CYTOSIN: STRUKTUR, FUNKTIONER, EGENSKABER, SYNTESE - BIOLOGI - 2025

Den cytosin er en pyrimidinnucleobase typen, der tjener til biosyntese af cytidin-5'-monophosphat og deoxycytidin 5'-monophosphat. Disse forbindelser tjener til henholdsvis biosyntese af deoxyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). DNA lagrer genetisk information, og RNA har forskellige funktioner.

I levende ting findes cytosin ikke frit, men danner ofte ribonukleotider eller deoxyribonukleotider. Begge typer af forbindelser har en phosphatgruppe, en ribose og en nitrogenbase.

Kilde: Vesprcom

Carbon 2 af ribose har en hydroxylgruppe (-OH) i ribonukleotider og et hydrogenatom (-H) i deoxyribonukleotider. Afhængig af antallet af tilstedeværende phosphatgrupper er der cytidin-5′-monophosphat (CMP), cytidin-5′-diphosphat (CDP) og cytidin-5′-triphosphat (CTP).

De deoxygenerede ækvivalenter kaldes deoxycytidin-5′-monophosphat (dCMP), deoxycytidin-5′-diphosphat (dCDP) og deoxycytidine-5′-triphosphat (dCTP).

Cytosin deltager i sine forskellige former i forskellige funktioner, såsom DNA- og RNA-biosyntese, glycoprotein-biosyntese og regulering af genekspression.

Struktur og egenskaber

Cytosin, 4-amino-2-hydroxypyrimidin, har den empiriske formel C ₄ H ₅ N ₃ O, hvis molekylvægt er 111,10 g / mol, og oprenses som et hvidt pulver.

Strukturen af ​​cytosin er en plan aromatisk heterocyklisk ring. Bølgelængden for maksimal absorbans (ʎ _max) er 260 nm. Cytosins smeltetemperatur overstiger 300 ° C.

For at danne et nukleotid er cytosin bundet kovalent gennem nitrogen 1 via en N-beta-glycosidbinding til 1 ′ carbon af ribose. 5'-carbonet er forestret med en phosphatgruppe.

biosyntese

Nukleotidbiosyntesen af ​​pyrimidiner har en fælles vej, der består af seks enzymkatalyserede trin. Vejen begynder med carbamoylphosphat-biosyntese. I prokaryoter findes der kun et enzym: carbamoylphosphatsynthase. Dette er ansvarlig for syntesen af ​​pyrimidiner og glutamin. I eukaryoter er der carbamoylphosphatsynthase I og II, der er henholdsvis ansvarlige for biosyntesen af ​​glutamin og pyrimidiner.

Det andet trin består af dannelsen af ​​N-carbamoylaspartat fra carboylphosphat og aspartat, en reaktion katalyseret af aspartat-transcabamoylase (ATCase).

Det tredje trin er syntesen af ​​L-dihydrorotat, der forårsager lukningen af ​​pyrimidinringen. Dette trin katalyseres af dihydrootase.

Det fjerde trin er dannelsen af ​​orotat, som er en redoxreaktion katalyseret af dihydroorotatdehydrogenase.

Det femte trin består af dannelsen af ​​orotidylat (OMP) under anvendelse af phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) som et substrat og orotatphosphoribosyltransferase som katalysator.

Det sjette trin er dannelsen af ​​uridylat (uridin-5′-monophosphat, UMP), en reaktion katalyseret af en OMP-decarboxylase.

De næste trin består af den kinasekatalyserede phosphorylering af UMP til dannelse af UTP og overførslen af ​​en aminogruppe fra glutamin til UTP til dannelse af CTP, en reaktion katalyseret ved CTP-syntetase.

Regulering af biosyntesen

Hos pattedyr forekommer regulering på niveauet med carbamoylphosphatsynthase II, et enzym, der findes i cytosolen, medens carbamoylphosphatsynthase I er mitokondrielt.

Carbamoylphosphatsynthase II reguleres af negativ feedback. Dens regulatorer, UTP og PRPP, er henholdsvis hæmmer og aktivator af dette enzym.

I ikke-levervæv er carbamoylphosphatsynthase II den eneste kilde til carbamoylphosphat. Mens i leveren, under betingelser med overskydende ammoniak, producerer carbamoylphosphatsynthase I i mitokondrierne carbamoylphosphat, der transporteres til cytosol, hvorfra den går ind i pyrimidin-biosyntesestien.

Et andet reguleringspunkt er OMP-decarboxylase, der reguleres af konkurrencehæmmende. Dets reaktionsprodukt, UMP, konkurrerer med OMP om bindingsstedet på OMP-decarboxylase.

Pyrimidiner genvindes ligesom cytosin

Genanvendelse af pyrimidiner har den funktion at genbruge pyrimidiner uden behov for de novo-biosyntese og undgå den nedbrydende vej. Genvindingsreaktionen katalyseres af pyrimimidinphosphoribosyltransferase. Den generelle reaktion er som følger:

Pyrimidin + PRPP -> pyrimidinnukleosid 5′-monophosphat + PPi

Hos hvirveldyr findes pyrimimidinphosphoribosyltransferase i erytrocytter. Substratpyrimidinerne til dette enzym er uracil, thymin og orotat. Cytosin genanvendes indirekte fra uridin-5′-monophosphat.

Roll i DNA-biosyntese

Under DNA-replikation kopieres informationen indeholdt i DNA til DNA af en DNA-polymerase.

