Nukleozyd: 11 ważnych faktów, które powinieneś wiedzieć

by

Spis treści

Co to jest nukleozyd?

Dwoma składnikami strukturalnymi nukleozydu są zasada azotowa (znana również jako zasada nukleinowa) i pięciowęglowy cukier rybozowy (ryboza w RNA i dezoksyryboza w przypadku DNA). Ze względu na zasadę azotową i ugrupowania cukrowe nukleozydy są często uważane za glikozaminy.

Struktura nukleozydów | nukleotyd nukleozydu podstawowego | Nukleozyd DNA | difosforan nukleozydu

Może być zasada azotowa obecna w nukleozydzie puryna lub pirymidyna. Te zasady azotowe są związane z cukrem rybozy w ustalonych pozycjach. Puryny są połączone z cukrem rybozy poprzez wiązanie glikozydowe poprzez ich pracę N9, podczas gdy pirymidyny łączą się poprzez ich pozycję N1.

Anomeryczny węgiel (atom węgla związany z grupą karbonylową aldehydu i ketonu) cukru rybozy tworzy wiązanie glikozydowe z zasadą azotową.

Nukleozyd
Rys.: Deoksyadenozyna nukleozydowa https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Desoxyadenosin.svg

Rodzaje nukleozydów

W naszym organizmie syntetyzowanych jest sześć podstawowych typów nukleozydów

  • Adenozyna
  • Guanozyna
  • Tymidyna
  • Cytydyna
  • Urydyna
  • Inozyna

Nukleozyd a nukleotyd | monofosforan nukleozydu 5 | monofosforan nukleozydu

Najprostszy sposób rozróżnienia między nukleotydem a nukleozydem jest następujący:

Nukleozyd = zasada azotowa + cukier rybozowy

Nukleotyd = zasada azotowa + cukier rybozowy + grupa fosforanowa

Ważna uwaga: Wszystkie wiązania między gatunkami składowymi (grupa zasadowa, cukrowa i fosforanowa) są czysto kowalencyjne. Cukier rybozy znajduje się w pozycji środkowej (kowalencyjnie związany z zasadą azotową z jednej strony i grupą fosforanową z drugiej strony) wewnątrz nukleotydu. 

Kwasy nukleinowe (DNA; kwas dezoksyrybonukleinowy, RNA; kwas rybonukleinowy) występujące w każdym organizmie są chemicznie polimerami nukleotydowymi. 

Nukleozyd to nukleotyd bez grupy fosforanowej.

Nukleozyd można przekształcić w nukleotyd już w procesie fosforylacji (dodanie grupy fosforanowej). Ponadto nukleotyd można przekształcić w nukleozyd w procesie defosforylacji (usunięcie grupy fosforanowej).

KorzyściNukleozydyNukleotydy
RolaZdolne do tworzenia nukleotydów w procesie fosforylacjiSą to monomeryczne jednostki kwasów nukleinowych (DNA lub RNA) obecne w prawie każdej komórce organizmu
Skład strukturalnySkładają się z cukru rybozy i bazy azotowejSkładają się z cukru rybozy, zasady azotowej i grupy fosforanowej
Znaczenie fizjologiczneMają ogromny potencjał przeciwwirusowy i przeciwnowotworowyKażda zmiana w sekwencji lub strukturze nukleotydów może prowadzić do różnych mutacji w organizmie, które mogą skutkować kilkoma nieprawidłowościami (brak białka lub enzymu, który zmienia fizjologię)
Tabela: Różnica między nukleozydem a nukleotydem

Trifosforan nukleozydu

Trifosforany nukleozydów to substancje chemiczne zawierające zasadę azotową (purynę lub pirymidynę), pięciowęglową cząsteczkę cukru (dezoksyrybozę lub rybozę) i trzy grupy fosforanowe. Trifosforany nukleozydów służą jako jednostka monomeryczna do syntezy kwasów nukleinowych (DNA lub RNA).

Trifosforany nukleozydów biorą udział w komórkowych szlakach sygnałowych. Działają również jako źródło energii do wykonywania ważnych funkcji organizmu (ATP; Adenozynotrifosforan to nukleozydowy trifosforan nazywany walutą energetyczną komórki).

