Nukleotyd - Nucleotide

Ten nukleotyd zawiera pięciowęglową dezoksyrybozę cukru (w środku), nukleozasadę zwaną adeniną (u góry po prawej) i jedną grupę fosforanową (po lewej). Cukier dezoksyrybozowy połączony tylko z zasadą azotową tworzy dezoksyrybonukleozyd zwany deoksyadenozyną , podczas gdy cała struktura wraz z grupą fosforanową jest nukleotydem , składnikiem DNA o nazwie deoksyadenozynomonofosforan .

Nukleotydy to cząsteczki organiczne składające się z nukleozydu i fosforanu . Służą one jako jednostki monomeryczne polimerów kwasu nukleinowegokwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) i kwasu rybonukleinowego (RNA), z których oba są niezbędnymi biocząsteczkami we wszystkich formach życia na Ziemi. Nukleotydy pozyskiwane są z pożywieniem, a także syntetyzowane z powszechnych składników odżywczych przez wątrobę.

Nukleotydy składają się z trzech cząsteczek podjednostek: nukleozasady , pięciowęglowego cukru ( rybozy lub dezoksyrybozy ) oraz grupy fosforanowej składającej się z jednego do trzech fosforanów . Cztery nukleozasady w DNA to guanina , adenina , cytozyna i tymina ; w RNA zamiast tyminy stosuje się uracyl .

Nukleotydy odgrywają również kluczową rolę w metabolizmie na podstawowym poziomie komórkowym. Dostarczają energię chemiczną — w postaci trifosforanów nukleozydów , adenozynotrójfosforanu (ATP), trójfosforanu guanozyny (GTP), trójfosforanu cytydyny (CTP) i trójfosforanu urydyny (UTP) — w całej komórce dla wielu funkcji komórkowych wymagających energii, w tym : synteza aminokwasów , białek i błon komórkowych , przemieszczanie komórki i części komórki (zarówno wewnętrznie jak i międzykomórkowo), podział komórek itp. Ponadto nukleotydy uczestniczą w sygnalizacji komórkowej ( cykliczny monofosforan guanozyny lub cGMP oraz cykliczny adenozynomonofosforan lub cAMP), i są włączone do ważnych kofaktorów reakcji enzymatycznych (np. koenzym A , FAD , FMN , NAD i NADP + ).

W biochemii eksperymentalnej nukleotydy można znakować promieniotwórczo przy użyciu radionuklidów w celu uzyskania radionukleotydów.

Struktura

Przedstawienie rozmieszczenia nukleotydów w strukturze kwasów nukleinowych: W lewym dolnym rogu nukleotyd monofosforanowy; jego zasada azotowa reprezentuje jedną stronę pary zasad. W prawym górnym rogu cztery nukleotydy tworzą dwie pary zasad: tymina i adenina (połączone podwójnymi wiązaniami wodorowymi) oraz guanina i cytozyna (połączone potrójnymi wiązaniami wodorowymi). Poszczególne monomery nukleotydowe są połączone łańcuchowo na swoich cząsteczkach cukru i fosforanu, tworząc dwa „szkielety” ( podwójna helisa ) kwasu nukleinowego, pokazanego w lewym górnym rogu.

Nucleo fala składa się z trzech charakterystycznych chemicznych podjednostek: cząsteczki cukru pięć węgla, nukleozasady -the z których dwa są wspólnie nazywa się NUCLEO strony -I jedną grupę fosforanową . Przy czym wszystkie trzy połączone, nukleotyd jest określany również jako „nucleo boczną mono fosforan”, „nukleozydowe di fosforanów” lub „nukleozydowe trój fosforanów”, w zależności od tego, ile fosforany tworzą grupę fosforanową.

