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

Uracil je typ pyrimidinové nukleobáze, nalezený v ribonukleové kyseliny (RNA). To je jedna z charakteristik, které odlišují RNA od kyseliny deoxyribonukleové (DNA), protože ta má místo uracilu thymin. Obě látky, uracil a tymín, se liší pouze v tom, že má methylovou skupinu.

Z evolučního hlediska bylo navrženo, že RNA byla první molekula, která uchovávala genetické informace a fungovala jako katalyzátor v buňkách, před DNA a enzymy. Proto se má za to, že uracil hrál klíčovou roli ve vývoji života.

Zdroj: Kemikungen

U živých věcí se uracil nenachází ve volné formě, ale obvykle tvoří nukleotidy monofosfát (UMP), difosfát (UDP) a trifosfát (UTP). Tyto nukleotidy uracilu mají různé funkce, jako je biosyntéza RNA a glykogenu, izomerní interkonverze cukrů a regulace glutamin syntázy.

Struktura a vlastnosti

Uracil, tzv 2,4-dioxypyridine, má empirický vzorec C ₄ H ₄ N ₂ O ₂, jehož molekulová hmotnost je 112,09 g / mol, a čištěn ve formě bílého prášku.

Struktura uridinu je heterocyklický kruh se čtyřmi atomy uhlíku a dvěma atomy dusíku, se střídavými dvojnými vazbami. Je rovinný.

Má rozpustnost 50 mg / ml při 25 ° C v 1M hydroxidu sodném a pKa mezi 7,9 a 8,2. Vlnová délka, kde se vyskytuje jeho maximální absorbance (ʎ _max), je mezi 258 a 260 nm.

Biosyntéza

Existuje společná cesta pro biosyntézu pyrimidinových nukleotidů (uracil a cytokin). Prvním krokem je biosyntéza karbamoylfosfátu z CO ₂ a NH ₄ ⁺, která je katalyzována syntetázy karbamoyl-fosfátu.

Pyrimidin je konstruován z karboylfosfátu a aspartátu. Obě látky reagují a tvoří N-karbamoylaspartát, což je reakce katalyzovaná aspartáttransamamoylázou (ATCase). Uzavření pyrimidinového kruhu je způsobeno dehydratací katalyzovanou dihydrootázou a produkuje L-dihydrorotát.

L-dihydrorotát je oxidován a převeden na orotát; elektronový akceptor je NAD ⁺. Jde o reakci katalyzovanou dihydroorotát dehydrogenázou. Další krok spočívá v přenosu fosforibosylové skupiny z fosforibosylpyrofosfátu (PRPP) na orotát. Vytváří orotidylát (OMP) a anorganický pyrofosfát (PPi), katalyzovaný orotátfosforibosyltransferázou.

Posledním krokem je dekarboxylace pyrimidinového kruhu orotidylátu (OMP). Vytváří uridylát (uridin-5'-monofosfát, UMP), který je katalyzován dekarboxylázou.

Potom se účastí kinázy, fosfátová skupina převede z ATP na UMP, čímž se vytvoří UDP (uridin-5'-difosfát). Ten se opakuje a vytváří UTP (uridin-5'-trifosfát).

Regulace biosyntézy

U bakterií dochází k regulaci biosyntézy pyrimidinu negativní zpětnou vazbou na úrovni aspartáttransaminoamylázy (ATCase).

Tento enzym je inhibován CTP (cytidin-5'-trifosfát), což je konečný produkt biosyntetické dráhy pyrimidinu. ATCase má regulační podjednotky, které se vážou na CTP alosterického regulátoru.

U zvířat dochází k regulaci biosyntézy pyrimidinů prostřednictvím negativní zpětné vazby na úrovni dvou enzymů: 1) karbamoylfosfát syntáza II, která je inhibována UTP a aktivována ATP a PRPP; a 2) OMP dekarboxyláza, která je inhibována produktem reakce, kterou katalyzuje, UMP. Míra biosyntézy OMP se liší v závislosti na dostupnosti PRPP.

Úloha v biosyntéze RNA

Uracil je přítomen ve všech typech RNA, jako je messengerová RNA (mRNA), přenosová RNA (tRNA) a ribozomální RNA (rRNA). Biosyntéza těchto molekul probíhá procesem zvaným transkripce.

Během transkripce se informace obsažené v DNA zkopírují do RNA pomocí RNA polymerázy. U některých virů a rostlin dochází prostřednictvím reverzní transkriptázy k obrácenému procesu, ve kterém jsou informace obsažené v RNA zkopírovány do DNA.

Biosyntéza RNA vyžaduje nukleosid trifosfát (NTP), jmenovitě: uridin trifosfát (UTP), cytidin trifosfát (CTP), 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 cukrů

Estery cukru jsou v živých organismech velmi běžné. Některé z těchto esterů jsou nukleosid ester difosfáty, jako jsou UDP-cukry, které jsou v buňkách velmi hojné. UDP-cukry se účastní biosyntézy disacharidů, oligosacharidů a polysacharidů.

U rostlin dochází k biosyntéze sacharózy dvěma způsoby: primární a sekundární.

Hlavní cestou je přenos D-glukózy z UDP-D-glukózy na D-fruktózu za vzniku sacharózy a UDP. Sekundární cesta zahrnuje dva kroky: začíná UDP-D-glukózou a fruktózou-6-fosfátem a končí tvorbou sacharózy a fosfátu.