Trójfosforany nukleozydów powstają na ogół w komórkach naszego ciała, ponieważ mają bardzo słabe wchłanianie z jelit. 

trifosforan
Rysunek: Puryny i pirymidyny tworzą mono, di i trifosforany nukleozydów https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/Figure_14_02_01.jpg

Nukleozydy można przekształcić w nukleotydy w procesie fosforylacji wspomaganej przez działanie specyficznych kinaz komórkowych. W fosforylacji grupa fosforanowa jest dodawana do pierwszorzędowej grupy alkoholowej cukru rybozy.

Trifosforan nukleozydu deoksyrybozy | trifosforan nukleozydu 5 | replikacja DNA trifosforanu nukleozydu

Trifosforany nukleozydów zawierające dezoksyrybozę są znane jako trifosforan dezoksyrybonukleozydów (dNTP). Przed włączeniem do DNA, dwie grupy fosforanowe z trifosforanu nukleozydu są odszczepiane. Powstały monofosforan nukleozydu (nukleotyd) wchodzi w Fragment DNA w trakcie syntezy podczas replikacji DNA.

Ogólnie istnieje pięć typów nukleotydów znajdujących się w DNA lub RNA

  •            Trifosforan dezoksyurydyny (dUTP) znajduje się wyłącznie w RNA
  •            Trifosforan dezoksytymidyny (dTTP) występuje tylko w DNA
  •            Trifosforan deoksyguanozyny (dGTP) znajduje się zarówno w DNA, jak i RNA
  •            Trifosforan dezoksycytydyny (dCTP) znajduje się zarówno w DNA, jak i RNA
  •            Trifosforan deoksyadenozyny (dATP) znajduje się zarówno w DNA, jak i RNA

Wyżej wymienione trifosforany nukleozydów deoksyrybozy występują obficie w genomie każdego organizmu, podczas gdy niektóre mniej powszechne dNTP są wprowadzane do DNA w różnych celach. Mniej powszechne dNTP obejmują sztuczne nukleotydy i formy tautomeryczne naturalnie występujących dNTP.

Włączenie tautomerycznych form dNTP do DNA skutkuje niedopasowaniem par zasad podczas procesu replikacji DNA. 

Załóżmy, że tautomeryczna forma cytozyny zostaje włączona do DNA zamiast cytozyny. W takim przypadku forma tautomeryczna cytozyny tworzy trzy wiązania z adeniną. Skutkuje to niedopasowaniem (cytozyna tworzy komplementarną parę zasad z guaniną, jeśli tworzy parę z adeniną, wówczas będzie uznana za niedopasowanie). To niedopasowanie zmienia sekwencję par zasad DNA u osobnika i ostatecznie prowadzi do mutacji. 

Tymina jest wytwarzana przez deaminację 5-metylocytozyny u eukariontów. Powoduje to również niezgodność, którą można rozpoznać po: Polimeraza DNA III i wycięto przez swoją aktywność egzonukleazy od 3' do 5'. Aktywność egzonukleazy jest również znana jako aktywność korekty, która identyfikuje niezgodność i zastępuje ją prawidłowym dNTP.

Cztery rodzaje dNTP (dGTP, dCTP, dTTP i dATP) są wyłącznie zaangażowane w proces replikacji i naprawy DNA. do dokładnej syntezy DNA wymagana jest właściwa równowaga i prawidłowe komplementarne parowanie zasad. 

Wspomniane powyżej dNTPs są obecne tylko w niewielkich ilościach w komórce eukariotycznej, wystarczającej do Proces replikacji DNA. Są one obecne w niewielkich ilościach, ponieważ enzym reduktaza rybonukleotydowa (RNR) zostaje aktywowana tylko wtedy, gdy komórki wchodzą w fazę S cyklu komórkowego. RNR odpowiada za przekształcanie rybonukleotydów w deoksyrybonukleotydy i difosforanów rybonukleotydów w difosforany deoksyrybonukleotydów. Niewielki wzrost lub spadek ilości tych dNTP może spowodować mutacje w DNA. 

