stringtranslate.com

Нуклеозидтрифосфат

Нуклеозидтрифосфат — это нуклеозид , содержащий азотистое основание , связанное с 5-углеродным сахаром ( рибозой или дезоксирибозой ), с тремя фосфатными группами, связанными с сахаром. [1] Они являются молекулярными предшественниками как ДНК, так и РНК , которые представляют собой цепи нуклеотидов, созданные в процессе репликации и транскрипции ДНК . [2] Нуклеозидтрифосфаты также служат источником энергии для клеточных реакций [3] и участвуют в сигнальных путях. [4]

Нуклеозидтрифосфаты не могут легко пересекать клеточную мембрану, поэтому они обычно синтезируются внутри клетки. [5] Пути синтеза различаются в зависимости от конкретного производимого нуклеозидтрифосфата, но, учитывая множество важных ролей нуклеозидтрифосфатов, синтез строго регулируется во всех случаях. [6] Аналоги нуклеозидов также могут использоваться для лечения вирусных инфекций. [7] Например, азидотимидин (AZT) является аналогом нуклеозида, используемым для профилактики и лечения ВИЧ/СПИДа . [8]

Нейминг

Термин нуклеозид относится к азотистому основанию , связанному с 5-углеродным сахаром ( рибозой или дезоксирибозой ). [1] Нуклеотиды — это нуклеозиды, ковалентно связанные с одной или несколькими фосфатными группами . [9] Чтобы предоставить информацию о количестве фосфатов, нуклеотиды могут называться нуклеозид (моно, ди или три) фосфатами. [10] Таким образом, нуклеозидтрифосфаты являются типом нуклеотидов. [10]

Нуклеотиды обычно сокращаются до 3 букв (4 или 5 в случае дезокси- или дидезокси-нуклеотидов). Первая буква указывает на идентичность азотистого основания (например, A для аденина , G для гуанина ), вторая буква указывает на количество фосфатов (моно, ди, три), а третья буква - P, обозначающая фосфат. [11] Нуклеозидтрифосфаты, содержащие рибозу в качестве сахара, обычно сокращаются до NTP, в то время как нуклеозидтрифосфаты, содержащие дезоксирибозу в качестве сахара , сокращаются до dNTP. Например, dATP обозначает дезоксирибоза-аденозинтрифосфат. NTP являются строительными блоками РНК , а dNTP являются строительными блоками ДНК . [12]

Атомы углерода сахара в нуклеозидтрифосфате пронумерованы вокруг углеродного кольца, начиная с исходного карбонила сахара. Обычно номера углерода в сахаре сопровождаются символом «штрих» ('), чтобы отличать их от атомов углерода азотистого основания. Азотистое основание связано с 1'-углеродом через гликозидную связь , а фосфатные группы ковалентно связаны с 5'-углеродом. [13] Первая фосфатная группа, связанная с сахаром, называется α-фосфатом, вторая — β-фосфатом, а третья — γ-фосфатом; они связаны друг с другом двумя фосфоангидридными связями. [14]

Схема, показывающая структуру нуклеозидтрифосфатов. Нуклеозиды состоят из 5-углеродного сахара (пентозы), связанного с азотистым основанием через 1'-гликозидную связь. Нуклеотиды — это нуклеозиды с переменным числом фосфатных групп, связанных с 5'-углеродом. Нуклеозидтрифосфаты — это особый тип нуклеотидов. На этом рисунке справа также показаны пять распространенных азотистых оснований, обнаруженных в ДНК и РНК.

Синтез ДНК и РНК

При синтезе нуклеиновой кислоты 3' ОН растущей цепи нуклеотидов атакует α-фосфат на следующем NTP, который будет включен (синий), что приводит к образованию фосфодиэфирной связи и высвобождению пирофосфата (PP i ). На этом рисунке показан синтез ДНК, но синтез РНК происходит по тому же механизму.

Клеточные процессы репликации и транскрипции ДНК включают синтез ДНК и РНК соответственно. Синтез ДНК использует dNTP в качестве субстратов, в то время как синтез РНК использует rNTP в качестве субстратов. [2] NTP не могут быть преобразованы напрямую в dNTP. ДНК содержит четыре различных азотистых основания: аденин , гуанин , цитозин и тимин . РНК также содержит аденин, гуанин и цитозин, но заменяет тимин урацилом . [15] Таким образом, синтез ДНК требует dATP, dGTP, dCTP и dTTP в качестве субстратов, в то время как синтез РНК требует АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ.

