Ядролық қышқылдардың құрамындағы биологиялық молекулалар
Nucleotide
Нүклеотидтер: ДНҚ, РНҚ құрамындағы маңызды биомолекулалар. Олардың құрамы, синтезі, жасуша сигналдауы және ферменттік кофакторлардағы ролі туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Нуклеин қышқылдарын құрайтын биологиялық молекулалар
Biological molecules constituting nucleic acids
Нуклеотидтер – азотты негіз, пентоза қанты және фосфаттан тұратын органикалық молекулалар. Олар нуклеин қышқылының – дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) және рибонуклеин қышқылы (РНК) полимерлерінің мономерлік бірліктері болып табылады, бұл екеуі де Жердегі барлық тіршілік нысандары үшін маңызды биомолекулалар. Нуклеотидтер диета арқылы алынады, сонымен қатар бауыр жалпы қоректік заттардан оларды синтездейді. Бұдан өзге, нуклеотидтер жасушалық сигналдануға қатысады (циклді гуанозин монофосфаты немесе cGMP және циклді аденозин монофосфаты немесе cAMP) және ферменттік реакциялардың маңызды кофакторларының құрамына енеді (мысалы, кофермент А, FAD, FMN, NAD және NADP+). Эксперименталды биохимияда нуклеотидтерді радионуклидтерді қолдана отырып радиобелгілеуге болады, нәтижесінде радионуклеотидтер алынады. 5 нуклеотидтер сондай-ақ дәмдік заттар ретінде тамаққа қосылады, көбінесе ашытқы экстракты түрінде, осы арқылы тамақтың умами дәмін күшейтеді.
Nucleotides are organic molecules composed of a nitrogenous base, a pentose sugar and a phosphate. They serve as monomeric units of the nucleic acid polymers – deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA), both of which are essential biomolecules within all life forms on Earth. Nucleotides are obtained in the diet and are also synthesized from common nutrients by the liver. In addition, nucleotides participate in cell signaling (cyclic guanosine monophosphate or cGMP and cyclic adenosine monophosphate or cAMP) and are incorporated into important cofactors of enzymatic reactions (e. g., coenzyme A, FAD, FMN, NAD, and NADP+). In experimental biochemistry, nucleotides can be radiolabeled using radionuclides to yield radionucleotides. 5 nucleotides are also used in flavour enhancers as food additive to enhance the umami taste, often in the form of a yeast extract.
Құрылымы
Нуклеотид үш ерекше химиялық кішібірліктен тұрады: бес көміртегілі қант молекуласы, нуклеобаза (олардың екеуі бірге нуклеозид деп аталады) және бір фосфат тобы. Үшеуі қосылғанда нуклеотид, фосфат тобындағы фосфаттардың санына байланысты "нуклеозид монофосфаты", "нуклеозид дифосфаты" немесе "нуклеозид трифосфаты" деп те аталады. Нуклеин қышқылдарында нуклеотидтер пурин немесе пиримидин негізін қамтиды – яғни, нуклеобаза молекуласы, сондай-ақ азотты негіз деп те аталады. Егер қант рибоза болса, онда рибонуклеотидтер, ал егер қант дезоксирибоза болса, онда дезоксирибонуклеотидтер деп аталады. Жеке фосфат молекулалары екі іргелес нуклеотид мономерындегі қант сақиналарын қайталап байланыстырады, осылайша нуклеин қышқылының нуклеотид мономерлерін ұзын тізбекке тізбектейді. Бұл қант пен фосфат молекулаларының тізбегі бір немесе екі спиральді құрылым үшін "негізгі" жіпті құрайды. Кез келген тізбекте тізбек байланысының химиялық бағыты (полярлығы) 5' ұшынан 3' ұшына дейін (яғни, 5' негізгі ұшынан 3' негізгі ұшына дейін) жүреді – бұл көршілес нуклеотидтердегі қант молекулаларындағы бес көміртектік орындарға қатысты. Екі спиральды құрылымда екі тізбек қарама-қарсы бағытта орналасқан, бұл негіздердің жұптасуына және негіз жұптарының толықтығына мүмкіндік береді, бұл ДНК-да сақталған генетикалық ақпаратты көбейту немесе транскрипциялау үшін өте маңызды. Нуклеин қышқылдары – нуклеотидтерден құралған полимерлік макромолекулалар, нуклеин