Reviewed by: Todd Smith, PhD

Definicja nukleotydu

rzeczownik, liczba mnoga: nukleotydy
(nu-cle-o-tide, ˈnjuːklɪəˌtaɪd)

Jest to podstawowy budulec kwasu nukleinowego; związek organiczny zbudowany z zasady azotowej, cukru i grupy fosforanowej.

Nukleotydy dostarczają również energii chemicznej w postaci swoich trifosforanów nukleozydów. Dodatkowo uczestniczą w sygnalizacji komórkowej i tworzą drugi posłaniec w procesach komórkowych.

Etymologia: „nucleo”- („jądro”) + -ide (przyrostek chemiczny)

Przegląd

Nukleotyd jest uważany za podstawowy budulec kwasu nukleinowego (np. DNA i RNA). Kwas nukleinowy, z kolei, jest jedną z głównych grup biomolekuł (inne są węglowodany, białka i aminokwasy). Kwasy nukleinowe biorą udział w zachowaniu, replikacji i ekspresji informacji dziedzicznej.

Charakterystyka

Nukleotyd jest związkiem organicznym składającym się z trzech podjednostek: zasady azotowej, pięciowęglowego cukru i grupy fosforanowej. Składnik cukrowy może być albo rybozą, albo deoksyrybozą. Ryboza jest cukrowym składnikiem nukleotydów tworzących RNA. Cukier dezoksyrybozowy jest składnikiem cukrowym DNA. Każda grupa fosforanowa łączy pierścienie cukrowe dwóch sąsiadujących ze sobą monomerów nukleotydów. Grupy fosforanowe i cząsteczki cukrowe tworzą szkielet kwasu nukleinowego. W DNA, orientacja obu nici jest przeciwna. Ma to na celu umożliwienie komplementarnego parowania zasad pomiędzy składnikami nukleobazowymi. Oprócz długiego łańcucha kwasów nukleinowych, nukleotydy występują również w formach cyklicznych. Nukleotydy cykliczne powstają, gdy grupa fosforanowa jest dwukrotnie połączona z cząsteczką cukrową, w szczególności z dwiema grupami hydroksylowymi cukru składowego.

Oprócz roli nukleotydów jako podjednostek kwasów nukleinowych, są one również nośnikami energii. Niosą one energię chemiczną, którą komórka wykorzystuje do napędzania różnych czynności komórkowych. Adenozynotrifosforan (ATP) jest zdecydowanie najczęściej wykorzystywany.

Nukleozydy vs. Nukleotydy

Nukleotydów nie należy mylić z nukleozydami, które również są cukrami pięciowęglowymi z zasadą azotową. Nukleozydy nie mają grupy fosforanowej. Kiedy nukleozyd jest związany z grupą fosforanową, powstaje nukleotyd. (Ref. 1) Tak więc, nukleotyd jest również określany jako monofosforan nukleozydu (jeśli posiada tylko jedną grupę fosforanową), difosforan nukleozydu (z dwiema grupami fosforanowymi) lub trifosforan nukleozydu (jeśli posiada trzy grupy fosforanowe). W zależności od składnika cukru pentozowego, nukleozyd może być rybonukleozydem lub deoksyrybonukleozydem. Rybonukleozyd jest nukleozydem z rybozą (składnikiem cukrowym). W oparciu o składnik nukleobazowy, rybonukleozyd może być adenozyną, guanozyną, cytydyną, urydyną lub 5-metylurydyną. Dezoksyrybonukleozyd jest nukleozydem z dezoksyrybozą. Podobnie, w oparciu o składnik nukleobazowy, deoksyrybonukleozyd może być deoksyadenozyną, deoksyguanozyną, deoksycytydyną, deoksytymidyną lub deoksyurydyną. Również, w zależności od składnika nukleobazy, nukleozydy mogą być pogrupowane albo w „dwupierścieniowe” puryny albo „jednopierścieniowe” pirymidyny.

Klasyfikacja

Podstawowe nukleotydy są podzielone na puryny i pirymidyny w oparciu o strukturę zasady azotowej. Do zasad purynowych należą adenina i guanina, natomiast do zasad pirymidynowych tymina i cytozyna oraz uracyl. W RNA uracyl zastępuje tyminę (tymina jest wytwarzana przez dodanie metylu do uracylu). (Zał. 2)

Nukleobazy, które tworzą kwas nukleinowy, służą do odróżnienia cząsteczek DNA od RNA. W DNA tymina komplementarnie łączy się w pary z adeniną, podczas gdy w RNA uracyl łączy się z adeniną. Pary nukleobaz C-G i A-T (lub A-U w RNA) są określane jako komplementarność zasad.

Typy

Przykłady nukleotydów z tylko jedną grupą fosforanową:

• monofosforan adenozyny (AMP)
• monofosforan guanozyny (GMP)
• monofosforan cytydyny (CMP)
• . monofosforan urydyny (UMP)
• cykliczny monofosforan adenozyny (cAMP)
• cykliczny monofosforan guanozyny (cGMP)
• cykliczny monofosforan (cCMP)
• cykliczny monofosforan urydyny (cUMP)
• monofosforan deoksyadenozyny (dAMP)
• monofosforan deoksyguanozyny (dGMP)
• monofosforan deoksycytydyny (dCMP)
• (deoksy)monofosforan tymidyny (dTMP)

Nukleotydy z dwiema grupami fosforanowymi:

• difosforan adenozyny (ADP)
• difosforan guanozyny (GDP)
• difosforan cytydyny (CDP)
• difosforanurydyny (UDP)
• difosforan deoksyadenozyny (dADP)
• difosforan deoksyguanozyny (dGDP)
• difosforan deoksycytydyny (dCDP)
• (deoksy)difosforan tymidyny (dTDP)

Nukleotydy z trzema grupami fosforanowymi:

• trójfosforan adenozyny (ATP)
• trójfosforan guanozyny (GTP)
• trójfosforan cytydyny (CTP)
• .
• trifosforan urydyny (UTP)
• trifosforan deoksyadenozyny (dATP)
• trifosforan deoksyguanozyny (dGTP)
• trifosforan deoksycytydyny (dCTP)
• (deoksy)trifosforan tymidyny (dTTP)

Szlak syntezy de novo

Nukleotydy są wytwarzane w sposób naturalny na drodze syntezy de novo lub na drodze ratunkowej. (Zał. 4) U człowieka szlak syntezy de novo podstawowych nukleotydów zachodzi głównie w wątrobie. W biosyntezie pirymidyny, pierścień tworzy się poprzez serię kroków, które rozpoczynają się od utworzenia fosforanu karbamoilu. (Ref. 1) Po pierwsze, fosforan karbamoilu jest wytwarzany w wyniku reakcji biochemicznej, w której biorą udział wodorowęglan, glutamina, ATP (do fosforylacji) i cząsteczka wody. Enzymem, który katalizuje tę reakcję jest syntaza fosforanu karbamoilu II znajdująca się w cytozolu. Następnie fosforan karbamoilu jest przekształcany w asparaginian karbamoilu przez enzym transkarbamylazę asparaginianową. Następnie pierścień zamyka się w wyniku wewnątrzcząsteczkowej kondensacji, przekształcając fosforan karbamoilu w dihydroorotan przez enzym dihydroorotazę. Wreszcie dihydroorotan jest utleniany przez dehydrogenazę dihydroorotanową (integralne białko błonowe wewnętrznej błony mitochondrialnej) i przekształcany w orotan. Po utworzeniu pierścienia pirymidynowego, 5-fosfo-α-D-rybozylo-1-pirofosforan (PRPP), fosforan rybozy, reaguje z orotanem, tworząc orotydyno-5-monofosforan (OMP). OMP jest następnie dekarboksylowany przez enzym dekarboksylazę OMP, dając monofosforan urydyny (UMP). Ostatecznie, dwufosforan urydyny (UDP) i trifosforan urydyny (UTP) są wytwarzane w dół szlaku biosyntezy przez kinazy i deposforylację ATP. UTP może być przekształcony w trifosforan cytydyny (CTP) przez aminowanie UTP za pośrednictwem enzymu syntetazy CTP. (Ref. 5)

W biosyntezie puryn, puryny mogą pochodzić z nukleotydu monofosforanu inozyny (IMP). IMP z kolei jest wytwarzany z istniejącego wcześniej fosforanu rybozy, który powstaje głównie z aminokwasów: glicyny, glutaminy i kwasu asparaginowego. Pięciofosforan rybozy reaguje z ATP, tworząc 5-fosforybozylo-1-pirofosforan (PRPP). PRRP odgrywa rolę zarówno w syntezie puryn, jak i pirymidyn; jest również zaangażowany w tworzenie NAD i NADP oraz szlaki ratunkowe. PRRP jest jednak szczególnie zaangażowana w biosyntezę puryn, gdy PRRP jest przekształcana w 5-fosforybozyloaminę (poprzez zastąpienie pirofosforanu PRRP grupą amidową glutaminy). (Ref. 6) IMP jest następnie przekształcany albo w monofosforan adenozyny (AMP) albo w monofosforan guanozyny (GMP).

Degradacja

Puryny guanina i adenina mogą być degradowane w następujący sposób:

Jak dla GMP, związek jest najpierw hydrolizowany i przekształcany w guanozynę. Ta ostatnia jest następnie rozszczepiana do wolnej guaniny. (Ref. 7)

• Guanina (przez guanazę) ” ksantyna (przez oksydazę ksantynową) ” kwas moczowy
• Adenozyna „” inozyna (przez fosforylazę nukleozydów purynowych) ” hipoksantyna (przez oksydazę ksantynową) ” ksantyna (przez oksydazę ksantynową) ” kwas moczowy

W wyniku degradacji puryn, wytwarzany jest kwas moczowy. U ludzi kwas moczowy jest uwalniany z wątroby i innych źródeł tkankowych do krwiobiegu, przez który dociera do nerek. Jest on następnie wydalany z organizmu poprzez mocz.

Puryny z katabolizmu mogą być uratowane i ponownie wykorzystane w następujący sposób: (Ref. 6)

• Adenina jest salwowana przez enzym fosforybozylotransferazę adeninową (APRT), poprzez przekształcenie jej do adenylanu
• Guanina i hipoksantyna są salwowane przez enzym fosforybozylotransferazę hipoksantynowo-guaninową (HGPRT), poprzez tworzenie guanylanu lub IMP

Pirymidyny, które ulegają degradacji, mogą być odzyskiwane na drodze ratunkowej. (Ref. 1) Nukleobazy są odzyskiwane do ponownego wykorzystania po degradacji RNA i DNA. Ścieżki ratowania pirymidyn są następujące:

• Cytozyna jest przekształcana w uracyl przez deaminację. Przez fosforylazę urydyny, uracyl jest przekształcany w urydynę poprzez reakcję z rybozo-1-fosforanem. Poprzez enzym kinazę nukleozydową, urydyna jest przekształcana w monofosforan urydyny (UMP).
• Tymina jest przekształcana w tymidynę poprzez reakcję z deoksyrybozą-1-fosforanem i przez enzym fosforylazę tymidynową. Tymidyna jest następnie przekształcana w monofosforan tymidyny przez enzym kinazę nukleozydową. Kinaza tymidynowa, w szczególności, jest enzymem szlaku salwowania pirymidyny, który katalizuje fosforylację tymidyny do monofosforanu tymidyny. (Ref.8)

Funkcje biologiczne

Oprócz tego, że służą jako prekursory kwasów nukleinowych, nukleotydy służą również jako ważne kofaktory w sygnalizacji komórkowej i metabolizmie. Te kofaktory obejmują CoA, dinukleotyd adeninowy flawiny (FAD), mononukleotyd flawinowy, trifosforan adenozyny (ATP) i fosforan dinukleotydu nikotynamidu adeniny (NADP). Trójfosforany nukleozydów, w szczególności, przenoszą pakiety energii chemicznej, która jest wykorzystywana w wielu czynnościach komórkowych wymagających energii, np. w syntezie aminokwasów, syntezie białek, podziałach komórkowych, ruchach wewnątrz- i międzykomórkowych, itp.

Zob. także

• Kwas nukleinowy
• Kwas dezoksyrybonukleinowy
• Kwas rybonukleinowy
• Nukleozyd

1. PURYNY I PIRYMIDYNY. (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). Mechanizmy powstawania tyminy w warunkach astrofizycznych i implikacje dla pochodzenia życia. The Journal of Chemical Physics, 144(14), 144308. https://doi.org/10.1063/1.4945745
3. Nukleotydy. (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. Rozdział 21 : Biosynteza aminokwasów, nukleotydów i cząsteczek pokrewnych. (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. Handbook of Immunohistochemistry and in Situ Hybridization of Human Carcinomas, 463-469. https://doi.org/10.1016/s1874-5784(04)80056-4

Zalecane:

• BLAST dla początkujących. Digital World Biology. https://digitalworldbiology.com/tutorial/blast-for-beginners