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

Uracil je typ pyrimidínová nukleobáze, nájdený v ribonukleovej kyseliny (RNA). Toto je jedna z charakteristík, ktoré odlišujú RNA od kyseliny deoxyribonukleovej (DNA), pretože táto obsahuje namiesto uracilu tymín. Obidve látky, uracil a tymín, sa líšia iba tým, že má metylovú skupinu.

Z evolučného hľadiska bolo navrhnuté, že RNA bola prvou molekulou, ktorá ukladala genetické informácie a fungovala ako katalyzátor v bunkách, pred DNA a enzýmami. Preto sa predpokladá, že uracil zohral pri vývoji života kľúčovú úlohu.

Zdroj: Kemikungen

V živých veciach sa uracil nenachádza vo voľnej forme, ale bežne tvorí nukleotidy monofosfát (UMP), difosfát (UDP) a trifosfát (UTP). Tieto uracilové nukleotidy majú rôzne funkcie, ako napríklad biosyntézu RNA a glykogénu, izomérnu vzájomnú premenu cukrov a reguláciu glutamín syntázy.

Štruktúra a vlastnosti

Uracil, tzv 2,4-dioxypyridine, má empirický vzorec C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ , ktorého molekulová hmotnosť je 112,09 g / mol, a čistený vo forme bieleho prášku.

Štruktúra uridínu je heterocyklický kruh so štyrmi atómami uhlíka a dvoma atómami dusíka, so striedajúcimi sa dvojitými väzbami. Je rovinná.

Má rozpustnosť 50 mg / ml pri 25 ° C v 1M hydroxidu sodnom a pKa medzi 7,9 a 8,2. Vlnová dĺžka kde jeho maximálnej absorbancie (ʎ _max sa vyskytuje) je medzi 258 a 260 nm.

biosyntéza

Existuje biosyntéza pyrimidínových nukleotidov (uracil a cytokín). Prvým krokom je biosyntéza karbamoylfosfátu z CO ₂ a NH ₄ ⁺ , ktorá je katalyzovaná syntetázy karbamoylfosfátu.

Pyrimidín je skonštruovaný z karboylfosfátu a aspartátu. Obidve látky reagujú a tvoria N-karbamoylaspartát, reakciu katalyzovanú aspartáttransaminoxylázou (ATCase). Uzatvorenie pyrimidínového kruhu je spôsobené dehydratáciou katalyzovanou dihydrootázou a vzniká L-dihydrorotát.

L-dihydrorotát je oxidovaný a konvertovaný na orotát; akceptor elektrónov je NAD ⁺ . Je to reakcia katalyzovaná dihydroorotát dehydrogenázou. Ďalší krok spočíva v prenose fosforibozylovej skupiny z fosforibozylpyrofosfátu (PRPP) na orotát. Tvorí orotidylát (OMP) a anorganický pyrofosfát (PPi), katalyzovaný orotátfosforibozyltransferázou.

Posledný krok spočíva v dekarboxylácii pyrimidínového kruhu orotidylátu (OMP). Tvorí uridylát (uridín-5'-monofosfát, UMP), ktorý je katalyzovaný dekarboxylázou.

Potom sa účasťou kinázy prevedie fosfátová skupina z ATP na UMP za vzniku UDP (uridín-5'-difosfát). Ten sa opakuje a vytvára UTP (uridín-5'-trifosfát).

Regulácia biosyntézy

U baktérií dochádza k regulácii biosyntézy pyrimidínu negatívnou spätnou väzbou na úrovni aspartát transcabamoylázy (ATCáza).

Tento enzým je inhibovaný CTP (cytidín-5'-trifosfát), ktorý je konečným produktom biosyntetickej dráhy pyrimidínu. ATCase má regulačné podjednotky, ktoré sa viažu na alosterický regulátor CTP.