W kwasach nukleinowych nukleotydy zawierają zasadę purynową lub pirymidynową – tj. cząsteczkę nukleozasady, znaną również jako zasada azotowa – i są określane jako rybonukleotydy, jeśli cukier jest rybozą, lub dezoksyrybonukleotydy, jeśli cukier jest dezoksyrybozą. Poszczególne cząsteczki fosforanu w sposób powtarzalny łączą cząsteczki pierścienia cukrowego w dwóch sąsiednich monomerach nukleotydowych, tym samym łącząc monomery nukleotydowe kwasu nukleinowego koniec do końca w długi łańcuch. Te połączenia łańcuchowe cząsteczek cukru i fosforanów tworzą „kręgosłup” dla pojedynczej lub podwójnej helisy . W jednym nici orientacja chemiczne ( kierunkowość ) łańcucha, łączy rozciąga się od końca 5 ' do końca 3' ( odczytać : 5 Prime-3 Prime koniec-koniec) -referring do pięciu atomów węgla w miejscach cząsteczki cukru w ​​sąsiednich nukleotydach. W podwójnej helisie dwie nici są zorientowane w przeciwnych kierunkach, co umożliwia parowanie zasad i komplementarność między parami zasad, co jest niezbędne do replikacji lub transkrypcji zakodowanej informacji znajdującej się w DNA.

Kwasy nukleinowe są wtedy polimerycznymi makrocząsteczkami złożonymi z nukleotydów, monomerycznych jednostek kwasów nukleinowych . Zasady purynowe adenina i guanina oraz cytozyna zasad pirymidynowych występują zarówno w DNA, jak i RNA, podczas gdy zasady pirymidynowe tymina (w DNA) i uracyl (w RNA) występują tylko w jednej. Adenina tworzy parę zasad z tyminą z dwoma wiązaniami wodorowymi, natomiast pary guaninowe z cytozyną z trzema wiązaniami wodorowymi.

Oprócz tego, że są elementami budulcowymi do budowy polimerów kwasu nukleinowego, pojedyncze nukleotydy odgrywają rolę w komórkowym magazynowaniu i dostarczaniu energii, sygnalizacji komórkowej, jako źródło grup fosforanowych wykorzystywanych do modulowania aktywności białek i innych cząsteczek sygnałowych oraz jako kofaktory enzymatyczne , często przeprowadzając reakcje redoks . Cykliczne nukleotydy sygnalizacyjne powstają przez dwukrotne związanie grupy fosforanowej z tą samą cząsteczką cukru, łącząc grupy 5'- i 3'- hydroksylowe cukru. Niektóre nukleotydy sygnałowe różnią się od standardowej konfiguracji pojedynczej grupy fosforanowej posiadaniem wielu grup fosforanowych przyłączonych do różnych pozycji na cukrze. Kofaktory nukleotydowe obejmują szerszy zakres grup chemicznych przyłączonych do cukru przez wiązanie glikozydowe , w tym nikotynamid i flawinę , aw tym ostatnim przypadku cukier rybozy jest liniowy, a nie tworzy pierścień widoczny w innych nukleotydach.

Elementy konstrukcyjne z trzech nucleo fale Gdzie jedno-, dwu- lub fosforany są przymocowane do NUCLEO strony (na żółty, niebieski, zielony) w środkowej: 1, nukleotyd określany jako nukleozydu mono fosforanu powstaje przez dodanie fosforanu (w czerwonym); 2nd dodanie drugiego fosforan tworzy nukleozydu di fosforan ; 3., dodanie trzeciego wyniki fosforanowych w nukleozydu tri fosforanów . + Zasada azotowa ( nukleozasada ) jest oznaczona jako zasada i „ wiązanie glikozydowe ” (wiązanie cukrowe). Wszystkie pięć podstawowych lub kanonicznych zasadpuryn i pirymidyny — naszkicowano po prawej stronie (na niebiesko).

Synteza

Nukleotydy można syntetyzować różnymi sposobami, zarówno in vitro, jak i in vivo .

In vitro podczas laboratoryjnego wytwarzania nukleotydów można stosować grupy zabezpieczające . Oczyszczony nukleozyd jest chroniony w celu wytworzenia amidofosforynu , który może być następnie wykorzystany do uzyskania analogów nie występujących w naturze i/lub do syntezy oligonukleotydu .

In vivo nukleotydy mogą być syntetyzowane de novo lub poddawane recyklingowi poprzez szlaki ratunkowe . Składniki wykorzystywane w syntezie nukleotydów de novo pochodzą z biosyntetycznych prekursorów metabolizmu węglowodanów i aminokwasów oraz amoniaku i dwutlenku węgla. Wątroba jest głównym organem syntezy de novo wszystkich czterech nukleotydów. Synteza de novo pirymidyn i puryn przebiega dwoma różnymi drogami. Pirymidyny syntetyzuje się najpierw z asparaginianu i fosforanu karbamoilu w cytoplazmie do wspólnego prekursora struktury pierścieniowej kwasu orotowego, z którym kowalencyjnie połączona jest ufosforylowana jednostka rybozylowa. Jednak puryny są najpierw syntetyzowane z matrycy cukrowej, na której zachodzi synteza pierścienia. Dla porównania, syntezy nukleotydów purynowych i pirymidynowych są przeprowadzane przez kilka enzymów w cytoplazmie komórki, a nie w określonej organelli . Nukleotydy ulegają rozkładowi, dzięki czemu użyteczne części mogą być ponownie wykorzystywane w reakcjach syntezy do tworzenia nowych nukleotydów.