Синтез нуклеиновых кислот катализируется либо ДНК-полимеразой , либо РНК-полимеразой для синтеза ДНК и РНК соответственно. [16] Эти ферменты ковалентно связывают свободную -ОН- группу на 3'-углероде растущей цепи нуклеотидов с α-фосфатом на 5'-углероде следующего (d)NTP, высвобождая β- и γ-фосфатные группы в виде пирофосфата (PP i ). [17] Это приводит к образованию фосфодиэфирной связи между двумя (d)NTP. Высвобождение PP i обеспечивает необходимую для реакции энергию. [17] Важно отметить, что синтез нуклеиновых кислот происходит исключительно в направлении от 5' к 3' .

Метаболизм нуклеозидтрифосфата

Учитывая их важность в клетке, синтез и деградация нуклеозидтрифосфатов находятся под строгим контролем. [6] В этом разделе основное внимание уделяется метаболизму нуклеозидтрифосфатов у людей, но этот процесс довольно консервативен среди видов. [18] Нуклеозидтрифосфаты не могут хорошо усваиваться, поэтому все нуклеозидтрифосфаты обычно производятся de novo . [19] Синтез АТФ и ГТФ ( пуринов ) отличается от синтеза ЦТФ, ТТФ и УТФ ( пиримидинов ). Как синтез пуринов, так и синтез пиримидинов используют фосфорибозилпирофосфат (PRPP) в качестве исходной молекулы. [20]

Преобразование NTP в dNTP может быть осуществлено только в дифосфатной форме. Обычно NTP имеет один удаленный фосфат, чтобы стать NDP, затем преобразуется в dNDP ферментом, называемым рибонуклеотидредуктазой , затем фосфат добавляется обратно, чтобы получить dNTP. [21]

Синтез пуринов

Азотистое основание, называемое гипоксантином , собирается непосредственно на PRPP. [22] Это приводит к образованию нуклеотида, называемого инозинмонофосфатом (ИМФ). Затем ИМФ преобразуется либо в предшественника АМФ, либо в ГМФ. После образования АМФ или ГМФ они могут быть фосфорилированы АТФ до их дифосфатной и трифосфатной форм. [23]

Синтез пуринов регулируется аллостерическим ингибированием образования ИМФ нуклеотидами аденина или гуанина. [24] АМФ и ГМФ также конкурентно ингибируют образование своих предшественников из ИМФ. [25]

Синтез пиримидина

Азотистое основание, называемое оротатом, синтезируется независимо от PRPP. [25] После того, как оротат образован, он ковалентно присоединяется к PRPP. Это приводит к образованию нуклеотида, называемого оротатмонофосфатом (OMP). [26] OMP преобразуется в UMP, который затем может быть фосфорилирован АТФ до UDP и UTP. Затем UTP может быть преобразован в CTP посредством реакции дезаминирования . [27] TTP не является субстратом для синтеза нуклеиновых кислот, поэтому он не синтезируется в клетке. Вместо этого dTTP производится косвенно либо из dUDP, либо из dCDP после преобразования в их соответствующие формы дезоксирибозы. [20]

Синтез пиримидина регулируется аллостерическим ингибированием синтеза оротата UDP и UTP. PRPP и ATP также являются аллостерическими активаторами синтеза оротата. [28]

Рибонуклеотидредуктаза

Рибонуклеотидредуктаза (RNR) — это фермент, ответственный за преобразование NTP в dNTP. Учитывая, что dNTP используются в репликации ДНК, активность RNR строго регулируется. [6] Важно отметить, что RNR может обрабатывать только NDP, поэтому NTP сначала дефосфорилируются до NDP перед преобразованием в dNDP. [29] Затем dNDP обычно повторно фосфорилируются. RNR имеет 2 субъединицы и 3 сайта: каталитический сайт, сайт активности (A) и сайт специфичности (S). [29] Каталитический сайт — это место, где происходит реакция NDP в dNDP, сайт активности определяет, активен ли фермент, а сайт специфичности определяет, какая реакция происходит в каталитическом сайте.

