Metylacja - Methylation

W naukach chemicznych metylacja oznacza dodanie grupy metylowej do podłoża lub zastąpienie atomu (lub grupy) grupą metylową. Metylacja jest formą alkilacji , w której grupa metylowa zastępuje atom wodoru. Terminy te są powszechnie używane w chemii , biochemii , gleboznawstwie i naukach biologicznych .

W układach biologicznych metylacja jest katalizowana przez enzymy ; taka metylacja może być zaangażowana w modyfikację metali ciężkich , regulację ekspresji genów , regulację funkcji białek i przetwarzanie RNA . Metylacja in vitro próbek tkanek jest również jedną z metod zmniejszania niektórych artefaktów barwienia histologicznego . Odpowiednikiem metylacji jest demetylacja .

W biologii

W układach biologicznych metylację dokonują enzymy. Metylacja może modyfikować metale ciężkie, regulować ekspresję genów, przetwarzanie RNA i funkcję białek. Został uznany za kluczowy proces leżący u podstaw epigenetyki .

Metanogeneza

Metanogeneza , proces, który generuje metan z CO 2 , obejmuje szereg reakcji metylacji. Reakcje te są wywoływane przez zestaw enzymów przechowywanych przez rodzinę drobnoustrojów beztlenowych.

Cykl metanogenezy, pokazujący związki pośrednie.

W metanogenezie odwróconej metan służy jako czynnik metylujący.

O-metylotransferazy

Szeroka gama fenoli ulega O-metylacji, dając pochodne anizolu . Proces ten, katalizowane przez enzymy, takie jak kawoilo-CoA O-metylotransferazy , jest reakcją klucz w biosyntezie lignols , percursors do ligniny , główny składnik strukturalny roślin.

Rośliny produkują flawonoidy i izoflawony z metylacjami na grupach hydroksylowych, czyli wiązaniami metoksylowymi . Ta 5-O-metylacja wpływa na rozpuszczalność flawonoidów w wodzie. Przykładami są 5-O-metylogenisteina , 5-O-metylomyrycetyna lub 5-O-metylokwercetyna , znana również jako azalityna.

Białka

Wraz z ubikwityną i fosforylacją, metylacja jest głównym biochemicznym procesem modyfikacji funkcji białek. Najbardziej rozpowszechnione metylacje białek wytwarzają specyficzne histony z argininy i lizyny. W przeciwnym razie histydyna, glutaminian, asparagina, cysteina są podatne na metylację. Niektóre z tych produktów obejmują S- metylocysteinę , dwa izomery N- metylohistydyny i dwa izomery N- metyloargininy.

Syntaza metioniny

Reakcja metylacji katalizowana przez syntazę metioniny .

Syntaza metioniny regeneruje metioninę (Met) z homocysteiny (Hcy). Cała reakcja przekształca 5-metylotetrahydrofolian (N 5- MeTHF) w tetrahydrofolian (THF), jednocześnie przenosząc grupę metylową do Hcy z wytworzeniem Met. Syntazy metioniny mogą być zależne od kobalaminy i niezależne od kobalaminy: rośliny mają obie formy, zwierzęta są zależne od formy zależnej od metylokobalaminy.

W formach enzymu zależnych od metylokobalaminy reakcja przebiega w dwóch etapach w reakcji ping-ponga. Enzym wstępnie zagruntowane w reaktywnej przez przeniesienie grupy metylowej z N 5 -MeTHF do CO (i) enzym związany kobalaminy (COB), tworząc metylo-kobalaminy (Me-cob), który zawiera teraz Me-Co (III) i aktywacja enzymu. Następnie Hcy, który skoordynował się ze związanym z enzymem cynkiem, tworząc reaktywny tiolan, reaguje z Me-Cob. Aktywowana grupa metylowa jest przenoszona z Me-Cob do tiolanu Hcy, który regeneruje Co(I) w Cob, a Met jest uwalniane z enzymu.

Metale ciężkie: arsen, rtęć, kadm

Biometylacja jest ścieżką przekształcania niektórych ciężkich pierwiastków w bardziej mobilne lub bardziej śmiertelne pochodne, które mogą dostać się do łańcucha pokarmowego . Biometylacji z arsenu związków rozpoczyna się powstawanie methanearsonates . W ten sposób trójwartościowe nieorganiczne związki arsenu są metylowane do metanoarsonianu. Donorem metylu jest S-adenozylometionina . Metanoarsoniany są prekursorami dimetyloarsonianów, ponownie w cyklu redukcji (do kwasu metyloarsonowego), po którym następuje druga metylacja. Powiązane ścieżki zastosowanie do biosyntezy w metylortęć .

Metylacja epigenetyczna

Metylacja DNA/RNA

Metylacja DNA u kręgowców zazwyczaj występuje w miejscach CpG ( miejsca cytozyna-fosforan-guanina – to znaczy, gdzie bezpośrednio po cytozynie następuje guanina w sekwencji DNA). Ta metylacja powoduje konwersję cytozyny do 5-metylocytozyny . Tworzenie Me-CpG jest katalizowane przez enzym metylotransferazę DNA . U ssaków metylacja DNA jest powszechna w komórkach ciała, a metylacja miejsc CpG wydaje się być domyślna. Ludzkie DNA ma około 80-90% zmetylowanych miejsc CpG, ale istnieją pewne obszary, znane jako wyspy CpG , które są bogate w CG (wysoka zawartość cytozyny i guaniny, składająca się z około 65% reszt CG ), w których żaden nie jest zmetylowany . Są one związane z promotorami 56% genów ssaków, w tym wszystkich genów wszechobecnie eksprymowanych . Jeden do dwóch procent ludzkiego genomu to klastry CpG i istnieje odwrotna zależność między metylacją CpG a aktywnością transkrypcyjną. Metylacja przyczyniająca się do dziedziczenia epigenetycznego może nastąpić poprzez metylację DNA lub metylację białka. Niewłaściwa metylacja ludzkich genów może prowadzić do rozwoju chorób, w tym raka. Podobnie, metylacja RNA zachodzi w różnych gatunkach RNA, a mianowicie. tRNA , rRNA , mRNA , tmRNA , snRNA , snoRNA , miRNA i wirusowe RNA. Do metylacji RNA przez różne metylotransferazy RNA stosuje się różne strategie katalityczne. Uważa się, że metylacja RNA istniała przed metylacją DNA we wczesnych formach życia ewoluujących na Ziemi.

