Рибоза представляет собой простой сахар и углевод с молекулярной формулой C 5 H 10 O 5 и линейной формой состава H-(C=O)-(CHOH) 4 -H. Встречающаяся в природе форма d -рибоза является компонентом рибонуклеотидов, из которых построена РНК, поэтому это соединение необходимо для кодирования , декодирования , регуляции и экспрессии генов . Он имеет структурный аналог дезоксирибозу , которая является столь же важным компонентом ДНК . L -рибоза — это ненатуральный сахар, который был впервые получен Эмилем Фишером и Оскаром Пилоти в 1891 году. [3] Лишь в 1909 году Фебус Левен и Уолтер Джейкобс признали, что d -рибоза является натуральным продуктом , энантиомером Фишера и Пилоти. продукт и важный компонент нуклеиновых кислот . [4] [5] [6] Фишер выбрал название «рибоза», поскольку оно представляет собой частичную перестановку названия другого сахара, арабинозы , эпимером которого является рибоза у 2'-углерода; оба названия относятся также к гуммиарабику , из которого впервые была выделена арабиноза и из которой получили L -рибозу . [6] [7]
Как и большинство сахаров, рибоза существует в виде смеси циклических форм, находящихся 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 для каждой используются более конкретные названия. В своей линейной форме рибозу можно рассматривать как пентозный сахар со всеми гидроксильными функциональными группами, расположенными на одной стороне в проекции Фишера . d -рибоза имеет эти гидроксильные группы справа и связана с систематическим названием (2R , 3R , 4R ) -2,3,4,5-тетрагидроксипентаналь, [9] тогда как l -рибоза имеет свой гидроксил. группы появляются слева в проекции Фишера. Циклизация рибозы происходит посредством образования полуацеталя из-за атаки на альдегид гидроксильной группы C4' с образованием фуранозной формы или гидроксильной группы C5' с образованием формы пиранозы . В каждом случае есть два возможных геометрических результата, названных α- и β- и известных как аномеры , в зависимости от стереохимии полуацетального атома углерода («аномерный углерод»). При комнатной температуре около 76% d -рибозы присутствует в формах пиранозы [8] : 228 (α:β = 1:2) [10] и 24% в формах фуранозы [8] : 228 (α:β = 1:3), [10] и присутствует лишь 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, а также являются производными рибозы. Рибозный фрагмент присутствует в некоторых фармацевтических агентах, включая антибиотики неомицин и паромомицин . [10]
Рибоза в виде ее 5-фосфатного эфира обычно образуется из глюкозы пентозофосфатным путем . По крайней мере, у некоторых архей были идентифицированы альтернативные пути. [13]
Рибозу можно синтезировать химическим путем, но коммерческое производство основано на ферментации глюкозы. Используя генетически модифицированные штаммы B. subtilis , из 200 г глюкозы можно получить 90 г/л рибозы. Преобразование влечет за собой посредничество глюконата и рибулозы. [14]
Рибоза была обнаружена в метеоритах . [15] [16]
Рибоза представляет собой альдопентозу (моносахарид, содержащий пять атомов углерода , который в форме открытой цепи имеет альдегидную функциональную группу на одном конце). В общепринятой схеме нумерации моносахаридов атомы углерода нумеруются от C1' (в альдегидной группе) до C5'. Производное дезоксирибозы , обнаруженное в ДНК, отличается от рибозы наличием атома водорода вместо гидроксильной группы при С2'. Эта гидроксильная группа выполняет функцию сплайсинга РНК .
Буква « 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 обилие форм рибозы в растворе: β- d -рибопираноза (59%), α -d -рибопираноза (20%), β -d -рибофураноза (13%), α- d -рибофураноза (7%) и открытая цепочка (0,1%). [11]
Для остатков рибозы в нуклеозидах и нуклеотидах торсионные углы вращения, охватывающие связи, влияют на конфигурацию соответствующего нуклеозида и нуклеотида. Вторичная структура нуклеиновой кислоты определяется поворотом ее 7 торсионных углов . [17] Наличие большого количества углов скручивания обеспечивает большую гибкость.
В рибозах с закрытыми кольцами наблюдаемая выше гибкость не наблюдается, поскольку кольцевой цикл накладывает ограничение на количество возможных углов скручивания в структуре. [17] Конформеры рибоз закрытой формы различаются тем, как одиночный кислород в молекуле расположен относительно азотистого основания (также известного как азотистое основание или просто основание), присоединенного к рибозе. Если углерод обращен к основанию, то рибоза обозначается как эндо. Если углерод обращен от основания, то рибоза обозначается как экзо. Если к 2'-углероду рибозы замкнутого цикла присоединена молекула кислорода, то экзоподтверждение более стабильно, поскольку оно уменьшает взаимодействие кислорода с основанием. [17] Сама по себе разница весьма невелика, но при взгляде на всю цепочку РНК небольшая разница приводит к значительному влиянию.
Молекулу рибозы обычно изображают на бумаге как плоскую молекулу. Несмотря на это, он обычно неплоский по своей природе. Даже между атомами водорода множество компонентов молекулы рибозы вызывают стерические препятствия и напряжения между ними. Чтобы уменьшить это скопление и напряжение кольца , кольцо сморщивается, то есть становится неплоским. [18] Это сморщивание достигается за счет смещения атома из плоскости, снятия напряжения и получения более стабильной конфигурации. [17] Сморщивание, иначе известное как конформация сахарного кольца (в частности, рибозного сахара), можно описать амплитудой складки, а также углом псевдовращения . Угол псевдоповорота можно описать как диапазон «север (N)» или «юг (S)». Хотя оба диапазона встречаются в двойных спиралях, северный диапазон обычно связан с РНК и А-формой ДНК . Напротив, южный диапазон связан с ДНК формы B. Z-ДНК содержит сахара как в северном, так и в южном диапазоне. [19] Когда смещается только один атом, это называется «складкой конверта». Когда два атома смещаются, это называется «закрученной» складкой в связи с зигзагообразной ориентацией. [20] В «эндо» складке основное смещение атомов происходит на β-грани, той же стороне, что и связь C4’-C5’ и основание. В «экзо»-складке основное смещение атомов происходит на α-грани, на противоположной стороне кольца. Основными формами рибозы являются 3'-эндо-складка (обычно используемая в РНК и А-форме ДНК) и 2'-эндо-складка (обычно используемая в B-форме ДНК). [21] Эти кольцевые складки образуются в результате изменения углов скручивания колец; существует бесконечное количество комбинаций углов, поэтому существует бесконечное количество мобильных конформаций складок, каждая из которых разделена несопоставимыми энергиями активации.
АТФ является производным рибозы; он содержит одну рибозу, три фосфатные группы и адениновое основание. АТФ создается во время клеточного дыхания из аденозиндифосфата (АТФ с одной фосфатной группой меньше).
Рибоза является строительным блоком вторичных сигнальных молекул, таких как циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), который образуется из АТФ. Одним из конкретных случаев использования цАМФ является цАМФ-зависимые сигнальные пути . В сигнальных путях цАМФ сигнальная молекула активирует либо стимулирующий, либо ингибирующий гормональный рецептор . Эти рецепторы связаны со стимулирующим или тормозным регулятивным G-белком . Когда активируется стимулирующий G-белок, аденилатциклаза катализирует АТФ в цАМФ с помощью Mg 2+ или Mn 2+ . цАМФ, вторичный мессенджер, затем активирует протеинкиназу А , фермент , регулирующий клеточный метаболизм . Протеинкиназа А регулирует метаболические ферменты путем фосфорилирования , которое вызывает изменения в клетке в зависимости от исходной сигнальной молекулы. Обратное происходит, когда активируется ингибирующий G-белок; G-белок ингибирует аденилатциклазу, и АТФ не превращается в цАМФ.
Рибозу называют «молекулярной валютой» из-за ее участия во внутриклеточной передаче энергии. [ нужна цитация ] Например, никотинамидадениндинуклеотид (НАД), флавинадениндинуклеотид (ФАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) все содержат d -рибофуранозную часть . Каждый из них может быть получен из d -рибозы после ее превращения в d -рибозо-5-фосфат под действием фермента рибокиназы . [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 путем утилизации или синтеза de novo . [24] Для спасения нуклеотидов используются фрагменты ранее созданных нуклеотидов и их повторный синтез для будущего использования. In de novo для синтеза нуклеотидов используются аминокислоты, диоксид углерода, производные фолиевой кислоты и фосфорибозилпирофосфат (PRPP). [24] Как de novo, так и для спасения требуется 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 преобразования d -рибозо-5-фосфат доступен для производства аминокислот триптофана и гистидина или для использования в пентозофосфатном пути . Всасывание d -рибозы в тонком кишечнике составляет 88–100% (до 200 мг/кг·ч). [25]
Одна важная модификация происходит в положении C2' молекулы рибозы. При добавлении О-алкильной группы ядерная устойчивость РНК увеличивается за счет дополнительных стабилизирующих сил. Эти силы стабилизируются за счет увеличения внутримолекулярных водородных связей и увеличения устойчивости гликозидных связей . [26] Результирующее увеличение резистентности приводит к увеличению периода полураспада миРНК и потенциального терапевтического потенциала в клетках и животных. [27] Метилирование рибозы в определенных участках коррелирует со снижением иммунной стимуляции. [28]
Наряду с фосфорилированием молекулы рибофуранозы могут обменивать кислород на селен и серу с образованием аналогичных сахаров, которые различаются только в 4'-положении. 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 природным 2'-модификациям, синтетическая модификация рибозы включает добавление фтора в 2'-положение. Эта фторированная рибоза действует аналогично метилированной рибозе, поскольку она способна подавлять иммунную стимуляцию в зависимости от местоположения рибозы в цепи ДНК. [26] Большая разница между метилированием и фторированием заключается в том, что последнее происходит только посредством синтетических модификаций. Добавление фтора приводит к усилению стабилизации гликозидной связи и увеличению внутримолекулярных водородных связей. [26]
d -рибозу было предложено использовать для лечения застойной сердечной недостаточности [29] (а также других форм заболеваний сердца) и синдрома хронической усталости (СХУ), также называемого миалгическим энцефаломиелитом (МЭ), в открытом непатентованном исследовании. слепое, нерандомизированное и неперекрестное субъективное исследование. [30]
Дополнительная d -рибоза может обойти часть пентозофосфатного пути , пути производства энергии, для производства d -рибозо-5-фосфата. Фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (G-6-PDH) часто не хватает в клетках, но в большей степени в пораженных тканях, например, в клетках миокарда у пациентов с сердечными заболеваниями. Запас d -рибозы в митохондриях напрямую коррелирует с выработкой АТФ; уменьшение поступления d -рибозы снижает количество вырабатываемого АТФ. Исследования показывают, что добавление d -рибозы после тканевой ишемии (например, ишемии миокарда) увеличивает выработку АТФ в миокарде и, следовательно, функцию митохондрий. По сути, дополнительное введение d -рибозы обходит ферментативный этап пентозофосфатного пути, обеспечивая альтернативный источник 5-фосфо- d -рибозо-1- пирофосфата для производства АТФ. Дополнительная d -рибоза улучшает восстановление уровня АТФ, а также уменьшает повреждение клеток у людей и других животных. Одно исследование показало, что использование добавок d -рибозы снижает случаи 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. Он также используется для уменьшения симптомов спазмов, боли, скованности и т. д. после тренировки и для улучшения спортивных результатов .
