CYTOSIN: STRUKTURA, FUNKCE, VLASTNOSTI, SYNTÉZA - BIOLOGIE - 2025

Cytosin je typ pyrimidinové nukleobáze, sloužící pro biosyntézu cytidin-5'-monofosfátu a deoxycytidinu 5'-monofosfátu. Tyto sloučeniny slouží pro biosyntézu deoxyribonukleové kyseliny (DNA) a ribonukleové kyseliny (RNA). DNA ukládá genetické informace a RNA má různé funkce.

V živých věcech není cytosin nalezen volný, ale obvykle tvoří ribonukleotidy nebo deoxyribonukleotidy. Oba typy sloučenin mají fosfátovou skupinu, ribózu a dusíkovou bázi.

Zdroj: Vesprcom

Uhlík 2 ribózy má hydroxylovou skupinu (-OH) v ribonukleotidech a atom vodíku (-H) v deoxyribonukleotidech. V závislosti na počtu přítomných fosfátových skupin existuje cytidin-5'-monofosfát (CMP), cytidin-5'-difosfát (CDP) a cytidin-5'-trifosfát (CTP).

Deoxygenované ekvivalenty se nazývají deoxycytidin-5'-monofosfát (dCMP), deoxycytidin-5'-difosfát (dCDP) a deoxycytidin-5'-trifosfát (dCTP).

Cytosin se ve svých různých formách podílí na různých funkcích, jako je biosyntéza DNA a RNA, biosyntéza glykoproteinů a regulace genové exprese.

Struktura a vlastnosti

Cytosin, 4-amino-2-hydroxypyrimidin, má empirický vzorec C ₄ H ₅ N ₃ O, jehož molekulová hmotnost je 111,10 g / mol, a čištěn ve formě bílého prášku.

Struktura cytosinu je rovinný aromatický heterocyklický kruh. Vlnová délka maximální absorbance (ʎ _max) je 260 nm. Teplota tání cytosinu přesahuje 300 ° C.

Pro vytvoření nukleotidu je cytosin kovalentně vázán dusíkem 1 prostřednictvím N-beta-glykosidické vazby k 1 'uhlíku ribózy. 5 'uhlík je esterifikován fosfátovou skupinou.

Biosyntéza

Nukleotidová biosyntéza pyrimidinů má společnou cestu, sestávající ze šesti enzymaticky katalyzovaných kroků. Cesta začíná biosyntézou karbamoylfosfátu. V prokaryotech je pouze jeden enzym: karbamoylfosfát syntáza. To je zodpovědné za syntézu pyrimidinů a glutaminu. V eukaryotech jsou karbamoylfosfát syntáza I a II, které jsou zodpovědné za biosyntézu glutaminu a pyrimidinů.

Druhý krok spočívá v tvorbě N-karbamoylaspartátu z karboylfosfátu a aspartátu, což je reakce katalyzovaná aspartáttransamamoylázou (ATCase).

Třetím krokem je syntéza L-dihydrorotátu, která způsobuje uzavření pyrimidinového kruhu. Tento krok je katalyzován dihydrootázou.

Čtvrtým krokem je tvorba orotátu, což je redoxní reakce katalyzovaná dihydroorotát dehydrogenázou.

Pátý krok spočívá v tvorbě orotidylátu (OMP) s použitím fosforibosylpyrofosfátu (PRPP) jako substrátu a orotát fosforibosyltransferázy jako katalyzátoru.

Šestým krokem je tvorba uridylátu (uridin-5'-monofosfát, UMP), reakce katalyzovaná OMP-dekarboxylázou.

Další kroky sestávají z fosforylace UMP, katalyzované kinázami, za vzniku UTP, a přenosu aminoskupiny z glutaminu na UTP za vzniku CTP, což je reakce katalyzovaná CTP syntetázou.

Regulace biosyntézy

U savců dochází k regulaci na úrovni karbamoylfosfát syntázy II, enzymu nalezeného v cytosolu, zatímco karbamoylfosfát syntáza I je mitochondriální.

Karbamoylfosfát syntáza II je regulována negativní zpětnou vazbou. Jeho regulátory, UTP a PRPP, jsou inhibitorem a aktivátorem tohoto enzymu.

V jaterních tkáních je karbamoylfosfát syntáza II jediným zdrojem karbamoylfosfátu. Zatímco v játrech, za podmínek přebytku amoniaku, produkuje karbamoylfosfát syntáza I v mitochondriích karbamoylfosfát, který je transportován do cytosolu, odkud vstupuje do biosyntetické dráhy pyrimidinu.

Dalším bodem regulace je OMP-dekarboxyláza, která je regulována kompetitivní inhibicí. Jeho reakční produkt, UMP, soutěží s OMP o vazebné místo na OMP-dekarboxyláze.

Pyrimidiny, jako je cytosin, jsou recyklovány

Recyklace pyrimidinů má funkci opětovného použití pyrimidinů bez nutnosti nové biosyntézy a vyhýbání se degradační cestě. Recyklační reakce je katalyzována pyrimimidin-fosforibosyltransferázou. Obecná reakce je následující:

Pyrimidin + PRPP -> pyrimidin nukleosid 5'-monofosfát + PPi

U obratlovců se pyrimimidinfosforibosyltransferáza nachází v erytrocytech. Substrátovými pyrimidiny pro tento enzym jsou uracil, thymin a orotát. Cytosin se nepřímo recykluje z uridin-5'-monofosfátu.

Úloha v biosyntéze DNA

Během replikace DNA se informace obsažené v DNA zkopírují do DNA pomocí DNA polymerázy.

Biosyntéza RNA vyžaduje deoxynukleotidtrifosfát (dNTP), konkrétně: deoxythymidintrifosfát (dTTP), deoxycytidintrifosfát (dCTP), deoxyadenintrifosfát (dATP) a deoxyguanintrifosfát (dGTP). Reakce je:

(DNA) _{n zbytky} + dNTP -> (DNA) _{n + 1} zbytek + PPi

Hydrolýza anorganického pyrofosfátu (PPi) poskytuje energii pro biosyntézu RNA.

Role při stabilizaci struktury DNA

V dvojité šroubovici DNA je jednovláknový purin navázán na protilehlý pyrimidin vodíkovými vazbami. Cytosin je tedy vždy spojen s guaninem třemi vodíkovými vazbami: adenin je spojen s thyminem dvěma vodíkovými vazbami.

Vodíkové vazby jsou přerušeny, když je roztok přečištěné nativní DNA při pH 7 vystaven teplotám nad 80 ° C. To způsobí, že dvojitá šroubovice DNA vytvoří dva oddělené řetězce. Tento proces se nazývá denaturace.

Teplota, při které je denaturováno 50% DNA, se nazývá teplota tání (Tm). DNA molekuly, jejichž poměr guaninu a cytosinu je vyšší než poměr thyminu a adeninu, mají vyšší hodnoty Tm než ty, jejichž poměr báze je inverzní.

Výše popsaný představuje experimentální důkaz, že větší počet vodíkových vazeb lépe stabilizuje nativní molekuly DNA.

Funkce oblastí bohatých na cytosin v DNA

Nedávno bylo zjištěno, že DNA z jádra lidských buněk může přijmout struktury rozptýlených motivů (iM). Tyto struktury se vyskytují v oblastech bohatých na cytosin.

IM struktura se skládá ze čtyř řetězců DNA, na rozdíl od klasické dvouřetězcové DNA, která má dva řetězce. Konkrétněji jsou dva paralelní duplexní řetězce rozptýleny v antiparalelní orientaci a jsou drženy pohromadě dvojicí hemiprotonovaných cytosinů (C: C ⁺).