қышқылдарының мономерлік бірліктері. Пуриндік негіздер аденин мен гуанин, ал пиримидиндік негіз цитозин ДНК және РНК-да кездеседі, ал пиримидиндік негіздер тимин (ДНК-да) және урацил (РНК-да) тек біреуінде ғана кездеседі. Аденин тиминмен екі сутектік байланыс арқылы, ал гуанин цитозинмен үш сутектік байланыс арқылы жұптасады. Нуклеин қышқылдарының полимерлерін құру үшін қажетті құрылыс блогы болғаннан басқа, жеке нуклеотидтер жасушалық энергияны сақтау және ұсыну, жасушалық сигнал беру, ақуыздар мен басқа да сигналдық молекулалардың белсенділігін реттеу үшін қолданылатын фосфат топтарының көзі және ферменттік кофакторлар ретінде де қызмет етеді, көбінесе тотығу-тотықсыздану реакцияларын жүзеге асырады. Сигналдық циклдік нуклеотидтер фосфат тобын бір қант молекуласына екі рет байланыстыру арқылы, қанттың 5' және 3' гидроксил топтарын байланыстыру арқылы пайда болады. Нуклеотидтік кофакторлар қантқа гликозидтік байланыс арқылы бекітілген кең ауқымдағы химиялық топтарды қамтиды, оның ішінде никотинамид және флавин бар, соңғы жағдайда рибоза қанты сақина құрамай, сызықтық болып келеді.
A nucleotide is composed of three distinctive chemical sub units: a five carbon sugar molecule, a nucleobase (the two of which together are called a nucleoside), and one phosphate group. With all three joined, a nucleotide is also termed a "nucleoside monophosphate", "nucleoside diphosphate" or "nucleoside triphosphate", depending on how many phosphates make up the phosphate group. In nucleic acids, nucleotides contain either a purine or a pyrimidine base—i. e., the nucleobase molecule, also known as a nitrogenous base—and are termed ribonucleotides if the sugar is ribose, or deoxyribonucleotides if the sugar is deoxyribose. Individual phosphate molecules repetitively connect the sugar ring molecules in two adjacent nucleotide monomers, thereby connecting the nucleotide monomers of a nucleic acid end to end into a long chain. These chain joins of sugar and phosphate molecules create a 'backbone' strand for a single or double helix. In any one strand, the chemical orientation (directionality) of the chain joins runs from the 5' end to the 3' end (read: 5 prime end to 3 prime end)—referring to the five carbon sites on sugar molecules in adjacent nucleotides. In a double helix, the two strands are oriented in opposite directions, which permits base pairing and complementarity between the base pairs, all which is essential for replicating or transcribing the encoded information found in DNA. Nucleic acids then are polymeric macromolecules assembled from nucleotides, the monomer units of nucleic acids. The purine bases adenine and guanine and pyrimidine base cytosine occur in both DNA and RNA, while the pyrimidine bases thymine (in DNA) and uracil (in RNA) occur in just one. Adenine forms a base pair with thymine with two hydrogen bonds, while guanine pairs with cytosine with three hydrogen bonds. In addition to being building blocks for the construction of nucleic acid polymers, singular nucleotides play roles in cellular energy storage and provision, cellular signaling, as a source of phosphate groups used to modulate the activity of proteins and other signaling molecules, and as enzymatic cofactors, often carrying out redox reactions. Signaling cyclic nucleotides are formed by binding the phosphate group twice to the same sugar molecule, bridging the 5' and 3' hydroxyl groups of the sugar. Nucleotide cofactors include a wider range of chemical groups attached to the sugar via the glycosidic bond, including nicotinamide and flavin, and in the latter case, the ribose sugar is linear rather than forming the ring seen in other nucleotides.
