5-нуклеотиды также используются в усилителях вкуса в качестве пищевой добавки для улучшения вкуса умами , часто в форме дрожжевого экстракта. [3]
Состав
Нуклеотид состоит из трех различных химических субъединиц: пятиуглеродной молекулы сахара, нуклеинового основания ( два из которых вместе называются нуклеосайдом ) и одной фосфатной группы . Когда все три соединены , нуклеотид также называют «нуклеозидмонофосфатом » , «нуклеозиддифосфатом » или «нуклеозидтрифосфатом » , в зависимости от того, сколько фосфатов составляют фосфатную группу.
В нуклеиновых кислотах нуклеотиды содержат либо пуриновое , либо пиримидиновое основание, то есть молекулу азотистого основания, также известную как азотистое основание, и называются рибонуклеотидами , если сахар представляет собой рибозу, или дезоксирибонуклеотидами , если сахар представляет собой дезоксирибозу. Отдельные молекулы фосфата периодически соединяют молекулы сахарного кольца в двух соседних нуклеотидных мономерах, тем самым соединяя нуклеотидные мономеры нуклеиновой кислоты конец в конец в длинную цепь. Эти соединения молекул сахара и фосфата образуют «основную» цепь одинарной или двойной спирали . В любой цепи химическая ориентация ( направленность ) соединений цепи проходит от 5'-конца к 3'-концу ( читай : от 5 простых концов к 3 основным концам) – имея в виду пять углеродных участков на молекулы сахара в соседних нуклеотидах. В двойной спирали две цепи ориентированы в противоположных направлениях, что обеспечивает спаривание оснований и комплементарность между парами оснований, что важно для репликации или транскрипции закодированной информации, содержащейся в ДНК.
Нуклеиновые кислоты представляют собой полимерные макромолекулы , собранные из нуклеотидов, мономерных единиц нуклеиновых кислот . Пуриновые основания аденин и гуанин и пиримидиновое основание цитозин встречаются как в ДНК, так и в РНК, тогда как пиримидиновые основания тимин (в ДНК) и урацил (в РНК) встречаются только в одном. Аденин образует пару оснований с тимином с двумя водородными связями, а гуанин образует пару оснований с цитозином с тремя водородными связями.
Помимо того, что они являются строительными блоками для построения полимеров нуклеиновых кислот, отдельные нуклеотиды играют роль в хранении и обеспечении клеточной энергии, клеточной передаче сигналов, в качестве источника фосфатных групп, используемых для модуляции активности белков и других сигнальных молекул, а также в качестве ферментативных кофакторов . , часто осуществляя окислительно-восстановительные реакции. Сигнальные циклические нуклеотиды образуются путем двукратного связывания фосфатной группы с одной и той же молекулой сахара , соединяя 5'- и 3'- гидроксильные группы сахара. [2] Некоторые сигнальные нуклеотиды отличаются от стандартной конфигурации с одной фосфатной группой наличием нескольких фосфатных групп, прикрепленных к различным положениям сахара. [4] Нуклеотидные кофакторы включают более широкий спектр химических групп, присоединенных к сахару посредством гликозидной связи , включая никотинамид и флавин , и в последнем случае сахар рибозы является линейным, а не образует кольцо, как в других нуклеотидах.
Примеры нуклеотидов ненуклеиновой кислоты
цАМФ , сигнальная молекула циклического нуклеотида с одним фосфатом, связанным как с 5-м, так и с 3-м положениями.
pppGpp , нуклеотидная сигнальная молекула, содержащая как 5'-, так и 3'-фосфаты.
In vitro защитные группы можно использовать при лабораторном производстве нуклеотидов. Очищенный нуклеозид защищают для создания фосфорамидита , который затем можно использовать для получения аналогов, не встречающихся в природе, и/или для синтеза олигонуклеотида .