V lidském genomu se struktury iM nacházejí v oblastech, jako jsou promotory a telomery. Počet struktur iM je vyšší během fáze Gl / S buněčného cyklu, ve které je vysoká transkripce. Tyto oblasti jsou rozpoznávacími místy proteinů zapojenými do aktivace transkripčního aparátu.

Na druhé straně má DNA v regionech bohatých na po sobě jdoucí páry guaninových bází (C) tendenci přijímat formu A-helixu za dehydratačních podmínek. Tento tvar je typický pro dvojité pásy RNA a DNA-RNA během transkripce a replikace a v určitých okamžicích, kdy je DNA vázána na proteiny.

Ukázalo se, že po sobě následující základní oblasti cytosinu vytvářejí elektropositivní náplast v hlavní rozštěpce DNA. Předpokládá se tedy, že se tyto oblasti váží na proteiny, což predisponuje určité genomické oblasti ke genetické křehkosti.

Úloha v biosyntéze RNA

Během transkripce se informace obsažené v DNA zkopírují do RNA pomocí RNA polymerázy. Biosyntéza RNA vyžaduje nukleosid trifosfát (NTP), jmenovitě: cytidin trifosfát (CTP), uridin trifosfát (UTP), adenin trifosfát (ATP) a guanin trifosfát (GTP). Reakce je:

(RNA) _{n zbytky} + NTP -> (RNA) _{n + 1} zbytek + PPi

Hydrolýza anorganického pyrofosfátu (PPi) poskytuje energii pro biosyntézu RNA.

Úloha v biosyntéze glykoproteinu

Sekvenční přenos hexóz za vzniku oligosacharidů, vázaných na proteiny, probíhá z nukleotidových prekurzorů.

U obratlovců poslední krok biosyntézy O-vázaných oligosacharidů spočívá v přidání dvou zbytků kyseliny sialové (N-acetylneuraminové) z prekurzoru cytidin-5'-monofosfátu (CMP). K této reakci dochází v trans Golgiho vaku.

Chemoterapeutické léčby cytosinu a rakoviny

Kyselina tetrahydrofolát (FH4) je zdrojem -CH ₃ skupin, a je nezbytná pro biosyntézu dTMP z skládku. Kromě toho se vytvoří FH2. Redukce FH2 na FH4 vyžaduje reduktázu folátu a NADPH. Při léčbě rakoviny se používají některé inhibitory folátové reduktázy, jako je aminopterin a methotrexát.

Methotrexan je konkurenčním inhibitorem. Folát reduktáza se váže se 100krát větší afinitou k tomuto inhibitoru než k jeho substrátu. Aminopterin funguje podobným způsobem.

Inhibice folát reduktázy nepřímo brání biosyntéze dTMP, a tedy i dCTP. K přímé inhibici dochází prostřednictvím inhibitorů enzymu thymidylát syntetázy, která katalyzuje dTMP z dUMP. Těmito inhibitory jsou 5-fluorouracil a 5-fluor-2-deoxyuridin.

Například 5-fluoroacyl sám o sobě není inhibitorem, ale je nejprve přeměněn v recyklační cestě na deoxyuridin mofosfát d (FdUMP), který se váže na thymidylát syntetázu a inhibuje ji.

Látky analogické glutaminu, azaserinu a acivicinu, inhibují glutamin amidotransferázu. Azarin byl jednou z prvních látek, které byly objeveny jako sebevražedný inaktivátor.

Reference

1. Assi, HA, Garavís, M., González, C. a Damha, MJ 2018. i-Motif DNA: strukturální rysy a význam pro buněčnou biologii. Nuclei Acids Research, 46: 8038-8056.
2. Bohinski, R. 1991. Biochemie. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
3. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Editorial Reverté, Barcelona.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Buněčná a molekulární biologie. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madrid, Mexiko, Sāo Paulo.
5. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principy biochemie. WH Freeman, New York.
6. Voet, D. a Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.