Сайт активности может связывать либо АТФ, либо дАТФ. [30] При связывании с АТФ РНР активен. Когда АТФ или дАТФ связывается с сайтом S, РНР будет катализировать синтез дЦДФ и дУДФ из ЦДФ и УДФ. ДЦДФ и дУДФ могут продолжать косвенно производить дТТФ. ДТТФ, связанный с сайтом S, будет катализировать синтез дГДФ из ГДФ, а связывание дГДФ с сайтом S будет способствовать синтезу дАДФ из АДФ. [31] Затем дАДФ фосфорилируется с образованием дАТФ, который может связываться с сайтом А и выключать РНР. [30]

Другие клеточные роли

АТФ как источник клеточной энергии

Энергия, выделяющаяся при гидролизе аденозинтрифосфата (АТФ), показанная здесь, часто сопряжена с энергетически неблагоприятными клеточными реакциями.

АТФ является основной энергетической валютой клетки. [32] Несмотря на то, что он синтезируется посредством описанного выше метаболического пути, он в первую очередь синтезируется как во время клеточного дыхания [33] , так и во время фотосинтеза [34] АТФ-синтазой . АТФ-синтаза связывает синтез АТФ из АДФ и фосфата с электрохимическим градиентом , создаваемым перекачкой протонов либо через внутреннюю митохондриальную мембрану (клеточное дыхание), либо через тилакоидную мембрану (фотосинтез). [35] Этот электрохимический градиент необходим, поскольку образование АТФ энергетически невыгодно .

Гидролиз АТФ до АДФ и P i протекает следующим образом: [36]

Эта реакция энергетически выгодна и высвобождает 30,5 кДж/моль энергии. [3] В клетке эта реакция часто сочетается с неблагоприятными реакциями, обеспечивая их энергией для протекания. [37] ГТФ иногда используется для энергетического сопряжения аналогичным образом. [38]

Связывание лиганда с рецептором, сопряженным с G-белком, позволяет GTP связывать белок G. Это заставляет альфа-субъединицу покинуть его и действовать как эффектор нисходящего потока.

Передача сигнала ГТФ

GTP необходим для передачи сигнала , особенно с G-белками . G-белки связаны с рецептором, связанным с клеточной мембраной. [4] Весь этот комплекс называется рецептором, связанным с G-белком (GPCR). G-белки могут связывать либо GDP, либо GTP. При связывании с GDP G-белки неактивны. Когда лиганд связывается с GPCR, запускается аллостерическое изменение в G-белке, в результате чего GDP покидает его и заменяется GTP. [39] GTP активирует альфа-субъединицу G-белка, заставляя его диссоциировать от G-белка и действовать как нисходящий эффектор. [39]

Аналоги нуклеозидов

Аналоги нуклеозидов могут использоваться для лечения вирусных инфекций . [40] Аналоги нуклеозидов — это нуклеозиды, которые структурно похожи (аналогичны) на нуклеозиды, используемые в синтезе ДНК и РНК. [41] После того, как эти аналоги нуклеозидов попадают в клетку, они могут фосфорилироваться вирусным ферментом. Полученные нуклеотиды достаточно похожи на нуклеотиды, используемые в синтезе ДНК или РНК, чтобы быть включенными в растущие цепи ДНК или РНК, но у них нет доступной 3' ОН-группы для присоединения следующего нуклеотида, вызывая обрыв цепи . [42] Это может быть использовано для терапевтического использования при вирусных инфекциях, поскольку вирусная ДНК-полимераза распознает определенные аналоги нуклеотидов более легко, чем эукариотическая ДНК-полимераза. [40] Например, азидотимидин используется для лечения ВИЧ/СПИДа . [8] Некоторые менее селективные аналоги нуклеозидов могут использоваться в качестве химиотерапевтических агентов для лечения рака, [43] например, цитозин арабиноза (ara-C) при лечении некоторых форм лейкемии . [7]