V mléčných žlázách dochází k biosyntéze laktózy z UDP-D-galaktózy a glukózy.

V rostlinách je biosyntéza celulózy prováděna kontinuální kondenzací beta-D-glukosylových zbytků, z UDP-glukózy na neredukující konec rostoucího polyglukózového řetězce. Podobně biosyntéza amylózy a amylopektinu vyžaduje UDP-glukózu jako substrát donoru glukózy v rostoucím řetězci.

U zvířat se pro biosyntézu glykogenu používají jak UDP-glukóza, tak ADP-glukóza. Podobně biosyntéza chondroitin sulfátu vyžaduje UDP-xylózu, UDP-galaktózu a UDP-glukuronát.

Úloha v izomerní interkonverzi cukrů

K přeměně galaktózy na meziprodukt glykolýzy dochází cestou Leloiru. Jeden z kroků v této cestě je katalyzován enzymem UDP-galaktóza-4-epimeráza, který usnadňuje vzájemnou přeměnu UDP-galaktózy na UDP-glukózu.

Úloha v biosyntéze glykoproteinů

Během biosyntézy glykoproteinů proteiny procházejí cis, prostředními a trans vaky Golgiho aparátu.

Každý z těchto vaků má sadu enzymů, které zpracovávají glykoproteiny. K oligosacharidu proteinu z UDP-hexózy a dalších nukleotidů-hexózy se přidávají cukrové monomery, jako je glukóza a galaktóza.

Hexózové nukleotidy jsou transportovány do Golgiho cisteren pomocí antiportu. UDP-galaktóza (UDP-Gal) a UDP-N-acetylgalaktosamin (UDP-GalNAc) vstupují do cisteren z cytosolu výměnou za UMP.

V Golgiho nádrži fosfatáza hydrolyzuje fosfátovou skupinu na UDP a vytváří UMP a Pi. UDP pochází z reakcí katalyzovaných galaktosyltransferázou a N-acetylgalaktosamyltransferázou. UMP tvořená fosfatázou slouží k výměně nukleotid-hexóza.

Úloha v regulaci glutamin syntázy

Regulačním mechanismem glutamin syntázy je kovalentní modifikace, která sestává z adenylace, která ji deaktivuje, a dedenylace, která ji aktivuje. Tato kovalentní modifikace je reverzibilní a katalyzovaná adenyltransferázou.

Aktivita adenyltransferázy je modulována vazbou proteinu PII, který je regulován kovalentní modifikací, uridinylací.

Uridylace i deuridylace jsou prováděny uridylyltransferázou. U tohoto enzymu je uridylační aktivita způsobena glutaminem a fosfátem a je aktivována vazbou alfa-ketoglutarátu a ATP na PII.

Úloha při editaci RNA

Některé mRNA jsou editovány před překladem. U některých eukaryotických organismů, jako je Trypanosoma brucei, existuje RNA editace genového transkriptu cytochrom oxidázy podjednotky II. K tomu dochází prostřednictvím inzerce zbytků uracilu, což je reakce katalyzovaná terminální uridyltransferázou.

Průvodce RNA, doplňující upravený produkt, slouží jako šablona pro proces editace. Páry bází vytvořené mezi počátečním transkriptem a vodicí RNA zahrnují páry bází G = U, které nejsou Watson-Crick a jsou běžné v RNA.

Biosyntéza UDP-glukózy

Za fyziologických podmínek je biosyntéza glykogenu z glukózy-1-fosfátu termodynamicky nemožná (ΔG pozitivní). Z tohoto důvodu dochází před biosyntézou k aktivaci glukóza-1-fosfátu (G1P). Tato reakce kombinuje G1P a UTP za vzniku uridin difosfát glukózy (UDP-glukóza nebo UDPG).

Reakce je katalyzována UDP-glukóza-pyrofosforylázou a je následující:

G1P + UTP -> UDP-glukóza + 2Pi.

Variace volné energie Gibbs v tomto kroku je velká a negativní (-33,5 KJ / mol). Během reakce na kyslík G1P napadá atom alfa fosforu UTP a vytváří UDP-glukózu a anorganický pyrofosfát (PPi). Dále je PPi hydrolyzována anorganickou pyrofosfatázou, jejíž hydrolytická energie je hnací silou obecné reakce.

UDP-glukóza je "vysoce energetická" látka. Umožňuje tvořit glykosidické vazby mezi zbytkem glukózy a rostoucím polysacharidovým řetězcem. Stejný energetický princip je použitelný na reakce, na nichž se podílejí UDP-cukry, jako je biosyntéza disacharidů, oligosacharidů a glykoproteinů.

Uracil DNA glykosyláza

Existují léze DNA, které se vyskytují spontánně. Jednou z těchto lézí je spontánní deaminace cytokinu a jeho následná přeměna na uracil. V tomto případě se oprava provádí odstraněním modifikované báze z DNA enzymem zvaným uracil DNA glykosyláza.

Enzym uracil DNA glykosyláza odstraňuje poškozený cytokin (uracil) a vytváří deoxyribosový zbytek, který postrádá dusíkatou bázi, nazývaný AP místo (apurinicko-apyrimidinové místo).

Enzym AP endonukleasa pak prochází fosfodiesterovým páteřem AP místa, čímž se odstraní zbytek cukru a fosfátu. DNA polymeráza I obnovuje poškozené vlákno.

Reference

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