Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В биохимии рибонуклеотид - это нуклеотид, содержащий рибозу в качестве пентозного компонента. Считается молекулярным предшественником нуклеиновых кислот . Нуклеотиды - это основные строительные блоки ДНК и РНК . Сам мономер из рибонуклеотидов образует основные строительные блоки РНК. Однако восстановление рибонуклеотида ферментом рибонуклеотидредуктазой (RNR) образует дезоксирибонуклеотид, который является важным строительным блоком для ДНК. [1]Есть несколько различий между дезоксирибонуклеотидами ДНК и рибонуклеотидами РНК. Последовательные нуклеотиды связаны между собой фосфодиэфирными связями 3'-5 '.

Рибонуклеотиды также используются в других клеточных функциях. Эти специальные мономеры используются как в регуляции клеток, так и в передаче клеточных сигналов, как показано в аденозинмонофосфате ( АМФ ). Кроме того, рибонуклеотиды могут быть преобразованы в аденозинтрифосфат ( АТФ ), энергетическую валюту организмов. Рибонуклеотиды могут быть преобразованы в циклический аденозинмонофосфат ( циклический АМФ ) для регулирования гормонов в организмах. [1] В живых организмах наиболее распространенными основаниями для рибонуклеотидов являются аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) или урацил (U). Азотистые основания подразделяются на два исходных соединения:пурин и пиримидин .

Общая структура рибонуклеотидов: фосфатная группа, рибоза, нуклеиновое основание.

Структура [ править ]

Общая структура [ править ]

Структура аденозин-5'-монофосфата (АМФ)
Структура гуанозин-5'-монофосфата (GMP)
Структура уридин-5'-монофосфата (UMP)
Структура цитидин-5'-монофосфата (CMP)

Общая структура рибонуклеотида состоит из фосфатной группы, сахарной группы рибозы и азотистого основания, в котором нуклеотидным основанием может быть аденин, гуанин, цитозин или урацил. Без фосфатной группы состав азотистых оснований и сахара известен как нуклеозид. Взаимозаменяемые азотистые азотистые основания являются производными двух исходных соединений, пурина и пиримидина. Нуклеотиды представляют собой гетероциклические соединения , то есть они содержат по крайней мере два различных химических элемента в качестве членов своих колец.

И РНК, и ДНК содержат два основных пуриновых основания, аденин (A) и гуанин (G), а также два основных пиримидина. И в ДНК, и в РНК одним из пиримдинов является цитозин (C). Однако ДНК и РНК различаются вторым основным пиримидином. ДНК содержит тимин (T), а РНК содержит урацил (U). В некоторых редких случаях тимин действительно присутствует в РНК, а урацил - в ДНК. [1]

Вот 4 основных рибонуклеотида (рибонуклеозид-5'-монофосфат), которые являются структурными единицами РНК.

НуклеотидСимволыНуклеозид
Аденилат (аденозин-5'-монофосфат)A, AMPАденозин
Гуанилат (гуанозин-5'-монофосфат)G, GMPГуанозин
Уридилат (уридин-5'-монофосфат)U, UMPУридин
Цитидилат (цитидин 5'-монофосфат)C, CMPЦитидин

Дезоксирибонуклеотиды ДНК против рибонуклеотидов РНК [ править ]

В рибонуклеотидах сахарный компонент представляет собой рибозу, а в дезоксирибонуклеотидах сахарный компонент представляет собой дезоксирибозу. Вместо гидроксильной группы у второго атома углерода в кольце рибозы она заменена атомом водорода. [2]

Оба типа пентоз в ДНК и РНК находятся в форме β-фуранозы (замкнутое пятичленное кольцо), и они определяют идентичность нуклеиновой кислоты. ДНК определяется содержанием нуклеиновой кислоты 2'-дезоксирибозы, в то время как РНК определяется содержанием нуклеиновой кислоты рибозы. [1]