Устойчивость к аналогам нуклеозидов встречается часто и часто возникает из-за мутации фермента, который фосфорилирует нуклеозид после попадания в клетку. [7] Это часто встречается в аналогах нуклеозидов, используемых для лечения ВИЧ/СПИДа. [44]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Нуклеотиды и основания - Генетика Генерация". Генетика Генерация . Получено 11 ноября 2017 г. .
  2. ^ ab Chargaff E (2012-12-02). Нуклеиновые кислоты. Elsevier. ISBN 9780323144773.
  3. ^ ab "Обзор гидролиза АТФ". Khan Academy . Архивировано из оригинала 2017-12-01 . Получено 2017-11-11 .
  4. ^ ab "GPCR". Scitable . 2014.
  5. ^ "Eating DNA: Dietary Nucleotides in Nutrition". Зов медоуказчика . 2014-04-09 . Получено 11 ноября 2017 г.
  6. ^ abc Wyngaarden JB (1976). «Регуляция биосинтеза и оборота пуринов». Advances in Enzyme Regulation . 14 : 25–42. doi :10.1016/0065-2571(76)90006-6. PMID  184697.
  7. ^ abc Galmarini CM, Mackey JR, Dumontet C (2001). «Аналоги нуклеозидов: механизмы устойчивости к лекарствам и стратегии отмены». Leukemia . 15 (6): 875–90. doi :10.1038/sj.leu.2402114. PMID  11417472. S2CID  760764.
  8. ^ ab "Монография Зидовудина для профессионалов - Drugs.com". Drugs.com . Получено 30 ноября 2017 г. .
  9. ^ Лодиш Х., Берк А., Зипурски С.Л., Мацудайра П., Балтимор Д., Дарнелл Дж. (2000). Структура нуклеиновых кислот.
  10. ^ ab Secrist JA (май 2001 г.). "Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов" (PDF) . Текущие протоколы в химии нуклеиновых кислот . Приложение 1: A.1D.1–A.1D.3. doi : 10.1002/0471142700.nca01ds00. hdl : 2027.42/143595 . PMID  18428808. S2CID  205152902.
  11. ^ "Номенклатура нуклеозидов". www.biochem.uthscsa.edu . Получено 11 ноября 2017 г.
  12. ^ «От ДНК к РНК и белку, как это работает?». Science Explained . Получено 11 ноября 2017 г.
  13. ^ "Соглашение о нумерации нуклеотидов". www.biosyn.com . Получено 11 ноября 2017 г.
  14. ^ "SparkNotes: Репликация и репарация ДНК: химия добавления субстратов репликации ДНК". www.sparknotes.com . Получено 11 ноября 2017 г.
  15. ^ «Знаете ли вы разницу между ДНК и РНК?». ThoughtCo . Получено 11 ноября 2017 г.
  16. ^ "Разница между ДНК-полимеразой и РНК-полимеразой". 2011-12-24 . Получено 2017-11-11 .
  17. ^ ab Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). Синтез нуклеиновых кислот.
  18. ^ Samant S, Lee H, Ghassemi M, Chen J, Cook JL, Mankin AS, Neyfakh AA (февраль 2008 г.). «Биосинтез нуклеотидов имеет решающее значение для роста бактерий в крови человека». PLOS Pathogens . 4 (2): e37. doi : 10.1371/journal.ppat.0040037 . PMC 2242838. PMID  18282099 . 
  19. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биосинтез нуклеотидов.
  20. ^ ab "Метаболизм нуклеотидов: синтез нуклеиновых кислот". themedicalbiochemistrypage.org . Получено 15.11.2017 .
  21. ^ Stubbe J (1990). «Рибонуклеотидредуктазы: удивительные и запутанные» (PDF) . Журнал биологической химии . 265 (10): 5329–32. doi : 10.1016/S0021-9258(19)39357-3 . PMID  2180924.
  22. ^ Берг Дж., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Пуриновые основания могут быть синтезированы de Novo или переработаны с помощью путей утилизации.
  23. ^ "Синтез пуринов: синтез пуриновых рибонуклеотидов". BiochemDen.com . 2016-03-16 . Получено 15 ноября 2017 г.
  24. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Ключевые этапы биосинтеза нуклеотидов регулируются ингибированием по принципу обратной связи.
  25. ^ ab Nierlich DP, Magasanik B (1965). "Регуляция синтеза пуриновых рибонуклеотидов путем ингибирования конечных продуктов. Влияние адениновых и гуаниновых рибонуклеотидов на 5'-фосфорибозилпирофосфатамидотрансферазу aerobacter aerogenes". Журнал биологической химии . 240 : 358–65. doi : 10.1016/S0021-9258(18)97657-X . PMID  14253438.
