Нуклеотид - Nucleotide

Этот нуклеотид содержит пятиуглеродный сахар. дезоксирибоза (в центре), азотистая основа называется аденин (вверху справа) и один фосфат группа (слева). Сахар дезоксирибозы, присоединенный только к азотистому основанию, образует Дезоксирибонуклеозид называется дезоксиаденозин, тогда как вся структура вместе с фосфатной группой представляет собой нуклеотид, составляющая ДНК с названием дезоксиаденозинмонофосфат.

Нуклеотиды находятся Органические молекулы состоящий из нуклеозид и фосфат. Они служат мономерный единицы нуклеиновая кислота полимеры дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), оба из которых необходимы биомолекулы внутри всех формы жизни на земле.

Нуклеотиды состоят из трех субъединичных молекул: азотистая основа (также известен как азотистое основание ), а пятиуглеродный сахар (рибоза или же дезоксирибоза ), а фосфатная группа состоит из одного-трех фосфаты. Четыре азотистых основания в ДНК: гуанин, аденин, цитозин и тимин; в РНК, урацил используется вместо тимина.

Нуклеотиды также играют центральную роль в метаболизм на фундаментальном, клеточном уровне. Они обеспечивают химическую энергию - в виде нуклеозидтрифосфаты, аденозинтрифосфат (АТФ), гуанозинтрифосфат (GTP), цитидинтрифосфат (ОСАГО) и уридинтрифосфат (UTP) - по всей клетке для многих клеточных функций, требующих энергии, включая: аминокислота, белок и клеточная мембрана синтез, перемещение клетки и ее частей (как внутри, так и между клетками), деление клеток и т. д.[1] Кроме того, нуклеотиды участвуют в клеточная сигнализация (циклический гуанозинмонофосфат или cGMP и циклический аденозинмонофосфат или цАМФ) и включены в важные кофакторы ферментативных реакций (например, кофермент А, FAD, FMN, НАД, и НАДФ+ ).

В экспериментальном биохимия, нуклеотиды могут быть радиоактивно меченый с помощью радионуклиды с образованием радионуклеотидов.

Структура

Показано расположение нуклеотидов в структуре нуклеиновых кислот: внизу слева - монофосфатный нуклеотид; его азотистое основание представляет одну сторону пары оснований. В верхнем правом углу четыре нуклеотида образуют две пары оснований: тимин и аденин (соединенные двойной водородные связи) и гуанин и цитозин (связанные тройной водородные связи). Отдельные нуклеотидные мономеры соединены цепями на своих молекулах сахара и фосфата, образуя два «остова» (a двойная спираль ) нуклеиновой кислоты, показанной вверху слева.

Нуклеоприлив состоит из трех отличительных химических субъединиц: молекулы пятиуглеродного сахара, азотистая основа - которые вместе называются нуклеосторона -и один фосфатная группа. Когда все три соединены, нуклеотид также называется «нуклеотидом».сторона мононуклеозфосфат »,« нуклеозид дифосфат »или« нуклеозид » трифосфат », в зависимости от того, сколько фосфатов составляет фосфатная группа.

В нуклеиновые кислоты, нуклеотиды содержат либо пурин или пиримидин основание, то есть молекула азотистого основания, также известная как азотистое основание - и называются рибонуклеотиды, если сахар рибоза, или дезоксирибонуклеотиды, если сахар дезоксирибоза. Отдельные молекулы фосфата повторно соединяют сахарное кольцо молекулы в двух соседних нуклеотидных мономерах, тем самым соединяя нуклеотидные мономеры нуклеиновой кислоты конец к концу в длинную цепь. Эти цепные соединения молекул сахара и фосфата создают «основу» для одно- или двойная спираль. В любой одной нити химическая ориентация (направленность ) цепных соединений идет от 5'-конец к 3'-конец (читать: 5 простых концов на 3 простых конца) - относится к пяти углеродным сайтам на молекулах сахара в соседних нуклеотидах. В двойной спирали две нити ориентированы в противоположных направлениях, что позволяет базовая пара и взаимодополняемость между парами оснований, что важно для копирование или же расшифровка закодированная информация, найденная в ДНК.