В некоторых случаях ДНК и РНК могут содержать некоторые второстепенные основания. Метилированные формы основных оснований наиболее распространены в ДНК. В вирусной ДНК некоторые основания могут быть гидроксиметилированы или глюкозилированы. В РНК чаще встречаются минорные или модифицированные основания. Некоторые примеры включают гипоксантин, дигидроурацил, метилированные формы урацила, цитозина и гуанина, а также модифицированный нуклеозид псевдоуридин. [3] Также наблюдались нуклеотиды с фосфатными группами в положениях, отличных от 5 'углерода. Примеры включают рибонуклеозид 2 ', 3'-циклические монофосфаты, которые являются выделяемыми промежуточными продуктами, и рибонуклеозид 3'-монофосфаты, которые являются конечными продуктами гидролиза РНК определенными рибонуклеазами. Другие варианты включают аденозин 3 ', 5'-циклический монофосфат (цАМФ) и гуанозин 3', 5 '.-циклический монофосфат (цГМФ).[4]

Связывание последовательных нуклеотидов [ править ]

Рибонуклеотиды связаны вместе с образованием цепей РНК через фосфодиэфирные связи . 5'-фосфатная группа одного нуклеотида связана с 3'-гидроксильной группой следующего нуклеотида, создавая основу из чередующихся фосфатных и пентозных остатков. На каждом конце полинуклеотида нет фосфодиэфирной связи. [5] Фосфодиэфирные связи образуются между рибонуклеотидами ферментом РНК-полимеразой . Цепь РНК синтезируется от 5'-конца к 3'-концу, поскольку 3'-гидроксильная группа последнего рибонуклеотида в цепи действует как нуклеофил и запускает гидрофильную атаку на 5'-трифосфат входящего рибонуклеотида, высвобождая пирофосфат как побочный [6]товар. Благодаря физическим свойствам нуклеотидов основа РНК очень гидрофильна и полярна. При нейтральном pH нуклеиновые кислоты сильно заряжены, поскольку каждая фосфатная группа несет отрицательный заряд. [7]

И ДНК, и РНК построены из нуклеозид-фосфатов, также известных как мононуклеотидные мономеры, которые термодинамически менее склонны к объединению, чем аминокислоты. При гидролизе фосфодиэфирные связи выделяют значительное количество свободной энергии. Следовательно, нуклеиновые кислоты имеют тенденцию к спонтанному гидролизу до мононуклеотидов. Предшественниками РНК являются GTP, CTP, UTP и ATP, который является основным источником энергии в реакциях группового переноса. [8]

Функция [ править ]

Предшественники дезоксирибонуклеотидов [ править ]

Ученые считают, что РНК возникла раньше ДНК. [9]

Восстановление рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов катализируется рибонуклеотидредуктазой . Рибонуклеотидредуктаза (RNR) - важный фермент для всех живых организмов, поскольку он отвечает за последний этап синтеза четырех дезоксирибонуклеотидов (dNTP), необходимых для репликации и репарации ДНК. [10] Для реакции также требуются два других белка: тиоредоксин и тиоредоксинредуктаза . Рибонуклеозиддифосфат (NDP) восстанавливается тиоредоксином до дезоксирибонуклеозиддифосфата (dNTP).

Общая реакция: Рибонуклеозиддифосфат + НАДФН + H + -> Дезоксирибонуклеозиддифосфат + НАДФ + + H 2 O [11]

Чтобы проиллюстрировать это уравнение, dATP и dGTP синтезируются из ADP и GDP соответственно. Сначала они восстанавливаются RNR, а затем фосфорилируются нуклеозиддифосфаткиназами до dATP и dGTP. Рибонуклеотидредуктаза контролируется аллостерическими взаимодействиями. Как только дАТФ связывается с рибонуклеотидредуктазой, общая каталитическая активность фермента снижается, поскольку это означает обилие дезоксирибонуклеотидов. Это подавление обратной связи отменяется после связывания АТФ. [12]

Дискриминация рибонуклеотидов [ править ]

