Geprüft von: Todd Smith, PhD

Nukleotid Definition

Nomen, Plural: Nukleotide
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

Es ist der Grundbaustein der Nukleinsäure; eine organische Verbindung, die aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Zucker und einer Phosphatgruppe besteht.

Nukleotide liefern auch chemische Energie in Form ihrer Nukleosidtriphosphate. Außerdem sind sie an der Zellsignalisierung beteiligt und bilden einen zweiten Botenstoff in zellulären Prozessen.

Etymologie: „nucleo“- („Kern“) + -ide (chemische Endung)

Übersicht

Ein Nukleotid gilt als Grundbaustein der Nukleinsäure (z.B. DNA und RNA). Eine Nukleinsäure wiederum ist eine der Hauptgruppen von Biomolekülen (die anderen sind Kohlenhydrate, Proteine und Aminosäuren). Nukleinsäuren sind an der Erhaltung, Replikation und Expression von Erbinformationen beteiligt.

Merkmale

Ein Nukleotid ist eine organische Verbindung, die aus drei Untereinheiten besteht: einer stickstoffhaltigen Base, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einer Phosphatgruppe. Die Zuckerkomponente kann entweder Ribose oder Desoxyribose sein. Die Ribose ist die Zuckerkomponente der Nukleotide, aus denen die RNA besteht. Der Desoxyribosezucker ist der Zuckerbestandteil der DNA. Jede Phosphatgruppe verbindet die Zuckerringe von zwei benachbarten Nukleotidmonomeren. Die Phosphatgruppen und die Zuckereinheiten bilden das Rückgrat einer Nukleinsäure. Bei der DNA sind die beiden Stränge in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet. Dadurch wird die komplementäre Basenpaarung zwischen den Nukleobasen ermöglicht. Abgesehen von der langen Kette der Nukleinsäuren kommen Nukleotide auch in zyklischen Formen vor. Zyklische Nukleotide entstehen, wenn die Phosphatgruppe zweimal an den Zuckerteil gebunden ist, insbesondere an die beiden Hydroxylgruppen des konstituierenden Zuckers.

Neben der Rolle der Nukleotide als Untereinheiten der Nukleinsäuren sind sie auch Energieträger. Sie transportieren chemische Energie, die die Zelle für verschiedene Zellaktivitäten nutzt. Adenosintriphosphat (ATP) wird bei weitem am häufigsten verwendet.

Nukleoside vs. Nukleotide

Nukleotide sollten nicht mit Nukleosiden verwechselt werden, die ebenfalls 5-Kohlenstoff-Zucker mit einer stickstoffhaltigen Base sind. Nukleoside haben keine Phosphatgruppe. Wenn ein Nukleosid an eine Phosphatgruppe gebunden wird, entsteht ein Nukleotid. (Ref. 1) Daher wird ein Nukleotid auch als Nukleosidmonophosphat (wenn es nur eine Phosphatgruppe hat), Nukleosiddiphosphat (mit zwei Phosphatgruppen) oder Nukleosidtriphosphat (wenn es drei Phosphatgruppen hat) bezeichnet. Je nach der Pentosezuckerkomponente kann ein Nukleosid ein Ribonukleosid oder ein Desoxyribonukleosid sein. Ein Ribonukleosid ist ein Nukleosid mit einer Ribose (Zuckerkomponente). Je nach Nukleobase kann es sich bei dem Ribonukleosid um Adenosin, Guanosin, Cytidin, Uridin oder 5-Methyluridin handeln. Ein Desoxyribonukleosid ist ein Nukleosid mit Desoxyribose. Je nach Nukleobasenkomponente kann ein Desoxyribonukleosid auch Desoxyadenosin, Desoxyguanosin, Desoxycytidin, Desoxythymidin oder Desoxyuridin sein. Je nach der Nukleobasenkomponente können die Nukleoside auch in die Gruppe der „doppelringigen“ Purine oder der „einfachringigen“ Pyrimidine eingeteilt werden.

Klassifizierung

Die grundlegenden Nukleotide werden auf der Grundlage der Struktur der stickstoffhaltigen Base in Purine und Pyrimidine unterteilt. Zu den Purinbasen gehören Adenin und Guanin, zu den Pyrimidinbasen Thymin und Cytosin sowie Uracil. In der RNA ersetzt Uracil das Thymin (Thymin wird durch Hinzufügen von Methyl zu Uracil hergestellt). (Ref. 2)

Die Nukleobasen, aus denen die Nukleinsäure besteht, dienen zur Unterscheidung zwischen DNA- und RNA-Molekülen. In der DNA paart sich Thymin komplementär mit Adenin, während in der RNA Uracil mit Adenin zusammenpasst. Die Paarungen der Nukleobasen C-G und A-T (oder A-U in RNA) werden als Basenkomplemente bezeichnet.

Typen

Beispiele für Nukleotide mit nur einer Phosphatgruppe:

• Adenosinmonophosphat (AMP)
• Guanosinmonophosphat (GMP)
• Cytidinmonophosphat (CMP)
• Uridinmonophosphat (UMP)
• Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP)
• Zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP)
• Zyklisches Cytidin Monophosphat (cCMP)
• zyklisches Uridinmonophosphat (cUMP)
• Desoxyadenosinmonophosphat (dAMP)
• Desoxyguanosinmonophosphat (dGMP)
• Dextcytidinmonophosphat (dCMP)
• (Desoxy)thymidinmonophosphat (dTMP)

Nukleotide mit zwei Phosphatgruppen:

• Adenosindiphosphat (ADP)
• Guanosindiphosphat (GDP)
• Cytidindiphosphat (CDP)
• Uridindiphosphat (UDP)
• Deoxyadenosindiphosphat (dADP)
• Desoxyguanosindiphosphat (dGDP)
• Desoxycytidindiphosphat (dCDP)
• (Desoxy)thymidindiphosphat (dTDP)

Nukleotide mit drei Phosphatgruppen:

• Adenosintriphosphat (ATP)
• Guanosintriphosphat (GTP)
• Cytidintriphosphat (CTP)
• Uridintriphosphat (UTP)
• Deoxyadenosintriphosphat (dATP)
• Deoxyguanosintriphosphat (dGTP)
• Desoxycytidintriphosphat (dCTP)
• (Desoxy)thymidintriphosphat (dTTP)

De-novo-Syntheseweg

Nukleotide werden auf natürlichem Wege durch De-novo-Synthesewege oder durch Bergungswege hergestellt. (Ref. 4) Beim Menschen findet der De-novo-Syntheseweg der grundlegenden Nukleotide hauptsächlich in der Leber statt. Bei der Biosynthese von Pyrimidinen wird der Ring durch eine Reihe von Schritten gebildet, die mit der Bildung von Carbamoylphosphat beginnen. (Ref. 1) Zunächst wird Carbamoylphosphat durch eine biochemische Reaktion hergestellt, an der Bicarbonat, Glutamin, ATP (für die Phosphorylierung) und ein Wassermolekül beteiligt sind. Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, ist die Carbamoylphosphat-Synthetase II, die sich im Zytosol befindet. Anschließend wird das Carbamoylphosphat durch das Enzym Aspartat-Transcarbamylase in Carbamoylaspartat umgewandelt. Anschließend schließt sich der Ring durch intramolekulare Kondensation, wobei Carbamoylphosphat durch das Enzym Dihydroorotase in Dihydroorotat umgewandelt wird. Schließlich wird das Dihydroorotat durch Dihydroorotat-Dehydrogenase (ein integrales Membranprotein in der inneren Mitochondrienmembran) oxidiert und in Orotat umgewandelt. Nach der Bildung des Pyrimidinrings reagiert 5-Phospho-α-D-ribosyl-1-pyrophosphat (PRPP), ein Ribosephosphat, mit Orotat zu Orotidin-5-monophosphat (OMP). OMP wird dann durch das Enzym OMP-Decarboxylase decarboxyliert, um Uridinmonophosphat (UMP) zu bilden. Schließlich werden Uridindiphosphat (UDP) und Uridintriphosphat (UTP) auf dem Biosyntheseweg durch Kinasen und Dephosphorylierung von ATP hergestellt. UTP kann durch Aminierung von UTP mit Hilfe des Enzyms CTP-Synthetase in Cytidintriphosphat (CTP) umgewandelt werden. (Ref. 5)

In der Purinbiosynthese können Purine aus dem Nukleotid Inosinmonophosphat (IMP) stammen. IMP wiederum wird aus einem bereits vorhandenen Ribosephosphat hergestellt, das sich hauptsächlich aus den Aminosäuren Glycin, Glutamin und Asparaginsäure bildet. Ribose-5-Phosphat reagiert mit ATP zur Bildung von 5-Phosphoribosyl-1-pyrophosphat (PRPP). PRRP spielt sowohl bei der Purin- als auch bei der Pyrimidinsynthese eine Rolle; es ist auch an der Bildung von NAD und NADP sowie an den Bergungswegen beteiligt. PRRP wird jedoch insbesondere für die Purinbiosynthese eingesetzt, wenn PRRP in 5-Phosphoribosylamin umgewandelt wird (indem das Pyrophosphat von PRRP durch die Amidgruppe von Glutamin ersetzt wird). (Ref. 6) IMP wird dann entweder in Adenosinmonophosphat (AMP) oder Guanosinmonophosphat (GMP) umgewandelt.

Abbau

Die Purine Guanin und Adenin können wie folgt abgebaut werden:

Was GMP betrifft, wird die Verbindung zunächst hydrolysiert und in Guanosin umgewandelt. Letzteres wird dann zu freiem Guanin gespalten. (Ref. 7)

• Guanin (über Guanase) “ Xanthin (über Xanthinoxidase) “ Harnsäure
• Adenosin „“ Inosin (über Purin-Nukleosidphosphorylase) “ Hypoxanthin (über Xanthinoxidase) “ Xanthin (über Xanthinoxidase) “ Harnsäure

Als Ergebnis des Purinabbaus, wird Harnsäure gebildet. Beim Menschen wird die Harnsäure aus der Leber und anderen Gewebequellen in den Blutkreislauf freigesetzt, über den sie in die Niere gelangt. Sie wird dann über den Urin aus dem Körper ausgeschieden.

Purine aus dem Katabolismus können wie folgt wiedergewonnen und wiederverwendet werden: (Ref. 6)

• Adenin wird durch das Enzym Adeninphosphoribosyltransferase (APRT) verwertet, indem es in Adenylat umgewandelt wird
• Guanin und Hypoxanthin werden durch das Enzym Hypoxanthin-Guaninphosphoribosyltransferase (HGPRT) verwertet, durch Bildung von Guanylat oder IMP

Pyrimidine, die abgebaut werden, können über einen Bergungsweg recycelt werden. (Ref. 1) Nukleobasen werden nach dem RNA- und DNA-Abbau zur Wiederverwendung zurückgewonnen. Die Pyrimidin-Rückgewinnungswege sind wie folgt:

• Cytosin wird durch Desaminierung in Uracil umgewandelt. Durch Uridinphosphorylase wird Uracil durch Reaktion mit Ribose-1-phosphat in Uridin umgewandelt. Durch das Enzym Nukleosidkinase wird Uridin in Uridinmonophosphat (UMP) umgewandelt.
• Thymin wird durch Reaktion mit Desoxyribose-1-phosphat und durch das Enzym Thymidinphosphorylase in Thymidin umgewandelt. Thymidin wird dann durch das Enzym Nukleosidkinase in Thymidinmonophosphat umgewandelt. Die Thymidinkinase ist insbesondere ein Enzym des Pyrimidin-Rettungsweges, das die Phosphorylierung von Thymidin zu Thymidinmonophosphat katalysiert. (Ref.8)

Biologische Funktionen

Nucleotide dienen nicht nur als Vorläufer von Nucleinsäuren, sondern auch als wichtige Cofaktoren bei der zellulären Signalübertragung und im Stoffwechsel. Zu diesen Kofaktoren gehören CoA, Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD), Flavin-Mononukleotid, Adenosintriphosphat (ATP) und Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP). Insbesondere die Nukleosidtriphosphate sind Träger von chemischen Energiepaketen, die bei vielen energieaufwendigen zellulären Aktivitäten verwendet werden, z. B. bei der Aminosäuresynthese, der Proteinsynthese, der Zellteilung, den internen und interzellulären Bewegungen usw.

Siehe auch

• Nukleinsäure
• Deoxyribonukleinsäure
• Ribonukleinsäure
• Nukleosid

1. PURINE UND PYRIMIDINE. (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). Mechanismen für die Bildung von Thymin unter astrophysikalischen Bedingungen und Implikationen für den Ursprung des Lebens. The Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. Nucleotides. (2020). Rpi.Edu. https://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
4. Nucleotide Salvage – an overview | ScienceDirect Topics. (2018). Sciencedirect.com. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleotide-salvage
5. Charma, K. & Somani, D. (2015). Pyrimidine Biosynthesis. Retrieved from Slideshare.net website: www.slideshare.net/kskuldeep1995/pyrimidine-biosynthesis-46874172
6. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Lubert Stryer. (2016). Key Steps in Nucleotide Biosynthesis Are Regulated by Feedback Inhibition. Nih.Gov; W H Freeman. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22428/
7. Kapitel 21 : Biosynthesis of Amino Acids, Nucleotides, and Related Molecules. (2020). Bioinfo.Org.Cn. http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt21/bio8.htm
8. He, Q., Mao, Y., & Wu, J. (2002). Immunhistochemische Expression der zytosolischen Thymidinkinase bei Patienten mit Mammakarzinom. Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

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