  26. ^ Moffatt BA, Ashihara H (апрель 2002 г.). "Синтез и метаболизм пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов". The Arabidopsis Book . 1 : e0018. doi :10.1199/tab.0018. PMC 3243375. PMID 22303196  . 
  27. ^ "Метаболизм пиримидина". www.cliffsnotes.com . Получено 15.11.2017 .
  28. ^ Лейн AN, Фань TW (февраль 2015 г.). «Регуляция метаболизма и биосинтеза нуклеотидов у млекопитающих». Nucleic Acids Research . 43 (4): 2466–85. doi :10.1093/nar/gkv047. PMC 4344498. PMID 25628363  . 
  29. ^ ab Kolberg M, Strand KR, Graff P, Andersson KK (июнь 2004 г.). «Структура, функция и механизм действия рибонуклеотидредуктаз». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1699 (1–2): 1–34. doi :10.1016/j.bbapap.2004.02.007. PMID  15158709.
  30. ^ ab Ahmad MF, Dealwis CG (2013). "Структурная основа аллостерической регуляции рибонуклеотидредуктазы". Олигомеризация в здоровье и болезнях . Прогресс в молекулярной биологии и трансляционной науке. Том 117. С. 389–410. doi :10.1016/B978-0-12-386931-9.00014-3. ISBN 9780123869319. PMC  4059395 . PMID  23663976.
  31. ^ Fairman JW, Wijerathna SR, Ahmad MF, Xu H, Nakano R, Jha S, Prendergast J, Welin RM, Flodin S, Roos A, Nordlund P, Li Z, Walz T, Dealwis CG (март 2011 г.). «Структурная основа аллостерической регуляции человеческой рибонуклеотидредуктазы с помощью нуклеотид-индуцированной олигомеризации». Nature Structural & Molecular Biology . 18 (3): 316–22. doi :10.1038/nsmb.2007. PMC 3101628 . PMID  21336276. 
  32. ^ "АТФ". Scitable .
  33. ^ "Митохондрии, энергия клетки, АТФ-синтаза". Scitable .
  34. ^ "Синтез АТФ". Растения в действии . Получено 2017-11-12 .
  35. ^ Jonckheere AI, Smeitink JA, Rodenburg RJ (март 2012). «Митохондриальная АТФ-синтаза: архитектура, функция и патология». Журнал наследственных метаболических заболеваний . 35 (2): 211–25. doi :10.1007/s10545-011-9382-9. PMC 3278611. PMID  21874297 . 
  36. ^ Dittrich M, Hayashi S, Schulten K (октябрь 2003 г.). «О механизме гидролиза АТФ в F1-АТФазе». Biophysical Journal . 85 (4): 2253–66. Bibcode :2003BpJ....85.2253D. doi :10.1016/S0006-3495(03)74650-5. PMC 1303451 . PMID  14507690. 
  37. ^ "АТФ: аденозинтрифосфат | Безграничная биология". courses.lumenlearning.com-US . Получено 12.11.2017 .
  38. ^ Carvalho AT, Szeler K, Vavitsas K, Åqvist J, Kamerlin SC (сентябрь 2015 г.). «Моделирование механизмов биологического гидролиза ГТФ». Архивы биохимии и биофизики . Специальный выпуск по вычислительному моделированию биологических систем. 582 (Приложение C): 80–90. doi : 10.1016/j.abb.2015.02.027 . PMID  25731854.
  39. ^ ab "G-белок-связанный рецептор (GPCR) | биохимия". Encyclopedia Britannica . Получено 2017-11-12 .
  40. ^ ab "Аналоги нуклеозидов". Молекулы . Получено 2017-11-13 .
  41. ^ Jordheim LP, Durantel D, Zoulim F, Dumontet C (июнь 2013 г.). «Достижения в разработке аналогов нуклеозидов и нуклеотидов для лечения рака и вирусных заболеваний». Nature Reviews. Drug Discovery . 12 (6): 447–64. doi :10.1038/nrd4010. PMID  23722347. S2CID  39842610.
  42. ^ Эвальд Б., Сампат Д., Планкетт В. (октябрь 2008 г.). «Аналоги нуклеозидов: молекулярные механизмы, сигнализирующие о смерти клеток». Онкоген . 27 (50): 6522–37. doi :10.1038/onc.2008.316. PMID  18955977. S2CID  23817516.
  43. ^ Galmarini CM, Mackey JR, Dumontet C (июль 2002 г.). «Аналоги нуклеозидов и азотистые основания в лечении рака». The Lancet. Онкология . 3 (7): 415–24. doi :10.1016/s1470-2045(02)00788-x. PMID  12142171.
  44. ^ Menéndez-Arias L (июнь 2008). «Механизмы устойчивости к ингибиторам аналогов нуклеозидов обратной транскриптазы ВИЧ-1». Virus Research . 134 (1–2): 124–46. doi :10.1016/j.virusres.2007.12.015. PMID  18272247.