Рибоза — это простой сахар и углевод с молекулярной формулой C5H10O5 и линейным составом H−(C=O)−(CHOH) 4 −H. Природная форма, d -рибоза , является компонентом рибонуклеотидов , из которых построена РНК , и поэтому это соединение необходимо для кодирования , декодирования , регуляции и экспрессии генов . У нее есть структурный аналог , дезоксирибоза , которая является аналогичным важным компонентом ДНК . L -рибоза — это неприродный сахар, который впервые был получен Эмилем Фишером и Оскаром Пилоти в 1891 году. [3] Только в 1909 году Фебус Левин и Уолтер Якобс признали, что d -рибоза является естественным продуктом , энантиомером продукта Фишера и Пилоти и важным компонентом нуклеиновых кислот . [4] [5] [6] Фишер выбрал название «рибоза», поскольку оно представляет собой частичную перегруппировку названия другого сахара, арабинозы , эпимером которого является рибоза у 2'-углерода; оба названия также относятся к гуммиарабику , из которого арабиноза была впервые выделена и из которого они получили L -рибозу . [6] [7]
Как и большинство сахаров, рибоза существует в виде смеси циклических форм в равновесии с ее линейной формой, и они легко взаимопревращаются, особенно в водном растворе . [8] Название «рибоза» используется в биохимии и биологии для обозначения всех этих форм, хотя при необходимости используются более конкретные названия для каждой из них. В своей линейной форме рибоза может быть распознана как пентозный сахар со всеми его гидроксильными функциональными группами на одной стороне в его проекции Фишера . d -рибоза имеет эти гидроксильные группы на правой стороне и связана с систематическим названием (2 R ,3 R ,4 R )-2,3,4,5-тетрагидроксипентаналь, [9] в то время как у l -рибозы ее гидроксильные группы появляются на левой стороне в проекции Фишера. Циклизация рибозы происходит через образование полуацеталя из-за атаки на альдегид гидроксильной группой C4' с образованием фуранозной формы или гидроксильной группой C5' с образованием пиранозной формы. В каждом случае возможны два геометрических результата, называемые α- и β- и известные как аномеры , в зависимости от стереохимии у полуацетального атома углерода («аномерный углерод»). При комнатной температуре около 76% d -рибозы присутствует в пиранозных формах [8] : 228 (α:β = 1:2) [10] и 24% в фуранозных формах [8] : 228 (α:β = 1:3), [10] при этом присутствует только около 0,1% линейной формы. [11] [12]
Рибонуклеозиды аденозин , цитидин , гуанозин и уридин являются производными β- d -рибофуранозы. Метаболически важные виды, которые включают фосфорилированную рибозу, включают АДФ, АТФ , кофермент А , [ 8] : 228–229 и НАДН . цАМФ и цГМФ служат вторичными мессенджерами в некоторых сигнальных путях и также являются производными рибозы. Фрагмент рибозы появляется в некоторых фармацевтических препаратах, включая антибиотики неомицин и паромомицин . [10]
Рибоза в виде ее 5-фосфатного эфира обычно производится из глюкозы пентозофосфатным путем . По крайней мере, в некоторых археях были выявлены альтернативные пути. [13]
Рибозу можно синтезировать химическим путем, но коммерческое производство основано на ферментации глюкозы. Используя генетически модифицированные штаммы B. subtilis , можно получить 90 г/литр рибозы из 200 г глюкозы. Преобразование влечет за собой промежуточное образование глюконата и рибулозы. [14]
Рибоза была обнаружена в метеоритах . [15] [16]
Рибоза — это альдопентоза (моносахарид, содержащий пять атомов углерода , который в форме открытой цепи имеет альдегидную функциональную группу на одном конце). В общепринятой схеме нумерации моносахаридов атомы углерода пронумерованы от C1' (в альдегидной группе) до C5'. Производное дезоксирибозы, обнаруженное в ДНК, отличается от рибозы тем, что имеет атом водорода вместо гидроксильной группы в положении C2'. Эта гидроксильная группа выполняет функцию в сплайсинге РНК .
« D- » в названии d -рибозы относится к стереохимии хирального атома углерода , наиболее удаленного от альдегидной группы (C4'). В d -рибозе, как и во всех d -сахарах, этот атом углерода имеет ту же конфигурацию, что и в d -глицеральдегиде .
Относительное содержание форм рибозы в растворе: β- d -рибопираноза (59%), α- d -рибопираноза (20%), β- d -рибофураноза (13%), α- d -рибофураноза (7%) и открытая цепь (0,1%). [11]
Для остатков рибозы в нуклеозидах и нуклеотидах углы кручения для вращения, охватывающего связи, влияют на конфигурацию соответствующего нуклеозида и нуклеотида. Вторичная структура нуклеиновой кислоты определяется вращением ее 7 углов кручения . [17] Наличие большого количества углов кручения обеспечивает большую гибкость.
В замкнутых кольцевых рибозах наблюдаемая гибкость, упомянутая выше, не наблюдается, поскольку кольцевой цикл накладывает ограничение на количество возможных углов кручения в структуре. [17] Конформеры замкнутых форм рибоз различаются в отношении того, как одиночный кислород в молекуле расположен относительно азотистого основания (также известного как нуклеиновая основа или просто основание), присоединенного к рибозе. Если углерод обращен к основанию, то рибоза помечается как эндо. Если углерод обращен от основания, то рибоза помечается как экзо. Если к 2'-углероду замкнутой циклической рибозы присоединена молекула кислорода, то экзо-подтверждение более стабильно, поскольку оно уменьшает взаимодействие кислорода с основанием. [17] Само по себе различие довольно мало, но при рассмотрении всей цепи РНК небольшое различие приводит к значительному влиянию.
Молекула рибозы обычно представлена на бумаге как плоская молекула. Несмотря на это, она обычно неплоская по своей природе. Даже между атомами водорода многочисленные составляющие молекулы рибозы вызывают стерические помехи и напряжение между ними. Чтобы уменьшить это скучивание и напряжение кольца , кольцо сморщивается, т. е. становится неплоским. [18] Это сморщивание достигается путем смещения атома из плоскости, что снимает напряжение и приводит к более стабильной конформации. [17] Сморщивание, также известное как конформация сахарного кольца (в частности, сахара рибозы), можно описать амплитудой сморщивания, а также углом псевдовращения . Угол псевдовращения можно описать как диапазон «север (N)» или «юг (S)». Хотя оба диапазона встречаются в двойных спиралях, северный диапазон обычно ассоциируется с РНК и формой А ДНК . Напротив, южный диапазон ассоциируется с формой В ДНК . Z-ДНК содержит сахара как в северном, так и в южном диапазонах. [19] Когда смещен только один атом, это называется складкой «конверта». Когда смещены два атома, это называется складкой «поворота», в отношении зигзагообразной ориентации. [20] В складке «эндо» основное смещение атомов происходит на β-грани, той же стороне, что и связь C4'-C5' и основание. В складке «экзо» основное смещение атомов происходит на α-грани, на противоположной стороне кольца. Основными формами рибозы являются 3'-эндо-складка (обычно принятая РНК и A-формой ДНК) и 2'-эндо-складка (обычно принятая B-формой ДНК). [21] Эти кольцевые складки развиваются из-за изменений углов скручивания кольца; существует бесконечное количество комбинаций углов, поэтому существует бесконечное количество транспонируемых конформаций складок, каждая из которых разделена различными энергиями активации.
АТФ образуется из рибозы; он содержит одну рибозу, три фосфатные группы и основание аденина . АТФ образуется во время клеточного дыхания из аденозиндифосфата (АТФ с одной фосфатной группой меньше).
Рибоза является строительным блоком во вторичных сигнальных молекулах, таких как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), который образуется из АТФ. Одним из конкретных случаев, в которых используется цАМФ, являются цАМФ-зависимые сигнальные пути . В цАМФ-сигнальных путях стимулирующий или ингибирующий гормональный рецептор активируется сигнальной молекулой . Эти рецепторы связаны со стимулирующим или ингибирующим регуляторным G-белком . Когда стимулирующий G-белок активируется, аденилатциклаза катализирует АТФ в цАМФ с использованием Mg2 + или Mn2 + . цАМФ, вторичный мессенджер, затем продолжает активировать протеинкиназу А , которая является ферментом , регулирующим метаболизм клетки . Протеинкиназа А регулирует метаболические ферменты путем фосфорилирования , что вызывает изменение в клетке в зависимости от исходной сигнальной молекулы. Противоположный процесс происходит, когда активируется ингибирующий G-белок; G-белок ингибирует аденилатциклазу, и АТФ не преобразуется в цАМФ.