Во время синтеза ДНК ДНК-полимеразы должны селектировать против рибонуклеотидов, которые присутствуют на гораздо более высоких уровнях по сравнению с дезоксирибонуклеотидами. Крайне важно, чтобы была избирательность, поскольку репликация ДНК должна быть точной для поддержания генома организма. Было показано, что активные центры ДНК-полимераз Y-семейства ответственны за поддержание высокой селективности в отношении рибонуклеотидов. [13] Большинство ДНК-полимераз также оснащены таким образом, чтобы исключать рибонуклеотиды из их активного сайта через объемный остаток боковой цепи, который может стерически блокировать 2'-гидроксильную группу рибозного кольца. Однако многие ядерные репликативные и репарационные ДНК-полимеразы включают рибонуклеотиды в ДНК [14] [15], что позволяет предположить, что механизм исключения не идеален. [16]

Синтез [ править ]

Синтез рибонуклеотидов [ править ]

Рибонуклеотиды могут синтезироваться в организмах из более мелких молекул посредством пути de novo или рециркулироваться посредством пути спасения. В случае пути de novo и пурины, и пиримидины синтезируются из компонентов, полученных из предшественников аминокислот, рибозо-5-фосфатов, CO2 и NH3. [17] [18]

Синтез IMP. Цветовая гамма следующая: ферменты , коферменты , названия субстратов , ионы металлов , неорганические молекулы.
В биосинтетическом происхождении пуринового кольца атомов

N 1 возникает из амина группы Asp
С 2 и С 8 происходят из формиата
N 3 и N 9 , предоставлено амидной группой Gln
C 4 , C 5 и N 7 получают из Gly
C 6 происходит из HCO 3 - (CO 2 )

Биосинтез пуриновых нуклеотидов de novo довольно сложен и состоит из нескольких ферментативных реакций. Используя в качестве основы структуру сахара из пяти колец, пуриновое кольцо строится из нескольких атомов за один раз в одиннадцатиступенчатом процессе, который приводит к образованию инозината (IMP). По сути, IMP превращается в пуриновые нуклеотиды, необходимые для синтеза нуклеиновых кислот. [17]

Путь начинается с превращения рибозо-5-фосфата (R5P) в фосфорибозилпирофосфат (PRPP) ферментом рибозо-фосфатдифосфокиназой (PRPS1). PRPP затем превращается в 5-фосфорибозиламин (5-PRA), поскольку глутамин отдает аминогруппу C-1 PRPP. В реакции конденсации фермент GAR-синтетаза вместе с глицином и АТФ активирует группу глицинкарбоксилазы 5-PRA с образованием глицинамидрибонуклеотида (GAR). Коэнзим N10-формил-THF вместе с ферментом GAR трансформилазой затем отдает одноуглеродную единицу аминогруппе на глицин GAR с последующим добавлением глутамина ферментом FGAR амидотрансферазой, что приводит к образованию рибонуклеотида формилглицинамидина (FGAM ). Дегидратация FGAM ферментом FGAM циклазой приводит к замыканию имидазольного кольца, как 5-аминоимидазол-рибонуклеотид (AIR).Карбоксильная группа присоединяется к AIR с помощью N5-CAIR-синтетазы с образованием N5-карбоксаминоимидазол-рибонуклеотида (N5-CAIR), который затем превращается в карбоксамино-имидазол-рибонуклеотид (CAIR) с помощью фермента N5-CAIR-мутазы. Фермент SAICAR-синтетаза вместе с аминогруппой аспартата образует амидную связь с образованием N-сукцинил-5-аминоимидазал-4-карбоксамидрибонуклеотида (SAICAR). Продолжая этот путь, удаление углеродного скелета аспартата лиазой SAICAR приводит к 5-аминоимидазол-4-карбоксамид рибонуклеотиду (AICAR). Фермент AICAR трансформилаза способствует окончательному переносу углерода от N10-формилтетрагидрофолата, образуя N-формиламиноимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотид (FAICAR). Наконец, замыкание второй кольцевой структуры осуществляется IMP-синтазой с образованием IMP,где судьба IMP привела бы к образованию пуринового нуклеотида.[17]

Путь пиримидина де Ново

Синтез пиримидиновых нуклеотидов - гораздо более простой процесс. Образование пиримидинового кольца начинается с превращения аспартата в N-карбамоиласпартат в результате реакции конденсации с карбамоилфосфатом. Дигидрооротаза и дигидрооротаза дегидрогеназа затем превращают N-карбамоиласпартат в оротат. Оротат ковалентно связан с фосфорибозилпирофосфатом (PRPP) с помощью оротатфосфорибизол-трансферазы с образованием оротидинмонофосфата (OMP). OMP следует за декарбоксилированием оротидилатдекарбоксилазой с образованием рибонуклеотидной структуры уридилата (UMP). Затем UMP можно превратить в уридин-5'-трифосфат (UTP) посредством реакции двух киназ. Образование цитидин-5'-трифосфата (CTP) из UTP может быть достигнуто с помощью цитидилатсинтетазы с помощью промежуточного ацилфосфата. [17]

История [ править ]

Фебус Левен

До Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в эпохальной статье , которая подробно структуру ДНК из Розалинд Франклин «s рентгеновской кристаллографии изображения, было несколько исторических ученых , которые также внесли вклад в его открытие. [19] Фридрих Мишер , швейцарский врач, который в 1869 году первым выделил и идентифицировал нуклеиновую субстанцию ​​из ядер белых кровяных телец, которую он позже назвал «нуклеином», проложив путь к открытию ДНК. [20] Вслед за работой Мишера работал немецкий биохимик Альбрехт Коссель., который в 1878 году выделил небелковые компоненты «нуклеина» и открыл пять нуклеиновых оснований, присутствующих в нуклеиновых кислотах: аденин, цитозин, гуанин, тимин и урацил. [21] Хотя благодаря этим ранним открытиям были известны некоторые фундаментальные факты о нуклеиновых кислотах, их структура и функция оставались загадкой.

Только после открытия нуклеотидов в 1919 году Фебусом Левене , российско-литовским биохимиком, ворота открылись заново. Левен первым определил, что углеводный компонент, присутствующий в дрожжевой РНК, на самом деле был рибозой . Однако только после его открытия, что углеводный компонент в нуклеиновой кислоте тимуса также является сахаром, но не имеет одного атома кислорода, называемого дезоксирибозой , его открытие было широко оценено научным сообществом. В конце концов, Левен смог определить правильный порядок, в котором компоненты РНК и ДНК собраны вместе, фосфатно-сахарная основа, которую он позже назвал нуклеотидом.. Хотя Левен хорошо понимал порядок расположения нуклеотидных компонентов, структура расположения нуклеотидов в пространстве и ее генетический код все еще оставались загадкой в ​​первые годы его карьеры. [22]

См. Также [ править ]

  • Рибонуклеозиды или рибозиды

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Нельсон, Дэвид (2008). Принципы биохимии Ленингера . WH Freeman and Co., стр. 272–273.
  2. ^ Ньюсхолм, Эрик А .; Пиявка, Энтони Р .; Доска, Мэри (2008). Функциональная биохимия в здоровье и болезни: метаболическая регуляция в здоровье и болезни (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-471-98820-5.
  3. ^ Дас, Debajyoti (2010). Биохимия . Бимал Кумар Дхур из академических издателей.
  4. ^ Кокс, Майкл М .; Нельсон, Дэвид Л. (2008). Принципы биохимии . ISBN WH Freeman & Co. 978-1-4292-2263-1.
  5. Перейти ↑ Raymond, Kenneth W. (2010). Общая, органическая и биологическая химия: комплексный подход (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-470-55124-0.
  6. ^ Шехтер, Мозелио; Ледерберг, Джошуа, ред. (2004). Настольная энциклопедия микробиологии (1-е изд.). Амстердам: Elsevier Acad. Нажмите. ISBN 0-12-621361-5.
  7. ^ Тернер, Фил; и другие. (2005). Молекулярная биология . Мгновенные заметки (3-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC, Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-415-35167-7.
  8. ^ Нельсон, Дэвид (2008). Принципы биохимии Ленингера . WH Freeman and Co., стр. 274–275.
  9. ^ Чаухан, Ашок К .; Варма, Аджит, ред. (2009). Учебник молекулярной биотехнологии . Нью-Дели: Международный паб IK. Жилой дом. ISBN 978-93-80026-37-4.
  10. ^ Сендра Мдел, М; Хуарес, А; Торрентс, E (2012). «Биопленка изменяет экспрессию генов рибонуклеотидредуктазы в Escherichia coli» . PLOS ONE . 7 (9): e46350. Bibcode : 2012PLoSO ... 746350C . DOI : 10.1371 / journal.pone.0046350 . PMC 3458845 . PMID 23050019 .  
  11. ^ Кэмпбелл, Мэри К .; Фаррелл, Шон О. (2009). Биохимия (7-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Обучение Брукс / Коула Сенсэджа. ISBN 978-0-8400-6858-3.
  12. ^ Берг, Джереми М .; Тимочко, Джон Л .; Страйер, Люберт (2007). Биохимия (6-е изд., 3-е изд.). Нью-Йорк: Фриман. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  13. ^ Кевин Н. Кируак, Зукаи Суо, Хонг Линг, Кевин Н.; Суо, Зукаи; Линг, Хонг (1 апреля 2011 г.). «Структурный механизм дискриминации рибонуклеотидов ДНК-полимеразой Y-семейства». Журнал молекулярной биологии . 407 (3): 382–390. DOI : 10.1016 / j.jmb.2011.01.037 . PMID 21295588 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ Ник МакЭлхинни, SA; Кумар, Д; Кларк, AB; Ватт, DL; Вт, BE; Lundström, EB; Johansson, E; Чабес, А; Кункель, Т.А. (октябрь 2010 г.). «Нестабильность генома из-за включения рибонуклеотидов в ДНК» . Природа Химическая биология . 6 (10): 774–81. DOI : 10,1038 / nchembio.424 . PMC 2942972 . PMID 20729855 .  
  15. ^ Ник МакЭлхинни, SA; Вт, BE; Кумар, Д; Ватт, DL; Lundström, EB; Бургерс, PM; Johansson, E; Чабес, А; Кункель, Т.А. (16 марта 2010 г.). «Обильное включение рибонуклеотидов в ДНК дрожжевыми репликативными полимеразами» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (11): 4949–54. Bibcode : 2010PNAS..107.4949N . DOI : 10.1073 / pnas.0914857107 . PMC 2841928 . PMID 20194773 .  
  16. ^ Kasiviswanathan, R; Copeland, WC (9 сентября 2011 г.). «Дискриминация рибонуклеотидов и обратная транскрипция митохондриальной ДНК-полимеразой человека» . Журнал биологической химии . 286 (36): 31490–500. DOI : 10.1074 / jbc.M111.252460 . PMC 3173122 . PMID 21778232 .  
  17. ^ a b c d Нельсон, Дэвид (2008). Принципы биохимии Ленингера . WH Freeman and Co., стр. 881–894.
  18. Перейти ↑ Berg, JM (2002). Биохимия. Пуриновые основания могут быть синтезированы de Novo или переработаны с помощью Salvage Pathways . Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 25.2.
  19. ^ WATSON, JD; CRICK, FH (25 апреля 1953 г.). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы». Природа . 171 (4356): 737–8. Bibcode : 1953Natur.171..737W . DOI : 10.1038 / 171737a0 . PMID 13054692 . S2CID 4253007 .  
  20. ^ Dahm, R (январь 2008). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и первые годы исследований нуклеиновых кислот». Генетика человека . 122 (6): 565–81. DOI : 10.1007 / s00439-007-0433-0 . PMID 17901982 . S2CID 915930 .  
  21. ^ JONES, ME (сентябрь 1953). "Альбрехт Коссель, биографический очерк" . Йельский журнал биологии и медицины . 26 (1): 80–97. PMC 2599350 . PMID 13103145 .  
  22. ^ Левен, Феб (1919). Строение нуклеиновой кислоты дрожжей . Журнал биологической химии 40 (2). С. 415–24.