Синтез
Нуклеотидтерді in vitro және in vivo әртүрлі тәсілдермен синтездеуге болады. In vitro жағдайында нуклеотидтерді зертханалық өндіру кезінде қорғау топтары қолданылуы мүмкін. Тазартылған нуклеозид фосфорамидит жасау үшін қорғалады, оны табиғатта кездеспейтін аналогтар алу және/немесе олигонуклеотид синтезі үшін пайдалануға болады. In vivo нуклеотидтер de novo синтезделуі немесе құтқару жолдары арқылы қайта өңделуі мүмкін. De novo нуклеотид синтезінде қолданылатын компоненттер көмірсулар мен аминқышқылдар метаболизмінің биосинтездік прекурсорларынан, аммиак пен көмірқышқылдан алынады. Жақында жасушалық бикарбонат метаболизмін mTORC1 сигнализациясы реттейтіні дәлелденді. Бауыр – барлық төрт нуклеотидтің de novo синтезінің басты органы. Пиримидиндер мен пуриндердің de novo синтезі екі түрлі жолмен жүзеге асырылады. Пиримидиндер цитоплазмада аспартат пен карбамоил фосфатынан бастап, ортақ алғырқұрылым сақинасы – оротик қышқылына синтезделеді, оған фосфорилденген рибозил бірлігі ковалентті байланысады. Ал пуриндер алдымен қант үлгісінен синтезделеді, содан кейін сақина құрылысы жүреді. Анықтама үшін, пурин және пиримидин нуклеотидтерінің синтезін жасуша цитоплазмасындағы бірнеше ферменттер жүзеге асырады, емес, белгілі бір органелланың ішінде. Нуклеотидтер ыдырайды, осылайша пайдалы бөліктерін жаңа нуклеотидтерді құру үшін синтез реакцияларында қайта пайдалануға болады.
Nucleotides can be synthesized by a variety of means, both in vitro and in vivo. In vitro, protecting groups may be used during laboratory production of nucleotides. A purified nucleoside is protected to create a phosphoramidite, which can then be used to obtain analogues not found in nature and/or to synthesize an oligonucleotide. In vivo, nucleotides can be synthesized de novo or recycled through salvage pathways. The components used in de novo nucleotide synthesis are derived from biosynthetic precursors of carbohydrate and amino acid metabolism, and from ammonia and carbon dioxide. Recently it has been also demonstrated that cellular bicarbonate metabolism can be regulated by mTORC1 signaling. The liver is the major organ of de novo synthesis of all four nucleotides. De novo synthesis of pyrimidines and purines follows two different pathways. Pyrimidines are synthesized first from aspartate and carbamoyl phosphate in the cytoplasm to the common precursor ring structure orotic acid, onto which a phosphorylated ribosyl unit is covalently linked. Purines, however, are first synthesized from the sugar template onto which the ring synthesis occurs. For reference, the syntheses of the purine and pyrimidine nucleotides are carried out by several enzymes in the cytoplasm of the cell, not within a specific organelle. Nucleotides undergo breakdown such that useful parts can be reused in synthesis reactions to create new nucleotides.
Пиримидин мен пуриннің ыдырауы
Адамдарда пиримидин сақиналары (C, T, U) толыққанды түрде CO2 және NH3 (мочевина арқылы шығарылуы) дейін ыдырайды. Ал пурин сақиналары (G, A) олай етпейді. Олардың орнына, метаболизміне араласпайтын несеп қышқылына дейін ыдырайды, содан кейін организмнен шығарылады. Несеп қышқылы GMP гуанин мен рибозаға бөлінген кезде түзіледі. Гуанин ксантинге деаминаздалады, ал ксантин өз кезегінде несеп қышқылына тотықтырылады. Бұл соңғы реакция қайтымсыз болып табылады. Сол сияқты, AMP IMP-ға деаминаздалғанда, одан рибоза бөлігі алынып, гипоксантин пайда болады, нәтижесінде несеп қышқылы да түзіледі. Гипоксантин ксантинге, содан кейін несеп қышқылына тотықтырылады. Несеп қышқылын шығарудың орнына, гуанин мен IMP PRPP және аспартат (NH3 доноры) қатысуымен қайта пайдалану және нуклеин қышқылын синтездеу үшін қолданылуы мүмкін.