In vivo нуклеотиды могут быть синтезированы de novo или переработаны путем утилизации . [1] Компоненты, используемые в синтезе нуклеотидов de novo, получены из биосинтетических предшественников метаболизма углеводов и аминокислот , а также из аммиака и диоксида углерода. Недавно также было продемонстрировано, что клеточный метаболизм бикарбоната может регулироваться с помощью передачи сигналов mTORC1. [5] Печень является основным органом синтеза всех четырех нуклеотидов de novo. Синтез пиримидинов и пуринов de novo происходит двумя разными путями. Пиримидины синтезируются сначала из аспартата и карбамоилфосфата в цитоплазме до общей кольцевой структуры-предшественника оротовой кислоты, с которой ковалентно связана фосфорилированная рибозильная единица. Однако пурины сначала синтезируются из сахарной матрицы, на которой происходит синтез кольца. Для справки: синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов осуществляется несколькими ферментами в цитоплазме клетки, а не внутри конкретной органеллы . Нуклеотиды подвергаются расщеплению, поэтому полезные части можно повторно использовать в реакциях синтеза для создания новых нуклеотидов.
Оротат ковалентно связан с фосфорилированной рибозильной единицей. Ковалентная связь между рибозой и пиримидином происходит в положении С 1 [6] рибозного звена , содержащего пирофосфат , и N 1 пиримидинового кольца. Оротатфосфорибозилтрансфераза (PRPP трансфераза) катализирует конечную реакцию с образованием оротидинмонофосфата (OMP):
Оротидин-5'-монофосфат декарбоксилируется оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазой с образованием уридинмонофосфата (UMP). Трансфераза PRPP катализирует реакции как рибозилирования, так и декарбоксилирования, образуя UMP из оротовой кислоты в присутствии PRPP. Именно из UMP происходят другие пиримидиновые нуклеотиды. UMP фосфорилируется двумя киназами до уридинтрифосфата (UTP) посредством двух последовательных реакций с АТФ. Сначала образуется дифосфат из УДФ, который, в свою очередь, фосфорилируется до УТФ. Оба этапа подпитываются гидролизом АТФ:
АТФ + УМП → АДФ + UDP
UDP + АТФ → UTP + АДФ
CTP впоследствии образуется путем аминирования UTP под действием каталитической активности CTP-синтетазы . Глютамин является донором NH 3 , и реакция также подпитывается гидролизом АТФ:
УТФ + Глутамин + АТФ + Н 2 О → ЦТФ + АДФ + Ф i
Цитидинмонофосфат (ЦМП) получается из цитидинтрифосфата (ЦТФ) с последующей потерей двух фосфатов. [7] [8]
Синтез пуриновых рибонуклеотидов
Атомы, которые используются для построения пуриновых нуклеотидов , происходят из разных источников:
Синтез de novo пуриновых нуклеотидов , с помощью которого эти предшественники включаются в пуриновое кольцо, происходит по 10-ступенчатому пути к промежуточному соединению точки ветвления IMP , нуклеотиду основания гипоксантина . AMP и GMP впоследствии синтезируются из этого промежуточного продукта отдельными двухэтапными путями. Таким образом, пуриновые фрагменты первоначально образуются как часть рибонуклеотидов , а не как свободные основания .
В синтезе ИМФ принимают участие шесть ферментов. Три из них многофункциональные:
Путь начинается с образования PRPP . PRPS1 - это фермент , который активирует R5P , который образуется в основном по пентозофосфатному пути , в PRPP путем реакции его с АТФ . Реакция необычна тем, что пирофосфорильная группа напрямую переносится от АТФ к C 1 R5P и что продукт имеет α- конфигурацию относительно C1. Эта реакция также является общей для путей синтеза Trp , His и пиримидиновых нуклеотидов . Поскольку эта реакция находится на главном метаболическом перекрестке и требует много энергии, она строго регулируется.
В первой реакции, уникальной для биосинтеза пуриновых нуклеотидов, PPAT катализирует замещение пирофосфатной группы PRPP (PP i ) амидным азотом, полученным из глутамина (N), глицина (N&C), аспартата (N), фолиевой кислоты (C 1 ) . , или CO 2 . Это важный шаг в синтезе пуринов. Реакция протекает с инверсией конфигурации рибозы С 1 , в результате чего образуется β- 5 -фосфорибозиламин (5-ПРА) и устанавливается аномерная форма будущего нуклеотида.
Далее в результате гидролиза АТФ включается глицин, и карбоксильная группа образует аминную связь с ранее введенным NH 2 . Затем к аминогруппе замещенного глицина присоединяется одноуглеродное звено кофермента N 10 фолиевой кислоты -формил-ТГФ с последующим замыканием имидазольного кольца. Затем вторая группа NH 2 переносится от глутамина к первому атому углерода глициновой единицы. Одновременно добавляется карбоксилирование второго атома углерода глициновой единицы. Этот новый углерод модифицируется добавлением третьего звена NH 2 , на этот раз перенесенного из аспартатного остатка. Наконец, к азотистой группе добавляется второе одноуглеродное звено формил-ТГФ, и кольцо ковалентно замыкается с образованием общего предшественника пурина инозинмонофосфата (ИМФ).
Инозинмонофосфат превращается в аденозинмонофосфат в два этапа. Во-первых, гидролиз GTP способствует присоединению аспартата к IMP с помощью аденилосукцинатсинтазы, заменяя карбонильный кислород на азот и образуя промежуточный аденилосукцинат. Затем фумарат отщепляется с образованием аденозинмонофосфата. Этот этап катализируется аденилосукцинатлиазой.
Инозинмонофосфат превращается в гуанозинмонофосфат путем окисления ИМФ с образованием ксантилата с последующим присоединением аминогруппы к С2 . НАД + является акцептором электронов в реакции окисления. Перенос амидной группы от глутамина происходит за счет гидролиза АТФ.
Распад пиримидинов и пуринов
У человека пиримидиновые кольца (C, T, U) могут полностью разлагаться до CO 2 и NH 3 (выведение мочевины). При этом пуриновые кольца (G, A) не могут. Вместо этого они разлагаются до метаболически инертной мочевой кислоты , которая затем выводится из организма. Мочевая кислота образуется при расщеплении ГМФ на основные гуанин и рибозу. Гуанин дезаминируется до ксантина, который, в свою очередь, окисляется до мочевой кислоты. Последняя реакция необратима. Аналогичным образом, мочевая кислота может образовываться при дезаминировании АМФ до ИМФ, из которого удаляется рибозная единица с образованием гипоксантина. Гипоксантин окисляется до ксантина и, наконец, до мочевой кислоты. Вместо секреции мочевой кислоты гуанин и ИМФ могут использоваться для целей рециркуляции и синтеза нуклеиновых кислот в присутствии PRPP и аспартата (донора NH 3 ).
Пребиотический синтез нуклеотидов
Теории о происхождении жизни требуют знания химических путей, которые позволяют формировать ключевые строительные блоки жизни в вероятных пребиотических условиях. Гипотеза мира РНК утверждает, что в первичном бульоне существовали свободно плавающие рибонуклеотиды — фундаментальные молекулы, которые последовательно соединяются, образуя РНК . Сложные молекулы, такие как РНК, должны были возникнуть из небольших молекул, реакционная способность которых определялась физико-химическими процессами. РНК состоит из пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, оба из которых необходимы для надежной передачи информации и, следовательно, для дарвиновской эволюции . Беккер и др. показали, как пиримидиновые нуклеозиды могут быть синтезированы из небольших молекул и рибозы исключительно за счет циклов влажно-сухого состояния. [9] Пуриновые нуклеозиды могут быть синтезированы аналогичным путем. 5'-моно- и дифосфаты также избирательно образуются из фосфатсодержащих минералов, что позволяет одновременно образовывать полирибонуклеотиды как с пуриновыми, так и с пиримидиновыми основаниями. Таким образом, можно создать сеть реакций на пуриновые и пиримидиновые строительные блоки РНК, начиная с простых атмосферных или вулканических молекул. [9]
Неестественная пара оснований (UBP)
Неестественная пара оснований (UBP) — это спроектированная субъединица (или азотистое основание ) ДНК , созданная в лаборатории и не встречающаяся в природе. [10] Примеры включают d5SICS и dNaM . Эти искусственные нуклеотиды, несущие гидрофобные азотистые основания , имеют два слитых ароматических кольца , которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК. [11] [12] E. coli была вынуждена реплицировать плазмиду, содержащую UBP, в нескольких поколениях. [13] Это первый известный пример передачи живого организма расширенного генетического кода последующим поколениям. [11] [14]
Медицинское применение синтетических нуклеотидов
Некоторые производные нуклеотидов использовались в качестве противовирусных средств против гепатита и ВИЧ . [15] [16] Тенофовир дизопроксил , тенофовир алафенамид и софосбувир являются примерами НИОТ , используемых против гепатита. В то время как некоторые лекарства, такие как Мерицитабин , Ламивудин , Энтекавир и Телбивудин , например, являются нуклеозидами, но они метаболизируются в свои биоактивные нуклеотидные формы посредством фосфорилирования.
