УРАЦИЛ: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, СВОЙСТВА, СИНТЕЗ - БИОЛОГИЯ - 2025

Урацил является типом пиримидина Нуклеиновым, найденным в рибонуклеиновой кислоте (РНК). Это одна из характеристик, которые отличают РНК от дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), поскольку последняя содержит тимин вместо урацила. Оба вещества, урацил и тимин, отличаются только тем, что последний имеет метильную группу.

С эволюционной точки зрения было высказано предположение, что РНК была первой молекулой, которая хранила генетическую информацию и функционировала как катализатор в клетках, раньше ДНК и ферментов. Из-за этого считается, что урацил сыграл ключевую роль в эволюции жизни.

Источник: Кемикунген

В живых организмах урацил не находится в свободной форме, но обычно образует монофосфат нуклеотидов (UMP), дифосфат (UDP) и трифосфат (UTP). Эти нуклеотиды урацила выполняют разные функции, такие как биосинтез РНК и гликогена, изомерное взаимопревращение сахаров и регуляция глутаминсинтазы.

Структура и свойства

Урацил, называемый 2,4-диоксипиридином, имеет эмпирическую формулу C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ , молекулярная масса которого составляет 112,09 г / моль, и очищается в виде белого порошка.

Структура уридина представляет собой гетероциклическое кольцо с четырьмя атомами углерода и двумя атомами азота с чередующимися двойными связями. Он плоский.

Он имеет растворимость 50 мг / мл при 25ºC в 1М гидроксиде натрия и pKa от 7,9 до 8,2. Длина волны, при которой происходит его максимальное поглощение ( _max ), составляет от 258 до 260 нм.

Биосинтез

Существует общий путь биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов (урацила и цитокина). Первым шагом является биосинтез карбамоилфосфата из CO ₂ и NH ₄ ⁺ , который катализируется карбамоилфосфатсинтетазой.

Пиримидин состоит из карбоилфосфата и аспартата. Оба вещества вступают в реакцию и образуют N-карбамоиласпартат, реакцию, катализируемую аспартаттранскабамоилазой (ATCase). Замыкание пиримидинового кольца вызвано дегидратацией, катализируемой дигидроотазой, с образованием L-дигидроотаза.

L-дигидроротат окисляется и превращается в оротат; акцептор электронов - НАД ⁺ . Это реакция, катализируемая дигидрооротатдегидрогеназой. Следующий шаг состоит в переносе фосфорибозильной группы с фосфорибозилпирофосфата (PRPP) на оротат. Он образует оротидилат (OMP) и неорганический пирофосфат (PPi), катализируемый оротатфосфорибозилтрансферазой.

Последняя стадия состоит из декарбоксилирования пиримидинового кольца оротидилата (OMP). Он образует уридилат (уридин-5'-монофосфат, UMP), который катализируется декарбоксилазой.

Затем при участии киназы фосфатная группа переносится с АТФ на UMP, образуя UDP (уридин-5'-дифосфат). Последний повторяется, образуя UTP (уридин-5'-трифосфат).

Регуляция биосинтеза

У бактерий регуляция биосинтеза пиримидина происходит по отрицательной обратной связи на уровне аспартат-транскабамоилазы (АТКазы).

Этот фермент ингибируется ЦТФ (цитидин-5'-трифосфат), который является конечным продуктом пути биосинтеза пиримидина. ATCase обладает регуляторными субъединицами, которые связываются с аллостерическим регулятором CTP.

У животных регуляция биосинтеза пиримидина происходит через отрицательную обратную связь на уровне двух ферментов: 1) карбамоилфосфатсинтазы II, которая ингибируется UTP и активируется ATP и PRPP; и 2) декарбоксилаза OMP, действие которой ингибируется продуктом катализируемой ею реакции - UMP. Скорость биосинтеза OMP зависит от доступности PRPP.

Роль в биосинтезе РНК

Урацил присутствует во всех типах РНК, таких как информационная РНК (мРНК), транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК). Биосинтез этих молекул происходит посредством процесса, называемого транскрипцией.

Во время транскрипции информация, содержащаяся в ДНК, копируется в РНК с помощью РНК-полимеразы. Обратный процесс, при котором информация, содержащаяся в РНК, копируется в ДНК, происходит у некоторых вирусов и растений через обратную транскриптазу.

Для биосинтеза РНК требуется нуклеозидтрифосфат (NTP), а именно: уридинтрифосфат (UTP), цитидинтрифосфат (CTP), 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 сахаров

Сложные эфиры сахара очень распространены в живых организмах. Некоторые из этих эфиров представляют собой дифосфаты эфиров нуклеозидов, такие как UDP-сахара, которых в клетках очень много. UDP-сахара участвуют в биосинтезе дисахаридов, олигосахаридов и полисахаридов.

У растений биосинтез сахарозы происходит двумя путями: первичным и вторичным.

Основным путем является перенос D-глюкозы от UDP-D-глюкозы к D-фруктозе с образованием сахарозы и UDP. Вторичный путь состоит из двух этапов: он начинается с UDP-D-глюкозы и фруктозо-6-фосфата и заканчивается образованием сахарозы и фосфата.

В молочных железах биосинтез лактозы происходит из UDP-D-галактозы и глюкозы.

У растений биосинтез целлюлозы осуществляется путем непрерывной конденсации бета-D-глюкозильных остатков от UDP-глюкозы до невосстанавливающего конца растущей полиглюкозной цепи. Точно так же для биосинтеза амилозы и амилопектина требуется UDP-глюкоза в качестве субстрата-донора глюкозы для растущей цепи.

У животных как UDP-глюкоза, так и ADP-глюкоза используются для биосинтеза гликогена. Точно так же для биосинтеза хондроитинсульфата требуется UDP-ксилоза, UDP-галактоза и UDP-глюкуронат.

Роль в изомерном взаимном превращении сахаров

Превращение галактозы в промежуточный продукт гликолиза происходит по пути Лелуара. Один из этапов этого пути катализируется ферментом UDP-галактозо-4-эпимеразой, который способствует взаимному превращению UDP-галактозы в UDP-глюкозу.

Роль в биосинтезе гликопротеинов

Во время биосинтеза гликопротеинов белки проходят через цис-, средний и транс-мешки аппарата Гольджи.

В каждом из этих мешочков есть набор ферментов, обрабатывающих гликопротеины. Мономеры сахара, такие как глюкоза и галактоза, добавляются к олигосахариду белка из UDP-гексозы и других нуклеотидов-гексозы.

Нуклеотиды гексозы транспортируются в цистерны Гольджи с помощью антипорта. UDP-галактоза (UDP-Gal) и UDP-N-ацетилгалактозамин (UDP-GalNAc) попадают в цистерны из цитозоля путем обмена на UMP.

В цистерне Гольджи фосфатаза гидролизует фосфатную группу UDP и образует UMP и Pi. UDP происходит в результате реакций, катализируемых галактозилтрансферазой и N-ацетилгалактозамилтрансферазой. UMP, образованный фосфатазой, служит для обмена нуклеотид-гексоза.

Роль в регуляции глутаминсинтазы

Механизм регуляции глутаминсинтазы - это ковалентная модификация, которая состоит из аденилирования, которое ее инактивирует, и деденилирования, которое ее активирует. Эта ковалентная модификация обратима и катализируется аденилтрансферазой.

Активность аденилтрансферазы модулируется связыванием белка PII, которое регулируется ковалентной модификацией, уридинилированием.

И уридилирование, и деуридилирование осуществляются уридилилтрансферазой. В этом ферменте активность уридилирования обусловлена ​​глутамином и фосфатом и активируется связыванием альфа-кетоглутарата и АТФ с PII.

Роль в редактировании РНК

Некоторые мРНК редактируются перед переводом. У некоторых эукариотических организмов, таких как Trypanosoma brucei, существует РНК-редактирование транскрипта гена субъединицы II цитохромоксидазы. Это происходит за счет вставки остатков урацила, реакции, катализируемой концевой уридилтрансферазой.

Справочная РНК, дополняющая редактируемый продукт, действует как шаблон для процесса редактирования. Пары оснований, образованные между исходным транскриптом и направляющей РНК, подразумевают пары оснований G = U, которые не являются Watson-Crick и являются общими для РНК.

Биосинтез UDP-глюкозы

В физиологических условиях биосинтез гликогена из глюкозо-1-фосфата термодинамически невозможен (ΔG положительный). Благодаря этому перед биосинтезом происходит активация глюкозо-1-фосфата (G1P). Эта реакция объединяет G1P и UTP с образованием уридиндифосфата глюкозы (UDP-глюкоза или UDPG).

Реакция катализируется UDP-глюкозопирофосфорилазой и выглядит следующим образом:

G1P + UTP -> UDP-глюкоза + 2Pi.

Изменение свободной энергии Гиббса на этом этапе велико и отрицательно (-33,5 кДж / моль). Во время реакции на кислород G1P атакует альфа-атом фосфора UTP и образует UDP-глюкозу и неорганический пирофосфат (PPi). Затем PPi гидролизуется неорганической пирофосфатазой, энергия гидролиза которой является движущей силой общей реакции.

UDP-глюкоза - это «высокоэнергетическое» вещество. Это позволяет образовывать гликозидные связи между остатком глюкозы и растущей полисахаридной цепью. Этот же энергетический принцип применим к реакциям, в которых участвуют UDP-сахара, таким как биосинтез дисахаридов, олигосахаридов и гликопротеинов.

Урацил ДНК гликозилаза

Есть повреждения ДНК, которые возникают спонтанно. Одно из этих поражений - спонтанное дезаминирование цитокина и его последующее превращение в урацил. В этом случае восстановление происходит путем удаления модифицированного основания из ДНК ферментом, называемым урацил-ДНК-гликозилазой.

Фермент урацил-ДНК-гликозилаза удаляет поврежденный цитокин (урацил), образуя остаток дезоксирибозы, в котором отсутствует азотистое основание, называемый AP-сайтом (апуриново-апиримидиновый сайт).

Затем фермент АР-эндонуклеаза прорезает фосфодиэфирный остов АР-сайта, удаляя сахарно-фосфатный остаток. ДНК-полимераза I восстанавливает поврежденную цепь.

Ссылки

1. Бохинский, Р. 1991. Биохимия. Аддисон-Уэсли Ибероамерикана, Уилмингтон, Делавэр.
2. Девлин, TM 2000. Биохимия. Редакция Reverté, Барселона.
3. 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.
4. Нельсон, Д.Л., Кокс, М.М. 2008. Ленингер - Принципы биохимии. WH Freeman, Нью-Йорк.
5. Воет, Д. и Воет, Дж. 2004. Биохимия. Джон Вили и сыновья, США.