Aktywność enzymu RNR jest silnie regulowana. Aktywność RNR jest regulowana allosterycznie przez dATP. Uaktywnia się w obecności dGTP, dTTP i dATP i podlega hamowaniu przez dATP. Ekspresja RNR i aktywność są stosunkowo niskie w komórkach obecnych w fazie G1 i komórkach niedzielących się. Aktywność RNR i poziom ekspresji wzrastają podczas procesu naprawy DNA i fazy S cyklu komórkowego.

Aktywność RNR jest również regulowana przez stabilność białek podjednostki RNR, transkrypcję kilku genów związanych z cyklem komórkowym oraz niektóre białka hamujące specyficzne dla RNR.

Oprócz funkcji w syntezie DNA, 5-trifosforan adenozyny, wraz z innymi 5-trifosforanami nukleozydów, działa jako substrat w katalizowanych enzymatycznie reakcjach centralnego procesu metabolicznego. 

Czy ATP jest nukleozydem?

Cząsteczka ATP ma trzy składniki strukturalne: zasadę azotową (adeninę), cukier rybozy i trzy grupy fosforanowe; stąd jest to nukleotyd. ATP lub adenozyno-5-trifosforan jest główną cząsteczką przekazującą i magazynującą energię w procesach komórkowych (stąd nazwaną walutą energetyczną). Wewnątrz wiązania pirofosforanowego (wiązanie wysokoenergetyczne obecne w ATP) energia jest magazynowana, wykorzystywana do komórkowych reakcji metabolicznych, transport aktywny i inne energochłonne procesy komórkowe.

Każdy organizm konsumuje pożywienie, aby uzyskać energię w procesie oddychania. Ta odebrana energia jest przechowywana w postaci ATP. Podczas gdy rośliny przekształcają energię świetlną w energię chemiczną, energia ta jest również przechowywana i wykorzystywana w ATP. 

Trzy grupy fosforanowe są połączone ze sobą wiązaniami bezwodnikowymi (wiązania o wysokiej energii). Zerwanie wiązania fosforowodorkowego w procesie hydrolizy w celu uwolnienia energii. Ten sam przebieg reakcji hydrolizy ATP jest wymieniony poniżej:

ATP -> ADP + Pi + Energia

Ponadto ADP (difosforan adenozyny) ma również jedno wiązanie fosforowodorowe; w ten sposób może również ulec hydrolizie, aby uwolnić więcej energii. Ten sam przebieg reakcji hydrolizy ADP jest wymieniony poniżej:

ADP -> AMP + Pi + Energy

AMP (monofosforan adenozyny) powstały w wyniku reakcji nie może ulec hydrolizie, ponieważ nie ma wiązania fosfowodorkowego. Ten AMP jest ponownie zawracany do ADP i ATP, gdy komórka zyskuje energię poprzez oddychanie. Komórkowe reakcje metaboliczne w sposób ciągły wykorzystują i przetwarzają AMP, ADP i ATP. 

Nukleozyd guaniny | nukleozyd deoksyguanozyny | nukleotyd nukleozydowy i kwas nukleinowy

Wśród czterech zasad nukleotydowych znajdujących się w RNA lub DNA, Guanina jest jedną z nich. Guanina tworzy komplementarną parę zasad z cytozyną innej nici polinukleotydowej poprzez trzy wiązania wodorowe. Nukleozyd guaniny jest również znany jako guanozyna. Guanina jest pochodną puryny o ogólnym wzorze C5H5N5O. Guanina zawiera pierścienie imidazolowe i pirymidynowe połączone przez sprzężone wiązania podwójne. Bicykliczna cząsteczka guaniny jest substancją planującą ze względu na jej nienasycony układ.

Deoksyguanozyna jest jednym z czterech składowych deoksyrybonukleozydów występujących w DNA. deoksyguanozyna składa się z azotowej zasady guaniny (nukleozasad purynowych) i pięciowęglowego cukru deoksyrybozy. Zasada guaniny jest połączona przez atom azotu N9 z atomem węgla C1 cukru dezoksyrybozy. 

