УРАЦИЛ: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ВЛАСТИВОСТІ, СИНТЕЗ - БІОЛОГІЯ - 2025

Урацил є типом пиримидина нуклеїнових, знайденим в рибонуклеїнової кислоти (РНК). Це одна з характеристик, що відрізняють РНК від дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), оскільки в останньому є тимін замість урацилу. Обидві речовини, урацил та тимін, відрізняються лише тим, що останній має метильну групу.

З еволюційної точки зору було запропоновано, щоб РНК була першою молекулою, яка зберігала генетичну інформацію та функціонувала як каталізатор у клітинах, перед ДНК та ферментами. Через це, як вважається, урацил відіграв ключову роль в еволюції життя.

Джерело: Кемікунген

У живих істотах урацил не знаходиться у вільній формі, але зазвичай утворює нуклеотиди монофосфат (UMP), дифосфат (UDP) і трифосфат (UTP). Ці нуклеотиди урацилу виконують різні функції, такі як РНК та біосинтез глікогену, ізомерна взаємоперетворення цукрів та регуляція глютамін-синтази.

Будова та властивості

Урацил, званий 2,4-діоксипіридин, має емпіричну формулу C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ , молекулярна маса якої становить 112,09 г / моль, і очищається у вигляді білого порошку.

Структура уридину - гетероциклічне кільце з чотирма атомами вуглецю та двома атомами азоту з чергуванням подвійних зв’язків. Він планарний.

Він має розчинність 50мг / мл при 25ºС в 1М гідроксиду натрію та рКа між 7,9 та 8,2. Довжина хвилі, де відбувається її максимальна поглинання (ʎ _max ), становить від 258 до 260 нм.

Біосинтез

Існує загальний шлях біосинтезу нуклеотидів піримідину (урацил та цитокіни). Перший крок - біосинтез карбамоїлфосфату з CO ₂ та NH ₄ ⁺ , який каталізується карбамоїлфосфатною синтетазою.

Піримідин будується з карбоїлфосфату та аспартату. Обидві речовини реагують і утворюють N-карбамоїласпартат, реакцію, катализируемую аспартат-транскабамойлазою (АТКаза). Замикання піримідинового кільця викликається дегідратацією, катализируемой дигідроотазою, і утворює L-дигідроротат.

L-дигідроротат окислюється і перетворюється в оротат; акцептором електронів є НАД ⁺ . Це реакція, що каталізується дигідрооратдегідрогеназою. Наступний крок складається з переведення фосфорибозильної групи з фосфорибозилпірофосфату (PRPP) в оротат. Він утворює оротидилат (OMP) і неорганічний пірофосфат (PPi), каталізується оротат фосфорибозил-трансферазою.

Останній крок складається з декарбоксилювання піримідинового кільця оротидилата (OMP). Він утворює уридилат (уридин-5'-монофосфат, UMP), який каталізується декарбоксилазою.

Потім за участю кінази фосфатну групу переносять з АТФ до UMP, утворюючи UDP (уридин-5'-дифосфат). Останню повторюють, утворюючи UTP (уридин-5′-трифосфат).

Регуляція біосинтезу

У бактерій регуляція біосинтезу піримідину відбувається за допомогою негативного зворотного зв’язку на рівні аспартат-транскабамоїлази (АТКАза).

Цей фермент інгібується CTP (цитидин-5'-трифосфат), який є кінцевим продуктом біосинтетичного шляху піримідину. ATCase має регуляторні субодиниці, які зв'язуються з аллостеричним регулятором CTP.

У тварин регуляція біосинтезу піримідину відбувається за допомогою негативного зворотного зв’язку на рівні двох ферментів: 1) карбамоїлфосфат синтаза II, яка інгібується UTP та активується АТФ та PRPP; та 2) декарбоксилазу OMP, яка інгібується продуктом реакції, яку вона каталізує, UMP. Швидкість біосинтезу OMP змінюється залежно від наявності PRPP.

Роль у біосинтезі РНК

Урацил присутній у всіх типах РНК, таких як месенджерна РНК (мРНК), переносна РНК (тРНК) і рибосомальна РНК (рРНК). Біосинтез цих молекул відбувається через процес, який називається транскрипцією.

Під час транскрипції інформація, що міститься в ДНК, копіюється в РНК за допомогою РНК-полімерази. Зворотний процес, при якому інформація, що міститься в РНК, копіюється в ДНК, відбувається у деяких вірусів і рослин за допомогою зворотної транскриптази.

Для біосинтезу РНК необхідний трифосфат нуклеозиду (NTP), а саме: трифосфат уридину (UTP), цитидин трифосфат (CTP), трифосфат аденіну (АТФ) та гуанін трифосфат (GTP). Реакція така:

(RNA) _{n залишків} + NTP -> (RNA) _{n + 1} залишок + PPi

Гідроліз неорганічного пірофосфату (PPi) забезпечує енергію для біосинтезу РНК.

Роль у біосинтезі цукрів

Ефіри цукру дуже поширені в живих організмах. Деякі з цих складних ефірів є дифосфатами ефіру нуклеозидів, такими як цукри UDP, які дуже багато в клітинах. УДД-цукри беруть участь у біосинтезі дисахаридів, олігосахаридів та полісахаридів.

У рослин біосинтез сахарози відбувається двома шляхами: первинним і вторинним.

Основний шлях - це перенесення D-глюкози з UDP-D-глюкози в D-фруктозу до утворення сахарози та UDP. Вторинний шлях включає два етапи: він починається з UDP-D-глюкози та фруктози-6-фосфату і закінчується утворенням сахарози та фосфату.

У молочних залозах відбувається біосинтез лактози з UDP-D-галактози та глюкози.