RNA-biosyntese kræver deoxynucleotid-triphosphat (dNTP), nemlig: deoxythymidin-triphosphat (dTTP), deoxycytidintriphosphat (dCTP), deoxyadenintriphosphat (dATP) og deoxyguanintriphosphat (dGTP). Reaktionen er:

(DNA) _{n rester} + dNTP -> (DNA) _{n + 1} rest + PPi

Hydrolysen af ​​uorganisk pyrophosphat (PPi) tilvejebringer energi til RNA-biosyntese.

Roll i stabilisering af DNA-strukturen

I den dobbelte DNA-helix er en enstrenget purin bundet til den modsatstrengede pyrimidin ved hjælp af hydrogenbindinger. Således er cytosin altid knyttet til guanin med tre hydrogenbindinger: adenin er bundet til thymin med to hydrogenbindinger.

Hydrogenbindinger brydes, når en oprenset nativ DNA-opløsning, ved pH 7, udsættes for temperaturer over 80 ºC. Dette får den dobbelte DNA-helix til at danne to separate strenge. Denne proces kaldes denaturering.

Den temperatur, ved hvilken 50% DNA denatureres, er kendt som smeltetemperaturen (Tm). DNA-molekyler, hvis forhold mellem guanin og cytosin er højere end thymin og adenin har højere Tm-værdier end dem, hvis baseforhold er omvendt.

Ovennævnte beskrevet udgør det eksperimentelle bevis for, at et større antal hydrogenbindinger bedre stabiliserer de native DNA-molekyler.

Funktion af cytosinrige regioner i DNA

For nylig blev det fundet, at DNA fra kernen i humane celler kan anvende isputtede motivstrukturer (iM). Disse strukturer forekommer i regioner, der er rige på cytosin.

IM-strukturen består af fire DNA-tråde i modsætning til klassisk dobbeltstrenget DNA, der har to strenge. Mere specifikt er to parallelle duplexkæder ispalt i en antiparallel orientering og holdes sammen af ​​et par hæmiprotonerede cytosiner (C: C ⁺).

I det humane genom findes iM-strukturer i regioner, såsom promotorer og telomerer. Antallet af iM-strukturer er højere i G1 / S-fasen i cellecyklussen, hvor transkriptionen er høj. Disse regioner er proteingenkendelsessteder involveret i aktiveringen af ​​det transkriptionelle maskineri.

På den anden side har DNA'et i regionerne, der er rige på hinanden følgende guanin-basepar (C), en tendens til at indtage A-spiralform under dehydratiserende betingelser. Denne form er typisk for RNA- og DNA-RNA-dobbeltbånd under transkription og replikation og på bestemte tidspunkter, når DNA er bundet til proteiner.

På hinanden følgende baseregioner af cytosin har vist sig at skabe en elektropositiv plaster i den største spalte af DNA. Således menes disse regioner at binde til proteiner, idet de disponerer visse genomiske regioner til genetisk skrøbelighed.

Roll i RNA-biosyntese

Under transkription kopieres informationen indeholdt i DNA til RNA af en RNA-polymerase. RNA-biosyntese kræver nukleosidtriphosphat (NTP), nemlig: cytidintriphosphat (CTP), uridintriphosphat (UTP), adenintriphosphat (ATP) og guanintriphosphat (GTP). Reaktionen er:

(RNA) _{n rester} + NTP -> (RNA) _{n + 1} rest + PPi

Hydrolysen af ​​uorganisk pyrophosphat (PPi) tilvejebringer energi til RNA-biosyntese.

Roll i glycoprotein-biosyntese

Den sekventielle overførsel af hexoser til dannelse af oligosaccharider, O-bundet til proteiner, sker fra nukleotidforstadier.

I hvirveldyr består det sidste trin i O-bundet oligosaccharid-biosyntese af tilsætningen af ​​to sialinsyrerester (N-acetylneuramin) fra en cytidin-5′-monophosphat (CMP) -forløber. Denne reaktion finder sted i trans-Golgisækken.

Cytosin og kræft kemoterapeutiske behandlinger

Tetrahydrofolat syre (FH4) er en kilde til CH ₃ grupper, og er nødvendig for biosyntesen af dTMP fra dUMP. Derudover dannes FH2. Reduktionen af ​​FH2 til FH4 kræver en reduktase af folat og NADPH. Nogle folatreduktaseinhibitorer, såsom aminopterin og methotrexat, bruges i kræftbehandlinger.

Methotrexan er en konkurrencebegrænsende hæmmer. Folatreduktase binder med 100 gange mere affinitet til denne inhibitor end til dets substrat. Aminopterin fungerer på en lignende måde.

Inhiberingen af ​​folatreduktase hindrer indirekte biosyntesen af ​​dTMP og derfor den for dCTP. Direkte inhibering sker af hæmmere af thymidylatsyntetaseenzym, som katalyserer dTMP fra dUMP. Disse hæmmere er 5-fluorouracil og 5-fluoro-2-deoxyuridin.

F.eks. Er 5-fluoroacyl ikke i sig selv en inhibitor, men omdannes først i genvindingsvejen til deoxyuridin mphosfat d (FdUMP), der binder til og inhiberer thymidylatsyntetase.

Stoffer, der er analoge med glutamin, azaserin og acivicin, hæmmer glutaminamidotransferase. Azarin var et af de første stoffer, der blev opdaget til at fungere som en selvmordsinaktivator.

Referencer

1. Assi, HA, Garavís, M., González, C. og Damha, MJ 2018. i-Motif DNA: strukturelle træk og betydning for cellebiologi. Nuclei Acids Research, 46: 8038-8056.
2. Bohinski, R. 1991. Biokemi. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
3. Devlin, TM 2000. Biokemi. Redaktionel Reverté, Barcelona.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellular and molecular biology. Redaktionel Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sao Paulo.
5. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principper for biokemi. WH Freeman, New York.
6. Voet, D. og Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley og sønner, USA.