U zvierat nastáva regulácia biosyntézy pyrimidínu negatívnou spätnou väzbou na úrovni dvoch enzýmov: 1) karbamoylfosfátsyntáza II, ktorá je inhibovaná UTP a aktivovaná ATP a PRPP; a 2) OMP dekarboxyláza, ktorá je inhibovaná produktom reakcie, ktorú katalyzuje, UMP. Miera biosyntézy OMP sa líši v závislosti od dostupnosti PRPP.

Úloha v biosyntéze RNA

Uracil je prítomný vo všetkých typoch RNA, ako je napríklad messengerová RNA (mRNA), prenosová RNA (tRNA) a ribozomálna RNA (rRNA). K biosyntéze týchto molekúl dochádza prostredníctvom procesu nazývaného transkripcia.

Počas transkripcie sa informácie obsiahnuté v DNA skopírujú do RNA pomocou RNA polymerázy. Reverzný proces, v ktorom sa informácie obsiahnuté v RNA skopírujú do DNA, sa vyskytuje u niektorých vírusov a rastlín prostredníctvom reverznej transkriptázy.

Biosyntéza RNA vyžaduje nukleozid trifosfát (NTP), konkrétne: uridín trifosfát (UTP), cytidín trifosfát (CTP), 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 cukrov

Estery cukru sú v živých organizmoch veľmi bežné. Niektoré z týchto esterov sú difosforečnany nukleozidových esterov, ako sú UDP-cukry, ktoré sú v bunkách veľmi bohaté. Cukry UDP sa podieľajú na biosyntéze disacharidov, oligosacharidov a polysacharidov.

V rastlinách sa biosyntéza sacharózy uskutočňuje dvoma cestami: primárnou a sekundárnou.

Hlavnou cestou je prenos D-glukózy z UDP-D-glukózy na D-fruktózu za vzniku sacharózy a UDP. Sekundárna cesta zahŕňa dva kroky: začína UDP-D-glukózou a fruktózou-6-fosfátom a končí tvorbou sacharózy a fosfátu.

V mliečnych žľazách dochádza k biosyntéze laktózy z UDP-D-galaktózy a glukózy.

V rastlinách sa biosyntéza celulózy uskutočňuje kontinuálnou kondenzáciou beta-D-glukozylových zvyškov z UDP-glukózy na neredukujúci koniec rastúceho polyglukózového reťazca. Podobne biosyntéza amylózy a amylopektínu vyžaduje UDP-glukózu ako substrát donora glukózy pre rastúci reťazec.

U zvierat sa na biosyntézu glykogénu používa UDP-glukóza aj ADP-glukóza. Podobne biosyntéza chondroitín sulfátu vyžaduje UDP-xylózu, UDP-galaktózu a UDP-glukuronát.

Úloha v izomérnej vzájomnej premene cukrov

K premene galaktózy na medziprodukt glykolýzy dochádza cestou Leloiru. Jeden z krokov v tejto ceste je katalyzovaný enzýmom UDP-galaktóza-4-epimeráza, ktorý uľahčuje vzájomnú premenu UDP-galaktózy na UDP-glukózu.

Úloha v biosyntéze glykoproteínu

Počas biosyntézy glykoproteínu proteíny prechádzajú cis, strednými a trans-vakmi Golgiho aparátu.

Každá z týchto vakov má sadu enzýmov, ktoré spracúvajú glykoproteíny. K oligosacharidu proteínu z UDP-hexózy a iných nukleotidov-hexózy sa pridávajú cukrové monoméry, ako je glukóza a galaktóza.

Hexózové nukleotidy sa transportujú do Golgiho cisterien pomocou antiportu. UDP-galaktóza (UDP-Gal) a UDP-N-acetylgalaktozamín (UDP-GalNAc) vstupujú do cisterien z cytosolu výmenou za UMP.

V Golgiho nádrži fosfatáza hydrolyzuje fosfátovú skupinu na UDP a tvorí UMP a Pi. UDP pochádza z reakcií katalyzovaných galaktozyltransferázou a N-acetylgalaktozamyltransferázou. UMP tvorená fosfatázou slúži na výmenu nukleotid-hexóza.