Synteza rybonukleotydów pirymidynowych

Synteza UMP .
Kolorystyka jest następująca: enzymy , koenzymy , nazwy substratów , cząsteczki nieorganiczne

Synteza pirymidyn CTP i UTP zachodzi w cytoplazmie i rozpoczyna się tworzeniem fosforanu karbamoilu z glutaminy i CO 2 . Następnie karbamoilotransferaza asparaginianowa katalizuje reakcję kondensacji pomiędzy asparaginianem i fosforanem karbamoilu, tworząc kwas karbamoiloasparaginowy , który jest cyklizowany do kwasu 4,5-dihydroorotycznego przez dihydroorotazę . Ten ostatni jest przekształcany w orotan przez oksydazę dihydroorotanową . Reakcja netto to:

( S )-Dihydroorotan + O 2 → Orotan + H 2 O 2

Orotan jest kowalencyjnie związany z ufosforylowaną jednostką rybozylową. Wiązanie kowalencyjne między rybozy i pirymidyny występuje w pozycji C 1 z rybozy produktu, która zawiera pirofosforan i N 1 pierścienia pirymidynowego. Orotanowej (PRPP transferazy) katalizuje reakcję netto uginając monofosforan orotydyno (OMP)

Orotan + 5-fosfo-α-D-rybozo-1-difosforan (PRPP) → orotydyno-5'-fosforan + pirofosforan

5'-monofosforan orotydyny jest dekarboksylowany przez dekarboksylazę orotydyno-5'-fosforanową do monofosforanu urydyny (UMP). Transferaza PRPP katalizuje zarówno reakcje rybozylacji, jak i dekarboksylacji, tworząc UMP z kwasu orotowego w obecności PRPP. To właśnie z UMP pochodzą inne nukleotydy pirymidynowe. UMP jest fosforylowany przez dwie kinazy do trifosforanu urydyny (UTP) w dwóch kolejnych reakcjach z ATP. Najpierw wytwarzany jest difosforan z UDP, który z kolei jest fosforylowany do UTP. Oba etapy są napędzane hydrolizą ATP:

ATP + UMP → ADP + UDP
UDP + ATP → UTP + ADP

CTP jest następnie tworzony przez aminowanie UTP przez katalityczną aktywność syntetazy CTP . Glutamina jest donorem NH 3, a reakcja jest również napędzana przez hydrolizę ATP:

UTP + Glutamina + ATP + H 2 O → CTP + ADP + P i

Monofosforan cytydyny (CMP) jest pochodną trifosforanu cytydyny (CTP) z następczą utratą dwóch fosforanów.

Synteza rybonukleotydów purynowych

Atomy używane do budowy nukleotydów purynowych pochodzą z różnych źródeł:

Synteza IMP. Kolorystyka jest następująca: enzymy , koenzymy , nazwy substratów , jony metali , cząsteczki nieorganiczne
Synteza nukleotydów.svg Do biosyntezy początki pierścienia purynowego atomów

N 1 wynika z grupy aminowej Asp
C 2 oraz C 8 pochodzą mrówczan
N 3 i N 9 są dostarczane przez grupy amidowej Gln
C 4 , C 5 i N 7 pochodzi od Gly
C 6 pochodzi z HCO 3 (CO 2 )

Syntezy de novo z nukleotydów purynowych , w którym te prekursory są włączone do pierścienia purynowego przebiega przez 10-stopniowy szlaku do rozgałęzienia pośrednim punktem IMP nukleotydu bazowego hipoksantyny . AMP i GMP są następnie syntetyzowane z tego związku pośredniego oddzielnymi, dwuetapowymi szlakami. Zatem ugrupowania purynowe są początkowo tworzone raczej jako część rybonukleotydów niż jako wolne zasady .

