CYTOZÍN: ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE, VLASTNOSTI, SYNTÉZA - BIOLÓGIE - 2026

Cytozín je typ pyrimidínová nukleobáze, slúžiace pre biosyntézu cytidín-5'-monofosfátu a deoxycytidínu 5'-monofosfátu. Tieto zlúčeniny slúžia na biosyntézu deoxyribonukleovej kyseliny (DNA) a ribonukleovej kyseliny (RNA). DNA uchováva genetické informácie a RNA má rôzne funkcie.

V živých veciach sa cytozín nenachádza voľný, ale bežne tvorí ribonukleotidy alebo deoxyribonukleotidy. Oba typy zlúčenín majú fosfátovú skupinu, ribózu a dusíkovú bázu.

Zdroj: Vesprcom

Uhlík 2 ribózy má hydroxylovú skupinu (-OH) v ribonukleotidoch a atóm vodíka (-H) v deoxyribonukleotidoch. V závislosti od počtu prítomných fosfátových skupín existuje cytidín-5'-monofosfát (CMP), cytidín-5'-difosfát (CDP) a cytidín-5'-trifosfát (CTP).

Deoxygenované ekvivalenty sa nazývajú deoxycytidín-5'-monofosfát (dCMP), deoxycytidín-5'-difosfát (dCDP) a deoxycytidín-5'-trifosfát (dCTP).

Cytozín sa vo svojich rôznych formách podieľa na rôznych funkciách, ako je napríklad biosyntéza DNA a RNA, biosyntéza glykoproteínu a regulácia génovej expresie.

Štruktúra a vlastnosti

Cytozín, 4-amino-2-hydroxypyrimidin, má empirický vzorec C ₄ H ₅ N ₃ O, ktorého molekulová hmotnosť je 111,10 g / mol, a čistený vo forme bieleho prášku.

Štruktúra cytozínu je rovinný aromatický heterocyklický kruh. Vlnová dĺžka maximálnej absorbancie (ʎ _max ) je 260 nm. Teplota topenia cytozínu presahuje 300 ° C.

Aby sa vytvoril nukleotid, je cytozín kovalentne viazaný prostredníctvom dusíka 1 cez N-beta-glykozidovú väzbu na 1 'uhlík ribózy. 5'-uhlík je esterifikovaný fosfátovou skupinou.

biosyntéza

Nukleotidová biosyntéza pyrimidínov má spoločnú cestu pozostávajúcu zo šiestich krokov katalyzovaných enzýmami. Dráha začína biosyntézou karbamoylfosfátu. V prokaryotoch je iba jeden enzým: karbamoylfosfátsyntáza. To je zodpovedné za syntézu pyrimidínov a glutamínu. V eukaryotoch existujú karbamoylfosfátsyntáza I a II, ktoré sú zodpovedné za biosyntézu glutamínu a pyrimidínov.

Druhý krok spočíva vo vytvorení N-karbamoylaspartátu z karboylfosfátu a aspartátu, čo je reakcia katalyzovaná aspartáttransamínamidázou (ATCáza).

Tretím krokom je syntéza L-dihydrorotátu, ktorá spôsobuje uzavretie pyrimidínového kruhu. Tento krok je katalyzovaný dihydrootázou.

Štvrtým krokom je tvorba orotátu, čo je redoxná reakcia katalyzovaná dihydroorotátdehydrogenázou.

Piaty krok spočíva v tvorbe orotidylátu (OMP) s použitím fosforibozylpyrofosfátu (PRPP) ako substrátu a orotát fosforibozyltransferázy ako katalyzátora.

Šiestym krokom je tvorba uridylátu (uridín-5'-monofosfátu, UMP), čo je reakcia katalyzovaná OMP-dekarboxylázou.

Ďalšie kroky pozostávajú z fosforylácie UMP katalyzovanej kinázou za vzniku UTP a prenosu aminoskupiny z glutamínu na UTP za vzniku CTP, čo je reakcia katalyzovaná CTP syntetázou.

Regulácia biosyntézy

U cicavcov dochádza k regulácii na úrovni karbamoylfosfátsyntázy II, enzýmu nájdeného v cytosole, zatiaľ čo karbamoylfosfátsyntáza I je mitochondriálna.

