Нуклеотиды – это органические молекулы, состоящие из азотистого основания, пентозного сахара и фосфата . Они служат мономерными единицами полимеров нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК), которые являются важными биомолекулами во всех формах жизни на Земле. Нуклеотиды поступают с пищей, а также синтезируются печенью из обычных питательных веществ. [1]
Нуклеотиды состоят из трех молекул-субъединиц: азотистого основания , пятиуглеродного сахара ( рибозы или дезоксирибозы ) и фосфатной группы, состоящей из одного-трех фосфатов . Четыре азотистых основания в ДНК — это гуанин , аденин , цитозин и тимин ; в РНК вместо тимина используется урацил .
Нуклеотиды также играют центральную роль в метаболизме на фундаментальном клеточном уровне. Они обеспечивают химическую энергию — в форме нуклеозидтрифосфатов , аденозинтрифосфата ( АТФ), гуанозинтрифосфата (ГТФ), цитидинтрифосфата (ЦТФ) и уридинтрифосфата (УТФ) — по всей клетке для многих клеточных функций, требующих энергии, в том числе : синтез аминокислот , белков и клеточных мембран , перемещение клетки и ее частей (как внутри, так и межклеточно), деление клеток и т. д. [2] Кроме того, нуклеотиды участвуют в передаче сигналов клетки ( циклический гуанозинмонофосфат или цГМФ и циклический аденозинмонофосфат или цАМФ) и включены в важные кофакторы ферментативных реакций (например , кофермент А , ФАД , ФМН , НАД и НАДФ + ).
В экспериментальной биохимии нуклеотиды можно пометить радиоактивным изотопом с помощью радионуклидов для получения радионуклеотидов.
5-нуклеотиды также используются в усилителях вкуса в качестве пищевой добавки для улучшения вкуса умами , часто в форме дрожжевого экстракта. [3]
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.
Нуклеотиды можно синтезировать различными способами как in vitro , так и in vivo .
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.
Синтез пиримидинов ЦТФ и УТФ происходит в цитоплазме и начинается с образования карбамоилфосфата из глутамина и СО 2 . Затем аспартаткарбамоилтрансфераза катализирует реакцию конденсации между аспартатом и карбамоилфосфатом с образованием карбамоиласпарагиновой кислоты , которая циклизуется в 4,5-дигидрооротовую кислоту под действием дигидрооротазы . Последний превращается в оротат под действием дигидрооротатоксидазы . Чистая реакция:
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:
CTP впоследствии образуется путем аминирования UTP под действием каталитической активности CTP-синтетазы . Глютамин является донором NH 3 , и реакция также подпитывается гидролизом АТФ:
Цитидинмонофосфат (ЦМП) получается из цитидинтрифосфата (ЦТФ) с последующей потерей двух фосфатов. [7] [8]
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.
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 ).
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) — 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]
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.
Нуклеотид (сокращенно «нт») — это общепринятая единица длины одноцепочечных нуклеиновых кислот, аналогично тому, как пара оснований является единицей длины двухцепочечных нуклеиновых кислот. [17]
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.