Deoksyguanozyna ma podstawową strukturę szkieletową podobną do guanozyny, ale w pozycji 2 'cukru rybozy brakuje grupy hydroksylowej (znanej jako dezoksyryboza). Dezoksyguanozyna tworzy monofosforan deoksyguanozyny, gdy grupa fosforanowa zostaje przyłączona do pozycji 5 'cukru deoksyrybozy obecnego w deoksyguanozynie.

Kinaza difosforanowa nukleozydów

Znana jest również jako difosfokinaza nukleozydowa lub kinaza polinukleotydowa. Jest to białko homoheksameryczne (składające się z 6 identycznych podjednostek) składające się z 152 aminokwasów. Ma 17.7 kilodaltonów (KDa) (jeden dalton jest równy jednej jednostce masy atomowej). Ten enzym znajduje się w mitochondriach i cytoplazma. 

Kinaza difosforanowa nukleozydów katalizuje odwracalny transfer grupy fosforanowej pomiędzy różnymi difosforanami nukleozydów (NDP) i trifosforanami nukleozydów (NTP). Trifosforan nukleozydu przekazuje grupę fosforanową (donor), podczas gdy difosforan nukleozydu przyjmuje grupę fosforanową (akceptor).

Reakcja katalizowana przez nukleozydową kinazę difosforanową przebiega według mechanizmu ping-ponga.

YDP + ZTP -> YTP + ZDP

Tutaj Y i Z reprezentują różne zasady azotowe

Struktura NDPK
Rysunek: Struktura krystaliczna nukleozydowej kinazy difosforanowej
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NDPK_structure_.jpg

Równowaga między różnymi trifosforanami nukleozydów jest utrzymywana przez kinazę difosforanową nukleozydu; wpływa również na ekspresję genów, endocytozę, transdukcję sygnału i inne procesy komórkowe. 

Koncentracyjny transporter nukleozydów

Stężone transportery nukleozydów obejmują trzy białka strukturalne u ludzi, którymi są mianowicie SLC28A1, SLC28A2 i SLC28A3. SLC28A2 jest kotransporterem swoistego dla puryny nukleozydu Na + spośród tych trzech białek składowych. Koncentracyjny transporter nukleozydów znajduje się na błonie kanału żółciowego. Jednak SLC28A1 selektywnie transportuje nukleozydy adenozyny i pirymidyny. SLC28A1 to zależny od sodu transporter nukleozydów. SLC28A1 bierze również udział w transporcie przeciwwirusowych analogów nukleozydów, takich jak zalcytanina, zydowudyna itp.

Mem alfa bez nukleozydów

Minimalna niezbędna pożywka alfa (MEM-α) jest szeroko stosowana do transfekowanych komórek ujemnych pod względem DHFR (reduktaza dihydrofolianowa) i hodowli komórek ssaków. MEM-α można stosować z przylegającymi komórkami ssaków, komórkami czerniaka ludzkiego, pierwotnymi astrocytami szczura, keratynocytami i różnymi zawiesinami. MEM-α jest zwykle modyfikowany do różnych celów ze względu na ich szerokie zastosowanie w kulturach komórkowych.

Ogólne modyfikacje wykonane w MEM-α są następujące:

  •            MEM-α jest często używany z L-glutaminą i czerwienią fenolową
  •            L-glutaminę można również stosować bez dezoksyrybonukleozydów i rybonukleozydów

Minimalna niezbędna pożywka (MEM) jest modyfikowana przez dodanie kwasu askorbinowego, biotyny, witaminy B12, kwasu liponowego, pirogronianu sodu i innych nieistotnych aminokwasów w celu wytworzenia MEM-α. 

MEM-α bez nukleozydów jest również dostępna jako pożywka selektywna dla komórek DHFR-ujemnych i komórek DG44 [pochodzących z komórek jajnika chomika chińskiego (CHO)].

