ЦИТОЗИН: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, СВОЙСТВА, СИНТЕЗ - БИОЛОГИЯ - 2025

В цитозин е вид пиримидин нуклеобаза, служи за биосинтезата на цитидин-5'-монофосфат и деоксицитидин 5'-монофосфат. Тези съединения служат за биосинтеза, съответно на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК). ДНК съхранява генетична информация и РНК има различни функции.

В живите същества цитозинът не се намира свободен, но обикновено образува рибонуклеотиди или дезоксирибонуклеотиди. И двата типа съединение имат фосфатна група, рибоза и азотна основа.

Източник: Vesprcom

Въглеродът 2 на рибозата има хидроксилна група (-ОН) в рибонуклеотиди и водороден атом (-Н) в дезоксирибонуклеотиди. В зависимост от броя на присъстващите фосфатни групи, има цитидин-5'-монофосфат (CMP), цитидин-5'-дифосфат (CDP) и цитидин-5'-трифосфат (CTP).

Деоксигенираните еквиваленти се наричат ​​дезоксицитидин-5'-монофосфат (dCMP), дезоксицитидин-5'-дифосфат (dCDP) и деоксицитидин-5'-трифосфат (dCTP).

Цитозинът в различните си форми участва в различни функции като биосинтеза на ДНК и РНК, биосинтеза на гликопротеин и регулирането на генната експресия.

Структура и свойства

Цитозин, 4-амино-2-хидроксипиримидин, има емпирична формула C ₄ H ₅ N ₃ О, чието молекулно тегло е 111.10 грама / мол, и се пречиства като бял прах.

Структурата на цитозина е плосък ароматен хетероцикличен пръстен. Дължината на вълната с максимална абсорбция (ʎ _max) е 260 nm. Температурата на топене на цитозин надвишава 300 ° С.

За да се образува нуклеотид, цитозинът е ковалентно свързан, чрез азот 1, чрез N-бета-гликозидна връзка към 1 'въглерод на рибоза. 5 'въглеродът се естерифицира с фосфатна група.

Биосинтеза

Нуклеотидната биосинтеза на пиримидини има общ път, състоящ се от шест етапа, катализирани от ензими. Пътят започва с биосинтеза на карбамоил фосфат. В прокариотите има само един ензим: карбамоилфосфатна синтаза. Това е отговорно за синтеза на пиримидини и глутамин. В еукариотите има карбамоил фосфат синтаза I и II, които съответно са отговорни за биосинтезата на глутамин и пиримидини.

Вторият етап се състои в образуването на N-карбамоиласпартат от карбоилфосфат и аспартат, реакция, катализирана от аспартат транскабамоилаза (АТКАза).

Третата стъпка е синтеза на L-дихидроротат, който причинява затварянето на пиримидиновия пръстен. Този етап се катализира от дихидроотазата.

Четвъртият етап е образуването на оротат, който е редокс-реакция, катализирана от дихидроорат дехидрогеназа.

Петият етап се състои в образуването на оротидилат (OMP), използвайки фосфорибозил пирофосфат (PRPP) като субстрат, и оротат фосфорибозил трансфераза като катализатор.

Шестият етап е образуването на уридилат (уридин-5'-монофосфат, UMP), реакция, катализирана от OMP-декарбоксилаза.

Следващите етапи се състоят от катализирана от киназа фосфорилиране на UMP до образуване на UTP и прехвърляне на амино група от глутамин към UTP до образуване на CTP, реакция, катализирана от CTP синтетаза.

Регулация на биосинтеза

При бозайниците регулирането се осъществява на нивото на карбамоилфосфат синтаза II, ензим, намиращ се в цитозола, докато карбамоилфосфат синтазата I е митохондриална.

Карбамоилфосфат синтазата II се регулира от отрицателна обратна връзка. Неговите регулатори, UTP и PRPP, съответно са инхибитор и активатор на този ензим.

В не-чернодробните тъкани карбамоилфосфат синтаза II е единственият източник на карбамоилфосфат. Докато е в черния дроб, при условия на излишък от амоняк, карбамоил фосфат синтаза I произвежда, в митохондриите карбамоил фосфат, който се транспортира до цитозола, откъдето той навлиза в пътя на биосинтеза на пиримидин.

Друга точка на регулиране е OMP-декарбоксилазата, която се регулира чрез конкурентно инхибиране. Неговият реакционен продукт, UMP, се конкурира с OMP за мястото на свързване на OMP-декарбоксилаза.

Пиримидини, като цитозин, се рециклират

Рециклирането на пиримидини има функцията да използва повторно пиримидините без необходимост от биосинтеза de novo и да избягва пътя на разграждането. Реакцията на рециклиране се катализира от пиримимидин фосфорибозилтрансфераза. Общата реакция е следната:

Пиримидин + PRPP -> пиримидин нуклеозид 5'-монофосфат + PPi

В гръбначните животни пиримимидин фосфорибозилтрансфераза се намира в еритроцитите. Субстратните пиримидини за този ензим са урацил, тимин и оротат. Цитозинът се рециклира индиректно от уридин-5'-монофосфат.

Роля в биосинтезата на ДНК

По време на репликацията на ДНК информацията, съдържаща се в ДНК, се копира в ДНК чрез ДНК полимераза.

РНК биосинтезата изисква дезоксинуклеотид трифосфат (dNTP), а именно: дезокситимидин трифосфат (dTTP), дезоксицитидин трифосфат (dCTP), дезоксиаденин трифосфат (dATP) и дезоксигуанин трифосфат (dGTP). Реакцията е:

(DNA) _{n остатъци} + dNTP -> (DNA) _{n + 1} остатък + PPi

Хидролизата на неорганичен пирофосфат (PPi) осигурява енергията за биосинтеза на РНК.

Роля в стабилизирането на структурата на ДНК

В ДНК двойната спирала едноверижен пурин е свързан с пиримидин с противоположна верига чрез водородни връзки. По този начин цитозинът винаги е свързан с гуанин чрез три водородни връзки: аденинът е свързан с тимина с две водородни връзки.

Водородните връзки се разрушават, когато разтвор от пречистена естествена ДНК при рН 7 се подлага на температури над 80 ° С. Това причинява ДНК двойната спирала да образува две отделни нишки. Този процес е известен като денатурация.

Температурата, при която се денатурира 50% от ДНК, е известна като температура на топене (Tm). ДНК молекулите, чието съотношение на гуанин и цитозин е по-високо от това на тимин и аденин, имат по-високи стойности на Tm от тези, чието базово съотношение е обратно.

Описаното по-горе представлява експерименталното доказателство, че по-голям брой водородни връзки по-добре стабилизират естествените молекули на ДНК.

Функция на богати на цитозин региони в ДНК

Наскоро беше установено, че ДНК от ядрото на човешките клетки може да възприеме структури с мотив (iM). Тези структури се срещат в райони, богати на цитозин.

IM структурата се състои от четири нишки на ДНК, за разлика от класическата двуверижна ДНК, която има две нишки. По-конкретно, две паралелни дуплексни вериги са взаимосвързани в антипаралелна ориентация и се държат заедно от двойка хемипротонирани цитозини (С: С ⁺).

В човешкия геном iM структурите се намират в региони като промотори и теломери. Броят на iM структурите е по-голям по време на фазата G1 / S на клетъчния цикъл, в която транскрипцията е висока. Тези региони са места за разпознаване на протеини, участващи в активирането на транскрипционната машина.

От друга страна, в регионите, богати на последователни двойки гуанинови основи (С), ДНК има тенденция да приеме A-спирална форма при дехидратиращи условия. Тази форма е типична за двойни ленти на РНК и ДНК-РНК по време на транскрипция и репликация и в определени моменти, когато ДНК се свързва с протеини.

Показано е, че последователните базови участъци на цитозин създават електропозитивен пластир в основната цепка на ДНК. По този начин се смята, че тези региони се свързват с протеини, предразполагайки определени геномни региони към генетична чупливост.

Роля в биосинтезата на РНК

По време на транскрипцията информацията, съдържаща се в ДНК, се копира в РНК от РНК полимераза. РНК биосинтезата изисква нуклеозид трифосфат (NTP), а именно: цитидин трифосфат (CTP), уридин трифосфат (UTP), аденин трифосфат (ATP) и гуанин трифосфат (GTP). Реакцията е:

(RNA) _{n остатъци} + NTP -> (RNA) _{n + 1} остатък + PPi

Хидролизата на неорганичен пирофосфат (PPi) осигурява енергията за биосинтеза на РНК.

Роля в биосинтезата на гликопротеин

Последователният трансфер на хексози за образуване на олигозахариди, О-свързани с протеини, се осъществява от нуклеотидни прекурсори.

При гръбначните животни последният етап от Осигозахаридната свързана биосинтеза се състои в добавяне на два остатъка от сиалова киселина (N-ацетилневраминова) от прекурсор на цитидин-5'-монофосфат (CMP). Тази реакция се проявява в транс-Голги сак.

Цитозин и ракови химиотерапевтични лечения

Тетрахидрофолагът киселина (FH4) е източник на -CH ₃ групи, и е необходим за биосинтезата на dTMP от сметището. Освен това се образува FH2. Намаляването на FH2 до FH4 изисква редуктаза на фолат и NADPH. Някои инхибитори на фолат редуктазата, като аминоптерин и метотрексат, се използват при лечение на рак.

Метотрексан е конкурентен инхибитор. Фолат редуктазата се свързва със 100 пъти повече афинитет към този инхибитор, отколкото към неговия субстрат. Аминоптеринът действа по подобен начин.

Инхибирането на фолат редуктазата индиректно възпрепятства биосинтезата на dTMP и следователно тази на dCTP. Директното инхибиране се осъществява от инхибиторите на ензима тимидилат синтетаза, който катализира dTMP от dUMP. Тези инхибитори са 5-флуорурацил и 5-флуоро-2-дезоксиуридин.

Например, 5-флуороацилът сам по себе си не е инхибитор, но първо се преобразува по пътя на рециклирането до дезоксиуридин мофосфат d (FdUMP), който се свързва и инхибира тимидилатната синтетаза.

Глутаминоподобните вещества, азасерин и ацивицин, инхибират глутамин амидотрансферазата. Азарин беше едно от първите вещества, открити, че действат като самоубийствен инактиватор.

Препратки

1. Assi, HA, Garavís, M., González, C. и Damha, MJ 2018. i-Motif DNA: структурни особености и значение за клетъчната биология. Изследване на нуклеиновите киселини, 46: 8038-8056.
2. Бохински, Р. 1991. Биохимия. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
3. Devlin, TM 2000. Биохимия. Редакционно Реверте, Барселона.
4. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Клетъчна и молекулярна биология. Редакция Медика Панамерикана, Буенос Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексико, Сао Пауло.
5. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Принципи на биохимията. WH Freeman, Ню Йорк.
6. Voet, D. и Voet, J. 2004. Биохимия. Джон Уайли и синове, САЩ.