ЦИТОЗИН: СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ, СВОЙСТВА, СИНТЕЗ - БИОЛОГИЯ - 2025

Цитозин представляет собой тип пиримидина Нуклеинового, служащий для биосинтеза цитидина-5'-монофосфата и деоксицитидина 5'-монофосфат. Эти соединения служат для биосинтеза соответственно дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). ДНК хранит генетическую информацию, а РНК выполняет различные функции.

В живых организмах цитозин не является свободным, но обычно образует рибонуклеотиды или дезоксирибонуклеотиды. Оба типа соединений имеют фосфатную группу, рибозу и азотистое основание.

Источник: Vesprcom

Углерод 2 рибозы имеет гидроксильную группу (-OH) в рибонуклеотидах и атом водорода (-H) в дезоксирибонуклеотидах. В зависимости от количества присутствующих фосфатных групп различают цитидин-5'-монофосфат (CMP), цитидин-5'-дифосфат (CDP) и цитидин-5'-трифосфат (CTP).

Деоксигенированные эквиваленты называются дезоксицитидин-5'-монофосфатом (dCMP), дезоксицитидин-5'-дифосфатом (dCDP) и дезоксицитидин-5'-трифосфатом (dCTP).

Цитозин в своих различных формах участвует в различных функциях, таких как биосинтез ДНК и РНК, биосинтез гликопротеинов и регуляция экспрессии генов.

Структура и свойства

Цитозин, 4-амино-2-гидроксипиримидин, имеет эмпирическую формулу C ₄ H ₅ N ₃ O, молекулярная масса которого составляет 111,10 г / моль, и очищается в виде белого порошка.

По структуре цитозин представляет собой плоское ароматическое гетероциклическое кольцо. Длина волны максимального поглощения ( _max ) составляет 260 нм. Температура плавления цитозина превышает 300ºC.

Чтобы образовать нуклеотид, цитозин ковалентно присоединяется через азот 1 через N-бета-гликозидную связь к 1 'атому углерода рибозы. 5'-углерод этерифицирован фосфатной группой.

Биосинтез

Биосинтез нуклеотидов пиримидинов имеет общий путь, состоящий из шести стадий, катализируемых ферментами. Путь начинается с биосинтеза карбамоилфосфата. У прокариот есть только один фермент: карбамоилфосфатсинтаза. Это отвечает за синтез пиримидинов и глутамина. У эукариот есть карбамоилфосфатсинтазы I и II, которые отвечают, соответственно, за биосинтез глутамина и пиримидинов.

Вторая стадия состоит из образования N-карбамоиласпартата из карбоилфосфата и аспартата, реакции, катализируемой аспартаттранскабамоилазой (ATCase).

Третий этап - это синтез L-дигидроротата, который вызывает замыкание пиримидинового кольца. Этот шаг катализируется дигидроотазой.

Четвертая стадия - образование оротата, который представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, катализируемую дигидрооротатдегидрогеназой.

Пятая стадия состоит из образования оротидилата (OMP) с использованием фосфорибозилпирофосфата (PRPP) в качестве субстрата и оротатфосфорибозилтрансферазы в качестве катализатора.

Шестая стадия - образование уридилата (уридин-5'-монофосфат, UMP), реакция, катализируемая OMP-декарбоксилазой.

Следующие шаги состоят из катализируемого киназой фосфорилирования UMP с образованием UTP и переноса аминогруппы от глутамина на UTP с образованием CTP, реакции, катализируемой CTP-синтетазой.

Регуляция биосинтеза

У млекопитающих регуляция происходит на уровне карбамоилфосфатсинтазы II, фермента, обнаруженного в цитозоле, тогда как карбамоилфосфатсинтаза I является митохондриальной.

Карбамоилфосфатсинтаза II регулируется отрицательной обратной связью. Его регуляторы, UTP и PRPP, являются соответственно ингибитором и активатором этого фермента.

В непеченочных тканях карбамоилфосфатсинтаза II является единственным источником карбамоилфосфата. Находясь в печени в условиях избытка аммиака, карбамоилфосфатсинтаза I продуцирует в митохондриях карбамоилфосфат, который транспортируется в цитозоль, откуда он попадает в путь биосинтеза пиримидина.

Еще одна точка регуляции - OMP-декарбоксилаза, которая регулируется конкурентным ингибированием. Продукт его реакции, UMP, конкурирует с OMP за сайт связывания на OMP-декарбоксилазе.

Пиримидины, как и цитозин, перерабатываются.

Рециркуляция пиримидинов имеет функцию повторного использования пиримидинов без необходимости в биосинтезе de novo и предотвращения пути деградации. Реакция рециркуляции катализируется пиримимидинфосфорибозилтрансферазой. Общая реакция следующая:

Пиримидин + PRPP -> пиримидиннуклеозид 5'-монофосфат + PPi

У позвоночных пиримимидинфосфорибозилтрансфераза обнаружена в эритроцитах. Субстратные пиримидины для этого фермента - урацил, тимин и оротат. Цитозин косвенно рециклируется из уридин-5'-монофосфата.

Роль в биосинтезе ДНК

Во время репликации ДНК информация, содержащаяся в ДНК, копируется в ДНК с помощью ДНК-полимеразы.

Для биосинтеза РНК требуется дезоксинуклеотидтрифосфат (dNTP), а именно: дезокситимидинтрифосфат (dTTP), дезоксицитидинтрифосфат (dCTP), дезоксиаденинтрифосфат (dATP) и дезоксигуанинтрифосфат (dGTP). Реакция такая:

(ДНК) _{n остатков} + dNTP -> (ДНК) _{n + 1} остаток + PPi

Гидролиз неорганического пирофосфата (PPi) обеспечивает энергию для биосинтеза РНК.

Роль в стабилизации структуры ДНК

В двойной спирали ДНК одноцепочечный пурин связан с противоположноцепочечным пиримидином водородными связями. Таким образом, цитозин всегда связан с гуанином тремя водородными связями: аденин связан с тимином двумя водородными связями.

Водородные связи разрываются, когда раствор очищенной нативной ДНК при pH 7 подвергается воздействию температур выше 80 ºC. Это заставляет двойную спираль ДНК образовывать две отдельные цепи. Этот процесс известен как денатурация.

Температура, при которой денатурируется 50% ДНК, известна как температура плавления (Tm). Молекулы ДНК, в которых соотношение гуанина и цитозина выше, чем у тимина и аденина, имеют более высокие значения Tm, чем те, у которых соотношение оснований является обратным.

Вышеописанное представляет собой экспериментальное доказательство того, что большее количество водородных связей лучше стабилизирует нативные молекулы ДНК.

Функция богатых цитозином участков ДНК

Недавно было обнаружено, что ДНК из ядра клеток человека может принимать структуры с вкраплениями мотивов (iM). Эти структуры встречаются в регионах, богатых цитозином.

Структура iM состоит из четырех цепей ДНК, в отличие от классической двухцепочечной ДНК, которая имеет две цепи. Более конкретно, две параллельные дуплексные цепи чередуются в антипараллельной ориентации и удерживаются вместе парой гемипротонированных цитозинов (C: C ⁺ ).

В геноме человека iM-структуры находятся в таких областях, как промоторы и теломеры. Количество структур iM выше во время фазы G1 / S клеточного цикла, в которой транскрипция высока. Эти области являются сайтами узнавания белка, участвующими в активации транскрипционного аппарата.

С другой стороны, в областях, богатых последовательными парами оснований гуанина (C), ДНК имеет тенденцию принимать форму A-спирали в условиях дегидратации. Эта форма типична для двойных полос РНК и ДНК-РНК во время транскрипции и репликации, а также в определенные моменты времени, когда ДНК связывается с белками.

Было показано, что последовательные области оснований цитозина создают электроположительный участок в основной щели ДНК. Таким образом, считается, что эти области связываются с белками, предрасполагая определенные участки генома к генетической хрупкости.

Роль в биосинтезе РНК

Во время транскрипции информация, содержащаяся в ДНК, копируется в РНК с помощью РНК-полимеразы. Для биосинтеза РНК требуется нуклеозидтрифосфат (NTP), а именно: цитидинтрифосфат (CTP), уридинтрифосфат (UTP), аденинтрифосфат (ATP) и гуанинтрифосфат (GTP). Реакция такая:

(РНК) _{n остатков} + NTP -> (РНК) _{n + 1} остаток + PPi

Гидролиз неорганического пирофосфата (PPi) обеспечивает энергию для биосинтеза РНК.

Роль в биосинтезе гликопротеинов

Последовательный перенос гексоз с образованием олигосахаридов, O-связанных с белками, происходит от предшественников нуклеотидов.

У позвоночных последняя стадия биосинтеза O-связанных олигосахаридов состоит из добавления двух остатков сиаловой кислоты (N-ацетилнейраминовой) из предшественника цитидин-5'-монофосфата (CMP). Эта реакция происходит в транс-мешке Гольджи.

Цитозин и химиотерапевтическое лечение рака

Тетрагидрофолиевая кислота (FH4) является источником групп -CH ₃ и необходима для биосинтеза dTMP из dUMP. Кроме того, образуется FH2. Для восстановления FH2 до FH4 требуется редуктаза фолиевой кислоты и НАДФН. Некоторые ингибиторы фолатредуктазы, такие как аминоптерин и метотрексат, используются при лечении рака.

Метотрексан - конкурентный ингибитор. Фолатредуктаза связывается с этим ингибитором в 100 раз больше, чем с его субстратом. Аминоптерин действует аналогичным образом.

Ингибирование фолатредуктазы косвенно препятствует биосинтезу dTMP и, следовательно, dCTP. Прямое ингибирование происходит с помощью ингибиторов фермента тимидилатсинтетазы, который катализирует dTMP из dUMP. Эти ингибиторы - 5-фторурацил и 5-фтор-2-дезоксиуридин.

Например, 5-фторацил сам по себе не является ингибитором, но сначала превращается в пути рецикла в дезоксиуридинмфосфат d (FdUMP), который связывается с тимидилатсинтетазой и ингибирует ее.

Вещества, аналогичные глутамину, азасерину и ацивицину, ингибируют глутамин амидотрансферазу. Азарин был одним из первых веществ, которые действуют как инактиватор самоубийства.

Ссылки

1. Асси, Х.А., Гаравис, М., Гонсалес, К., и Дамха, М.Дж., 2018. ДНК i-Motif: структурные особенности и значение для клеточной биологии. Nuclei Acids Research, 46: 8038-8056.
2. Бохинский, Р. 1991. Биохимия. Аддисон-Уэсли Ибероамерикана, Уилмингтон, Делавэр.
3. Девлин, TM 2000. Биохимия. Редакция Reverté, Барселона.
4. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, С.Л., Мацудария, П., Балтимор, Д., Дарнелл, Дж. 2003. Клеточная и молекулярная биология. От редакции Medica Panamericana, Буэнос-Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексика, Сан-Паулу.
5. Нельсон, Д.Л., Кокс, М.М. 2008. Ленингер - Принципы биохимии. WH Freeman, Нью-Йорк.
6. Воет, Д. и Воет, Дж. 2004. Биохимия. Джон Вили и сыновья, США.