Gecontroleerd door: Todd Smith, PhD

Nucleotide Definitie

zelfstandig naamwoord, meervoud: nucleotiden
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

Het is de basisbouwsteen van nucleïnezuur; een organische verbinding die bestaat uit een stikstofhoudende basis, een suiker, en een fosfaatgroep.

Nucleotiden leveren ook chemische energie in de vorm van hun nucleoside-trifosfaten. Bovendien nemen ze deel aan celsignalering en vormen ze een tweede boodschapper in cellulaire processen.

Etymologie: “nucleo”- (“kern”) + -ide (chemisch achtervoegsel)

Overzicht

Een nucleotide wordt beschouwd als de basisbouwsteen van nucleïnezuur (b.v. DNA en RNA). Een nucleïnezuur is op zijn beurt een van de hoofdgroepen van biomoleculen (de andere zijn koolhydraten, eiwitten en aminozuren). Nucleïnezuren zijn betrokken bij het bewaren, repliceren en tot uitdrukking brengen van erfelijke informatie.

Kenmerken

Een nucleotide is een organische verbinding die bestaat uit drie subeenheden: een stikstofhoudende basis, een vijf-koolstof suiker, en een fosfaatgroep. De suikercomponent kan ribose of deoxyribose zijn. De ribose is het suikerbestanddeel van de nucleotiden waaruit RNA is opgebouwd. De desoxyribose suiker is het suikerbestanddeel van DNA. Elke fosfaatgroep verbindt de suikerringen van twee aangrenzende nucleotide-monomeren. De fosfaatgroepen en de suikermonomeren vormen de ruggengraat van een nucleïnezuur. In DNA is de oriëntatie van de twee strengen in tegengestelde richting. Dit is om complementaire basenparen tussen nucleobase-bestanddelen mogelijk te maken. Naast de lange keten van nucleïnezuren komen nucleotiden ook voor in cyclische vormen. Cyclische nucleotiden worden gevormd wanneer de fosfaatgroep tweemaal aan het suikergedeelte is gekoppeld, met name aan de twee hydroxylgroepen van de samenstellende suiker.

Naast de rol van nucleotiden als subeenheden van nucleïnezuren, zijn zij ook energiedragers. Zij dragen chemische energie over die de cel gebruikt als brandstof voor diverse celactiviteiten. Adenosinetrifosfaat (ATP) wordt veruit het meest gebruikt.

Nucleosiden vs. Nucleotiden

Nucleotiden moeten niet worden verward met nucleosiden, die ook 5-koolstof suikers zijn met een stikstofhoudende basis. Nucleosiden hebben geen fosfaatgroep. Wanneer een nucleoside aan een fosfaatgroep wordt gebonden, ontstaat een nucleotide. (Ref. 1) Een nucleotide wordt dus ook nucleoside-monofosfaat (indien met slechts één fosfaatgroep), nucleoside-difosfaat (met twee fosfaatgroepen), of nucleoside-trifosfaat (indien met drie fosfaatgroepen) genoemd. Afhankelijk van de pentose suiker component, kan een nucleoside een ribonucleoside of een deoxyribonucleoside zijn. Een ribonucleoside is een nucleoside met een ribose (suikercomponent). Op basis van de nucleobasecomponent kan het ribonucleoside adenosine, guanosine, cytidine, uridine of 5-methyluridine zijn. Een desoxyribonucleoside is een nucleoside met desoxyribose. Evenzo kan, afhankelijk van de nucleobasecomponent, een desoxyribonucleoside desoxyadenosine, desoxyguanosine, desoxycytidine, desoxythymidine of desoxyuridine zijn. Ook kunnen, afhankelijk van de nucleobase component, de nucleosiden worden gegroepeerd in ofwel de “dubbel-ringige” purine of de “enkel-ringige” pyrimidine.

Classificatie

De fundamentele nucleotiden worden onderverdeeld in purines en pyrimidines op basis van de structuur van de stikstofhoudende basis. De purine basen omvatten adenine en guanine, terwijl de pyrimidine basen thymine en cytosine zijn, en uracil. In RNA vervangt uracil thymine (thymine wordt geproduceerd door methyl aan uracil toe te voegen). (Ref. 2)

De nucleobasen waaruit het nucleïnezuur is opgebouwd, worden gebruikt om DNA van RNA-moleculen te onderscheiden. In DNA paren thymine en adenine complementair, terwijl in RNA uracil en adenine complementair zijn. De paren van de nucleobasen C-G en A-T (of A-U in RNA) worden basecomplementen genoemd.

Types

Voorbeelden van nucleotiden met slechts één fosfaatgroep:

• adenosinemonofosfaat (AMP)
• guanosinemonofosfaat (GMP)
• cytidinemonofosfaat (CMP)
• uridinemonofosfaat (UMP)
• cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP)
• cyclisch guanosinemonofosfaat (cGMP)
• cyclisch cytidine monofosfaat (cCMP)
• cyclisch uidinemonofosfaat (cUMP)
• deoxyadenosinemonofosfaat (dAMP)
• deoxyguanosinemonofosfaat (dGMP)
• deoxtcytidinemonofosfaat (dCMP)
• (deoxy)thymidinemonofosfaat (dTMP)

Nucleotiden met twee fosfaatgroepen:

• adenosinedifosfaat (ADP)
• guanosinedifosfaat (GDP)
• cytidinedifosfaat (CDP)
• uridinedifosfaat (UDP)
• deoxyadenosinedifosfaat (dADP)
• deoxyguanosine-difosfaat (dGDP)
• deoxycytidine-difosfaat (dCDP)
• (desoxy)thymidine-difosfaat (dTDP)

Nucleotiden met drie fosfaatgroepen:

• adenosine trifosfaat (ATP)
• guanosine trifosfaat (GTP)
• cytidine trifosfaat (CTP)
• uidinetrifosfaat (UTP)
• deoxyadenosinetrifosfaat (dATP)
• deoxyguanosinetrifosfaat (dGTP)
• deoxycytidinetrifosfaat (dCTP)
• (desoxy)thymidinetrifosfaat (dTTP)

De novo syntheseroute

Nucleotiden worden op natuurlijke wijze geproduceerd via de novo syntheseroute of via salvage pathways. (Ref. 4) Bij de mens vindt de de novo syntheseroute van de basisnucleotiden voornamelijk in de lever plaats. In de pyrimidine biosynthese wordt de ring gevormd door een reeks stappen die beginnen met de vorming van carbamoylfosfaat. (Ref. 1) Eerst wordt carbamoylfosfaat geproduceerd uit een biochemische reactie waarbij bicarbonaat, glutamine, ATP (voor de fosforylering) en een watermolecule betrokken zijn. Het enzym dat deze reactie katalyseert is carbamoylfosfaatsynthetase II, dat zich in het cytosol bevindt. Vervolgens wordt het carbamoylfosfaat omgezet in carbamoylaspartaat door het enzym aspartaattranscarbamylase. Vervolgens sluit de ring zich door intramoleculaire condensatie, waarbij carbamoylfosfaat wordt omgezet in dihydroorotaat door het enzym dihydroorotase. Ten slotte wordt het dihydroorotaat geoxideerd door dihydroorotaatdehydrogenase (een integraal membraaneiwit in het binnenste mitochondriale membraan) omgevormd tot orotaat. Nadat de pyrimidinering is gevormd, reageert 5-fosfo-α-D-ribosyl-1-pyrofosfaat (PRPP), een ribosefosfaat, met orotaat tot orotidine-5-monofosfaat (OMP). OMP wordt vervolgens gedecarboxyleerd door het enzym OMP-decarboxylase om uridinemonofosfaat (UMP) te verkrijgen. Uiteindelijk worden uidinedifosfaat (UDP) en uidinetrifosfaat (UTP) geproduceerd langs de biosyntheseweg door kinasen en de defosforylering van ATP’s. UTP kan worden omgezet in cytidinetrifosfaat (CTP) door aminering van UTP via het enzym CTP-synthetase. (Ref. 5)

In de purinebiosynthese kunnen purines afkomstig zijn van het nucleotide inosinemonofosfaat (IMP). IMP wordt op zijn beurt geproduceerd uit een reeds bestaand ribosefosfaat dat voornamelijk wordt gevormd uit de aminozuren glycine, glutamine, en asparaginezuur. Ribose-5-fosfaat reageert met ATP om 5-fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) te produceren. PRRP speelt een rol bij zowel de purine- als de pyrimidinesynthese; het is ook betrokken bij de vorming van NAD en NADP en bij de salvage pathways. PRRP wordt echter met name betrokken bij de purinebiosynthese wanneer PRRP wordt omgezet in 5-fosforibosylamine (door het pyrofosfaat van PRRP te laten vervangen door de amidegroep van glutamine). (Ref. 6) IMP wordt vervolgens omgezet in hetzij adenosinemonofosfaat (AMP) hetzij guanosinemonofosfaat (GMP).

Afbraak

Purines guanine en adenine kunnen als volgt worden afgebroken:

Zoals voor GMP wordt de verbinding eerst gehydrolyseerd en omgezet in guanosine. Dit laatste wordt vervolgens gesplitst tot vrij guanine. (Ref. 7)

• Guanine (via guanase) ” xanthine (via xanthine oxidase) ” urinezuur
• Adenosine “” inosine (via purine nucleoside fosforylase) ” hypoxanthine (via xanthine oxidase) ” xanthine (via xanthine oxidase) ” urinezuur

Als gevolg van de afbraak van purine, wordt urinezuur geproduceerd. Bij de mens komt urinezuur vanuit de lever en andere weefselbronnen in de bloedbaan terecht, waar het de nieren bereikt. Vervolgens wordt het via de urine uit het lichaam uitgescheiden.

Purines uit katabolisme kunnen als volgt worden geborgen en hergebruikt: (Ref. 6)

• Adenine wordt geborgen door het enzym adeninefosforibosyltransferase (APRT), door het om te zetten in adenylaat
• Guanine en hypoxanthine worden geborgen door het enzym hypoxanthine-guaninefosforibosyltransferase (HGPRT), door de vorming van guanylaat of IMP

Pyrimidines die worden afgebroken, kunnen via een salvage pathway worden gerecycleerd. (Ref. 1) Nucleobasen worden teruggewonnen voor hergebruik na afbraak van RNA en DNA. Pyrimidine salvage pathways zijn als volgt:

• Cytosine wordt omgezet in uracil door deaminatie. Door uridinefosforylase wordt uracil omgezet in uridine door een reactie met ribose-1-fosfaat. Via het enzym nucleosidekinase wordt ureidine omgezet in ureidinemonofosfaat (UMP).
• Thymine wordt omgezet in thymidine door reactie met desoxyribose-1-fosfaat en door het enzym thymidinefosforylase. Thymidine wordt vervolgens omgezet in thymidinemonofosfaat door het enzym nucleosidekinase. Thymidinekinase is met name een enzym van de pyrimidine salvage pathway dat de fosforylering van thymidine tot thymidinemonofosfaat katalyseert. (Ref.8)

Biologische functies

Naast het dienen als precursors van nucleïnezuren, dienen nucleotiden ook als belangrijke cofactoren in cellulaire signalering en metabolisme. Deze cofactoren omvatten CoA, flavin adenine dinucleotide (FAD), flavin mononucleotide, adenosine trifosfaat (ATP), en nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADP). Met name de nucleosidetrifosfaten dragen pakketjes chemische energie die worden gebruikt bij vele energievragende cellulaire activiteiten, b.v. aminozuursynthese, eiwitsynthese, celdeling, interne en intercellulaire bewegingen, enz.

Zie ook

• Nucleïnezuur
• Deoxyribonucleïnezuur
• Ribonucleïnezuur
• Nucleoside

1. PURINEN EN PYRIMIDIJNEN. (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 voor de vorming van thymine onder astrofysische omstandigheden en implicaties voor de oorsprong van het leven. The Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. Nucleotiden. (2020). Rpi.Edu. https://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
4. Nucleotide Salvage – een overzicht | ScienceDirect Topics. (2018). Sciencedirect.Com. https://www.sciencedirect.com/topics/biochemistry-genetics-and-molecular-biology/nucleotide-salvage
5. Charma, K. & Somani, D. (2015). Pyrimidine Biosynthese. Opgehaald van 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. Hoofdstuk 21 : Biosynthese van Aminozuren, Nucleotiden, en verwante Moleculen. (2020). Bioinfo.Org.Cn. http://www.bioinfo.org.cn/book/biochemistry/chapt21/bio8.htm
8. He, Q., Mao, Y., & Wu, J. (2002). Immunohistochemical Expression of Cytosolic Thymidine Kinase in Patients with Breast Carcinoma (Immunohistochemische expressie van cytosolisch thymidine kinase bij patiënten met borstcarcinoom). Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

Aanbevolen:

• BLAST voor beginners. Digitale Wereld Biologie. https://digitalworldbiology.com/tutorial/blast-for-beginners