Введение
Нуклеотид, содержащий рибозу как пентозный компонент.
В биохимии рибонуклеотид – это нуклеотид, содержащий рибозу в качестве пентозного компонента. Он считается молекулярным предшественником нуклеиновых кислот. Нуклеотиды являются основными строительными блоками ДНК и РНК. Рибонуклеотиды сами по себе являются основными мономерными строительными блоками для РНК. Дезоксирибонуклеотиды, образующиеся в результате восстановления рибонуклеотидов ферментом рибонуклеотидредуктазой (РНР), являются основными строительными блоками ДНК. Существует несколько различий между дезоксирибонуклеотидами ДНК и рибонуклеотидами РНК. Последовательные нуклеотиды связаны друг с другом посредством фосфодиэфирных связей. Рибонуклеотиды также используются в других клеточных функциях. Эти специальные мономеры участвуют как в регуляции клеток, так и в клеточной сигнализации, например, в форме аденозинмонофосфата (АМФ). Кроме того, рибонуклеотиды могут превращаться в аденозинтрифосфат (АТФ) – энергетическую валюту организмов. Рибонуклеотиды также могут превращаться в циклический аденозинмонофосфат (циклический АМФ) для регуляции гормонов в организмах. Оба типа пентоз в ДНК и РНК находятся в β-фуранозной форме (замкнутое пятичленное кольцо) и определяют идентичность нуклеиновой кислоты. ДНК определяется содержанием 2'-дезоксирибозы, а РНК – содержанием рибозы. Также обнаружены нуклеотиды с фосфатными группами в положениях, отличных от 5'-углерода. Примеры включают рибонуклеозидные 2',3'-циклические монофосфаты, которые являются выделяемыми промежуточными продуктами, и рибонуклеозидные 3'-монофосфаты, которые являются конечными продуктами гидролиза РНК некоторыми рибонуклеазами. Другие варианты включают аденозин-3',5'-циклический монофосфат (цАМФ) и гуанозин-3',5'-циклический монофосфат (цГМФ).
In biochemistry, a ribonucleotide is a nucleotide containing ribose as its pentose component. It is considered a molecular precursor of nucleic acids. Nucleotides are the basic building blocks of DNA and RNA. Ribonucleotides themselves are basic monomeric building blocks for RNA. Deoxyribonucleotides, formed by reducing ribonucleotides with the enzyme ribonucleotide reductase (RNR), are essential building blocks for DNA. There are several differences between DNA deoxyribonucleotides and RNA ribonucleotides. Successive nucleotides are linked together via phosphodiester bonds. Ribonucleotides are also utilized in other cellular functions. These special monomers are utilized in both cell regulation and cell signaling as seen in adenosine monophosphate (AMP). Furthermore, ribonucleotides can be converted to adenosine triphosphate (ATP), the energy currency in organisms. Ribonucleotides can be converted to cyclic adenosine monophosphate (cyclic AMP) to regulate hormones in organisms as well. Both types of pentoses in DNA and RNA are in their β furanose (closed five membered ring) form and they define the identity of a nucleic acid. DNA is defined by containing 2' deoxy ribose nucleic acid while RNA is defined by containing ribose nucleic acid. Nucleotides with phosphate groups in positions other than on the 5' carbon have also been observed. Examples include ribonucleoside 2',3' cyclic monophosphates which are isolatable intermediates, and ribonucleoside 3' monophosphates which are end products of the hydrolysis of RNA by certain ribonucleases. Other variations include adenosine 3',5' cyclic monophosphate (cAMP) and guanosine 3',5' cyclic monophosphate (cGMP).
Связывание последовательных нуклеотидов
Рибонуклеотиды соединяются друг с другом, образуя цепи РНК посредством фосфодиэфирных связей. 5'-фосфатная группа одного нуклеотида соединена с 3'-гидроксильной группой следующего нуклеотида, формируя основу, состоящую из чередующихся фосфатных и пентозных остатков. На каждом конце полинуклеотида фосфодиэфирной связи нет. Фосфодиэфирные связи между рибонуклеотидами образуются ферментом РНК-полимеразой. Цепь РНК синтезируется от 5' конца к 3' концу, поскольку 3'-гидроксильная группа последнего рибонуклеотида в цепи выступает в роли нуклеофила и инициирует нуклеофильную атаку на 5'-трифосфат входящего рибонуклеотида, высвобождая пирофосфат как побочный продукт. Благодаря физическим свойствам нуклеотидов, основа РНК обладает высокой гидрофильностью и полярностью. При нейтральном pH нуклеиновые кислоты сильно заряжены, поскольку каждая фосфатная группа несет отрицательный заряд. И ДНК, и РНК построены из нуклеозидных фосфатов, также известных как мононуклеотидные мономеры, которые термодинамически менее склонны к соединению, чем аминокислоты. При гидролизе фосфодиэфирные связи высвобождают значительное количество свободной энергии. Поэтому нуклеиновые кислоты склонны к спонтанному гидролизу до мононуклеотидов. Предшественниками РНК являются ГТФ, КТФ, УТФ и АТФ, который является основным источником энергии в реакциях переноса групп.
Дискриминация рибонуклеотидов
Во время синтеза ДНК ДНК-полимеразы должны отбраковывать рибонуклеотиды, которые присутствуют в гораздо большей концентрации, чем дезоксирибонуклеотиды. Селективность необходима, поскольку репликация ДНК должна быть точной для сохранения генома организма. Показано, что активные центры ДНК-полимераз семейства Y отвечают за обеспечение высокой селективности против рибонуклеотидов. Большинство ДНК-полимераз также обладают способностью исключать рибонуклеотиды из своего активного центра благодаря объемному остатку аминокислоты, который стерически препятствует взаимодействию с 2'-гидроксильной группой рибозного кольца. Однако многие ядерные репликативные и репарационные ДНК-полимеразы включают рибонуклеотиды в ДНК, что указывает на несовершенство механизма исключения.
История
До знаковой работы Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика, в которой подробно описывалась структура ДНК на основе рентгенограммы Розалинд Франклин, существовало несколько ученых, внесших вклад в её открытие. Фридрих Мишер, швейцарский врач, в 1869 году впервые выделил и идентифицировал нуклеиновое вещество из ядер лейкоцитов, которое он позже назвал «нуклеином», тем самым подготовив почву для открытия ДНК. За работой Мишера последовал немецкий биохимик Альбрехт Коссель, который в 1878 году выделил небелковые компоненты «нуклеина» и обнаружил пять нуклеотидных оснований, присутствующих в нуклеиновых кислотах: аденин, цитозин, гуанин, тимин и урацил. Несмотря на то, что благодаря этим ранним открытиям некоторые фундаментальные факты о нуклеиновых кислотах были известны, их структура и функция оставались загадкой. Лишь открытие нуклеотидов в 1919 году Фёбусом Левеном, русским литовским биохимиком, вновь открыло путь к исследованию ДНК. Левен первым установил, что углеводный компонент, присутствующий в дрожжевой РНК, является рибозой. Однако широкое признание научного сообщества его открытие получило лишь после того, как он обнаружил, что углеводный компонент тимусовой нуклеиновой кислоты также является сахаром, но лишен одного атома кислорода, который он назвал дезоксирибозой. В конечном итоге Левену удалось определить правильную последовательность соединения компонентов РНК и ДНК – фосфатно-сахарное основание, которое он позже назвал нуклеотидом. Хотя последовательность нуклеотидных компонентов была хорошо понятна Левену, структура их пространственного расположения и генетический код оставались загадкой на протяжении ранних лет его карьеры.