Тогда нуклеиновые кислоты полимерный макромолекулы собранный из нуклеотидов, мономерные звенья нуклеиновых кислот. Пуриновые основы аденин и гуанин и пиримидиновое основание цитозин присутствуют как в ДНК, так и в РНК, а пиримидиновые основания тимин (в ДНК) и урацил (в РНК) встречаются всего в одном. Аденин образует базовая пара с тимином с двумя водородными связями, а гуанин - с цитозином с тремя водородными связями.

Помимо того, что они являются строительными блоками для создания полимеров нуклеиновых кислот, отдельные нуклеотиды играют роль в хранении и обеспечении клеточной энергии, передаче клеточных сигналов, в качестве источника фосфатных групп, используемых для модуляции активности белков и других сигнальных молекул, а также в качестве ферментативных кофакторы, часто проводя редокс реакции. Сигнализация циклические нуклеотиды образуются путем двойного связывания фосфатной группы с одной и той же молекулой сахара, соединяя 5'- и 3'- гидроксильные группы сахара.[1] Некоторые сигнальные нуклеотиды отличаются от стандартной конфигурации однофосфатных групп тем, что имеют несколько фосфатных групп, прикрепленных к различным положениям на сахаре.[2] Кофакторы нуклеотидов включают более широкий спектр химических групп, прикрепленных к сахару через гликозидная связь, включая никотинамид и флавин, и в последнем случае сахар рибозы является линейным, а не образует кольцо, как в других нуклеотидах.

Структурные элементы трех нуклеоприливы- где одно-, двух- или трехфосфаты присоединены к нуклеосторона (желтым, синим, зеленым) в центре: 1-й, нуклеотид, обозначенный как нуклеозид мононуклеозфосфат образуется при добавлении фосфата (в красном цвете); 2-й, добавление второго фосфата образует нуклеозид дифосфат; В-третьих, добавление третьего фосфата приводит к нуклеозид трифосфат. + Азотистая основа (азотистое основание ) обозначается "Основание" и "гликозидная связь "(сахарная облигация). Все пять основные, или канонические, основы - пурины и пиримидины - показаны справа (синим цветом).
Примеры нуклеотидов, не являющихся нуклеиновыми кислотами

  • лагерь, сигнальная молекула циклического нуклеотида с единственным фосфатом, связанным как с 5-, так и с 3-положениями.

  • pppGpp, нуклеотидная сигнальная молекула с 5'- и 3'-фосфатами.

  • НАДФ, ферментативный динуклеотид кофактор.

  • FAD, динуклеотидный ферментативный кофактор, в котором один из сахаров рибозы принимает линейную конфигурацию, а не кольцо.

Синтез

Нуклеотиды могут быть синтезированный разными способами и in vitro и in vivo.

In vitro, защитные группы может использоваться при лабораторном производстве нуклеотидов. Очищенный нуклеозид защищен, чтобы создать фосфорамидит, которые затем можно использовать для получения аналогов, не встречающихся в природе, и / или для синтезировать олигонуклеотид.

In vivo можно синтезировать нуклеотиды. de novo или переработано через пути спасения.[3] Компоненты, используемые в синтезе нуклеотидов de novo, получены из биосинтетических предшественников углеводов и аминокислота метаболизм, а также от аммиака и углекислого газа. Печень является основным органом синтеза всех четырех нуклеотидов de novo. Синтез пиримидинов и пуринов de novo происходит двумя разными путями. Пиримидины сначала синтезируются из аспартата и карбамоилфосфата в цитоплазме до обычной кольцевой структуры-предшественника оротовой кислоты, с которой ковалентно связано фосфорилированное рибозильное звено. Однако пурины сначала синтезируются из сахарной матрицы, на которой происходит синтез кольца. Для справки, синтезы пурин и пиримидин нуклеотиды выполняются несколькими ферментами в цитоплазма ячейки, а не в пределах определенного органелла. Нуклеотиды подвергаются разрушению, так что полезные части можно повторно использовать в реакциях синтеза для создания новых нуклеотидов.

