Reviewed by: Todd Smith, PhD

Nukleotidi Määritelmä

sana, monikko: nukleotidit
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

Nukleiinihapon perusrakennusaine; orgaaninen yhdiste, joka koostuu typpiemäksestä, sokerista ja fosfaattiryhmästä.

Nukleotidit tuottavat myös kemiallista energiaa nukleosiditrifosfaattiensa muodossa. Lisäksi ne osallistuvat solujen signalointiin ja muodostavat toisen viestinviejän soluprosesseissa.

Etymologia: ”

Yleistä

Nukleotidia pidetään nukleiinihapon (esim. DNA ja RNA) perusrakennusaineena. Nukleiinihappo puolestaan on yksi biomolekyylien pääryhmistä (muut ovat hiilihydraatit, proteiinit ja aminohapot). Nukleiinihapot osallistuvat perimätiedon säilymiseen, monistumiseen ja ilmentymiseen.

Ominaisuudet

Nukleotidi on orgaaninen yhdiste, joka koostuu kolmesta alayksiköstä: typpiperäisestä emäksestä, viisihiilisestä sokerista ja fosfaattiryhmästä. Sokerikomponentti voi olla joko riboosi tai deoksiriboosi. Riboosi on RNA:n muodostavien nukleotidien sokerikomponentti. Desoksiriboosisokeri on DNA:n sokerikomponentti. Kukin fosfaattiryhmä yhdistää kahden vierekkäisen nukleotidimonomeerin sokerirenkaat. Fosfaattiryhmät ja sokeriryhmät muodostavat nukleiinihapon selkärangan. DNA:ssa kahden säikeen suunta on vastakkaisiin suuntiin. Tämä mahdollistaa komplementaarisen emäsparin muodostumisen nukleobaasin rakenneosien välillä. Nukleiinihappojen pitkän ketjun lisäksi nukleotideja esiintyy myös syklisissä muodoissa. Sykliset nukleotidit muodostuvat, kun fosfaattiryhmä liittyy kahdesti sokeriryhmään, erityisesti kahteen muodostavan sokerin hydroksyyliryhmään.

Nukleotidit ovat paitsi nukleiinihappojen alayksikköjä, myös energiankantajia. Ne kuljettavat kemiallista energiaa, jota solu käyttää erilaisiin solutoimintoihin. Adenosiinitrifosfaatti (ATP) on ylivoimaisesti käytetyin.

Nukleosidit vs. nukleotidit

Nukleotideja ei pidä sekoittaa nukleosideihin, jotka ovat niin ikään 5-hiilisiä sokereita, joissa on typpiperusta. Nukleosideissa ei ole fosfaattiryhmää. Kun nukleosidi sitoutuu fosfaattiryhmään, syntyy nukleotidi. (Viitattu 1) Nukleotidista käytetään siis myös nimitystä nukleosidimonofosfaatti (jos siinä on vain yksi fosfaattiryhmä), nukleosidifosfaatti (jos siinä on kaksi fosfaattiryhmää) tai nukleosiditrifosfaatti (jos siinä on kolme fosfaattiryhmää). Pentoosisokerikomponentista riippuen nukleosidi voi olla ribonukleosidi tai deoksiribonukleosidi. Ribonukleosidi on nukleosidi, jossa on riboosi (sokerikomponentti). Nukleoaasikomponentin perusteella ribonukleosidi voi olla adenosiini, guanosiini, sytidiini, uridiini tai 5-metyyliuridiini. Desoksiribonukleosidi on nukleosidi, jossa on desoksiriboosi. Vastaavasti nukleobaasikomponentin perusteella deoksiribonukleosidi voi olla deoksiadenosiini, deoksiguanosiini, deoksisytidiini, deoksitymidiini tai deoksuridiini. Lisäksi nukleosidit voidaan nukleobaasikomponentista riippuen ryhmitellä joko ”kaksirenkaisiin” puriineihin tai ”yksirenkaisiin” pyrimidiiniin.

Luokittelu

Perusnukleotidit jaetaan typpiperustan rakenteen perusteella puriineihin ja pyrimidiiniin. Puriinien emäkset ovat adeniini ja guaniini, kun taas pyrimidiinien emäkset ovat tymiini ja sytosiini sekä urasiili. RNA:ssa urasiili korvaa tymiinin (tymiini syntyy lisäämällä metyyliä urasiiliin). (Viitattu 2)

Nukleiinihapon muodostavat nukleoaasit erottavat DNA:n RNA-molekyyleistä. DNA:ssa tymiini muodostaa komplementaariparin adeniinin kanssa, kun taas RNA:ssa urasiili muodostaa parin adeniinin kanssa. Nukleoaasien C-G ja A-T (tai RNA:ssa A-U) muodostamia pareja kutsutaan emäskomplementeiksi.

Tyypit

Esimerkkejä nukleotideista, joissa on vain yksi fosfaattiryhmä:

• adenosiinimonofosfaatti (AMP)
• guanosiinimonofosfaatti (GMP)
• sytidiinimonofosfaatti (CMP)
• uridiinimonofosfaatti (UMP)
• syklinen adenosiinimonofosfaatti (cAMP)
• syklinen guanosiinimonofosfaatti (cGMP)
• syklinen sytidiinimonofosfaatti (UMP)
• sykl. monofosfaatti (cCMP)
• syklinen uridiinimonofosfaatti (cUMP)
• deoksiadenosiinimonofosfaatti (dAMP)
• deoksi guanosiinimonofosfaatti (dGMP)
• deoksisytidiinimonofosfaatti (dCMP)
• (deoksi)tymidiinimonofosfaatti (dTMP)

Nukleotidit, joilla on kaksi fosfaattiryhmää:

• adenosiinidifosfaatti (ADP)
• guanosiinidifosfaatti (GDP)
• sytidiinidifosfaatti (CDP)
• uridiinidifosfaatti (UDP)
• deoksiadenosiinidifosfaatti. (dADP)
• deoksiguanosiinidifosfaatti (dGDP)
• deoksisytidiinidifosfaatti (dCDP)
• (deoksi)tymidiinidifosfaatti (dTDP)

Nukleotidit, joilla on kolme fosfaattiryhmää:

• adenosiinitrifosfaatti (ATP)
• guanosiinitrifosfaatti (GTP)
• sytidiinitrifosfaatti (CTP)
• uridiinitrifosfaatti (UTP)
• desoksiadenosiinitrifosfaatti (dATP)
• desoksiguanosiinitrifosfaatti (dGTP)
• deoksisytidiinitrifosfaatti (dCTP)
• (deoksi)tymidiinitrifosfaatti (dTTP)

De-novo-synteesireitti

Nukleotideja tuotetaan luonnostaan de-novo-synteesireitillä tai pelastusreitillä. (Viitattu 4) Ihmisellä perusnukleotidien de novo -synteesireitti tapahtuu pääasiassa maksassa. Pyrimidiinin biosynteesissä rengas muodostuu useiden vaiheiden kautta, jotka alkavat karbamoyylifosfaatin muodostumisesta. (Viite 1) Karbamoyylifosfaatti syntyy ensin biokemiallisesta reaktiosta, johon osallistuvat bikarbonaatti, glutamiini, ATP (fosforylaatiota varten) ja vesimolekyyli. Reaktiota katalysoiva entsyymi on sytosolissa sijaitseva karbamoyylifosfaattisyntetaasi II. Seuraavaksi karbamoyylifosfaatti muunnetaan karbamoyyliaspartaatiksi aspartaattitranskarbamylaasientsyymin avulla. Sitten rengas sulkeutuu intramolekulaarisen kondensaation kautta, jolloin karbamoyylifosfaatti muuttuu dihydroorotaasiksi dihydroorotaasientsyymin avulla. Lopuksi dihydroorotaatti hapetetaan dihydroorotaattidehydrogenaasin (mitokondrioiden sisemmän kalvon integraalinen kalvoproteiini) avulla orotaatiksi. Pyrimidiinirenkaan muodostumisen jälkeen 5-fosfo-α-D-ribosyyli-1-pyrofosfaatti (PRPP), riboosifosfaatti, reagoi orotaatin kanssa muodostaen orotidiini-5-monofosfaattia (OMP). OMP dekarboksyloituu sitten OMP-dekarboksylaasientsyymin avulla uridiinimonofosfaatiksi (UMP). Lopulta uridiinidifosfaattia (UDP) ja uridiinitrifosfaattia (UTP) tuotetaan biosynteettisen polun loppupäässä kinaasien ja ATP:n defosforylaation avulla. UTP voidaan muuntaa sytidiinitrifosfaatiksi (CTP) aminoimalla UTP:tä CTP-syntetaasientsyymin avulla. (Viite 5)

Puriinien biosynteesissä puriinit voivat tulla nukleotidista inosiinimonofosfaatista (IMP). IMP puolestaan syntyy jo olemassa olevasta riboosifosfaatista, joka muodostuu pääasiassa aminohapoista glysiini, glutamiini ja asparagiinihappo. Riboosi-5-fosfaatti reagoi ATP:n kanssa tuottaen 5-fosforibosyyli-1-pyrofosfaattia (PRPP). PRRP:llä on merkitystä sekä puriini- että pyrimidiinisynteesissä; se osallistuu myös NAD:n ja NADP:n muodostamiseen ja pelastamiseen. PRRP sitoutuu kuitenkin erityisesti puriinien biosynteesiin, kun PRRP muutetaan 5-fosforibosyyliamiiniksi (korvaamalla PRRP:n pyrofosfaatti glutamiinin amidiryhmällä). (Viite 6) IMP muunnetaan sitten joko adenosiinimonofosfaatiksi (AMP) tai guanosiinimonofosfaatiksi (GMP).

Hajoaminen

Puriinit guaniini ja adeniini voidaan hajottaa seuraavasti:

GMP:n osalta yhdiste hydrolysoituu ensin ja muuntuu guanosiiniksi. Jälkimmäinen pilkotaan sitten vapaaksi guaniiniksi. (Ref. 7)

• Guaniini (guanaasin välityksellä) ” ksantiini (ksantiinioksidaasin välityksellä) ” virtsahappo
• Adenosiini ”” inosiini (puriininukleosidifosforylaasin välityksellä) ” hypoksantiini (ksantiinioksidaasin välityksellä) ” ksantiini (ksantiinioksidaasin välityksellä) ” virtsahappo

Puriinien hajoamisen tuloksena, syntyy virtsahappoa. Ihmisellä virtsahappo vapautuu maksasta ja muista kudoslähteistä verenkiertoon, jonka kautta se pääsee munuaisiin. Sen jälkeen se erittyy elimistöstä virtsan kautta.

Kataboliasta peräisin olevat puriinit voidaan ottaa talteen ja käyttää uudelleen seuraavasti: (Ref. 6)

• Adeniini pelastetaan adeniinifosforibosyylitransferaasi (APRT) -entsyymillä muuttamalla se adenylaatiksi
• Guaniini ja hypoksantiini pelastetaan hypoksantiini-guaniinifosforibosyylitransferaasi (HGPRT) -entsyymillä, muodostamalla guanylaattia tai IMP:tä

Pyrimidiinit, jotka hajoavat, voidaan kierrättää pelastusreitillä. (Viite 1) Nukleobaasit otetaan talteen uudelleenkäyttöä varten RNA:n ja DNA:n hajoamisen jälkeen. Pyrimidiinien pelastusreitit ovat seuraavat:

• Sytosiini muuttuu urasiiliksi deaminoimalla. Uridiinifosforylaasin avulla urasiili muutetaan uridiiniksi reagoimalla riboosi-1-fosfaatin kanssa. Nukleosidikinaasientsyymin kautta uridiini muuttuu uridiinimonofosfaatiksi (UMP).
• Tymiini muuttuu tymidiiniksi reagoimalla deoksiriboosi-1-fosfaatin kanssa ja tymidiinifosforylaasientsyymin avulla. Nukleosidikinaasi-entsyymi muuttaa tymidiinin tymidiinimonofosfaatiksi. Erityisesti tymidiinikinaasi on pyrimidiinien pelastusreitin entsyymi, joka katalysoi tymidiinin fosforylaatiota tymidiinimonofosfaatiksi. (Viitattu 8)

Biologiset tehtävät

Nukleotidit toimivat paitsi nukleiinihappojen esiasteina, myös tärkeinä kofaktorina solujen signaloinnissa ja aineenvaihdunnassa. Näitä kofaktoreita ovat CoA, flaviiniadeniinidinukleotidi (FAD), flaviinimononukleotidi, adenosiinitrifosfaatti (ATP) ja nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti (NADP). Erityisesti nukleosiditrifosfaatit kuljettavat kemiallisia energiapaketteja, joita käytetään monissa energiaa vaativissa solutoiminnoissa, kuten aminohapposynteesissä, proteiinisynteesissä, solun jakautumisessa, solun sisäisissä ja solujen välisissä liikkeissä jne.

Ks. myös

• Nukleiinihappo
• Deoksiribonukleiinihappo
• Ribonukleiinihappo
• Nukleosidi

1. PURIINIT JA PYRIMIDIINIT. (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). Mekanismit tymiinin muodostumiselle astrofyysisissä olosuhteissa ja vaikutukset elämän syntyyn. The Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. Nukleotidit. (2020). Rpi.Edu. https://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
4. Nukleotidien pelastaminen – yleiskatsaus | ScienceDirect Topics. (2018). Sciencedirect.Com. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleotide-salvage
5. Charma, K. & Somani, D. (2015). Pyrimidiinin biosynteesi. Haettu Slideshare.net-sivustolta: www.slideshare.net/kskuldeep1995/pyrimidine-biosynthesis-46874172
6. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Lubert Stryer. (2016). Nukleotidien biosynteesin keskeisiä vaiheita säädellään takaisinkytkennällä. Nih.Gov; W H Freeman. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22428/
7. Luku 21 : Aminohappojen, nukleotidien ja niihin liittyvien molekyylien biosynteesi. (2020). Bioinfo.Org.Cn. http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt21/bio8.htm
8. He, Q., Mao, Y., & Wu, J. (2002). Sytosolisen tymidiinikinaasin immunohistokemiallinen ilmentyminen rintasyöpäpotilailla. Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

Suositellaan:

• BLAST aloittelijoille. Digitaalisen maailman biologia. https://digitalworldbiology.com/tutorial/blast-for-beginners