemento cuánticoEficiencia da enerxía transferida da luz incidente á fluorescencia emitida (o número de fotóns emitidos por fotóns absorbidos). de alta fluorescencia libre en solución (0,68) que se ve considerablemente reducido (aproximadamente 100 veces menos, pero moi dependente da secuencia de bases) cando se incorpora aos ácidos nucleicos. A sensibilidade de emisión da 2-AP na área que a rodea é similar á outros análogos de bases fluorescentes moi útiles e prometedores, como 3-MI, 6-MI, 6-MAP, pirrolo-dC (tamén dispoñible comercialmente), derivados modificados e mellorados do pirrolo-dC, bases modificadas con furano e moitos outros (ver as revisións recentes). Esta sensibilidade ao microambiente foi utilizada en estudos de, por exemplo, a estrutura e dinámica do ADN e ARN, dinámica e xenética da interacción ADN-proteínas e na transferencia de electróns no ADN.
Un grupo moi interesante de novo desenvolvemento de análogos de bases fluorescentes que ten un rendemento cuántico de fluorescencia que é case insensible ás bases que os rodean é a familia da citosina tricíclica. A 1,3-diaza-2-oxofhenotiazina, tC, ten un rendemento cuántico de fluorescencia de aproximadamente 0,2 tanto en ácidos nucleicos de febra simple coma de febra dobre sen importar as bases que a rodean. Tamén o oxo-homólogo da tC chamado tCO (ambos dispoñibles comercialmente), a 1,3-diaza-2-oxofenoxazina, ten un rendemento cuántico de 0,2 en sistemas de dobre febra. Porén, é algo sensible ás bases que o rodean en ácidos nucleicos de febra simple (rendementos cuánticos de 0,14–0,41). Os rendementos cuánticos altos e estables destes análogos de bases fan que sexan moi brillantes, e, en combinación coas súas boas propiedades como análogos de bases (deixan a estrutura e estabilidade do ADN case sen perturbar), son especialmente útiles en medidas de anisotropía de fluorescencia e FRET, áreas onde outros análogos de bases fluorescentes son menos exactos. Ademais, na mesma familia dos análogos da citosina, desenvolveuse un análogo de base aceptor de FRET, a tCnitro. Xunto co tCO como doante de FRET este constitúe o primeiro par de FRET análogo de base de ácido nucleico que se desenvolveu. A familia tC foi usada, por exemplo, en estudos relacionados coa unión da polimerase co ADN e mecanismos de polimerización do ADN.
Bases non canónicas naturais