Karbamoylfosfátsyntáza II je regulovaná negatívnou spätnou väzbou. Jeho regulátory, UTP a PRPP, sú inhibítormi a aktivátormi tohto enzýmu.

V pečeňových tkanivách je karbamoylfosfátsyntáza II jediným zdrojom karbamoylfosfátu. Zatiaľ čo v pečeni, v podmienkach nadbytku amoniaku, produkuje karbamoylfosfátsyntáza I v mitochondriách karbamoylfosfát, ktorý je transportovaný do cytosolu, odkiaľ vstupuje do biosyntetickej dráhy pyrimidínu.

Ďalším bodom regulácie je OMP-dekarboxyláza, ktorá je regulovaná kompetitívnou inhibíciou. Jeho reakčný produkt, UMP, súťaží s OMP o väzbové miesto na OMP-dekarboxyláze.

Pyrimidíny, ako je cytozín, sa recyklujú

Recyklácia pyrimidínov má funkciu opätovného použitia pyrimidínov bez potreby de novo biosyntézy a zamedzenia degradačnej dráhy. Recyklačná reakcia je katalyzovaná pyrimimidín-fosforibozyltransferázou. Všeobecná reakcia je nasledovná:

Pyrimidín + PRPP -> pyrimidín nukleozid 5'-monofosfát + PPi

U stavovcov sa pyrimimidínfosforibozyltransferáza nachádza v erytrocytoch. Substrátové pyrimidíny pre tento enzým sú uracil, tymín a orotát. Cytozín sa nepriamo recykluje z uridín-5'-monofosfátu.

Úloha v biosyntéze DNA

Počas replikácie DNA sa informácie obsiahnuté v DNA skopírujú do DNA pomocou DNA polymerázy.

Biosyntéza RNA vyžaduje deoxynukleotidtrifosfát (dNTP), konkrétne deoxytymidíntrifosfát (dTTP), deoxycytidíntrifosfát (dCTP), deoxyadeníntrifosfát (dATP) a deoxyguaníntrifosfát (dGTP). Reakcia je:

(DNA) _{n zvyšky} + dNTP -> (DNA) _{n + 1} zvyšok + PPi

Hydrolýza anorganického pyrofosforečnanu (PPi) poskytuje energiu pre biosyntézu RNA.

Úloha pri stabilizácii štruktúry DNA

V dvojzávitnici DNA je jednovláknový purín naviazaný na opačný reťazec pyrimidínu vodíkovými väzbami. Cytozín je teda vždy spojený s guanínom tromi vodíkovými väzbami: adenín je spojený s tymínom dvoma vodíkovými väzbami.

Vodíkové väzby sa prerušia, keď sa roztok čistenej natívnej DNA pri pH 7 vystaví teplotám nad 80 ° C. To spôsobí, že dvojitá špirála DNA vytvorí dva oddelené vlákna. Tento proces sa nazýva denaturácia.

Teplota, pri ktorej je denaturovaných 50% DNA, sa nazýva teplota topenia (Tm). Molekuly DNA, ktorých pomer guanínu a cytozínu je vyšší ako pomer tymínu a adenínu, majú vyššie hodnoty Tm ako tie, ktorých pomer báz je inverzný.

Vyššie opísaný predstavuje experimentálny dôkaz, že väčší počet vodíkových väzieb lepšie stabilizuje natívne molekuly DNA.

Funkcia oblastí bohatých na cytozín v DNA

Nedávno sa zistilo, že DNA z jadra ľudských buniek môže prijať štruktúry rozptýlených motívov (iM). Tieto štruktúry sa vyskytujú v oblastiach bohatých na cytozín.

IM štruktúra pozostáva zo štyroch vlákien DNA, na rozdiel od klasickej dvojreťazcovej DNA, ktorá má dva vlákna. Konkrétnejšie, dva paralelné duplexné reťazce sú rozptýlené v antiparalelnej orientácii a sú držané pohromade párom hemiprotonovaných cytozínov (C: C ⁺ ).

