URACYL: BUDOWA, FUNKCJE, WŁAŚCIWOŚCI, SYNTEZA - BIOLOGIA - 2025

Uracyl jest typu pirymidyn nukleozasady, znajdujący się w kwas rybonukleinowy (RNA). Jest to jedna z cech odróżniających RNA od kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA), ponieważ ten ostatni ma tyminę zamiast uracylu. Obie substancje, uracyl i tymina, różnią się tylko tym, że ta ostatnia ma grupę metylową.

Z ewolucyjnego punktu widzenia zaproponowano, że RNA był pierwszą cząsteczką, która przechowała informację genetyczną i działała jako katalizator w komórkach, przed DNA i enzymami. Z tego powodu uważa się, że uracyl odegrał kluczową rolę w ewolucji życia.

Źródło: Kemikungen

W organizmach żywych uracyl nie występuje w postaci wolnej, ale zwykle tworzy nukleotydy monofosforan (UMP), difosforan (UDP) i trifosforan (UTP). Te nukleotydy uracylowe pełnią różne funkcje, takie jak biosynteza RNA i glikogenu, izomeryczna przemiana cukrów i regulacja syntazy glutaminy.

Struktura i właściwości

Uracyl, zwany 2,4-dioksypirydyną, ma wzór empiryczny C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ , którego masa cząsteczkowa wynosi 112,09 g / mol i jest oczyszczony w postaci białego proszku.

Struktura urydyny to pierścień heterocykliczny z czterema atomami węgla i dwoma atomami azotu, z naprzemiennymi wiązaniami podwójnymi. To jest płaskie.

Ma rozpuszczalność 50 mg / ml w 25 ° C w 1M wodorotlenku sodu i pKa między 7,9 a 8,2. Długość fali, przy której występuje maksymalna absorbancja (ʎ _max ), mieści się w zakresie od 258 do 260 nm.

Biosynteza

Istnieje wspólna ścieżka biosyntezy nukleotydów pirymidynowych (uracyl i cytokina). Pierwszym etapem jest biosynteza fosforanu karbamoilu z CO ₂ i NH ₄ ⁺ , który jest katalizowany przez syntetazę karbamoilofosforanową.

Pirymidyna zbudowana jest z fosforanu karboilu i asparaginianu. Obie substancje reagują i tworzą N-karbamoiloasparaginian, reakcję katalizowaną przez transkabamoilazę asparaginianową (ATCase). Zamknięcie pierścienia pirymidynowego jest spowodowane odwodnieniem katalizowanym przez dihydrootazę i wytwarza L-dihydrorotan.

L-dihydrorotan jest utleniany i przekształcany w orotan; akceptorem elektronów jest NAD ⁺ . Jest to reakcja katalizowana przez dehydrogenazę dihydroorotanu. Kolejny etap polega na przeniesieniu grupy fosforybozylowej z pirofosforanu fosforybozylu (PRPP) do orotanu. Tworzy orotydylan (OMP) i nieorganiczny pirofosforan (PPi), katalizowany przez transferazę fosforibozylową orotanu.

Ostatni etap polega na dekarboksylacji pierścienia pirymidynowego orotydylanu (OMP). Tworzy urydylan (urydyno-5′-monofosforan, UMP), który jest katalizowany przez dekarboksylazę.

Następnie, przy udziale kinazy, grupa fosforanowa jest przenoszona z ATP do UMP, tworząc UDP (urydyno-5'-difosforan). Ten ostatni powtarza się, tworząc UTP (trifosforan urydyno-5′).

Regulacja biosyntezy

U bakterii regulacja biosyntezy pirymidyny zachodzi na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, na poziomie transkabamoilazy asparaginianowej (ATCase).

Enzym ten jest hamowany przez CTP (cytydyno-5′-trifosforan), który jest końcowym produktem szlaku biosyntezy pirymidyny. ATCase posiada podjednostki regulatorowe, które wiążą się z allosterycznym regulatorem CTP.

U zwierząt regulacja biosyntezy pirymidyny odbywa się poprzez ujemne sprzężenie zwrotne na poziomie dwóch enzymów: 1) syntazy karbamoilofosforanowej II, która jest hamowana przez UTP i aktywowana przez ATP i PRPP; i 2) dekarboksylaza OMP, która jest hamowana przez produkt reakcji, którą katalizuje, UMP. Szybkość biosyntezy OMP różni się w zależności od dostępności PRPP.

Rola w biosyntezie RNA

Uracyl jest obecny we wszystkich typach RNA, takich jak informacyjny RNA (mRNA), transferowy RNA (tRNA) i rybosomalny RNA (rRNA). Biosynteza tych cząsteczek zachodzi w procesie zwanym transkrypcją.

Podczas transkrypcji informacje zawarte w DNA są kopiowane do RNA przez polimerazę RNA. Odwrotny proces, w którym informacja zawarta w RNA jest kopiowana do DNA, zachodzi w niektórych wirusach i roślinach poprzez odwrotną transkryptazę.

Biosynteza RNA wymaga trifosforanu nukleozydu (NTP), a mianowicie: trifosforanu urydyny (UTP), trifosforanu cytydyny (CTP), trifosforanu adeniny (ATP) i trifosforanu guaniny (GTP). Reakcja jest następująca:

(RNA) _{n reszt} + NTP -> (RNA) _{n + 1} reszta + PPi

Hydroliza nieorganicznego pirofosforanu (PPi) dostarcza energii do biosyntezy RNA.

Rola w biosyntezie cukrów

Estry cukrowe są bardzo powszechne w organizmach żywych. Niektóre z tych estrów to difosforany estrów nukleozydów, takie jak cukry UDP, które są bardzo liczne w komórkach. Cukry UDP uczestniczą w biosyntezie disacharydów, oligosacharydów i polisacharydów.

W roślinach biosynteza sacharozy przebiega dwoma szlakami: pierwotnym i wtórnym.

Głównym szlakiem jest transfer D-glukozy z UDP-D-glukozy do D-fruktozy z wytworzeniem sacharozy i UDP. Szlak wtórny obejmuje dwa etapy: zaczyna się od UDP-D-glukozy i fruktozo-6-fosforanu, a kończy na tworzeniu sacharozy i fosforanu.

W gruczołach mlecznych biosynteza laktozy zachodzi z UDP-D-galaktozy i glukozy.

W roślinach biosynteza celulozy jest prowadzona poprzez ciągłą kondensację reszt beta-D-glukozylowych, od UDP-glukozy do nieredukującego końca rosnącego łańcucha poliglukozy. Podobnie, biosynteza amylozy i amylopektyny wymaga UDP-glukozy jako substratu donora glukozy do rosnącego łańcucha.

U zwierząt do biosyntezy glikogenu wykorzystuje się zarówno glukozę UDP, jak i glukozę ADP. Podobnie, biosynteza siarczanu chondroityny wymaga UDP-ksylozy, UDP-galaktozy i UDP-glukuronianu.

Rola w izomerycznej przemianie cukrów

Przekształcenie galaktozy w półprodukt glikolizy zachodzi na szlaku Leloir. Jeden z etapów tego szlaku jest katalizowany przez enzym UDP-galaktozo-4-epimerazę, który ułatwia wzajemną przemianę galaktozy UDP w glukozę UDP.

Rola w biosyntezie glikoprotein

Podczas biosyntezy glikoprotein białka przechodzą przez worki cis, środkowe i trans aparatu Golgiego.

Każdy z tych woreczków zawiera zestaw enzymów przetwarzających glikoproteiny. Monomery cukrów, takie jak glukoza i galaktoza, dodaje się do oligosacharydu białka z UDP-heksozy i innych nukleotydów-heksozy.

Nukleotydy heksozowe są transportowane do cystern Golgiego przez antyport. Galaktoza UDP (UDP-Gal) i UDP-N-acetylogalaktozamina (UDP-GalNAc) wchodzą do cystern z cytozolu poprzez wymianę na UMP.

W cysternie Golgiego fosfataza hydrolizuje grupę fosforanową na UDP i tworzy UMP i Pi. UDP pochodzi z reakcji katalizowanych przez galaktozylotransferazę i N-acetylogalaktozamylotransferazę. UMP utworzony przez fosfatazę służy do wymiany nukleotyd-heksoza.

Rola w regulacji syntazy glutaminy

Mechanizmem regulacyjnym syntazy glutaminy jest modyfikacja kowalencyjna, na którą składa się adenylacja, która ją inaktywuje, oraz dedenylacja, która ją aktywuje. Ta kowalencyjna modyfikacja jest odwracalna i katalizowana przez adenylotransferazę.

Aktywność adenylotransferazy jest modulowana przez wiązanie białka PII, które jest regulowane przez modyfikację kowalencyjną, urydynylację.

Urydylacja i deurydylacja przeprowadzana jest przez urydylotransferazę. W tym enzymie aktywność urydylacji jest spowodowana glutaminą i fosforanem i jest aktywowana przez wiązanie alfa-ketoglutaranu i ATP z PII.

Rola w edycji RNA

Niektóre mRNA są edytowane przed translacją. W niektórych organizmach eukariotycznych, takich jak Trypanosoma brucei, istnieje edycja RNA transkryptu genu podjednostki II cytochromu oksydazy. Dzieje się to poprzez wstawienie reszt uracylu, reakcję katalizowaną przez końcową urydylotransferazę.

Przewodnik RNA, komplementarny do edytowanego produktu, służy jako szablon w procesie edycji. Pary zasad utworzone między początkowym transkryptem a przewodnim RNA obejmują pary zasad G = U, które nie są Watson-Cricka i są powszechne w RNA.

Biosynteza glukozy UDP

W warunkach fizjologicznych biosynteza glikogenu z glukozo-1-fosforanu jest termodynamicznie niemożliwa (ΔG dodatnia). Dzięki temu przed biosyntezą następuje aktywacja glukozo-1-fosforanu (G1P). Ta reakcja łączy G1P i UTP, tworząc glukozę difosforanu urydyny (UDP-glukoza lub UDPG).

Reakcja jest katalizowana przez pirofosforylazę UDP-glukozy i przebiega następująco:

G1P + UTP -> UDP-glukoza + 2Pi.

Zmiana energii swobodnej Gibbsa na tym etapie jest duża i ujemna (-33,5 KJ / mol). Podczas reakcji na tlen G1P atakuje atom alfa fosforu UTP i tworzy UDP-glukozę i nieorganiczny pirofosforan (PPi). Następnie PPi jest hydrolizowany przez nieorganiczną pirofosfatazę, której energia hydrolizy jest tym, co napędza ogólną reakcję.

Glukoza UDP jest substancją „wysokoenergetyczną”. Pozwala na tworzenie wiązań glikozydowych pomiędzy resztą glukozy a rosnącym łańcuchem polisacharydowym. Ta sama zasada energetyczna ma zastosowanie do reakcji, w których uczestniczą cukry UDP, takich jak biosynteza disacharydów, oligosacharydów i glikoprotein.

Glikozylaza DNA uracylu

Istnieją spontaniczne uszkodzenia DNA. Jedną z tych zmian jest spontaniczna deaminacja cytokiny, a następnie jej konwersja do uracylu. W tym przypadku naprawa odbywa się poprzez usunięcie zmodyfikowanej zasady z DNA przez enzym zwany glikozylazą uracylową DNA.

Enzym uracylowa glikozylaza DNA usuwa uszkodzoną cytokinę (uracyl), wytwarzając resztę dezoksyrybozy pozbawioną zasady azotowej, zwaną miejscem AP (miejsce apurynowo-apirymidynowe).

Endonukleaza AP enzymu przecina następnie szkielet fosfodiestrowy w miejscu AP, usuwając resztę fosforanu cukru. Polimeraza DNA I przywraca uszkodzoną nić.

Bibliografia

1. Bohinski, R. 1991. Biochemistry. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
2. Devlin, TM 2000. Biochemistry. Od redakcji Reverté, Barcelona.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellular and Molecular biology. Od redakcji Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogota, Caracas, Madryt, Meksyk, Sao Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Zasady biochemii. WH Freeman, Nowy Jork.
5. Voet, D. i Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.