Рибозу называют «молекулярной валютой» из-за ее участия во внутриклеточных передачах энергии. [ требуется ссылка ] Например, никотинамидадениндинуклеотид (НАД), флавинадениндинуклеотид (ФАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) содержат фрагмент d -рибофуранозы . Каждый из них может быть получен из d -рибозы после того, как она преобразуется в d -рибозо-5-фосфат ферментом рибокиназой . [22] [23] НАД, ФАД и НАДФ действуют как акцепторы электронов в биохимических окислительно-восстановительных реакциях в основных метаболических путях, включая гликолиз , цикл лимонной кислоты , ферментацию и цепь переноса электронов .
Нуклеотиды синтезируются посредством утилизации или синтеза de novo . [24] Утилизация нуклеотидов использует части ранее созданных нуклеотидов и повторно синтезирует их для будущего использования. В de novo для синтеза нуклеотидов используются аминокислоты, диоксид углерода, производные фолиевой кислоты и фосфорибозилпирофосфат (PRPP). [24] Как de novo, так и утилизация требуют PRPP, который синтезируется из АТФ и рибозо-5-фосфата ферментом, называемым PRPP-синтетазой . [24]
Рибокиназа катализирует превращение d -рибозы в d -рибозо-5-фосфат . После превращения d -рибозо-5-фосфат доступен для производства аминокислот триптофана и гистидина или для использования в пентозофосфатном пути . Абсорбция d -рибозы составляет 88–100% в тонком кишечнике (до 200 мг/кг·ч). [25]
Одна важная модификация происходит в положении C2' молекулы рибозы. При добавлении O-алкильной группы ядерная устойчивость РНК увеличивается из-за дополнительных стабилизирующих сил. Эти силы стабилизируются из-за увеличения внутримолекулярной водородной связи и увеличения стабильности гликозидной связи . [26] Результирующее увеличение устойчивости приводит к увеличению периода полураспада siRNA и потенциального терапевтического потенциала в клетках и животных. [ 27] Метилирование рибозы в определенных местах коррелирует со снижением иммунной стимуляции. [28 ]
Наряду с фосфорилированием молекулы рибофуранозы могут обменивать свой кислород с селеном и серой , чтобы производить похожие сахара, которые различаются только в положении 4'. Эти производные более липофильны , чем исходная молекула. Повышенная липофильность делает эти виды более подходящими для использования в таких методах, как ПЦР , постмодификация РНК-аптамеров , антисмысловая технология и для фазирования рентгеновских кристаллографических данных. [27]
Подобно 2'-модификациям в природе, синтетическая модификация рибозы включает добавление фтора в положение 2'. Эта фторированная рибоза действует подобно метилированной рибозе, поскольку она способна подавлять иммунную стимуляцию в зависимости от расположения рибозы в цепи ДНК. [26] Большое различие между метилированием и фторированием заключается в том, что последнее происходит только посредством синтетических модификаций. Добавление фтора приводит к увеличению стабилизации гликозидной связи и увеличению внутримолекулярных водородных связей. [26]
d -рибозу предложили использовать при лечении застойной сердечной недостаточности [29] (а также других форм заболеваний сердца) и синдрома хронической усталости (СХУ), также называемого миалгическим энцефаломиелитом (МЭ) в открытом неслепом, нерандомизированном и неперекрестном субъективном исследовании. [30]
Дополнительная d -рибоза может обойти часть пентозофосфатного пути , пути производства энергии, для производства d -рибозо-5-фосфата. Фермент глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа (G-6-PDH) часто находится в дефиците в клетках, но в большей степени в пораженных тканях, таких как клетки миокарда у пациентов с сердечными заболеваниями. Поставка d -рибозы в митохондриях напрямую связана с выработкой АТФ; снижение поставки d -рибозы снижает количество вырабатываемого АТФ. Исследования показывают, что добавление d -рибозы после ишемии тканей (например, ишемии миокарда) увеличивает выработку АТФ в миокарде и, следовательно, функцию митохондрий. По сути, введение дополнительной d -рибозы обходит ферментативный этап в пентозофосфатном пути, предоставляя альтернативный источник 5-фосфо- d -рибозо-1- пирофосфата для выработки АТФ. Дополнительный d -рибоза усиливает восстановление уровней АТФ, а также снижает повреждение клеток у людей и других животных. Одно исследование показало, что использование дополнительного d -рибозы снижает частоту стенокардии у мужчин с диагностированной ишемической болезнью сердца . [31] d -рибоза использовалась для лечения многих патологических состояний, таких как синдром хронической усталости, фибромиалгия и дисфункция миокарда. Она также используется для уменьшения симптомов спазмов, боли, скованности и т. д. после физических упражнений и для улучшения спортивных результатов [ требуется ссылка ] .