V ľudskom genóme sa štruktúry iM nachádzajú v oblastiach, ako sú promótory a teloméry. Počet štruktúr iM je vyšší počas fázy Gl / S bunkového cyklu, v ktorej je vysoká transkripcia. Tieto oblasti sú rozpoznávacími miestami proteínov zapojenými do aktivácie transkripčného aparátu.

Na druhej strane, v oblastiach bohatých na po sebe idúce páry guanínovej bázy (C) má DNA tendenciu prijímať tvar A-helixu za dehydratačných podmienok. Tento tvar je typický pre dvojité pásy RNA a DNA-RNA počas transkripcie a replikácie a v určitých časoch, keď je DNA naviazaná na proteíny.

Ukázalo sa, že po sebe nasledujúce bázové oblasti cytozínu vytvárajú elektropozitívnu náplasť v hlavnej rozštepu DNA. Predpokladá sa teda, že sa tieto oblasti viažu na proteíny, čo predisponuje určité genómové oblasti ku genetickej krehkosti.

Úloha v biosyntéze RNA

Počas transkripcie sa informácie obsiahnuté v DNA skopírujú do RNA pomocou RNA polymerázy. Biosyntéza RNA vyžaduje nukleozid trifosfát (NTP), konkrétne: cytidín trifosfát (CTP), uridín trifosfát (UTP), adenín trifosfát (ATP) a guanín trifosfát (GTP). Reakcia je:

(RNA) _{n zvyšky} + NTP -> (RNA) _{n + 1} zvyšok + PPi

Hydrolýza anorganického pyrofosforečnanu (PPi) poskytuje energiu pre biosyntézu RNA.

Úloha v biosyntéze glykoproteínu

Postupný prenos hexóz za vzniku oligosacharidov, naviazaných na proteíny, nastáva z nukleotidových prekurzorov.

U stavovcov posledný krok biosyntézy O-viazaných oligosacharidov spočíva v pridaní dvoch zvyškov kyseliny sialovej (N-acetylneuraminových) z prekurzora cytidín-5'-monofosfátu (CMP). Táto reakcia sa vyskytuje v trans Golgiho vaku.

Chemoterapeutické liečby cytozínu a rakoviny

Kyselina tetrahydrofolát (FH4) je zdrojom -CH ₃ skupín , a je nevyhnutná pre biosyntézu dTMP z skládku. Okrem toho sa vytvorí FH2. Redukcia FH2 na FH4 vyžaduje reduktázu kyseliny listovej a NADPH. Pri liečení rakoviny sa používajú niektoré inhibítory kyseliny listovej reduktázy, ako je aminopterín a metotrexát.

Metotrexan je konkurenčný inhibítor. Folátová reduktáza sa viaže so 100-krát väčšou afinitou k tomuto inhibítoru ako k svojmu substrátu. Aminopterín účinkuje podobným spôsobom.

Inhibícia folát reduktázy nepriamo brzdí biosyntézu dTMP, a teda aj dCTP. Priama inhibícia nastáva prostredníctvom inhibítorov enzýmu tymidylsyntetázy, ktorý katalyzuje dTMP z dUMP. Týmito inhibítormi sú 5-fluóruracil a 5-fluór-2-deoxyuridín.

Napríklad 5-fluóracyl sám o sebe nie je inhibítorom, ale najskôr sa v recyklačnej ceste premení na deoxyuridín mofosfát d (FdUMP), ktorý viaže a inhibuje tymidylát syntetázu.

Látky analogické glutamínu, azaserínu a acivicínu inhibujú glutamín amidotransferázu. Azarin bol jednou z prvých látok, ktoré sa objavili ako samovražedné inaktivátory.

Referencie

1. Assi, HA, Garavís, M., González, C. a Damha, MJ 2018. i-Motif DNA: štrukturálne vlastnosti a význam pre bunkovú biológiu. Nuclei Acids Research, 46: 8038-8056.
2. Bohinski, R. 1991. Biochemistry. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
3. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Redakcia Reverté, Barcelona.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Bunková a molekulárna biológia. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Mexiko, Sāo Paulo.
5. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Základy biochémie. WH Freeman, New York.
6. Voet, D. a Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.