Reviewed by: Todd Smith, PhD

Nukleotid Definíció

főnév, többes számban: Nukleotidok
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

A nukleinsav alapvető építőköve; egy nitrogénbázisból, egy cukorból és egy foszfátcsoportból álló szerves vegyület.

A nukleotidok kémiai energiát is szolgáltatnak nukleozid-trifoszfátjaik formájában. Emellett részt vesznek a sejtek jelátvitelében, és második hírvivőt alkotnak a sejtfolyamatokban.

Etimológia: “

Áttekintés

A nukleotidot a nukleinsavak (pl. a DNS és az RNS) alapvető építőelemének tekintik. A nukleinsav viszont a biomolekulák egyik fő csoportja (a többi a szénhidrátok, a fehérjék és az aminosavak). A nukleinsavak részt vesznek az örökletes információk megőrzésében, replikációjában és kifejeződésében.

Jellemzők

A nukleotid három alegységből: egy nitrogénbázisból, egy öt szénatomos cukorból és egy foszfátcsoportból álló szerves vegyület. A cukorkomponens lehet ribóz vagy dezoxiribóz. A ribóz az RNS-t alkotó nukleotidok cukorkomponense. A dezoxiribóz cukor a DNS cukorkomponense. Az egyes foszfátcsoportok két szomszédos nukleotid-monomer cukorgyűrűit kötik össze. A foszfátcsoportok és a cukorrészek alkotják a nukleinsav gerincét. A DNS-ben a két szál orientációja ellentétes irányú. Ez azért van, hogy a nukleobáz-összetevők között komplementer bázispárosodás jöjjön létre. A nukleinsavak hosszú láncán kívül a nukleotidok ciklikus formában is előfordulnak. A ciklikus nukleotidok akkor alakulnak ki, ha a foszfátcsoport kétszer kapcsolódik a cukorrészhez, különösen az alkotócukor két hidroxilcsoportjához.

A nukleotidok nukleinsavak alegységeként betöltött szerepük mellett energiahordozók is. Kémiai energiát hordoznak, amelyet a sejt a különböző sejttevékenységek működtetésére használ fel. Az adenozin-trifoszfát (ATP) messze a legelterjedtebb.

Nukleozidok vs. nukleotidok

A nukleotidokat nem szabad összekeverni a nukleozidokkal, amelyek szintén 5 szénatomos cukrok, nitrogén bázissal. A nukleozidok nem rendelkeznek foszfátcsoporttal. Ha egy nukleozid foszfátcsoporthoz kötődik, akkor nukleotidot kapunk. (Hivatkozás 1) Így a nukleotidot nukleozid-monofoszfátnak (ha csak egy foszfátcsoporttal rendelkezik), nukleozid-difoszfátnak (ha két foszfátcsoporttal rendelkezik) vagy nukleozid-trifoszfátnak (ha három foszfátcsoporttal rendelkezik) is nevezik. A pentózcukor komponenstől függően a nukleozid lehet ribonukleozid vagy dezoxiribonukleozid. A ribonukleozid egy ribózzal (cukorkomponenssel) rendelkező nukleozid. A nukleobáz komponens alapján a ribonukleozid lehet adenozin, guanozin, citidin, uridin vagy 5-metiluridin. A dezoxiribonukleozid egy dezoxiribózzal rendelkező nukleozid. Hasonlóképpen, a nukleobáz komponens alapján a dezoxiribonukleozid lehet dezoxiadenozin, dezoxiguanozin, dezoxicitidin, dezoxitimidin vagy dezoxiuridin. Szintén a nukleobáz-komponens függvényében a nukleozidok a “kétgyűrűs” purinok vagy az “egygyűrűs” pirimidinek csoportjába sorolhatók.

Osztályozás

Az alapvető nukleotidokat a nitrogénbázis szerkezete alapján purinokra és pirimidinekre osztják. A purin bázisok közé tartozik az adenin és a guanin, míg a pirimidin bázisok közé a timin és a citozin, valamint az uracil. Az RNS-ben az uracil helyettesíti a timint (a timin úgy keletkezik, hogy metilt adunk az uracilhoz). (Hivatkozás 2)

A nukleinsavat alkotó nukleobázisok segítségével különböztetjük meg a DNS-t az RNS-molekuláktól. A DNS-ben a timin komplementer párosul az adeninnel, míg az RNS-ben az uracil az adeninnel. A nukleobázisok C-G és A-T (vagy az RNS-ben az A-U) párosítását báziskomplementeknek nevezzük.

Típusok

Példák a csak egy foszfátcsoportot tartalmazó nukleotidokra:

• adenozin-monofoszfát (AMP)
• guanozin-monofoszfát (GMP)
• citidin-monofoszfát (CMP)
• . uridin-monofoszfát (UMP)
• ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP)
• ciklikus guanozin-monofoszfát (cGMP)
• ciklikus citidin-monofoszfát. monofoszfát (cCMP)
• ciklikus uridin-monofoszfát (cUMP)
• deoxi-adenozin-monofoszfát (dAMP)
• deoxi-guanozin-monofoszfát (dGMP)
• deoxtcitidin-monofoszfát (dCMP)
• (dezoxi)timidin-monofoszfát (dTMP)

Két foszfátcsoporttal rendelkező nukleotidok:

• adenozin-difoszfát (ADP)
• guanozin-difoszfát (GDP)
• citidin-difoszfát (CDP)
• uridin-difoszfát (UDP)
• deoxi-adenozin-difoszfát. (dADP)
• deoxiguanozin-difoszfát (dGDP)
• deoxicitidin-difoszfát (dCDP)
• (dezoxi)timidin-difoszfát (dTDP)

Nukleotidok három foszfátcsoporttal:

• adenozin-trifoszfát (ATP)
• guanozin-trifoszfát (GTP)
• citidin-trifoszfát (CTP)
• uridintrifoszfát (UTP)
• deoxi-adenozin-trifoszfát (dATP)
• deoxi-guanozin-trifoszfát (dGTP)

.

• deoxicitidin-trifoszfát (dCTP)
• (dezoxi)timidin-trifoszfát (dTTP)

De novo szintézis útja

A nukleotidok a természetben de novo szintézis útján vagy salvage útjain keletkeznek. (Ref. 4) Az emberben az alapvető nukleotidok de novo szintézisútja főként a májban zajlik. A pirimidin bioszintézisben a gyűrű egy sor lépéssel képződik, amelyek a karbamoil-foszfát képződésével kezdődnek. (Ref. 1) Először a karbamoil-foszfát egy biokémiai reakcióból keletkezik, amelyben bikarbonát, glutamin, ATP (a foszforilációhoz) és egy vízmolekula vesz részt. A reakciót katalizáló enzim a citoszolban található karbamoilfoszfát-szintetáz II. Ezután a karbamoil-foszfátot az aszpartát-transzkarbamiláz enzim karbamoilaszpartáttá alakítja át. Ezután a gyűrű intramolekuláris kondenzációval záródik, és a karbamoil-foszfátot a dihidroorotáz enzim dihidroorotáttá alakítja. Végül a dihidroorotátot a dihidroorotát-dehidrogenáz (a belső mitokondriális membránban található integrális membránfehérje) oxidálja, és orotáttá alakítja. A pirimidingyűrű kialakulása után az 5-foszfo-α-D-ribozil-1-pirofoszfát (PRPP), egy ribózfoszfát, reakcióba lép az orotáttal, és orotidin-5-monofoszfátot (OMP) képez. Az OMP-t ezután az OMP dekarboxiláz enzim dekarboxilálja uridin-monofoszfát (UMP) előállítására. Végül az uridin-difoszfát (UDP) és az uridin-trifoszfát (UTP) a bioszintézis útvonalán kinázok és az ATP-k defoszforilációja révén keletkezik. Az UTP a CTP-szintetáz enzim segítségével az UTP aminálásával citidintrifoszfáttá (CTP) alakítható. (Ref. 5)

A purin bioszintézisben a purinok a nukleotid inozin-monofoszfátból (IMP) származhatnak. Az IMP viszont egy már meglévő ribózfoszfátból keletkezik, amely főként a glicin, glutamin és aszparaginsav aminosavakból képződik. A ribóz-5-foszfát ATP-vel reagálva 5-foszforibozil-1-pirofoszfátot (PRPP) állít elő. A PRRP szerepet játszik mind a purin-, mind a pirimidinszintézisben; részt vesz a NAD és a NADP képződésében és mentési útvonalaiban is. A PRRP azonban különösen a purin bioszintézisben válik elkötelezetté, amikor a PRRP-t 5-foszforibozilaminná alakítják át (azáltal, hogy a PRRP pirofoszfátját a glutamin amidcsoportjával helyettesítik). (Ref. 6) Az IMP ezután vagy adenozin-monofoszfáttá (AMP) vagy guanozin-monofoszfáttá (GMP) alakul át.

Lebomlás

A purinok guanin és adenin a következőképpen bonthatók le:

A GMP esetében a vegyület először hidrolizálódik és guanozinná alakul. Ez utóbbit ezután szabad guaninná hasítják. (Ref. 7)

• Guanin (guanázon keresztül) ” xantin (xantin-oxidázon keresztül) ” húgysav
• Adenozin “” inozin (purin-nukleozid-foszforilázon keresztül) ” hipoxantin (xantin-oxidázon keresztül) ” xantin (xantin-oxidázon keresztül) ” húgysav

A purin lebomlás eredményeként, húgysav keletkezik. Emberben a húgysav a májból és más szöveti forrásokból a véráramba kerül, amelyen keresztül a vesébe jut. Ezután a vizelettel ürül ki a szervezetből.

A katabolizmusból származó purinok a következőképpen menthetők és hasznosíthatók újra: (Ref. 6)

• Adenint az adenin-foszforibozil-transzferáz (APRT) enzim menti meg, adeniláttá alakítva
• Guanint és hipoxantint a hipoxantin-guanin-foszforibozil-transzferáz (HGPRT) enzim menti meg, guanilát vagy IMP

A lebomló pirimidineket egy mentési útvonal segítségével újrahasznosíthatják. (Hivatkozás 1) A nukleobázisok visszanyerhetők a RNS és a DNS lebontása utáni újrafelhasználás céljából. A pirimidinmentesítési útvonalak a következők:

• A citozin deaminálással uracillá alakul. Az uridin-foszforiláz által az uracil ribóz-1-foszfáttal reagálva uridinné alakul. A nukleozid-kináz enzim révén az uridin uridin-monofoszfáttá (UMP) alakul.
• A timin dezoxiribóz-1-foszfáttal reagálva és a timidin-foszforiláz enzim révén timidinné alakul. A timidint ezután a nukleozid-kináz enzim alakítja át timidin-monofoszfáttá. A timidin-kináz különösen a pirimidin-megmentési útvonal egyik enzime, amely katalizálja a timidin foszforilálását timidin-monofoszfáttá. (Ref.8)

Biológiai funkciók

A nukleotidok amellett, hogy a nukleinsavak prekurzorai, fontos kofaktorok a sejtek jelátvitelében és anyagcseréjében. Ezek a kofaktorok közé tartozik a CoA, a flavin adenin-dinukleotid (FAD), a flavin-mononukleotid, az adenozin-trifoszfát (ATP) és a nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADP). Különösen a nukleozid-trifoszfátok hordozzák a kémiai energiacsomagokat, amelyeket számos, energiát igénylő sejtszintű tevékenység során használnak fel, pl. aminosavszintézis, fehérjeszintézis, sejtosztódás, belső és sejtek közötti mozgások, stb.

Lásd még

• Nukleinsav
• Deoxiribonukleinsav
• Ribonukleinsav
• Nukleozid

1. PURINOK ÉS PYRIMIDINEK. (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). A timin keletkezésének mechanizmusai asztrofizikai körülmények között és következményei az élet eredetére. The Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. Nukleotidok. (2020). Rpi.Edu. https://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
4. Nukleotidmentés – áttekintés | ScienceDirect Topics. (2018). Sciencedirect.com. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleotide-salvage
5. Charma, K. & Somani, D. (2015). Pirimidin bioszintézis. Retrieved from Slideshare.net website: www.slideshare.net/kskuldeep1995/pyrimidine-biosynthesis-46874172
6. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Lubert Stryer. (2016). A nukleotid bioszintézis kulcsfontosságú lépéseit a visszacsatolásos gátlás szabályozza. Nih.Gov; W H Freeman. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22428/
7. 21. fejezet : Aminosavak, nukleotidok és rokon molekulák bioszintézise. (2020). Bioinfo.Org.Cn. http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt21/bio8.htm
8. He, Q., Mao, Y., & Wu, J. (2002). A citoszolikus timidin kináz immunhisztokémiai expressziója emlőrákos betegeknél. Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

Ajánlott:

• BLAST kezdőknek. Digitális világ biológiája. https://digitalworldbiology.com/tutorial/blast-for-beginners