N6-metyloadenozyna (m6A) jest najczęstszą i najliczniejszą modyfikacją metylacji w cząsteczkach RNA (mRNA) obecnych u eukariontów. 5-metylocytozyna (5-mC) również powszechnie występuje w różnych cząsteczkach RNA. Ostatnie dane zdecydowanie sugerują, że metylacja m6A i 5-mC RNA wpływa na regulację różnych procesów biologicznych, takich jak stabilność RNA i translacja mRNA, oraz że nieprawidłowa metylacja RNA przyczynia się do etiologii chorób człowieka.

Metylacja białka

Metylacja białka zazwyczaj zachodzi na resztach aminokwasowych argininy lub lizyny w sekwencji białka. Arginina może być metylowana raz (monometylowana arginina) lub dwa razy, albo obiema grupami metylowymi na jednym końcowym azocie ( asymetryczna dimetyloarginina ) lub jedną na obu azotach (symetryczna dimetyloarginina), przez białkowe metylotransferazy argininowe (PRMT). Lizyna może być metylowana raz, dwa razy lub trzy razy przez metylotransferazy lizynowe . Metylacja białka została najlepiej zbadana w histonach . Przeniesienie grup metylowych z S-adenozylometioniny do histonów jest katalizowane przez enzymy znane jako metylotransferazy histonowe . Histony, które są metylowane na niektórych resztach, mogą działać epigenetycznie, hamując lub aktywując ekspresję genów. Metylacja białka jest jednym z rodzajów modyfikacji potranslacyjnych .

Ewolucja

Metabolizm metylu jest bardzo stary i można go znaleźć we wszystkich organizmach na ziemi, od bakterii po ludzi, co wskazuje na znaczenie metabolizmu metylu dla fizjologii. Rzeczywiście, farmakologiczne hamowanie globalnej metylacji u gatunków, od człowieka, myszy, ryby, muchy, glisty, rośliny, glonów i sinic powoduje ten sam wpływ na ich rytmy biologiczne, wykazując konserwatywne fizjologiczne role metylacji podczas ewolucji.

W chemii

Określenie metylacji w chemii organicznej dotyczy alkilowania proces stosowany do opisania dostarczanie CH 3 grupy.

Metylacja elektrofilowa

Metylacji są zwykle wykonywane przy użyciu elektrofilowych źródła metylowe, takie jak jodometan , siarczan dimetylu , węglan dimetylu lub chlorek tetrametyloamoniowy . Mniej powszechne, ale silniejsze (i bardziej niebezpieczne) odczynniki metylujące obejmują triflat metylu , diazometan i fluorosulfonian metylu ( magiczny metyl ). Wszystkie te odczynniki reakcji poprzez S N 2 substytucja nukleofilowa . Na przykład, karboksylan może być metylowany na tlenie z wytworzeniem estru metylowego ; alkoholan sól RO - może być również metylowaniu, otrzymując eter Roch 3 ; lub enolan ketonu może być metylowany na węglu w celu wytworzenia nowego ketonu .

Metylacja soli kwasu karboksylowego i fenolu jodometanem

Purdie metylacji jest specyficzna dla metylacji tlenu węglowodanów przy użyciu jodometanu i tlenek srebra .

Metylacja Purdie

Metylacja Eschweilera-Clarke'a

Reakcję Eschweilera-Clarke'a jest sposób metylowania amin . Ta metoda pozwala uniknąć ryzyka czwartorzędowania , które występuje, gdy aminy są metylowane halogenkami metylu.

Do metylacji amin stosuje się reakcję Eschweilera-Clarke'a.

Diazometan i trimetylosililodiazometan

Diazometan i bezpieczniejszy analog trimetylosililodiazometanu metylanu kwasów karboksylowych, fenoli, a nawet alkoholi:

RCO 2 H + tmsCHN 2 + CH 3 OH → RCO 2 CH 3 + CH 3 Otms + N 2

Sposób ma tę zaletę, że produkty uboczne są łatwo usuwane z mieszaniny produktów.

Metylacja nukleofilowa

Metylacja czasami obejmuje zastosowanie nukleofilowych odczynników metylowych. Silnie nukleofilowe środki metylujące obejmują metylolit (CH 3 Li) lub odczynniki Grignarda, takie jak bromek metylomagnezu (CH 3 MgX). Na przykład, CH 3 Li doda grupy metylowej do karbonylową ( C = O ), ketonów i aldehydów .:

Metylacja acetonu metylolitem

Łagodniejsze środki metylujące obejmują tetrametylocynę , dimetylocynk i trimetyloglin .

Zobacz też

Tematy biologii

Tematy chemii organicznej

Bibliografia

Zewnętrzne linki

  • deltaMases Detekcja metylacji po spektrometrii mas