In humans, pyrimidine rings (C, T, U) can be degraded completely to CO2 and NH3 (urea excretion). That having been said, purine rings (G, A) cannot. Instead, they are degraded to the metabolically inert uric acid which is then excreted from the body. Uric acid is formed when GMP is split into the base guanine and ribose. Guanine is deaminated to xanthine which in turn is oxidized to uric acid. This last reaction is irreversible. Similarly, uric acid can be formed when AMP is deaminated to IMP from which the ribose unit is removed to form hypoxanthine. Hypoxanthine is oxidized to xanthine and finally to uric acid. Instead of uric acid secretion, guanine and IMP can be used for recycling purposes and nucleic acid synthesis in the presence of PRPP and aspartate (NH3 donor).
Нуклеотидтердің пребиотикалық синтезі
Өмірдің пайда болуы туралы теориялар өмірдің негізгі құрылыс блоктарының ғылыми тұрғыдан негізделген алғашқы жағдайларда қалыптасуына мүмкіндік беретін химиялық жолдарды білуді талап етеді. РНК әлемі гипотезасы бастапқы сорғыда еркін қалқып жүзетін рибонуклеотидтер болған, бұл РНК құрастыру үшін тізбектей бірігетін негізгі молекулалар еді. РНК сияқты күрделі молекулалар физикалық-химиялық процестермен басқарылатын кіші молекулалардан пайда болған болуы керек. РНК пурин және пиримидин нуклеотидтерінен тұрады, олардың екеуі де сенімді ақпарат беру үшін қажет, демек, дарвиндік эволюция үшін де маңызды. Беккер және авторлар пиримидин нуклеозидтерін ылғалды-құрғақ циклдар арқылы кіші молекулалар мен рибозадан синтездеуге болатынын көрсетті. Пурин нуклеозидтерін де ұқсас жолмен синтездеуге болады. 5' моно- және дифосфаттар да фосфатты минералдардан таңдап түзіледі, бұл пурин және пиримидин негіздері бар полирибонуклеотидтердің бір уақытта түзілуіне мүмкіндік береді. Осылайша, қарапайым атмосфералық немесе жанартау молекулаларынан басталатын пурин және пиримидин РНК құрылыс блоктарына реакциялық желі құруға болады. Мысалдарға d5SICS және dNaM жатады. Гидрофобты нуклеобазаларды қамтитын бұл жасанды нуклеотидтер ДНК-да (d5SICS–dNaM) кешенін немесе негіз жұбын құрайтын екі біріктірілген ароматикалық сақинаны қамтиды. E. coli бірнеше буын бойы UBP-ні қамтитын плазмидті көбейтуге итермеленді. Бұл – тірі организмнің кеңейтілген генетикалық кодты келесі буынға жеткізуінің алғашқы мысалы.
Theories about the origin of life require knowledge of chemical pathways that permit formation of life's key building blocks under plausible prebiotic conditions. The RNA world hypothesis holds that in the primordial soup there existed free floating ribonucleotides, the fundamental molecules that combine in series to form RNA. Complex molecules like RNA must have arisen from small molecules whose reactivity was governed by physico chemical processes. RNA is composed of purine and pyrimidine nucleotides, both of which are necessary for reliable information transfer, and thus Darwinian evolution. Becker et al. showed how pyrimidine nucleosides can be synthesized from small molecules and ribose, driven solely by wet dry cycles. Purine nucleosides can be synthesized by a similar pathway. 5' mono and di phosphates also form selectively from phosphate containing minerals, allowing concurrent formation of polyribonucleotides with both the purine and pyrimidine bases. Thus a reaction network towards the purine and pyrimidine RNA building blocks can be established starting from simple atmospheric or volcanic molecules. Examples include d5SICS and dNaM. These artificial nucleotides bearing hydrophobic nucleobases, feature two fused aromatic rings that form a (d5SICS–dNaM) complex or base pair in DNA. E. coli have been induced to replicate a plasmid containing UBPs through multiple generations. This is the first known example of a living organism passing along an expanded genetic code to subsequent generations.