Синтез пиримидин рибонуклеотидов

Синтез UMP.
Цветовая гамма следующая: ферменты, коферменты, названия субстратов, неорганические молекулы
Основная статья: Метаболизм пиримидина

Синтез пиримидинов ЦТФ и УТФ происходит в цитоплазме и начинается с образования карбамоилфосфата из глутамин и CO2. Следующий, аспартат карбамоилтрансфераза катализирует реакцию конденсации между аспартат и карбамоилфосфат формировать карбамоил аспарагиновая кислота, который циклически превращается в 4,5-дигидрооротовая кислота к дигидрооротаза. Последний преобразуется в ругать к дигидрооротатоксидаза. Итоговая реакция:

(S) -Дигидрооротат + O2 → Оротате + H2О2

Оротат ковалентно связан с фосфорилированным рибозильным звеном. Ковалентная связь между рибозой и пиримидином происходит в положении C1[4] из рибоза блок, который содержит пирофосфат, и н1 пиримидинового кольца. Оротат фосфорибозилтрансфераза (PRPP трансфераза) катализирует чистую реакцию с образованием монофосфата оротидина (OMP):

Оротат + 5-фосфо-α-D-рибозо-1-дифосфат (PRPP) → Оротидин 5'-фосфат + Пирофосфат

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. Из UMP происходят другие пиримидиновые нуклеотиды. UMP фосфорилируется двумя киназами до уридинтрифосфата (UTP) посредством двух последовательных реакций с ATP. Сначала образуется дифосфатная форма UDP, которая, в свою очередь, фосфорилируется до UTP. Обе стадии подпитываются гидролизом АТФ:

ATP + UMP → ADP + UDP
UDP + ATP → UTP + ADP

CTP впоследствии образуется при аминировании UTP за счет каталитической активности CTP синтетаза. Глютамин - это NH3 донор, и реакция подпитывается также гидролизом АТФ:

UTP + глутамин + ATP + H2О → CTP + ADP + Pя

Цитидинмонофосфат (CMP) является производным цитидинтрифосфата (CTP) с последующей потерей двух фосфатов.[5][6]

Синтез пуриновых рибонуклеотидов

Основная статья: Пуриновый метаболизм

Атомы, которые используются для создания пуриновые нуклеотиды поступают из разных источников:

Синтез IMP. Цветовая гамма следующая: ферменты, коферменты, названия субстратов, ионы металлов, неорганические молекулы
Синтез нуклеотидов.svgВ биосинтетический происхождение пуринового кольца атомы

N1 возникает из аминогруппы Жерех
C2 и C8 происходить от форматировать
N3 и н9 вносятся амидной группой Gln
C4, С5 и н7 получены из Gly
C6 исходит из HCO3− (CO2)

В синтез de novo из пуриновые нуклеотиды с помощью которого эти предшественники включаются в пуриновое кольцо, происходит 10-ступенчатый путь к промежуточному соединению точки ветвления IMP, нуклеотид основания гипоксантин. AMP и GMP впоследствии синтезируются из этого промежуточного продукта отдельными двухэтапными путями. Таким образом, пурин части изначально формируются как часть рибонуклеотиды а не как бесплатные базы.

В синтезе ИМФ принимают участие шесть ферментов. Три из них многофункциональные:

  • GART (реакции 2, 3 и 5)
  • PAICS (реакции 6 и 7)
  • ATIC (реакции 9 и 10)

Путь начинается с образования PRPP. PRPS1 это фермент что активирует R5P, который формируется в первую очередь пентозофосфатный путь, к PRPP реагируя на это с АТФ. Реакция необычна тем, что пирофосфорильная группа напрямую переносится с АТФ на C1 из R5P и что продукт имеет α комплектация про С1. Эта реакция также является общей с путями синтеза Trp, Его, а пиримидиновые нуклеотиды. Находясь на важном метаболическом перекрестке и требуя много энергии, эта реакция строго регулируется.