Единица длины
Нуклеотид (сокращенно «нт») — это общепринятая единица длины одноцепочечных нуклеиновых кислот, аналогично тому, как пара оснований является единицей длины двухцепочечных нуклеиновых кислот. [17]
Коды сокращений для вырожденных оснований
IUPAC обозначил символы для нуклеотидов . [18] Помимо пяти оснований (A, G, C, T/U), часто используются вырожденные основания, особенно для разработки праймеров для ПЦР . Эти нуклеотидные коды перечислены здесь. Некоторые последовательности праймеров могут также включать символ «I», который кодирует нестандартный нуклеотид инозин . Инозин встречается в тРНК и образует пару с аденином, цитозином или тимином. Однако этот символ не фигурирует в следующей таблице, поскольку он не представляет собой вырождение. Хотя инозин может выполнять ту же функцию, что и вырожденный «D», это настоящий нуклеотид, а не представление смеси нуклеотидов, охватывающей каждую возможную необходимую пару.
^ аб Захаревиц Д.В., Андерсон Л.В., Малиновский Н.М., Хайман Р., Стронг Дж.М., Цисик Р.Л. (ноябрь 1992 г.). «Вклад синтеза de-novo и спасения в пул нуклеотидов урацила в тканях и опухолях мышей in vivo». Европейский журнал биохимии . 210 (1): 293–6. дои : 10.1111/j.1432-1033.1992.tb17420.x . ПМИД 1446677.
^ ab Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Гирляндная наука. ISBN 0-8153-3218-1 . стр. 120–121.
^ Абд Эль-Алим, Фатма Ш; Тахер, Мохамед С.; Лотфи, Шерин Н.; Эль-Массири, Халед Ф.; Фадель, Хода Х.М. (18 декабря 2017 г.). «Влияние экстрагированных 5-нуклеотидов на ароматические соединения и вкусовую приемлемость настоящего говяжьего супа». Международный журнал пищевых свойств . 20 (sup1): S1182–S1194. дои : 10.1080/10942912.2017.1286506 . S2CID 100497537.
^ Смит, AD, изд. (2000). Оксфордский словарь биохимии и молекулярной биологии, исправленное издание . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 460.
^ Али Э, Липонска А, О'Хара Б, Амичи Д, Торно М, Гао П, Асара Дж, Яп МН Ф, Мендилло М, Бен-Сахра I (июнь 2022 г.). «Ось mTORC1-SLC4A7 стимулирует импорт бикарбоната для усиления синтеза нуклеотидов de novo». Молекулярная клетка . 82 (1): 3284–3298.e7. doi :10.1016/j.molcel.2022.06.008. ПМЦ 9444906 . ПМИД 35772404.
^ Джонс МЭ (1980). «Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов у животных: гены, ферменты и регуляция биосинтеза UMP». Ежегодный обзор биохимии . 49 (1): 253–79. doi : 10.1146/annurev.bi.49.070180.001345. ПМИД 6105839.
^ Макмерри Дж. Э., Бегли Т. П. (2005). Органическая химия биологических путей . Робертс и компания. ISBN978-0-9747077-1-6.