MEM-α składa się z soli Earle'a (soli wapnia i magnezu, buforu wodorowęglanowego i czerwieni fenolowej) i nie zawiera czynników wzrostu, lipidów i białek. Zatem MEM-α wymaga suplementacji 10% FBS (Fetal Bovine Serum) dla prawidłowego wzrostu komórek. MEM-α potrzebuje również środowiska 5–10% CO2 do utrzymania fizjologicznego pH pożywki hodowlanej oraz systemu buforu wodorowęglanowego. 

wnioski

W artykule omówiono podstawową budowę nukleozydu oraz jego znaczenie jako pożywki wzrostowej.

Najczęściej zadawane pytania

P1 Co to jest nukleotyd i nukleozyd?

Odpowiedź: Najbardziej podstawową różnicą między nukleotydem a nukleozydem jest obecność grupy fosforanowej. Nukleozyd ma zasadę azotową i cukier rybozy, podczas gdy nukleotyd ma zasadę azotową, cukier rybozy i grupę fosforanową.

 Q2 Jaka jest podstawowa funkcja kwasu nukleinowego?

Odpowiedź: podstawową funkcją kwasów nukleinowych jest przechowywanie całej informacji genetycznej organizmu. 

Kwas nukleinowy jest również odpowiedzialny za przekazywanie informacji genetycznej od rodziców do potomstwa.

P3 Jakie są trzy główne funkcje kwasów nukleinowych?

Odpowiedź: Trzy główne funkcje kwasów nukleinowych są następujące:

  • Przechowuje informacje genetyczne
  • Przekazuje informacje genetyczne od rodziców do potomstwa
  • Bierze udział w syntezie RNA, który odgrywa bezpośrednią rolę w syntezie białek.

Q4 Zastosowania trójfosforanów nukleozydów?

Odpowiedź: Trifosforany lub nukleotydy nukleozydów (nukleozyd fosforylowany) służą jako jednostki monomeryczne do syntezy DNA lub RNA odpowiednio w procesie replikacji i transkrypcji. Trójfosforany nukleozydów odgrywają również rolę w sygnalizacji komórkowej i reakcjach metabolicznych.

P5 Wymień powszechnie syntetyzowane nukleozydy w naszym organizmie?

Odpowiedź: Istnieje sześć typów podstawowych nukleozydów, które są syntetyzowane w naszym organizmie. Inozyna, urydyna, cytydyna, tymidyna, guanozyna i adenozyna to najbardziej syntetyzowane nukleozydy w naszym organizmie.

P6 Jak transportowane są nukleozydy?

Odpowiedź: Nukleozydy są transportowane przez transportery koncentracyjne nukleozydów. Niektóre z nukleozydów docierają do celu poprzez kotransport, na przykład transport przez SLC28A2. Podczas gdy SLC28A1 selektywnie transportuje nukleozydy pirymidynowe i adenina.

Q7 Funkcja nukleozydowej kinazy difosforanowej?

Odpowiedź: Kinaza difosforanowa nukleozydów katalizuje transfer grup fosforanowych między NTP (trifosforan nukleozydu) a NDP (difosforan nukleozydu). Jest również znany jako kinaza polinukleotydowa. Kinaza difosforanowa nukleozydów katalizuje reakcję za pomocą mechanizmu ping-pong.

Q8 Co to jest MEM?

Odpowiedź: Minimalna niezbędna pożywka (MEM) jest powszechnie akceptowana do wzrostu komórek. Zawiera podstawową pożywkę zwaną pożywką Eagle z niezbędnymi składnikami odżywczymi. MEM służy do hodowli komórek w monowarstwach.     

Q9 Dlaczego FBS jest używany z MEM

Odpowiedź: MEM jest często używany z 10% FBS (płodową surowicą bydlęcą) w celu uzupełnienia prawidłowego wzrostu komórek. Czasami wymaga również atmosfery 5-10% CO2 do utrzymania prawidłowego fizjologicznego pH.

Q10 Skład MEM alfa

Odpowiedź: MEM alpha na ogół zawiera L-glutaminę, czerwień fenolową, 10% FBS (płodową surowicę bydlęcą) i 5-10% środowiska CO2. Nie zawiera lipidów, białek i czynników wzrostu. MEM zawiera również sole Earle's (sole wapnia i magnezu z buforem wodorowęglanowym).

Przeczytaj także: