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

В урацил е вид пиримидин нуклеобаза, намерено в рибонуклеинова киселина (РНК). Това е една от характеристиките, които отличават РНК от дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК), тъй като последната има тимин вместо урацил. И двете вещества, урацил и тимин, се различават само по това, че последният има метилова група.

От еволюционна гледна точка беше предложено, че РНК е първата молекула, която съхранява генетична информация и функционира като катализатор в клетките, преди ДНК и ензими. Поради това се смята, че урацилът е играл ключова роля в еволюцията на живота.

Източник: Кемикунген

В живите същества урацил не се намира в свободната форма, но обикновено образува нуклеотиди монофосфат (UMP), дифосфат (UDP) и трифосфат (UTP). Тези урацилови нуклеотиди имат различни функции като биосинтеза на РНК и гликоген, изомерна взаимовръзка на захари и регулиране на глутамин синтаза.

Структура и свойства

Урацил, наречен 2,4-dioxypyridine, има емпирична формула C ₄ H ₄ N ₂ O ₂, чието молекулно тегло е 112.09 гр / мол, и се пречиства като бял прах.

Структурата на уридин е хетероцикличен пръстен с четири въглеродни атома и два азотни атома, с редуващи се двойни връзки. Той е планов.

Той има разтворимост 50mg / ml, при 25 ° С, в 1М натриев хидроксид и рКа между 7.9 и 8.2. Дължината на вълната, при която се среща нейната максимална абсорбция (ʎ _max), е между 258 и 260 nm.

Биосинтеза

Има общ път за биосинтеза на пиримидин нуклеотид (урацил и цитокин). Първата стъпка е биосинтезата на карбамоил фосфат от СО ₂ и NH ₄ ⁺, която се катализира от карбамоил фосфат синтетаза.

Пиримидинът е изграден от карбоил фосфат и аспартат. И двете вещества реагират и образуват N-карбамоиласпартат, реакция, катализирана от аспартат транскабамоилаза (ATCase). Затварянето на пиримидиновия пръстен се причинява от дехидратация, катализирана от дихидроотаза и произвежда L-дихидроротат.

L-дихидроротатът се окислява и се превръща в оротат; акцепторът на електрон е NAD ⁺. Това е реакция, катализирана от дихидроорат дехидрогеназа. Следващият етап се състои в прехвърлянето на фосфорибозилната група от фосфорибозил пирофосфат (PRPP) към орота. Образува оротидилат (OMP) и неорганичен пирофосфат (PPi), катализиран от оротат фосфорибозил трансфераза.

Последният етап се състои в декарбоксилиране на пиримидиновия пръстен на оротидилата (OMP). Образува уридилат (уридин-5'-монофосфат, UMP), който се катализира от декарбоксилаза.

След това, чрез участието на киназа, фосфатна група се прехвърля от АТФ до UMP, образувайки UDP (уридин-5'-дифосфат). Последното се повтаря, образувайки UTP (уридин-5'-трифосфат).

Регулация на биосинтеза

При бактериите регулацията на биосинтезата на пиримидин се осъществява чрез отрицателна обратна връзка, на нивото на аспартат транскабамойлаза (АТКАза).

Този ензим се инхибира от CTP (цитидин-5'-трифосфат), който е краен продукт на биосинтетичния път на пиримидин. ATCase притежава регулаторни субединици, които се свързват към алостеричния регулатор CTP.

При животните регулирането на биосинтезата на пиримидин става чрез отрицателна обратна връзка, на нивото на два ензима: 1) карбамоилфосфатна синтаза II, която се инхибира от UTP и се активира от ATP и PRPP; и 2) OMP декарбоксилаза, която се инхибира от продукта на реакцията, която катализира, UMP. Скоростта на биосинтеза на OMP варира в зависимост от наличието на PRPP.

Роля в биосинтезата на РНК

Урацил присъства във всички видове РНК, като пратена РНК (тРНК), трансферна РНК (тРНК) и рибозомна РНК (рРНК). Биосинтезата на тези молекули става чрез процес, наречен транскрипция.

По време на транскрипцията информацията, съдържаща се в ДНК, се копира в РНК от РНК полимераза. Обратният процес, при който информацията, съдържаща се в РНК, се копира в ДНК, протича при някои вируси и растения чрез обратна транскриптаза.

Биосинтезата на РНК изисква нуклеозид трифосфат (NTP), а именно: уридин трифосфат (UTP), цитидин трифосфат (CTP), 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 захарите

Захарните естери са много често срещани в живите организми. Някои от тези естери са нуклеозидни естерни дифосфати, като UDP-захари, които са много изобилни в клетките. UDP-захарите участват в биосинтезата на дизахариди, олигозахариди и полизахариди.

При растенията биосинтезата на захарозата протича по два пътя: първичен и вторичен път.

Основният път е прехвърлянето на D-глюкоза от UDP-D-глюкоза към D-фруктоза до образуване на захароза и UDP. Вторичният път включва два етапа: започва с UDP-D-глюкоза и фруктоза-6-фосфат и завършва с образуването на захароза и фосфат.

В млечните жлези биосинтезата на лактозата се осъществява от UDP-D-галактоза и глюкоза.

