CYTOSIN: STRUKTUR, FUNKSJONER, EGENSKAPER, SYNTESE - BIOLOGI - 2025

Den cytosin er en nukleobase pyrimidin-type, som tjener til at biosyntesen av cytidin-5'-monofosfat og deoksycytidin-5'-monofosfat. Disse forbindelsene tjener til henholdsvis biosyntese av deoksyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). DNA lagrer genetisk informasjon og RNA har forskjellige funksjoner.

I levende ting er ikke cytosin funnet fritt, men danner ofte ribonukleotider eller deoksyribonukleotider. Begge typer forbindelser har en fosfatgruppe, en ribose og en nitrogenbase.

Kilde: Vesprcom

Karbon 2 av ribose har en hydroksylgruppe (-OH) i ribonukleotider, og et hydrogenatom (-H) i deoksyribonukleotider. Avhengig av antall tilstedeværende fosfatgrupper er det cytidin-5'-monofosfat (CMP), cytidin-5'-difosfat (CDP) og cytidin-5'-trifosfat (CTP).

De deksygenerte ekvivalenter kalles deoksycytidin-5′-monofosfat (dCMP), deoksycytidin-5'-difosfat (dCDP) og deoksycytidin-5′-trifosfat (dCTP).

Cytosin deltar i sine forskjellige former i forskjellige funksjoner, for eksempel DNA- og RNA-biosyntese, glykoproteinbiosyntese og regulering av genuttrykk.

Struktur og egenskaper

Cytosin, 4-amino-2-hydroksypyrimidin, har den empiriske formel C- ₄ H ₅ N ₃ O, hvis molekylvekt er 111,10 g / mol, og renses som et hvitt pulver.

Strukturen til cytosin er en plan aromatisk heterocyklisk ring. Bølgelengden for maksimal absorbans (ʎ _maks ) er 260 nm. Smeltetemperaturen for cytosin overstiger 300 ºC.

For å danne et nukleotid festes cytosin kovalent, gjennom nitrogen 1, via en N-beta-glykosidbinding til 1 'karbon av ribose. 5'-karbonet er forestret med en fosfatgruppe.

biosyntesen

Nukleotidbiosyntesen av pyrimidiner har en vanlig bane, som består av seks enzymkatalyserte trinn. Veien begynner med karbamoylfosfatbiosyntese. I prokaryoter er det bare ett enzym: karbamoylfosfatsyntase. Dette er ansvarlig for syntesen av pyrimidiner og glutamin. I eukaryoter er det karbamoylfosfatsyntase I og II, som er ansvarlige for biosyntesen av glutamin og pyrimidiner.

Det andre trinnet består av dannelse av N-karbamoylaspartat, fra karboylfosfat og aspartat, en reaksjon katalysert av aspartattranscabamoylase (ATCase).

Det tredje trinnet er syntesen av L-dihydrorotat, som forårsaker lukking av pyrimidinringen. Dette trinnet katalyseres av dihydrootase.

Det fjerde trinnet er dannelsen av orotat, som er en redoksreaksjon katalysert av dihydroorotatdehydrogenase.

Det femte trinnet består av dannelse av orotidylat (OMP) ved bruk av fosforibosylpyrofosfat (PRPP) som et substrat, og orotatfosforibosyltransferase som katalysator.

Det sjette trinnet er dannelsen av uridylat (uridin-5′-monofosfat, UMP), en reaksjon katalysert av en OMP-dekarboksylase.

De neste trinnene består av kinasekatalysert fosforylering av UMP for å danne UTP, og overføringen av en aminogruppe fra glutamin til UTP for å danne CTP, en reaksjon katalysert av CTP-syntetase.

Regulering av biosyntese

Hos pattedyr forekommer regulering på nivået av karbamoylfosfatsyntase II, et enzym som finnes i cytosolen, mens karbamoylfosfatsyntase I er mitokondriell.

Karbamoylfosfatsyntase II reguleres av negativ tilbakemelding. Dens regulatorer, UTP og PRPP, er henholdsvis hemmer og aktivator av dette enzymet.

I ikke-levervev er karbamoylfosfatsyntase II den eneste kilden til karbamoylfosfat. Mens i leveren, under betingelser med overskytende ammoniakk, produserer karbamoylfosfatsyntase I, i mitokondriene, karbamoylfosfat, som blir transportert til cytosol, hvorfra det går inn i pyrimidinbiosyntesegangen.

Et annet reguleringspunkt er OMP-dekarboksylase, som er regulert av konkurrerende hemming. Reaksjonsproduktet, UMP, konkurrerer med OMP om bindingssetet på OMP-dekarboksylase.

Pyrimidiner, som cytosin, resirkuleres

Gjenvinning av pyrimidiner har som funksjon å gjenbruke pyrimidiner uten behov for de novo-biosyntese, og unngå den nedbrytende veien. Gjenvinningsreaksjonen katalyseres av pyrimimidin fosforibosyltransferase. Den generelle reaksjonen er som følger:

Pyrimidine + PRPP -> pyrimidin nukleosid 5′-monofosfat + PPi

Hos virveldyr finnes pyrimimidin fosforibosyltransferase i erytrocytter. Substratpyrimidinene for dette enzymet er uracil, timin og orotat. Cytosin resirkuleres indirekte fra uridin-5′-monofosfat.

Roll i DNA-biosyntese

Under DNA-replikasjon blir informasjonen i DNA kopiert til DNA av en DNA-polymerase.

RNA-biosyntese krever deoksynukleotid-trifosfat (dNTP), nemlig: deoksytymidin-trifosfat (dTTP), deoksycytidintri-fosfat (dCTP), deoksyaden-trifosfat (dATP) og deoksyguanintri-fosfat (dGTP). Reaksjonen er:

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

Hydrolysen av uorganisk pyrofosfat (PPi) gir energien til RNA-biosyntese.

Roll i å stabilisere strukturen til DNA

I dobbelt-heliksen av DNA er en enstrenget purin koblet til det motsatt strandede pyrimidin ved hjelp av hydrogenbindinger. Dermed er cytosin alltid koblet til guanin med tre hydrogenbindinger: adenin er knyttet til timin av to hydrogenbindinger.

Hydrogenbindinger brytes når en løsning av renset naturlig DNA, ved pH 7, underkastes temperaturer over 80 ºC. Dette fører til at dobbelt-heliksen til DNA danner to separate tråder. Denne prosessen er kjent som denaturering.

Temperaturen hvor 50% DNA denatureres, er kjent som smeltetemperaturen (Tm). DNA-molekyler hvis forhold mellom guanin og cytosin er høyere enn tymin og adenin, har høyere Tm-verdier enn de hvis baseforhold er omvendt.

Det ovenfor beskrevne utgjør det eksperimentelle beviset på at et større antall hydrogenbindinger bedre stabiliserer de naturlige DNA-molekylene.

Funksjon av cytosinrike regioner i DNA

Nylig ble det funnet at DNA fra kjernen i menneskelige celler kan adoptere ispedd motivstrukturer (iM). Disse strukturene forekommer i regioner som er rike på cytosin.

IM-strukturen består av fire DNA-tråder, i motsetning til klassisk dobbeltstrenget DNA som har to tråder. Mer spesifikt er to parallelle duplekskjeder ispedd i en antiparallell orientering og holdes sammen av et par hemiprotonerte cytosiner (C: C ⁺ ).

I det humane genomet finnes iM-strukturer i regioner som promotorer og telomerer. Antallet iM-strukturer er høyere i G1 / S-fasen av cellesyklusen, hvor transkripsjonen er høy. Disse regionene er proteingjenkjenningssteder involvert i aktivering av transkripsjonsmaskineriet.

På den annen side, i de regionene som er rike på påfølgende guanin-basepar (C), har DNA en tendens til å innta A-spiralform under dehydratiserende forhold. Denne formen er typisk for RNA- og DNA-RNA-dobbeltbånd under transkripsjon og replikasjon, og på bestemte tidspunkter når DNA er bundet til proteiner.

Påfølgende baseregioner av cytosin har vist seg å skape en elektropositiv lapp i hovedspaltet av DNA. Dermed antas at disse regionene binder seg til proteiner, og predisponerer visse genomiske regioner for genetisk skjørhet.

Roll i RNA-biosyntese

Under transkripsjonen blir informasjonen i DNA kopiert til RNA av en RNA-polymerase. RNA-biosyntese krever nukleosid-trifosfat (NTP), nemlig: cytidin-trifosfat (CTP), uridin-trifosfat (UTP), adenin-trifosfat (ATP) og guanin-trifosfat (GTP). Reaksjonen er:

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

Hydrolysen av uorganisk pyrofosfat (PPi) gir energien til RNA-biosyntese.

Roll i glykoproteinbiosyntese

Den sekvensielle overføringen av heksoser for å danne oligosakkarider, O-bundet til proteiner, skjer fra nukleotidforløpere.

I virveldyr består det siste trinnet av O-bundet oligosakkaridbiosyntese av tilsetningen av to sialinsyrerester (N-acetylneuramin) fra en cytidin-5'-monofosfat (CMP) forløper. Denne reaksjonen skjer i trans-Golgi sac.

Cytosin og kreft kjemoterapeutiske behandlinger

Tetrahydro syre (FH4) er en kilde for -CH ₃ -grupper , og er nødvendig for biosyntesen av dTMP fra dUMP. I tillegg dannes FH2. Reduksjonen av FH2 til FH4 krever en reduksjon av folat og NADPH. Noen folatreduktasehemmere, som aminopterin og metotreksat, brukes i kreftbehandlinger.

Methotrexan er en konkurrerende hemmer. Folatreduktase binder seg med 100 ganger mer affinitet til denne hemmeren enn til dets underlag. Aminopterin fungerer på en lignende måte.

Inhiberingen av folatreduktase hindrer indirekte biosyntesen av dTMP, og derfor den av dCTP. Direkte hemming skjer av hemmere av tymidylatsyntetaseenzym, som katalyserer dTMP fra dUMP. Disse hemmere er 5-fluorouracil og 5-fluoro-2-deoxyuridin.

For eksempel er 5-fluoroacyl ikke i seg selv en hemmer, men blir først konvertert i resirkuleringsveien til deoksyuridin-mfosfat d (FdUMP), som binder og hemmer tymidylatsyntetase.

Stoffer som er analoge med glutamin, azaserin og acivicin, hemmer glutaminamidotransferase. Azarin var et av de første stoffene som ble oppdaget for å fungere som en selvmordsinaktivator.

referanser

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