Ribonukleotid

V biochemii je ribonukleotid nukleotid obsahující ribózu jako svou pentózovou složku. Je považován za molekulární prekurzor nukleových kyselin . Nukleotidy jsou základní stavební kameny DNA a RNA . Samotné ribonukleotidy jsou základními monomerními stavebními kameny pro RNA. Deoxyribonukleotidy , které vznikají redukcí ribonukleotidů enzymem ribonukleotidreduktázou (RNR), jsou důležitými stavebními kameny DNA [1]. Mezi DNA deoxyribonukleotidy a RNA ribonukleotidy existuje několik rozdílů. Sekvenční nukleotidy jsou navzájem spojeny fosfodiesterovými vazbami.

Ribonukleotidy se také používají v jiných buněčných funkcích. Tyto speciální monomery se používají jak v buněčné regulaci, tak v buněčné signalizaci, jak ukazuje adenosinmonofosfát (AMP). Kromě toho mohou být ribonukleotidy přeměněny na adenosintrifosfát (ATP), energetický ekvivalent v organismech. Ribonukleotidy mohou být přeměněny na cyklický adenosinmonofosfát (cyklický AMP) k regulaci hormonů v organismech [1] . V živých organismech jsou nejběžnějšími bázemi pro ribonukleotidy adenin (A), guanin (G), cytosin (C) nebo uracil (U). Dusíkaté báze se dělí na dvě základní sloučeniny, purin a pyrimidin .

Budova

Obecná struktura

Složení ribonukleotidů zahrnuje: zbytek kyseliny fosforečné , pentózový cukr ribózy a dusíkatou bázi , ve které může být nukleovou bází adenin, guanin, cytosin nebo uracil. Bez fosfátové skupiny je složení jádra a cukru známé jako nukleosid . Zaměnitelné dusíkaté nukleové báze jsou odvozeny od dvou mateřských sloučenin, purinu a pyrimidinu. Nukleotidy jsou heterocyklické sloučeniny, což znamená, že obsahují alespoň dva různé chemické prvky jako členy svých kruhů.

RNA i DNA obsahují dvě základní purinové báze, adenin (A) a guanin (G), a dva základní pyrimidiny. V DNA i RNA je jedním z pyrimidinů cytosin (C). DNA a RNA se však u druhého hlavního pyrimidinu liší. DNA obsahuje thymin (T) a RNA obsahuje uracil (U). V některých vzácných případech se thymin nachází v RNA a uracil se nachází v DNA. Zde jsou 4 základní ribonukleotidy (ribonukleosid 5'-monofosfát), které jsou stavebními kameny RNA.

Srovnání DNA deoxyribonukleotidů a RNA ribonukleotidů

V ribonukleotidech je cukernou složkou ribóza, zatímco v deoxyribonukleotidech je cukernou složkou deoxyribóza. Místo hydroxylové skupiny na druhém uhlíku v ribózovém kruhu je nahrazena atomem vodíku [2] .

Oba typy pentóz v DNA a RNA jsou ve formě β-furanózy (uzavřený pětičlenný kruh) a určují identitu nukleové kyseliny. DNA je definována jako obsahující 2'-deoxy-ribózovou nukleovou kyselinu, zatímco RNA je definována jako obsahující ribózovou nukleovou kyselinu [1] .

V některých případech mohou DNA a RNA obsahovat některé minoritní báze. Methylované formy bazických bází jsou v DNA nejčastější. Ve virové DNA mohou být některé báze hydroxymethylované nebo glukosylované. V RNA jsou častější minoritní nebo modifikované báze. Některé příklady zahrnují hypoxanthin, dihydrouracil, methylované formy uracilu, cytosin a guanin a modifikovaný nukleosid pseudouridin [3] . Byly také pozorovány nukleotidy s fosfátovými skupinami v polohách jiných než 5' uhlík. Příklady zahrnují ribonukleosid 2', 3'-cyklické monofosfáty, což jsou izolátové meziprodukty, a ribonukleosid 3'-monofosfáty, které jsou konečnými produkty hydrolýzy RNA určitými ribonukleázami. Další varianty zahrnují adenosin 3',5'-cyklický monofosfát (cAMP) a guanosin 3',5'-cyklický monofosfát (cGMP) [4] .

Sekvenční vazba nukleotidů

Ribonukleotidy jsou navzájem spojeny za vzniku řetězců RNA prostřednictvím fosfodiesterových vazeb. 5'-fosfátová skupina jednoho nukleotidu je spojena s 3'-hydroxylovou skupinou dalšího nukleotidu, čímž vzniká základní řetězec střídajících se fosfátových a pentózových zbytků. Na každém konci polynukleotidu není žádná fosfodiesterová vazba [5] . Fosfodiesterové vazby jsou tvořeny mezi ribonukleotidy enzymem RNA polymerázou. Řetězec RNA je syntetizován od 5' konce ke 3' konci, protože 3' hydroxylová skupina posledního ribonukleotidu v řetězci působí jako nukleofil a zahajuje hydrofilní útok na 5' trifosfát příchozího ribonukleotidu a uvolňuje pyrofosfát jako vedlejší produkt [6] . Díky fyzikálním vlastnostem nukleotidů je kostra RNA velmi hydrofilní a polární. Při neutrálním pH jsou nukleové kyseliny vysoce nabité, protože každá fosfátová skupina nese záporný náboj [7] .

DNA i RNA jsou vytvořeny z nukleosidových fosfátů, také známých jako mononukleotidové monomery, u kterých je termodynamicky méně pravděpodobné, že se kombinují než aminokyseliny. Fosfodiesterové vazby během hydrolýzy uvolňují značné množství volné energie. Proto mají nukleové kyseliny tendenci spontánně hydrolyzovat na mononukleotidy. Prekurzory RNA jsou GTP, CTP, UTP a ATP, které jsou hlavním zdrojem energie v reakcích přenosu skupiny [8] .

Funkce

Deoxyribonukleotidové prekurzory[upravit]

Vědci se domnívají, že RNA se objevila před DNA.

Redukce ribonukleotidů na deoxyribonukleotidy je katalyzována ribonukleotidreduktázou. Ribonukleotidreduktáza (RNR) je důležitým enzymem pro všechny živé organismy, protože je odpovědná za poslední krok v syntéze čtyř deoxyribonukleotidů (dNTP) nezbytných pro replikaci a opravu DNA [9] . Reakce také vyžaduje dva další proteiny: thioredoxin a thioredoxin-reduktázu. Ribonukleosid difosfát (NDP) je redukován thioredoxinem na deoxyribonukleosid difosfát (dNTP).

Obecná reakce je následující: ribonukleosid difosfát + NADPH + H + -> deoxyribonukleosid difosfát + NADP + + H 2 O [10] .

Pro ilustraci této rovnice jsou dATP a dGTP syntetizovány z ADP a GDP. Nejprve jsou redukovány RNR a poté fosforylovány nukleosiddifosfátkinázami na dATP a dGTP. Ribonukleotidreduktáza je řízena alosterickými interakcemi . Jakmile se dATP naváže na ribonukleotidreduktázu, celková katalytická aktivita enzymu se sníží, protože to znamená nadbytek deoxyribonukleotidů. Tato zpětnovazební inhibice je obrácena, jakmile se ATP naváže [11] .

Diskriminace ribonukleotidů

Během syntézy DNA musí DNA polymerázy vybrat složky proti ribonukleotidům, které jsou přítomny v mnohem vyšších koncentracích než deoxyribonukleotidy. Je důležité, aby existovala selektivita, protože replikace DNA musí být přesná, aby se zachoval genom organismu. Bylo prokázáno, že aktivní místa DNA polymeráz rodiny Y jsou zodpovědná za udržení vysoké selektivity pro ribonukleotidy [12] . Většina DNA polymeráz je také vybavena k vyloučení ribonukleotidů z jejich aktivního místa prostřednictvím objemného zbytku postranního řetězce, který může stericky blokovat 2'-hydroxylovou skupinu ribózového kruhu. Nicméně, mnoho jaderných replikativních a opravných DNA polymeráz začleňuje ribonukleotidy do DNA [13] [14] , což naznačuje, že vylučovací mechanismus je nedokonalý [15] .

Biologické funkce v buňce

• Nezbytný pro syntézu RNA
• Mnoho klíčových molekul v buňce jsou ribonukleotidy nebo ribonukleotidy jsou jejich součástí, například ATP, pyridoxal fosfát , NAD , koenzym A , FAD .

1. ↑ 1 2 3 Nelson, David. Lehningerovy principy biochemie. — W. H. Freeman and Co., 2008. — S. 272–273.
2. ↑ EA Newsholme. Funkční biochemie ve zdraví a nemoci . - Chichester, UK: Wiley-Blackwell, 2009. - xvi, 543 stran s. - ISBN 978-0-471-98820-5 , 0-471-98820-0, 978-0-471-93165-2, 0-471-93165-9.
3. ↑ Das, Debajyoti. biochemie. - Bimal Kumar Dhur z Academic Publishers, 2010.
4. ↑ Michael M. Cox. Základy biochemie . - WH Freeman & Co, 2008. - 1158 stran s. - ISBN 978-1-4292-2263-1 , 1-4292-2263-8, 978-0-230-22699-9, 0-230-22699-X.
5. ↑ Kenneth W. Raymond. Obecná, organická a biologická chemie: integrovaný přístup . — 3. vyd. — Hoboken, NJ: Wiley, 2010. — Getr. Zahlung. S. - ISBN 978-0-470-50476-5 , 0-470-50476-5, 978-0-470-55124-0, 0-470-55124-0.
6. ↑ Stolní encyklopedie mikrobiologie . — 1. vyd. - Amsterdam: Elsevier/Academic Press, 2004. - 1 online zdroj (1149 stran) str. - ISBN 978-0-08-047246-1 , 0-08-047246-X, 1-280-96697-1, 978-1-280-96697-2, 9786610966974, 6610966974.
7. ↑ Molekulární biologie . — 3. vyd. — New York, NY: Taylor & Francis, 2005. — xiv, 370 stran s. - ISBN 0-415-35167-7 , 978-0-415-35167-6.
8. ↑ Nelson, David. Lehningerovy principy biochemie. — W. H. Freeman and Co, 2008. — S. 274–275.
9. ↑ Maria del Mar Cendra, Antonio Juárez, Eduard Torrents. Biofilm modifikuje expresi genů ribonukleotidreduktázy v Escherichia coli  // PloS One. - 2012. - Svazek 7 , č. 9 . — S. e46350 . — ISSN 1932-6203 . - doi : 10.1371/journal.pone.0046350 .
10. ↑ Mary K. Campbellová. biochemie . — 7. vyd. - Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning, 2012. - 1 svazek (různé stránky) Str. - ISBN 978-0-8400-6858-3 , 0-8400-6858-1, 978-1-111-42564-7, 1-111-42564-7.
11. ↑ Jeremy M. Berg. biochemie . — 6. vyd. - New York: WH Freeman, 2007. - 1 svazek (různé stránky) Str. - ISBN 0-7167-8724-5 , 978-0-7167-8724-2, 0-7167-6766-X, 978-0-7167-6766-4.
12. ↑ Kevin N. Kirouac, Zucai Suo, Hong Ling. Strukturální mechanismus ribonukleotidové diskriminace DNA polymerázou rodiny Y  //  Journal of Molecular Biology. — 2011-04. — Sv. 407 , iss. 3 . — S. 382–390 . - doi : 10.1016/j.jmb.2011.01.037 .
13. ↑ Stephanie A. Nick McElhinny, Dinesh Kumar, Alan B. Clark, Danielle L. Watt, Brian E. Watts. Nestabilita genomu v důsledku začlenění ribonukleotidů do DNA  // Nature Chemical Biology. — 2010-10. - T. 6 , ne. 10 . — S. 774–781 . — ISSN 1552-4469 . - doi : 10.1038/nchembio.424 .
14. ↑ Stephanie A. Nick McElhinny, Brian E. Watts, Dinesh Kumar, Danielle L. Watt, Else-Britt Lundström. Bohatá inkorporace ribonukleotidů do DNA kvasinkovými replikativními polymerázami  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2010-03-16. - T. 107 , č.p. 11 . — S. 4949–4954 . — ISSN 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.0914857107 .
15. ↑ Rajesh Kasiviswanathan, William C. Copeland. Ribonukleotidová diskriminace a reverzní transkripce lidskou mitochondriální DNA polymerázou  // The Journal of Biological Chemistry. — 2011-09-09. - T. 286 , č.p. 36 . — S. 31490–31500 . — ISSN 1083-351X . - doi : 10.1074/jbc.M111.252460 .