Recenzováno: Todd Smith, PhD

Definice nukleotidu

podstatné jméno, množné číslo: nukleotidy
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

Je to základní stavební jednotka nukleové kyseliny; organická sloučenina tvořená dusíkatou bází, cukrem a fosfátovou skupinou.

Nukleotidy také poskytují chemickou energii ve formě svých nukleosidtrifosfátů. Kromě toho se podílejí na buněčné signalizaci a tvoří druhého posla v buněčných procesech.

Etymologie: „

Přehled

Nukleotid je považován za základní stavební jednotku nukleové kyseliny (např. DNA a RNA). Nukleová kyselina je zase jednou z hlavních skupin biomolekul (dalšími jsou sacharidy, bílkoviny a aminokyseliny). Nukleové kyseliny se podílejí na uchovávání, replikaci a expresi dědičné informace.

Charakteristika

Nukleotid je organická sloučenina složená ze tří podjednotek: dusíkaté báze, pětiuhlíkatého cukru a fosfátové skupiny. Cukernou složkou může být buď ribóza, nebo deoxyribóza. Ribóza je cukernou složkou nukleotidů, které tvoří RNA. Cukr deoxyribóza je cukernou složkou DNA. Každá fosfátová skupina spojuje cukerné kruhy dvou sousedních nukleotidových monomerů. Fosfátové skupiny a cukerné části tvoří páteř nukleové kyseliny. V DNA jsou obě vlákna orientována v opačných směrech. To má umožnit komplementární párování bází mezi nukleobázovými složkami. Kromě dlouhého řetězce nukleových kyselin se nukleotidy vyskytují také v cyklických formách. Cyklické nukleotidy vznikají, když je fosfátová skupina dvakrát spojena s cukernou částí, zejména se dvěma hydroxylovými skupinami složkového cukru.

Kromě úlohy nukleotidů jako podjednotek nukleových kyselin jsou také nositeli energie. Jsou nositeli chemické energie, kterou buňka využívá k pohonu různých buněčných aktivit. Zdaleka nejpoužívanější je adenosintrifosfát (ATP).

Nukleosidy vs. nukleotidy

Nukleotidy by se neměly zaměňovat s nukleosidy, což jsou také pětiuhlíkaté cukry s dusíkatou bází. Nukleosidy nemají fosfátovou skupinu. Když se nukleosid naváže na fosfátovou skupinu, vznikne nukleotid. (Ref. 1) Nukleotid se tedy označuje také jako nukleosid monofosfát (pokud má pouze jednu fosfátovou skupinu), nukleosid difosfát (pokud má dvě fosfátové skupiny) nebo nukleosid trifosfát (pokud má tři fosfátové skupiny). V závislosti na složce pentosového cukru může být nukleosid ribonukleosid nebo deoxyribonukleosid. Ribonukleosid je nukleosid s ribózou (cukernou složkou). Na základě nukleobázové složky může být ribonukleosid adenosin, guanosin, cytidin, uridin nebo 5-methyluridin. Deoxyribonukleosid je nukleosid s deoxyribosou. Podobně na základě nukleobázové složky může být deoxyribonukleosidem deoxyadenosin, deoxyguanosin, deoxycytidin, deoxythymidin nebo deoxyuridin. Také v závislosti na nukleobázové složce mohou být nukleosidy rozděleny buď na „dvoukroužkové“ puriny, nebo na „jednokroužkové“ pyrimidiny.

Klasifikace

Základní nukleotidy se na základě struktury dusíkaté báze dělí na puriny a pyrimidiny. Mezi purinové báze patří adenin a guanin, zatímco pyrimidinové báze jsou tymin a cytosin a uracil. V RNA nahrazuje uracil thymin (thymin vzniká přidáním metylu k uracilu). (Ref. 2)

Nukleobáze, které tvoří nukleovou kyselinu, slouží k odlišení molekul DNA od RNA. V DNA se thymin komplementárně páruje s adeninem, zatímco v RNA se uracil páruje s adeninem. Párování nukleobází C-G a A-T (nebo A-U v RNA) se označuje jako komplement báze.

Typy

Příklady nukleotidů s pouze jednou fosfátovou skupinou:

• adenosinmonofosfát (AMP)
• guanosinmonofosfát (GMP)
• cytidinmonofosfát (CMP)
• . uridin monofosfát (UMP)
• cyklický adenosin monofosfát (cAMP)
• cyklický guanosin monofosfát (cGMP)
• cyklický cytidin monofosfát (cCMP)
• cyklický uridinmonofosfát (cUMP)
• deoxyadenosinmonofosfát (dAMP)
• deoxyguanosinmonofosfát (dGMP)
• deoxycytidinmonofosfát (dCMP)
• (deoxy)thymidinmonofosfát (dTMP)

Nukleotidy se dvěma fosfátovými skupinami:

• adenosin difosfát (ADP)
• guanosin difosfát (GDP)
• cytidin difosfát (CDP)
• uridin difosfát (UDP)
• deoxyadenosin difosfát (dADP)
• deoxyguanosin difosfát (dGDP)
• deoxycytidin difosfát (dCDP)
• (deoxy)thymidin difosfát (dTDP)

Nukleotidy se třemi fosfátovými skupinami:

• adenosintrifosfát (ATP)
• guanosintrifosfát (GTP)
• cytidintrifosfát (CTP)
• .
• uridin trifosfát (UTP)
• deoxyadenosin trifosfát (dATP)
• deoxyguanosin trifosfát (dGTP)
• deoxycytidintrifosfát (dCTP)
• (deoxy)tymidintrifosfát (dTTP)

Dráha de novo syntézy

Nukleotidy vznikají přirozeně cestou de novo syntézy nebo cestou salvage. (Ref. 4) U člověka probíhá cesta de novo syntézy základních nukleotidů především v játrech. Při biosyntéze pyrimidinů se kruh tvoří sérií kroků, které začínají tvorbou karbamoylfosfátu. (Ref. 1) Nejprve vzniká karbamoylfosfát z biochemické reakce, která zahrnuje bikarbonát, glutamin, ATP (pro fosforylaci) a molekulu vody. Enzymem, který tuto reakci katalyzuje, je karbamoylfosfát syntetáza II nacházející se v cytosolu. Dále je karbamoylfosfát přeměněn na karbamoylaspartát enzymem aspartáttranskarbamylázou. Poté se kruh uzavře intramolekulární kondenzací, přičemž se karbamoylfosfát přemění na dihydroorotát pomocí enzymu dihydroorotázy. Nakonec je dihydroorotát oxidován dihydroorotátdehydrogenázou (integrální membránový protein ve vnitřní mitochondriální membráně) a přeměněn na orotát. Po vytvoření pyrimidinového kruhu reaguje 5-fosfo-α-D-ribosyl-1-pyrofosfát (PRPP), ribózový fosfát, s orotátem za vzniku orotidin-5-monofosfátu (OMP). OMP je poté dekarboxylován enzymem OMP dekarboxylázou za vzniku uridinmonofosfátu (UMP). Nakonec se na biosyntetické dráze pomocí kináz a defosforylace ATP vytváří uridindifosfát (UDP) a uridintrifosfát (UTP). UTP lze přeměnit na cytidintrifosfát (CTP) aminací UTP prostřednictvím enzymu CTP-syntázy. (Ref. 5)

V biosyntéze purinů mohou puriny pocházet z nukleotidu inosinmonofosfátu (IMP). IMP zase vzniká z již existujícího ribózového fosfátu, který se tvoří především z aminokyselin glycinu, glutaminu a kyseliny asparagové. Ribosa-5-fosfát reaguje s ATP za vzniku 5-fosforibosyl-1-pyrofosfátu (PRPP). PRRP hraje roli v syntéze purinů i pyrimidinů; podílí se také na tvorbě a záchranných drahách NAD a NADP. PRRP se však zapojuje zejména do biosyntézy purinů, když je PRRP přeměněn na 5-fosforibosyl-amin (tím, že pyrofosfát PRRP je nahrazen amidovou skupinou glutaminu). (Ref. 6) IMP se pak přeměňuje buď na adenosinmonofosfát (AMP), nebo na guanosinmonofosfát (GMP).

Degradace

Puriny guanin a adenin mohou být degradovány následujícím způsobem:

Jako u GMP je sloučenina nejprve hydrolyzována a přeměněna na guanosin. Ten se pak štěpí na volný guanin. (Ref. 7)

• Guanin (prostřednictvím guanázy) “ xantin (prostřednictvím xantinoxidázy) “ kyselina močová
• Adenosin „“ inosin (prostřednictvím purinové nukleosidfosforylázy) “ hypoxantin (prostřednictvím xantinoxidázy) “ xantin (prostřednictvím xantinoxidázy) “ kyselina močová

V důsledku degradace purinů, vzniká kyselina močová. U člověka se kyselina močová uvolňuje z jater a dalších tkáňových zdrojů do krevního oběhu, kterým se dostává do ledvin. Z těla se pak vylučuje močí.

Katabolismem vzniklé puriny mohou být zachráněny a znovu využity následujícím způsobem: (Ref. 6)

• Adenin je zachraňován enzymem adeninfosforibosyltransferázou (APRT), a to přeměnou na adenylát
• Guanin a hypoxantin jsou zachraňovány enzymem hypoxantin-guaninfosforibosyltransferázou (HGPRT), za vzniku guanylátu nebo IMP

Pyrimidiny, které jsou degradovány, mohou být recyklovány cestou záchrany. (Ref. 1) Nukleobáze jsou obnovovány pro opětovné použití po degradaci RNA a DNA. Pyrimidinové salvage dráhy jsou následující:

• Cytosin se deaminací přeměňuje na uracil. Pomocí uridinfosforylázy se uracil přeměňuje na uridin reakcí s ribóza-1-fosfátem. Prostřednictvím enzymu nukleosidkinázy se uridin přeměňuje na uridinmonofosfát (UMP).
• Tymin se reakcí s deoxyribóza-1-fosfátem a enzymem thymidinfosforylázou přeměňuje na thymidin. Thymidin je pak enzymem nukleosidkinázou přeměněn na thymidinmonofosfát. Zejména thymidinkináza je enzym pyrimidinové záchranné dráhy, který katalyzuje fosforylaci thymidinu na thymidinmonofosfát. (Ref.8)

Biologické funkce

Kromě toho, že slouží jako prekurzory nukleových kyselin, slouží nukleotidy také jako důležité kofaktory v buněčné signalizaci a metabolismu. Mezi tyto kofaktory patří CoA, flavin adenindinukleotid (FAD), flavinmononukleotid, adenosintrifosfát (ATP) a nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP). Zejména nukleosidtrifosfáty jsou nositeli balíčků chemické energie, která se využívá při mnoha buněčných činnostech vyžadujících energii, např. při syntéze aminokyselin, syntéze bílkovin, dělení buněk, vnitřních a mezibuněčných pohybech atd.

Viz také

• Nukleová kyselina
• Deoxyribonukleová kyselina
• Ribonukleová kyselina
• Nukleosid

1. PURINY A PYRIMIDINY. (2020). Utah.Edu. https://library.med.utah.edu/NetBiochem/pupyr/pp.htm
2. Bera, P. P., Nuevo, M., Materese, C. K., Sandford, S. A., & Lee, T. J. (2016). Mechanismy vzniku thyminu za astrofyzikálních podmínek a důsledky pro vznik života. The Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. Nukleotidy. (2020). Rpi.Edu. https://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
4. Záchrana nukleotidů – přehled | ScienceDirect Topics. (2018). Sciencedirect.Com. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleotide-salvage
5. Charma, K. & Somani, D. (2015). Pyrimidinová biosyntéza. Získáno z webových stránek Slideshare.net: www.slideshare.net/kskuldeep1995/pyrimidine-biosynthesis-46874172
6. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Lubert Stryer. (2016). Klíčové kroky v biosyntéze nukleotidů jsou regulovány zpětnovazebnou inhibicí. Nih.Gov; W H Freeman. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22428/
7. Kapitola 21 : Biosyntéza aminokyselin, nukleotidů a příbuzných molekul. (2020). Bioinfo.Org.Cn. http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt21/bio8.htm
8. He, Q., Mao, Y., & Wu, J. (2002). Imunohistochemická exprese cytosolické tymidinkinázy u pacientek s karcinomem prsu. Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

Doporučuje se:

• BLAST pro začátečníky. Digitální svět biologie. https://digitalworldbiology.com/tutorial/blast-for-beginners