Úloha pri regulácii glutamín syntázy

Regulačným mechanizmom glutamín syntázy je kovalentná modifikácia, ktorá pozostáva z adenylácie, ktorá ju inaktivuje a dedenylácie, ktorá ju aktivuje. Táto kovalentná modifikácia je reverzibilná a katalyzovaná adenyltransferázou.

Aktivita adenyltransferázy je modulovaná väzbou proteínu PII, ktorý je regulovaný kovalentnou modifikáciou, uridinyláciou.

Uridylácia aj deuridylácia sa uskutočňujú pomocou uridylyltransferázy. V tomto enzýme je uridylačná aktivita spôsobená glutamínom a fosfátom a je aktivovaná väzbou alfa-ketoglutarátu a ATP na PII.

Úloha pri úprave RNA

Niektoré mRNA sa pred prekladom upravujú. V niektorých eukaryotických organizmoch, ako je Trypanosoma brucei, dochádza k úprave RNA transkriptu génu podjednotky II cytochrómovej oxidázy. Stáva sa to prostredníctvom inzercie zvyškov uracilu, čo je reakcia katalyzovaná terminálnou uridyltransferázou.

Sprievodná RNA, doplnková k upravenému produktu, slúži ako šablóna pre proces úprav. Páry báz tvorené medzi počiatočným transkriptom a vodiacou RNA zahŕňajú páry párov báz G = U, ktoré nie sú Watson-Crick a sú bežné v RNA.

Biosyntéza UDP-glukózy

Za fyziologických podmienok je biosyntéza glykogénu z glukózy-1-fosfátu termodynamicky nemožná (AG pozitívna). Z tohto dôvodu dochádza pred biosyntézou k aktivácii glukóza-1-fosfátu (G1P). Táto reakcia kombinuje G1P a UTP za vzniku uridín difosfát glukózy (UDP-glukóza alebo UDPG).

Reakcia je katalyzovaná UDP-glukóza-pyrofosforylázou a je nasledovná:

G1P + UTP -> UDP-glukóza + 2Pi.

Variácia voľnej energie podľa Gibbs v tomto kroku je veľká a negatívna (-33,5 KJ / mol). Počas reakcie na kyslík G1P atakuje atóm alfa fosforu UTP a vytvára UDP-glukózu a anorganický pyrofosfát (PPi). Ďalej je PPi hydrolyzovaná anorganickou pyrofosfatázou, ktorej hydrolýza je hnacou silou všeobecnej reakcie.

UDP-glukóza je „vysoko energetická“ látka. Umožňuje vytvárať glykozidické väzby medzi glukózovým zvyškom a rastúcim polysacharidovým reťazcom. Rovnaký energetický princíp je aplikovateľný na reakcie, na ktorých sa zúčastňujú UDP-cukry, ako je biosyntéza disacharidov, oligosacharidov a glykoproteínov.

Uracil DNA glykozyláza

Existujú lézie DNA, ktoré sa vyskytujú spontánne. Jednou z týchto lézií je spontánna deaminácia cytokínu a jeho následná premena na uracil. V tomto prípade sa oprava uskutočňuje odstránením modifikovanej bázy z DNA enzýmom nazývaným uracil DNA glykozyláza.

Enzym uracil DNA glykozyláza odstraňuje poškodený cytokín (uracil) a vytvára deoxyribózový zvyšok, ktorý nemá dusíkatú bázu, nazývaný AP miesto (apurínovo-apyrimidínové miesto).

Enzým endonukleáza AP potom prechádza cez fosfodiesterovú kostru AP miesta a odstraňuje zvyšok cukru a fosfátu. DNA polymeráza I obnovuje poškodené vlákno.

Referencie

1. Bohinski, R. 1991. Biochemistry. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
2. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Redakcia Reverté, Barcelona.
3. 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.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Základy biochémie. WH Freeman, New York.
5. Voet, D. a Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.