В первой реакции, уникальной для биосинтеза пуриновых нуклеотидов, PPAT катализирует вытеснение PRPP с пирофосфат группа (PPя) амидным азотом, пожертвованным либо глутамин (N), глицин (N&C), аспартат (N), фолиевая кислота (C1) или CO2. Это обязательный этап синтеза пуринов. Реакция происходит с инверсией конфигурации относительно рибозы C1, тем самым формируя β-5-фосфорибозиламин (5-PRA) и установление аномерной формы будущего нуклеотида.

Затем включается глицин за счет гидролиза АТФ, и карбоксильная группа образует аминную связь с NH.2 ранее представленный. Одноуглеродное звено из кофермента N фолиевой кислоты10-формил-ТГФ затем добавляют к аминогруппе замещенного глицина с последующим замыканием имидазольного кольца. Далее второй NH2 группа передается от глутамина к первому атому глицина. Одновременно добавляется карбоксилирование второго атома углерода глициновой единицы. Этот новый углерод модифицирован добавлением третьего NH.2 единица, на этот раз переведенная из остатка аспартата. Наконец, второе одноуглеродное звено формил-ТГФ добавляется к азотной группе, и кольцо ковалентно замыкается с образованием общего предшественника пурина инозинмонофосфата (ИМФ).

Монофосфат инозина превращается в монофосфат аденозина в два этапа. Во-первых, гидролиз GTP способствует добавлению аспартата к IMP аденилосукцинатсинтазой, замещая атом азота карбонильным кислородом и образуя промежуточный аденилосукцинат. Затем фумарат отщепляется с образованием аденозинмонофосфата. Эта стадия катализируется аденилосукцинатлиазой.

Монофосфат инозина превращается в монофосфат гуанозина путем окисления IMP с образованием ксантилата с последующим введением аминогруппы в C2. НАД+ является акцептором электронов в реакции окисления. Перенос амидной группы из глутамина происходит за счет гидролиза АТФ.

Разложение пиримидина и пурина

У человека пиримидиновые кольца (C, T, U) могут полностью разлагаться до CO.2 и NH3 (выведение мочевины). Как уже было сказано, пуриновые кольца (G, A) не могут. Вместо этого они разлагаются до метаболически инертных мочевая кислота который затем выводится из организма. Мочевая кислота образуется при расщеплении GMP на основной гуанин и рибозу. Гуанин дезаминируется до ксантина, который, в свою очередь, окисляется до мочевой кислоты. Эта последняя реакция необратима. Точно так же мочевая кислота может образовываться, когда АМФ дезаминируется 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 можно использовать для целей рециклинга и синтеза нуклеиновых кислот в присутствии PRPP и аспартата (NH3 донор).

Неестественная пара оснований (UBP)

Основная статья: Пара оснований § Неестественная пара оснований (UBP)

Неестественная пара оснований (UBP) - это спроектированная субъединица (или азотистое основание ) из ДНК который создается в лаборатории и не встречается в природе. В 2012 году группа американских ученых во главе с Флойдом Ромесбергом, химическим биологом из Научно-исследовательский институт Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, опубликовал, что его команда разработала неестественную пару оснований (UBP).[7] Два новых искусственных нуклеотида или Неестественная базовая пара (УБП) были названы d5SICS и dNaM. Технически эти искусственные нуклеотиды, несущие гидрофобные азотистые основания, имеют две слитные ароматические кольца которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК.[8][9] В 2014 году та же команда из Исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали отрезок кольцевой ДНК, известный как плазмида содержащий естественные пары оснований T-A и C-G вместе с наиболее эффективным UBP, разработанным лабораторией Ромесберга, и вставлял его в клетки общей бактерии Кишечная палочка которые успешно воспроизвели неестественные пары оснований в нескольких поколениях.[10] Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям.[8][11] Частично это было достигнуто путем добавления поддерживающего гена водорослей, который экспрессирует нуклеотидтрифосфат транспортер, который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP в Кишечная палочка бактерии.[8] Затем естественные пути репликации бактерий используют их для точного воспроизведения плазмида содержащий d5SICS – dNaM.