Синтетикалық нуклеотидтердің медициналық қолданылуы
Синтетикалық нуклеотидтердің қолданылуы кең ауқымды, оның ішінде ауруды диагностикалау, емдеу немесе жекелеген медицинаны қамтиды. Вирусқа қарсы немесе антиретровирустық заттар: гепатит және ВИЧ инфекциясына қарсы емдеуде бірнеше нуклеотид туындылары қолданылған. Тікелей нуклеозидтік аналогты кері транскриптаза ингибиторларының (НТКІ) мысалдары: тенофовир дизопроксил, тенофовир алафенамид және софосбувир. Ал, мерицитабин, ламивудин, энтекавир және тельбивудин сияқты заттар белсенді болу үшін фосфорилдану арқылы метаболизмделуі керек. Антисенс олигонуклеотидтері (АСО): синтетикалық олигонуклеотидтер сирек кездесетін мұрагерлік ауруларды емдеуде қолданылады, себебі олар белгілі бір РНК транскрипттерін байланыстырып, нәтижесінде ақуыз экспрессиясын өзгерте алады. Омыртқа бұлшық еттерінің атрофиясы, амиотрофиялық бүйірлік склероз, гомозиготалық отбасылық гиперхолестеринемия және 1-ші типті біріншілік гиперксолалурияның бәрі АСО-ға негізделген терапияға жарамды. Олигонуклеотидтерді қолдану – жекелеген медицина және емдеуге келмейтін жағдайларды басқарудағы жаңа шеңбер. Синтетикалық жетекші РНК (жРНК): синтетикалық нуклеотидтер CRISPR Cas9 сияқты гендік өңдеу технологияларының дұрыс жұмыс істеуі үшін қажетті жРНК-ны жобалау үшін қолданылуы мүмкін.
The applications of synthetic nucleotides vary widely and include disease diagnosis, treatment, or precision medicine. Antiviral or Antiretroviral agents: several nucleotide derivatives have been used in the treatment against infection with Hepatitis and HIV. Examples of direct nucleoside analog reverse transcriptase inhibitors (NRTIs) include Tenofovir disoproxil, Tenofovir alafenamide, and Sofosbuvir. On the other hand, agents such as Mericitabine, Lamivudine, Entecavir and Telbivudine must first undergo metabolization via phosphorylation to become activated. Antisense oligonucleotides (ASO): synthetic oligonucleotides have been used in the treatment of rare heritable diseases since they can bind specific RNA transcripts and ultimately modulate protein expression. Spinal muscular atrophy, amyotrophic lateral sclerosis, homozygous familial hypercholesterolemia, and primary hyperoxaluria type 1 are all amenable to ASO based therapy. The application of oligonucleotides is a new frontier in precision medicine and management of conditions which are untreatable. Synthetic guide RNA (gRNA): synthetic nucleotides can be used to design gRNA which are essential for the proper function of gene editing technologies such as CRISPR Cas9.
Ұзындығы бірлігі
Нуклеотид (қысқаша "nt") – екі тізбекті нуклеин қышқылының ұзындығын өлшеу бірлігі болып табылатын базалық жұпқа ұқсас, бір тізбекті нуклеин қышқылының ұзындығы бірлігі.
Nucleotide (abbreviated "nt") is a common unit of length for single stranded nucleic acids, similar to how base pair is a unit of length for double stranded nucleic acids.