W syntezie IMP bierze udział sześć enzymów. Trzy z nich są wielofunkcyjne:

  • GART (reakcje 2, 3 i 5)
  • PAICS (reakcje 6 i 7)
  • ATIC (reakcje 9 i 10)

Szlak zaczyna się od powstania PRPP . PRPS1 jest enzymem, który aktywuje R5P , który powstaje głównie na szlaku pentozofosforanowym , do PRPP poprzez reakcję z ATP . Reakcja jest niezwykłe, że grupa pyrophosphoryl bezpośrednio przenoszone z ATP na C 1 o R5p i że produkt ma a konfigurację o C1. Ta reakcja jest również dzielona ze szlakami syntezy nukleotydów Trp , His i pirymidynowych . Będąc na głównym skrzyżowaniu metabolicznym i wymagając dużej ilości energii, reakcja ta jest wysoce regulowana.

W pierwszej reakcji unikalny dla purynowe nukleotydów biosyntezy PPAT katalizuje przemieszczenie PRPP w pirofosforanu grupy (PP I ) za pomocą azotu amidowego oddanej albo z glutaminą (N), glicyna (N-C) asparaginowego (N), kwas foliowy (C 1 ) lub CO 2 . To jest zaangażowany krok w syntezie puryn. Reakcja zachodzi z odwróceniem konfiguracji wokół rybozy C 1 , tworząc w ten sposób β - 5-fosforybozyloaminę (5-PRA) i ustanawiając formę anomeryczną przyszłego nukleotydu.

Następnie, glicynę wprowadza napędzany przez hydrolizę ATP i grupa karboksylową tworzy wiązanie amina NH 2 wprowadzonego wcześniej. Jednostka jednowęglowych od koenzymu kwasu foliowego, N 10 -formylo-THF, a następnie dodaje się do grupy aminowej podstawionej glicyny, a następnie zamknięcia pierścienia imidazolowego. Następnie drugi NH 2 grupy są przesyłane z glutaminą z pierwszym węglem jednostki glicyny. Równocześnie dodaje się karboksylację drugiego węgla jednostki glicyny. Ten nowy węgiel zmodyfikowane przez dodanie trzeciego NH 2 jednostki, tym razem przenosi się od reszty asparaginowej. Wreszcie, druga jednowęglowa jednostka z formylo-THF jest dodawana do grupy azotowej i pierścień jest kowalencyjnie zamknięty, tworząc wspólny prekursor purynowy monofosforan inozyny (IMP).

Monofosforan inozyny jest przekształcany w monofosforan adenozyny w dwóch etapach. Po pierwsze, hydroliza GTP napędza dodanie asparaginianu do IMP przez syntazę adenylobursztynianową, zastępując tlen karbonylowy azotem i tworząc pośredni adenylobursztynian. Fumaran jest następnie odszczepiany, tworząc monofosforan adenozyny. Ten etap jest katalizowany przez liazę adenylobursztynianową.

Inozynomonofosforanu przekształca się monofosforanu guanozyny przez utlenianie IMP formowania xanthylate, a następnie przez dodanie grupy aminowej w pozycji C 2 . NAD + jest akceptorem elektronów w reakcji utleniania. Transfer grupy amidowej z glutaminy jest napędzany przez hydrolizę ATP.

Degradacja pirymidyny i puryn

U ludzi pierścienie pirymidynowe (C, T, U) mogą być całkowicie degradowane do CO 2 i NH 3 (wydalanie mocznika). To powiedziawszy, pierścienie purynowe (G, A) nie mogą. Zamiast tego są rozkładane do metabolicznie obojętnego kwasu moczowego, który jest następnie wydalany z organizmu. Kwas moczowy powstaje, gdy GMP dzieli się na zasadową guaninę i rybozę. Guanina jest dezaminowana do ksantyny, która z kolei jest utleniana do kwasu moczowego. Ta ostatnia reakcja jest nieodwracalna. Podobnie kwas moczowy może powstać, gdy AMP jest dezaminowany do IMP, z którego usuwana jest jednostka rybozy, tworząc hipoksantynę. Hipoksantyna jest utleniana do ksantyny i ostatecznie do kwasu moczowego. Zamiast wydzielania kwasu moczowego, guaniny IMP i może być używany do celów oraz synteza kwasu nukleinowego recyrkulacji w obecności PRPP i asparaginianu (NH 3 dawców).

Prebiotyczna synteza nukleotydów

Teorie na temat powstania życia wymagają znajomości szlaków chemicznych, które umożliwiają tworzenie kluczowych elementów budulcowych życia w prawdopodobnych warunkach prebiotycznych . RNA World hipoteza głosi, że w pierwotnej zupy istniały bezdotykowo rybonukleotydy , podstawowe cząsteczki, które łączą się w celu utworzenia serii RNA . Złożone cząsteczki, takie jak RNA, musiały powstać z małych cząsteczek, których reaktywność była regulowana przez procesy fizykochemiczne. RNA składa się z nukleotydów purynowych i pirymidynowych , które są niezbędne do niezawodnego przekazywania informacji, a tym samym ewolucji darwinowskiej . Becker i in. pokazali, w jaki sposób nukleozydy pirymidynowe można syntetyzować z małych cząsteczek i rybozy , napędzając wyłącznie cykle mokre-suche. W podobny sposób można syntetyzować nukleozydy purynowe. 5'-mono- i difosforany również tworzą się selektywnie z minerałów zawierających fosforany, umożliwiając jednoczesne tworzenie polirybonukleotydów zarówno z zasadami purynowymi, jak i pirymidynowymi. W ten sposób można utworzyć sieć reakcji w kierunku purynowych i pirymidynowych elementów budulcowych RNA, zaczynając od prostych cząsteczek atmosferycznych lub wulkanicznych.

Nienaturalna para zasad (UBP)

Nienaturalna para zasad (UBP) to zaprojektowana podjednostka (lub nukleozasada ) DNA, która powstaje w laboratorium i nie występuje w naturze. Przykłady obejmują d5SICS i dNaM . Te sztuczne nukleotydy niosące hydrofobowe nukleozasady zawierają dwa połączone pierścienie aromatyczne, które tworzą kompleks (d5SICS–dNaM) lub parę zasad w DNA. E. coli indukowano do replikacji plazmidu zawierającego UBP przez wiele pokoleń. Jest to pierwszy znany przykład żywego organizmu przekazującego rozszerzony kod genetyczny kolejnym pokoleniom.

Zastosowania medyczne syntetycznych nukleotydów

Kilka pochodnych nukleotydów zostało użytych jako leki przeciwwirusowe przeciwko zapaleniu wątroby i HIV . Fumaran dizoproksylu tenofowiru , fumaran alafenamide i sofosbuvir przykłady NRTI stosuje się na zapalenie wątroby. Zważywszy, że niektóre leki, takie jak Mericitabine , Lamivudine , entekawir i telbiwudyna są na przykład nukleozydów, ale są one metabolizowane w swoich bioaktywnych postaci nukleotydów przez fosforylację.

Jednostka długości

Nukleotyd (w skrócie „nt”) jest powszechną jednostką długości jednoniciowych kwasów nukleinowych, podobnie jak para zasad jest jednostką długości dwuniciowych kwasów nukleinowych.

Skróty dla zasad zdegenerowanych

IUPAC wyznaczyło symbole nukleotydów. Oprócz pięciu zasad (A, G, C, T/U) do projektowania starterów PCR stosuje się często zasady zdegenerowane . Te kody nukleotydowe są wymienione tutaj. Niektóre sekwencje starterów mogą również zawierać znak „I”, który koduje niestandardowy nukleotyd inozyny . Inozyna występuje w tRNA i łączy się z adeniną, cytozyną lub tyminą. Ta postać nie pojawia się jednak w poniższej tabeli, ponieważ nie reprezentuje degeneracji. Chociaż inozyna może pełnić podobną funkcję jak degeneracja „D”, jest to rzeczywisty nukleotyd, a nie reprezentacja mieszanki nukleotydów, która obejmuje każdą możliwą potrzebną parę.

Symbol Opis Reprezentowane podstawy
A denine A 1
C c ytosine C
g g uanine g
T t hymine T
U U racil U
W W EAK A T 2
S s Trong C g
m m ino A C
K k eto g T
r pu r ine A g
Tak P r rimidine C T
b nie A ( B pojawia się po A) C g T 3
D nie C ( D jest po C) A g T
h nie G ( H występuje po G) A C T
V nie T ( V występuje po T i U) A C g
n a n y podstawa (nie luka) A C g T 4

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki