CYTOSINE: โครงสร้างหน้าที่คุณสมบัติการสังเคราะห์ - ชีววิทยา

cytosineเป็นชนิด pyrimidine nucleobase ให้บริการสำหรับการสังเคราะห์ของ cytidine-5'-โมโนและ deoxycytidine 5'-โมโน สารประกอบเหล่านี้ทำหน้าที่ในการสังเคราะห์ทางชีวภาพตามลำดับของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) และกรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) DNA เก็บข้อมูลทางพันธุกรรมและ RNA มีหน้าที่ต่างๆ

ในสิ่งมีชีวิตไม่พบ cytosine ที่เป็นอิสระ แต่โดยทั่วไปจะสร้าง ribonucleotides หรือ deoxyribonucleotides สารประกอบทั้งสองประเภทมีหมู่ฟอสเฟตไรโบสและฐานไนโตรเจน

ที่มา: Vesprcom

คาร์บอน 2 ของไรโบสมีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) ในไรโบนิวคลีโอไทด์และอะตอมไฮโดรเจน (-H) ในดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์ ขึ้นอยู่กับจำนวนกลุ่มฟอสเฟตที่มีอยู่ ได้แก่ cytidine-5′-monophosphate (CMP), cytidine-5′-diphosphate (CDP) และ cytidine-5′-triphosphate (CTP)

deoxygenated equivalents เรียกว่า deoxycytidin-5′-monophosphate (dCMP), deoxycytidin-5′-diphosphate (dCDP) และ deoxycytidine-5′-triphosphate (dCTP)

ไซโตซีนในรูปแบบต่างๆมีส่วนร่วมในการทำงานที่แตกต่างกันเช่นการสังเคราะห์ DNA และ RNA การสังเคราะห์ทางชีวภาพของไกลโคโปรตีนและการควบคุมการแสดงออกของยีน

โครงสร้างและคุณสมบัติ

Cytosine, 4-amino-2-hydroxypyrimidine มีสูตรเชิงประจักษ์ C ₄ H ₅ N ₃ O ซึ่งมีน้ำหนักโมเลกุล 111.10 g / mol และบริสุทธิ์เป็นผงสีขาว

โครงสร้างของไซโตซีนเป็นวงแหวนเฮเทอโรไซคลิกแบบระนาบ ความยาวคลื่นของการดูดซับสูงสุด (ʎ _{สูงสุด} ) คือ 260 นาโนเมตร อุณหภูมิในการหลอมของไซโตซีนเกิน300ºC

ในการสร้างนิวคลีโอไทด์ไซโตซีนจะถูกจับด้วยโควาเลนต์ผ่านไนโตรเจน 1 ผ่านพันธะ N-beta-glycosidic กับคาร์บอน 1 ′ของไรโบส คาร์บอน 5 ′ถูกเอสเทอร์ด้วยหมู่ฟอสเฟต

การสังเคราะห์

การสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์ของไพริมิดีนมีวิถีร่วมกันซึ่งประกอบด้วยขั้นตอนการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์หกขั้นตอน วิถีเริ่มต้นด้วยการสังเคราะห์คาร์บามอยล์ฟอสเฟต ในโปรคาริโอตมีเอนไซม์เพียงตัวเดียวคือคาร์บามอยล์ฟอสเฟตซินเทส สิ่งนี้มีหน้าที่ในการสังเคราะห์ pyrimidines และ glutamine ในยูคาริโอตมี carbamoyl phosphate synthase I และ II ซึ่งมีหน้าที่ในการสังเคราะห์ทางชีวภาพของกลูตามีนและไพริมิดีนตามลำดับ

ขั้นตอนที่สองประกอบด้วยการสร้าง N-carbamoylaspartate จากคาร์โบนิลฟอสเฟตและแอสปาร์เตตซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยแอสพาเทตทรานคาบาไมเลส (ATCase)

ขั้นตอนที่สามคือการสังเคราะห์ L-dihydrorotate ซึ่งทำให้เกิดการปิดของวงแหวนไพริมิดีน ขั้นตอนนี้เร่งปฏิกิริยาโดยไดไฮโดรเทส

ขั้นตอนที่สี่คือการสร้าง orotate ซึ่งเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เร่งปฏิกิริยาโดย dihydroorotate dehydrogenase

ขั้นตอนที่ห้าประกอบด้วยการสร้าง orotidylate (OMP) โดยใช้ phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP) เป็นสารตั้งต้นและ orotate phosphoribosyl transferase เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ขั้นตอนที่หกคือการสร้าง uridylate (uridin-5′-monophosphate, UMP) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดย OMP-decarboxylase

ขั้นตอนต่อไปประกอบด้วยการฟอสโฟรีเลชันของ UMP ซึ่งเร่งปฏิกิริยาโดยไคเนสเพื่อสร้าง UTP และการถ่ายโอนกลุ่มอะมิโนจากกลูตามีนไปยัง UTP เพื่อสร้าง CTP ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งโดย CTP Synthetase

กฎระเบียบของการสังเคราะห์ทางชีวภาพ

ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมการควบคุมจะเกิดขึ้นที่ระดับของคาร์บามอยล์ฟอสเฟตซินเทส II ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่พบในไซโตซอลในขณะที่คาร์บาโมอิลฟอสเฟตซินเทส I เป็นไมโตคอนเดรีย

Carbamoyl phosphate synthase II ถูกควบคุมโดยข้อเสนอแนะเชิงลบ หน่วยงานกำกับดูแล UTP และ PRPP เป็นตัวยับยั้งและตัวกระตุ้นของเอนไซม์นี้ตามลำดับ

ในเนื้อเยื่อที่ไม่ใช่ตับ carbamoyl phosphate synthase II เป็นแหล่งเดียวของ carbamoyl phosphate ในขณะที่อยู่ในตับภายใต้สภาวะที่มีแอมโมเนียมากเกินไป carbamoyl phosphate synthase I จะสร้างขึ้นในไมโทคอนเดรียคาร์บาโมอิลฟอสเฟตซึ่งถูกขนส่งไปยังไซโตซอลจากที่ที่มันเข้าสู่เส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพของไพริมิดีน

อีกประเด็นหนึ่งของข้อบังคับคือ OMP-decarboxylase ซึ่งควบคุมโดยการยับยั้งการแข่งขัน ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา UMP แข่งขันกับ OMP สำหรับไซต์ที่มีผลผูกพันกับ OMP-decarboxylase

ไพริมิดีนเช่นไซโตซีนจะถูกรีไซเคิล

การรีไซเคิล pyrimidines มีหน้าที่ในการนำ pyrimidines กลับมาใช้ใหม่โดยไม่จำเป็นต้องมีการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ de novo และหลีกเลี่ยงเส้นทางที่ย่อยสลาย ปฏิกิริยารีไซเคิลถูกเร่งโดย pyrimimidine phosphoribosyltransferase ปฏิกิริยาทั่วไปมีดังนี้:

Pyrimidine + PRPP -> ไพริมิดีนนิวคลีโอไซด์ 5′- โมโนฟอสเฟต + PPi

ในสัตว์มีกระดูกสันหลังพบ pyrimimidine phosphoribosyltransferase ในเม็ดเลือดแดง สารตั้งต้นของไพริมิดีนสำหรับเอนไซม์นี้คือยูราซิลไทมีนและออโรเทต Cytosine ถูกรีไซเคิลโดยอ้อมจาก uridine-5′-monophosphate

บทบาทในการสังเคราะห์ดีเอ็นเอ

ในระหว่างการจำลองแบบ DNA ข้อมูลที่อยู่ใน DNA จะถูกคัดลอกไปยัง DNA โดย DNA polymerase

การสังเคราะห์ RNA ต้องใช้ deoxynucleotide triphosphate (dNTP) ได้แก่ deoxythymidine triphosphate (dTTP), deoxycytidine triphosphate (dCTP), deoxyadenine triphosphate (dATP) และ deoxyguanine triphosphate (dGTP) ปฏิกิริยาคือ:

(DNA) _{n สิ่งตกค้าง} + dNTP -> (DNA) _{n + 1}สารตกค้าง + PPi

การไฮโดรไลซิสของไพโรฟอสเฟตอนินทรีย์ (PPi) ให้พลังงานสำหรับการสังเคราะห์ RNA

บทบาทในการทำให้โครงสร้างของ DNA มีเสถียรภาพ

ในเกลียวคู่ของดีเอ็นเอพิวรีนแบบเกลียวเดียวจะเชื่อมโยงกับไพริมิดีนที่ตีเกลียวตรงกันข้ามด้วยพันธะไฮโดรเจน ดังนั้นไซโตซีนจึงเชื่อมโยงกับ guanine ด้วยพันธะไฮโดรเจนสามพันธะ: อะดีนีนเชื่อมโยงกับไทมีนด้วยพันธะไฮโดรเจนสองพันธะ

พันธะไฮโดรเจนจะแตกเมื่อสารละลายของ DNA พื้นเมืองบริสุทธิ์ที่ pH 7 อยู่ภายใต้อุณหภูมิที่สูงกว่า 80 ºC สิ่งนี้ทำให้เกลียวคู่ของ DNA สร้างเกลียวสองเส้นที่แยกจากกัน กระบวนการนี้เรียกว่า denaturation

อุณหภูมิที่ 50% ของดีเอ็นเอถูกเปลี่ยนสภาพเรียกว่าอุณหภูมิหลอมเหลว (Tm) โมเลกุลของดีเอ็นเอที่มีอัตราส่วนของกัวนีนและไซโตซีนสูงกว่าไทมีนและอะดีนีนมีค่า Tm สูงกว่าโมเลกุลที่มีอัตราส่วนฐานผกผัน

ที่อธิบายไว้ข้างต้นถือเป็นการพิสูจน์การทดลองว่าพันธะไฮโดรเจนจำนวนมากทำให้โมเลกุลของ DNA พื้นเมืองมีเสถียรภาพดีขึ้น

หน้าที่ของบริเวณที่อุดมด้วยไซโตซีนใน DNA

เมื่อเร็ว ๆ นี้พบว่าดีเอ็นเอจากนิวเคลียสของเซลล์มนุษย์สามารถนำโครงสร้าง motif (iM) มาใช้ โครงสร้างเหล่านี้เกิดขึ้นในบริเวณที่อุดมไปด้วยไซโตซีน

โครงสร้าง iM ประกอบด้วย DNA สี่สายซึ่งแตกต่างจาก DNA แบบเกลียวคู่แบบคลาสสิกซึ่งมีสองเส้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งโซ่ดูเพล็กซ์คู่ขนานสองเส้นจะถูกตัดสลับกันในแนวต้านขนานและยึดเข้าด้วยกันโดยไซโตซินชนิดเฮมิโปรโตเนต (C: C ⁺ )

ในจีโนมของมนุษย์โครงสร้างของ iM จะพบได้ในภูมิภาคต่างๆเช่นโปรโมเตอร์และเทโลเมียร์ จำนวนโครงสร้างของ iM จะสูงกว่าในช่วง G1 / S ของวงจรเซลล์ซึ่งการถอดความสูง พื้นที่เหล่านี้เป็นสถานที่รับรู้โปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการกระตุ้นกลไกการถอดเสียง

ในทางกลับกันในภูมิภาคที่อุดมไปด้วยคู่เบสกัวนีน (C) ที่ต่อเนื่องกัน DNA มีแนวโน้มที่จะใช้รูปทรง A-helix ภายใต้สภาวะที่ขาดน้ำ รูปร่างนี้เป็นเรื่องปกติของแถบคู่ RNA และ DNA-RNA ในระหว่างการถอดความและการจำลองแบบและในบางช่วงเวลาที่ DNA เชื่อมโยงกับโปรตีน

มีการแสดงบริเวณฐานที่ต่อเนื่องกันของไซโตซีนเพื่อสร้างแผ่นอิเล็กโทรโพซิทีฟในส่วนที่เป็นรอยแยกของดีเอ็นเอ ดังนั้นจึงเชื่อกันว่าภูมิภาคเหล่านี้เชื่อมโยงกับโปรตีนทำให้เกิดความเปราะบางของจีโนมบางภูมิภาค

บทบาทในการสังเคราะห์ RNA

ในระหว่างการถอดความข้อมูลที่อยู่ใน DNA จะถูกคัดลอกไปยัง RNA โดย RNA polymerase การสังเคราะห์ RNA ต้องใช้นิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟต (NTP) ได้แก่ cytidine triphosphate (CTP), uridine triphosphate (UTP), adenine triphosphate (ATP) และ guanine triphosphate (GTP) ปฏิกิริยาคือ:

(RNA) _{n สิ่งตกค้าง} + NTP -> (RNA) _{n + 1}สารตกค้าง + PPi

บทบาทในการสังเคราะห์ไกลโคโปรตีน

การถ่ายโอนตามลำดับของเฮกโซสเพื่อสร้างโอลิโกแซ็กคาไรด์ O-linked กับโปรตีนเกิดขึ้นจากสารตั้งต้นของนิวคลีโอไทด์

ในสัตว์มีกระดูกสันหลังขั้นตอนสุดท้ายของการสังเคราะห์โอลิโกแซ็กคาไรด์ที่เชื่อมโยงกับ O ประกอบด้วยการเติมสารตกค้างของกรดเซียลิก (N-acetylneuraminic) จากสารตั้งต้น cytidine-5′-monophosphate (CMP) ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นในถุงทรานส์กอลจิ

การรักษาด้วยเคมีบำบัดไซโตซีนและมะเร็ง

Tetrahydrofolate acid (FH4) เป็นแหล่งของ -CH ₃กลุ่มและจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ dTMP จาก dUMP นอกจากนี้ FH2 จะเกิดขึ้น การลด FH2 ถึง FH4 จำเป็นต้องมีการลดโฟเลตและ NADPH สารยับยั้งโฟเลตรีดักเตสบางชนิดเช่นอะมินคอปเทอรินและเมโธเทรกเซทใช้ในการรักษามะเร็ง

Methotrexan เป็นสารยับยั้งการแข่งขัน Folate reductase จับกับความสัมพันธ์กับตัวยับยั้งนี้มากกว่าสารตั้งต้นถึง 100 เท่า Aminopterin ทำงานในลักษณะเดียวกัน

การยับยั้งโฟเลตรีดักเตสขัดขวางการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ dTMP โดยอ้อมและทำให้ dCTP การยับยั้งโดยตรงเกิดขึ้นโดยตัวยับยั้งเอนไซม์ thymidylate synthetase ซึ่งเร่งปฏิกิริยา dTMP จาก dUMP สารยับยั้งเหล่านี้ ได้แก่ 5-fluorouracil และ 5-fluoro-2-deoxyuridine

ตัวอย่างเช่น 5-fluoroacyl ไม่ได้เป็นตัวยับยั้ง แต่ถูกแปลงครั้งแรกในเส้นทางการรีไซเคิลเป็น deoxyuridine mphosphate d (FdUMP) ซึ่งจับและยับยั้ง thymidylate synthetase

สารที่คล้ายคลึงกับกลูตามีนอะซีเซรีนและอะซิวิซินยับยั้งกลูตามีนอะมิโนทรานสเฟอเรส Azarin เป็นหนึ่งในสารกลุ่มแรกที่ค้นพบเพื่อทำหน้าที่ยับยั้งการฆ่าตัวตาย

อ้างอิง

Assi, HA, Garavís, M. , González, C. , และ Damha, MJ 2018 i-Motif DNA: ลักษณะโครงสร้างและความสำคัญต่อชีววิทยาของเซลล์ การวิจัยกรดนิวคลีไอ 46: 8038-8056
Bohinski, R. 1991. ชีวเคมี. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware
Devlin, TM 2000. ชีวเคมี. กองบรรณาธิการReverté, Barcelona
Lodish, H. , Berk, A. , Zipurski, SL, Matsudaria, P. , Baltimore, D. , Darnell, J. 2003. เซลล์และอณูชีววิทยา กองบรรณาธิการ Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo
Nelson, DL, Cox, MM 2008 Lehninger - หลักการทางชีวเคมี WH ฟรีแมนนิวยอร์ก
Voet, D. และ Voet, J. 2004. ชีวเคมี. จอห์นไวลีย์แอนด์ซันส์สหรัฐอเมริกา

CYTOSINE: โครงสร้างหน้าที่คุณสมบัติการสังเคราะห์ - ชีววิทยา - 2026