Успешное включение третьей пары оснований является значительным прорывом в достижении цели значительного увеличения числа аминокислот, которые могут кодироваться ДНК, с существующей 21 аминокислоты до теоретически возможных 172, тем самым расширяя потенциал живых организмов до производить роман белки.[10] Искусственные нити ДНК еще ничего не кодируют, но ученые предполагают, что они могут быть созданы для производства новых белков, которые могут иметь промышленное или фармацевтическое применение.[12]

Единица длины

Нуклеотид (сокращенно «нт») - это обычная единица длины для одноцепочечных нуклеиновых кислот, аналогично тому, как базовая пара представляет собой единицу длины для двухцепочечных нуклеиновых кислот.

Нуклеотидные добавки

Исследование, проведенное Департаментом спортивных наук Университета Халла в Халле, Великобритания, показало, что нуклеотиды оказывают значительное влияние на кортизол уровни в слюне. После тренировки в экспериментальной группе нуклеотидов уровень кортизола в крови был ниже, чем в контрольной или плацебо. Кроме того, добавочные значения поста Иммуноглобулин А были значительно выше, чем в группе плацебо или в контроле. Исследование пришло к выводу, что «добавление нуклеотидов снижает реакцию гормонов, связанных с физиологическим стрессом».[13]

Другое исследование, проведенное в 2013 году, изучало влияние добавок нуклеотидов на иммунную систему спортсменов. В исследовании все спортсмены были мужчинами и обладали высокой квалификацией в тхэквондо. Из двадцати протестированных спортсменов половина получала плацебо, а половина - 480 мг нуклеотидных добавок в день. По прошествии тридцати дней исследование пришло к выводу, что добавление нуклеотидов может противодействовать нарушению иммунной функции организма после тяжелых упражнений.[14]

Коды аббревиатур для вырожденных оснований

Основная статья: Обозначение нуклеиновой кислоты

В ИЮПАК обозначил символы для нуклеотидов.[15] Помимо пяти (A, G, C, T / U) баз, часто используются вырожденные основания, особенно для проектирования Праймеры для ПЦР. Эти коды нуклеотидов перечислены здесь. Некоторые последовательности праймеров могут также включать символ «I», который кодирует нестандартный нуклеотид. инозин. Инозин содержится в тРНК и будет сочетаться с аденином, цитозином или тимином. Однако этот символ не появляется в следующей таблице, потому что он не означает вырождение. Хотя инозин может выполнять ту же функцию, что и вырождение «D», он является действительным нуклеотидом, а не представлением смеси нуклеотидов, охватывающей каждую возможную необходимую пару.

Символ[15]ОписаниеПредставленные базы
АаDenineА1
CcиттозинC
граммграммуанинграмм
ТтгиминТ
UтырасилU
WшEakАТ2
SsсильныйCграмм
Mамя неАC
KkэтограммТ
рпуринеАграмм
YпуримидинCТ
Bне А (B идет после A)CграммТ3
Dне C (D идет после C)АграммТ
ЧАСне G (ЧАС идет после G)АCТ
Vне Т (V идет после T и U)АCграмм
Nапy база (не пробел)АCграммТ4

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж, Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Наука о гирляндах. ISBN  0-8153-3218-1. С. 120–121.
  2. ^ Смит, А. Д., изд. (2000). Оксфордский словарь биохимии и молекулярной биологии, переработанное издание. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 460.
  3. ^ Захаревиц Д.В., Андерсон Л.В., Малиновский Н.М., Хайман Р., Стронг Д.М., Цисик Р.Л. (ноябрь 1992 г.). «Вклад de-novo и спасения синтеза в пул нуклеотидов урацила в тканях мыши и опухолях in vivo». Европейский журнал биохимии. 210 (1): 293–6. Дои:10.1111 / j.1432-1033.1992.tb17420.x. PMID  1446677.
  4. ^ Видеть Номенклатура органической химии ИЮПАК Подробнее о нумерации углеродных остатков
  5. ^ Джонс ME (1980). «Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов у животных: гены, ферменты и регуляция биосинтеза UMP». Ежегодный обзор биохимии. 49 (1): 253–79. Дои:10.1146 / annurev.bi.49.070180.001345. PMID  6105839.
  6. ^ Макмерри Дж. Э., Бегли Т. П. (2005). Органическая химия биологических путей. Робертс и Компания. ISBN  978-0-9747077-1-6.
  7. ^ Малышев Д.А., Дхами К., Quach HT, Lavergne T, Ordoukhanian P, Torkamani A, Romesberg FE (июль 2012 г.). «Эффективная и независимая от последовательности репликация ДНК, содержащей третью пару оснований, устанавливает функциональный шестибуквенный генетический алфавит». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (30): 12005–10. Bibcode:2012ПНАС..10912005М. Дои:10.1073 / pnas.1205176109. ЧВК  3409741. PMID  22773812.
  8. ^ а б c Малышев Д.А., Дхами К., Лавернь Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж. М., Корреа И. Р., Ромесберг Ф. Э. (май 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом». Природа. 509 (7500): 385–8. Bibcode:2014Натура.509..385M. Дои:10.1038 / природа13314. ЧВК  4058825. PMID  24805238.
  9. ^ Callaway E (7 мая 2014 г.). «Ученые создали первый живой организм с« искусственной »ДНК». Новости природы. Huffington Post. Получено 8 мая 2014.
  10. ^ а б Fikes BJ (8 мая 2014 г.). «Жизнь, созданная с помощью расширенного генетического кода». Сан-Диего Union Tribune. Получено 8 мая 2014.
  11. ^ Образец I (7 мая 2014 г.). «Первые формы жизни, передающие искусственную ДНК, созданную учеными США». Хранитель. Получено 8 мая 2014.
  12. ^ Поллак А (7 мая 2014 г.). «Ученые добавляют буквы к алфавиту ДНК, вселяя надежду и страх». Нью-Йорк Таймс. Получено 8 мая 2014.
  13. ^ Мак-Нотон Л., Бентли Д., Коппель П. (март 2007 г.). «Влияние нуклеотидных добавок на иммунный и метаболический ответ на краткосрочные высокоинтенсивные упражнения у тренированных мужчин». Журнал спортивной медицины и физической подготовки. 47 (1): 112–8. PMID  17369807.
  14. ^ Риера Дж., Понс В., Мартинес-Пуч Д., Четрит С., Тур Дж. А., Понс А., Дробник Ф. (апрель 2013 г.). «Пищевой нуклеотид улучшает маркеры иммунного ответа на тяжелые упражнения в холодной среде». Журнал Международного общества спортивного питания. 10 (1): 20. Дои:10.1186/1550-2783-10-20. ЧВК  3626726. PMID  23566489.
  15. ^ а б Номенклатурный комитет Международного союза биохимиков (NC-IUB) (1984). «Номенклатура неполностью определенных оснований в последовательностях нуклеиновых кислот». Получено 2008-02-04.

дальнейшее чтение

  • Сигель А, Operschall BP, Сигель Х (2017). «Глава 11. Комплексное образование свинца (II) с нуклеотидами и их составляющими». В Astrid S, Helmut S, Sigel RK (ред.). Свинец: его влияние на окружающую среду и здоровье. Ионы металлов в науках о жизни. 17. де Грюйтер. С. 319–402. Дои:10.1515/9783110434330-011. ISBN  9783110434330. PMID  28731304.
  • Э. Фрайзингер и Р. К. Сигель (2007). От нуклеотидов до рибозимов - сравнение их свойств связывания с ионами металлов. Обзоры координационной химии, 251(13-14), 1834-1851.[1]

внешняя ссылка

  1. ^ Фрайзингер, Ева; Сигель, Роланд К. О. (2007-07-01). «От нуклеотидов к рибозимам - Сравнение их свойств связывания ионов металлов». Обзоры координационной химии. 37-я Международная конференция по координационной химии, Кейптаун, Южная Африка. 251 (13): 1834–1851. Дои:10.1016 / j.ccr.2007.03.008. ISSN  0010-8545.