У рослинах біосинтез целюлози здійснюється безперервною конденсацією залишків бета-D-глюкозилу, починаючи від UDP-глюкози до невідновлювального кінця зростаючої ланцюга поліглюкози. Аналогічно, біосинтез амілози та амілопектину потребує UDP-глюкози як субстрату донора глюкози до зростаючого ланцюга.

У тварин для біосинтезу глікогену використовують як УДП-глюкозу, так і АДФ-глюкозу. Аналогічно, біосинтез сульфату хондроїтину потребує UDP-ксилози, UDP-галактози та UDP-глюкуронату.

Роль у ізомерному взаємоперетворенні цукрів

Перетворення галактози в проміжний продукт гліколізу відбувається по Лелуарному шляху. Один із етапів цього шляху каталізується ферментом UDP-галактоза-4-епімераза, який полегшує взаємоперетворення УДП-галактози в УДП-глюкозу.

Роль у біосинтезі глікопротеїну

Під час біосинтезу глікопротеїну білки проходять цис, середину та транссексуали апарату Гольджі.

У кожному з цих мішків є набір ферментів, які переробляють глікопротеїни. Мономери цукру, такі як глюкоза та галактоза, додають до олігосахариду білка з UDP-гексози та інших нуклеотидів-гексози.

Нуклеотиди гексози транспортуються до цистерн Гольджі антипортом. UDP-галактоза (UDP-Gal) і UDP-N-ацетилгалактозамін (UDP-GalNAc) надходять у цистерни з цитозолу шляхом обміну на UMP.

У цистерні Гольджі фосфатаза гідролізує фосфатну групу на УДП і утворює UMP та Pi. УДП походить від реакцій, каталізованих галактозилтрансферазою та N-ацетилгалактосамілтрансферазою. УМП, утворена фосфатазою, служить для обміну нуклеотид-гексозою.

Роль у регуляції глютамінсинтази

Регулюючим механізмом глютамін-синтази є ковалентна модифікація, яка складається з аденіляції, яка її інактивує, і деденіляції, яка її активує. Ця ковалентна модифікація є оборотною і каталізується аденілтрансферазою.

Аденілтрансферазна активність модулюється зв'язуванням білка PII, який регулюється ковалентною модифікацією, уридиніляцією.

І уридилювання, і деуридилювання здійснюють уридилілтрансферазою. У цьому ферменті активність уридиляції обумовлена ​​глютаміном та фосфатом, і активується зв'язуванням альфа-кетоглутарату та АТФ до PII.

Роль у редагуванні РНК

Деякі мРНК редагуються перед трансляцією. У деяких еукаріотичних організмах, таких як Trypanosoma brucei, є редагування РНК стенограми гена субодиниці цитохромоксидази II. Це відбувається через введення залишків урацилу, реакцію, каталізовану кінцевою уридилтрансферазою.

Довідник РНК, доповнення до відредагованого продукту, діє як шаблон для процесу редагування. Пари основ, утворені між початковою стенограмою та направляючою РНК, мають на увазі G = U пар основ, які не є Уотсоном-Криком і є загальними в РНК.

Біосинтез УДП-глюкози

У фізіологічних умовах біосинтез глікогену з глюкозо-1-фосфату термодинамічно неможливий (ΔG позитивний). Завдяки цьому до біосинтезу відбувається активація глюкозо-1-фосфату (G1P). Ця реакція поєднує G1P і UTP для утворення глюкози уридиндифосфату (UDP-глюкози або UDPG).

Реакція каталізується UDP-глюкозою пірофосфорилазою і полягає в наступному:

G1P + UTP -> UDP-глюкоза + 2Pi.

Коливання вільної енергії Гіббса на цьому етапі велике та негативне (-33,5 КДж / моль). Під час реакції на кисень G1P атакує атом фосфору альфа-UTP та утворює UDP-глюкозу та неорганічний пірофосфат (PPi). Далі ППІ гідролізується неорганічною пірофосфатазою, енергія гідролізу якої визначає загальну реакцію.

УДП-глюкоза - це "високоенергетична" речовина. Це дозволяє утворювати глікозидні зв’язки між залишком глюкози та зростаючим полісахаридним ланцюгом. Цей самий енергетичний принцип застосовний до реакцій, де беруть участь цукри UDP, такі як біосинтез дизахаридів, олігосахаридів та глікопротеїнів.

Урацилова ДНК-глікозилаза

Існують ураження ДНК, які виникають спонтанно. Одним із таких уражень є мимовільне дезамінація цитокіну та його послідовне перетворення у урацил. У цьому випадку ремонт відбувається шляхом видалення модифікованої основи з ДНК ферментом, званим урациловою ДНК-глікозилазою.

Фермент урацилової ДНК-глікозилази видаляє пошкоджений цитокін (урацил), утворюючи дезоксирибозу залишок, якому не вистачає азотної основи, називається АР-сайтом (апурино-апіримідиновий сайт).

Потім фермент AP ендонуклеаза розрізає фосфодіефірну основу ділянки AP, видаляючи цукрово-фосфатний залишок. ДНК-полімераза I відновлює пошкоджену нитку.

Список літератури

1. Бохінський, Р. 1991. Біохімія. Аддісон-Уеслі Ібероамерикана, Вілмінгтон, Делавер.
2. Devlin, TM 2000. Біохімія. Редакція Реверте, Барселона.
3. Лодіш, Х., Берк, А., Зіпурський, С. Л., Мацударія, П., Балтімор, Д., Дарнелл, Дж. 2003. Клітинна і молекулярна біологія. Редакція Medica Panamericana, Буенос-Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексика, Сао Пауло.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Ленінгер - Принципи біохімії. WH Freeman, Нью-Йорк.
5. Voet, D. and Voet, J. 2004. Біохімія. Джон Вілей і сини, США.