^ аб Беккер, Сидни; Фельдманн, Йонас; Видеманн, Стефан; Окамура, Хиденори; Шнайдер, Кристина; Иван, Катарина; Крисп, Энтони; Росса, Мартин; Аматов, Тынчтик; Карелл, Томас (04 октября 2019 г.). «Единый пребиотически возможный синтез пиримидиновых и пуриновых РНК-рибонуклеотидов» (PDF) . Наука . 366 (6461): 76–82. Бибкод : 2019Sci...366...76B. doi : 10.1126/science.aax2747. PMID 31604305. S2CID 203719976.
^ Малышев Д.А., Дхами К., Куах Х.Т., Лавернь Т., Ордуханян П., Торкамани А., Ромесберг Ф.Е. (июль 2012 г.). «Эффективная и независимая от последовательности репликация ДНК, содержащей третью пару оснований, создает функциональный шестибуквенный генетический алфавит». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (30): 12005–10. Бибкод : 2012PNAS..10912005M. дои : 10.1073/pnas.1205176109 . ПМК 3409741 . ПМИД 22773812.
^ ab Малышев Д.А., Дхами К., Лавернь Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж.М., Корреа И.Р., Ромесберг Ф.Е. (май 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом». Природа . 509 (7500): 385–8. Бибкод : 2014Natur.509..385M. дои : 10.1038/nature13314. ПМК 4058825 . ПМИД 24805238.
↑ Каллауэй Э (7 мая 2014 г.). «Ученые создали первый живой организм с «искусственной» ДНК». Новости природы . Хаффингтон Пост . Проверено 8 мая 2014 г.
↑ Файкс Б.Дж. (8 мая 2014 г.). «Жизнь, созданная с использованием расширенного генетического кода». Сан-Диего Юнион Трибьюн . Проверено 8 мая 2014 г.
^ Образец I (7 мая 2014 г.). «Первые формы жизни, передавшие искусственную ДНК, созданную американскими учеными». Хранитель . Проверено 8 мая 2014 г.
^ Рамеш, Дипти; Виджаякумар, Баладжи Гоуривел; Каннан, Тараниккарасу (декабрь 2020 г.). «Терапевтический потенциал урацила и его производных в борьбе с патогенными и физиологическими нарушениями». Европейский журнал медицинской химии . 207 : 112801. doi : 10.1016/j.ejmech.2020.112801. PMID 32927231. S2CID 221724578.
^ Рамеш, Дипти; Виджаякумар, Баладжи Гоуривел; Каннан, Тараниккарасу (12 февраля 2021 г.). «Достижения в области нуклеозидов и аналогов нуклеотидов в борьбе с инфекциями, вызванными вирусом иммунодефицита человека и вирусом гепатита». ХимМедХим . 16 (9): 1403–1419. doi : 10.1002/cmdc.202000849. PMID 33427377. S2CID 231576801. Архивировано из оригинала 14 декабря 2021 года . Проверено 13 марта 2021 г.
^ "Словарь биологических терминов: nt" . ГенСкрипт . Проверено 31 июля 2023 г.
^ ab Номенклатурный комитет Международного союза биохимии (NC-IUB) (1984). «Номенклатура не полностью определенных оснований в последовательностях нуклеиновых кислот» . Проверено 4 февраля 2008 г.
дальнейшее чтение
Сигель А., Operschall BP, Сигель Х. (2017). «Глава 11. Комплексообразование свинца(II) с нуклеотидами и их составляющими». В Астрид С., Хельмут С., Сигел Р.К. (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 17. де Грюйтер. стр. 319–402. дои : 10.1515/9783110434330-011. ISBN 9783110434330. ПМИД 28731304.
Фрайзингер Э. и Сигел Р.К. (2007). От нуклеотидов к рибозимам — сравнение их свойств связывания ионов металлов. Обзоры координационной химии , 251 (13–14), 1834–1851.
Внешние ссылки
Сокращения и символы нуклеиновых кислот, полинуклеотидов и их составляющих ( ИЮПАК )