В растенията биосинтезата на целулозата се осъществява чрез непрекъсната кондензация на бета-D-глюкозилови остатъци, от UDP-глюкоза до нередуциращ край на нарастващата полиглюкозна верига. По подобен начин биосинтезата на амилоза и амилопектин изисква UDP-глюкоза като субстрат на донора на глюкоза към растящата верига.

При животни и UDP-глюкозата, и ADP-глюкозата се използват за биосинтеза на гликоген. По подобен начин, биосинтезата на хондроитин сулфат изисква UDP-ксилоза, UDP-галактоза и UDP-глюкуронат.

Роля в изомерното взаимовръщане на захарите

Превръщането на галактоза в междинно съединение на гликолиза става по пътя на Leloir. Една от стъпките по този път се катализира от ензима UDP-галактоза-4-епимераза, който улеснява взаимовръзката на UDP-галактоза в UDP-глюкоза.

Роля в биосинтезата на гликопротеин

По време на биосинтезата на гликопротеин протеините преминават през цис, среден и трансакции на апарата Голджи.

Всеки от тези торбички има набор от ензими, които обработват гликопротеини. Мономерите на захарта, като глюкоза и галактоза, се добавят към олигозахарида на протеина от UDP-хексоза и други нуклеотиди-хексоза.

Хексозните нуклеотиди се транспортират до цистерните Голджи чрез антипорт. UDP-галактоза (UDP-Gal) и UDP-N-ацетилгалактозамин (UDP-GalNAc) влизат в казанчетата от цитозола чрез замяна на UMP.

В казанчето Голджи фосфатазата хидролизира фосфатна група върху UDP и образува UMP и Pi. UDP идва от реакциите, катализирани от галактозилтрансфераза и N-ацетилгалактозамилтрансфераза. UMP, образувана от фосфатаза, служи за обмен на нуклеотид-хексоза.

Роля в регулирането на глутамин синтазата

Регулаторен механизъм на глутамин синтазата е ковалентна модификация, която се състои от аденилиране, което го инактивира, и деденилиране, което го активира. Тази ковалентна модификация е обратима и катализирана от аденилтрансфераза.

Аденилтрансферазната активност се модулира от свързването на PII протеина, който се регулира от ковалентна модификация, уридинилация.

Както уридилацията, така и деуридилацията се осъществяват чрез уридиллтрансфераза. В този ензим активността на уридилация се дължи на глутамин и фосфат и се активира чрез свързването на алфа-кетоглутарат и АТФ към PII.

Роля в редактирането на РНК

Някои мРНК се редактират преди превод. В някои еукариотични организми, като Trypanosoma brucei, има редактиране на РНК на транскрипта на гена на субединицата на цитохром оксидаза II. Това се случва чрез вмъкване на остатъци от урацил, реакция, катализирана от крайната уридилтрансфераза.

Ръководство РНК, допълващо редактирания продукт, действа като шаблон за процеса на редактиране. Базовите двойки, образувани между началния транскрипт и водещата РНК, предполага G = U базови двойки, които не са Уотсън-Крик и са често срещани в РНК.

Биосинтеза на UDP-глюкоза

При физиологични условия биосинтезата на гликоген от глюкозо-1-фосфат е термодинамично невъзможна (ΔG положителен). Поради това, преди биосинтеза, се активира глюкозо-1-фосфат (G1P). Тази реакция комбинира G1P и UTP за образуване на уридин дифосфатна глюкоза (UDP-глюкоза или UDPG).

Реакцията се катализира от UDP-глюкозна пирофосфорилаза и е както следва:

G1P + UTP -> UDP-глюкоза + 2Pi.

Вариантът на свободната енергия на Gibbs в този етап е голям и отрицателен (-33,5 KJ / mol). По време на реакцията на кислород G1P атакува алфа-фосфорния атом на UTP и образува UDP-глюкоза и неорганичен пирофосфат (PPi). На следващо място, PPi се хидролизира от неорганична пирофосфатаза, чиято енергия на хидролиза е това, което задвижва общата реакция.

UDP-глюкозата е "високо енергийно" вещество. Той позволява да се образуват гликозидните връзки между глюкозния остатък и нарастващата полизахаридна верига. Същият този енергичен принцип е приложим за реакции, в които участват UDP-захари, като биосинтеза на дизахариди, олигозахариди и гликопротеини.

Урацилова ДНК гликозилаза

Има ДНК лезии, които възникват спонтанно. Една от тези лезии е спонтанното деаминиране на цитокина и последващото му превръщане в урацил. В този случай ремонтът се извършва чрез отстраняване на модифицираната основа от ДНК чрез ензим, наречен урацилова ДНК гликозилаза.

Ензимът урацилова ДНК гликозилаза отстранява увредения цитокин (урацил), като произвежда дезоксирибозен остатък, който няма азотна основа, наречен АР сайт (апуриново-апиримидинов сайт).

Ензимът AP ендонуклеаза след това прерязва фосфодиестера в зоната на АР, отстранявайки захарно-фосфатния остатък. ДНК полимераза I възстановява увредената жилка.

Препратки

1. Бохински, Р. 1991. Биохимия. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
2. Devlin, TM 2000. Биохимия. Редакционно Реверте, Барселона.
3. 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.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Принципи на биохимията. WH Freeman, Ню Йорк.
5. Voet, D. и Voet, J. 2004. Биохимия. Джон Уайли и синове, САЩ.