Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты: строение и функции.

Введение

Биологические молекулы, составляющие нуклеиновые кислоты

Нуклеотиды – это органические молекулы, состоящие из азотистого основания, пентозного сахара и фосфата. Они служат мономерными единицами полимеров нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК), обе из которых являются важнейшими биомолекулами во всех формах жизни на Земле. Нуклеотиды поступают с пищей и также синтезируются печенью из обычных питательных веществ. Помимо этого, нуклеотиды участвуют в клеточной сигнализации (циклический гуанозинмонофосфат или цГМФ и циклический аденозинмонофосфат или цАМФ) и входят в состав важных кофакторов ферментативных реакций (например, кофермент А, ФАД, ФМН, НАД и НАДФ+). В экспериментальной биохимии нуклеотиды могут быть радиоактивно мечеными с использованием радионуклидов для получения радионуклеотидов. 5'-нуклеотиды также используются в качестве усилителей вкуса в пищевой промышленности для усиления вкуса умами, часто в форме дрожжевого экстракта.

Структура

Нуклеотид состоит из трех различных химических субъединиц: молекулы сахара, содержащей пять атомов углерода, нуклеобазы (вместе они называются нуклеозидом) и одной фосфатной группы. При соединении всех трех, нуклеотид также может называться "нуклеозидмонофосфатом", "нуклеозиддифосфатом" или "нуклеозидтрифосфатом", в зависимости от количества фосфатов в фосфатной группе. В нуклеиновых кислотах нуклеотиды содержат либо пуриновое, либо пиримидиновое основание – то есть молекулу нуклеобазы, также известную как азотистое основание – и называются рибонуклеотидами, если сахар – рибоза, или дезоксирибонуклеотидами, если сахар – дезоксирибоза. Отдельные молекулы фосфата последовательно соединяют сахарные кольца в двух соседних нуклеотидных мономерах, тем самым соединяя нуклеотидные мономеры нуклеиновой кислоты с конца до конца в длинную цепь. Эти связи между сахаром и фосфатом образуют "основную цепь" для одинарной или двойной спирали. В любой цепи химическая ориентация (направленность) этих связей идет от 5'-конца к 3'-концу (читайте: 5-штрих конец к 3-штрих концу) – это относится к пяти атомам углерода в молекулах сахара соседних нуклеотидов. В двойной спирали две цепи ориентированы в противоположных направлениях, что обеспечивает спаривание оснований и комплементарность между ними, что необходимо для репликации или транскрипции закодированной информации, содержащейся в ДНК. Таким образом, нуклеиновые кислоты – это полимерные макромолекулы, собранные из нуклеотидов, которые являются мономерными единицами нуклеиновых кислот. Пуриновые основания аденин и гуанин, а также пиримидиновое основание цитозин встречаются как в ДНК, так и в РНК, в то время как пиримидиновые основания тимин (в ДНК) и урацил (в РНК) встречаются только в одной из них. Аденин образует пару с тимином посредством двух водородных связей, а гуанин – с цитозином посредством трех водородных связей. Помимо того, что нуклеотиды являются строительными блоками для полимеров нуклеиновых кислот, отдельные нуклеотиды играют роль в хранении и обеспечении клеточной энергией, клеточной сигнализации, служат источником фосфатных групп, используемых для модуляции активности белков и других сигнальных молекул, а также ферментативными кофакторами, часто участвующими в окислительно-восстановительных реакциях. Сигнальные циклические нуклеотиды образуются при двойном связывании фосфатной группы с одной и той же молекулой сахара, соединяя 5'- и 3'-гидроксильные группы сахара. Нуклеотидные кофакторы включают в себя более широкий спектр химических групп, присоединенных к сахару через гликозидную связь, включая никотинамид и флавин, причём в последнем случае сахар рибоза имеет линейную, а не кольцевую структуру, как у других нуклеотидов.

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

Нуклеотиды могут быть синтезированы различными способами как in vitro, так и in vivo. При in vitro производстве нуклеотидов могут использоваться защитные группы. Очищенный нуклеозид защищают для создания фосфорамидита, который затем можно использовать для получения аналогов, не встречающихся в природе, и/или для синтеза олигонуклеотида. In vivo нуклеотиды могут быть синтезированы de novo или рециркулированы посредством путей спасения. Компоненты, используемые в de novo синтезе нуклеотидов, происходят из биосинтетических предшественников метаболизма углеводов и аминокислот, а также из аммиака и углекислого газа. Недавно также было показано, что клеточный метаболизм бикарбоната может регулироваться сигнализацией mTORC1. Печень является основным органом de novo синтеза всех четырех нуклеотидов. De novo синтез пиримидинов и пуринов происходит по двум различным путям. Пиримидины синтезируются сначала из аспартата и карбамоилфосфата в цитоплазме до общей кольцевой структуры-предшественника – оротовой кислоты, к которой ковалентно присоединяется фосфорилированный рибозный фрагмент. Пурины же сначала синтезируются из сахарного шаблона, на котором и происходит синтез кольца. Для справки, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов осуществляется несколькими ферментами в цитоплазме клетки, а не внутри конкрельной органеллы. Нуклеотиды подвергаются расщеплению, чтобы полезные части могли быть повторно использованы в реакциях синтеза для создания новых нуклеотидов.

Деградация пиримидинов и пуринов

У человека пиримидиновые кольца (C, T, U) могут быть полностью разложены до CO2 и NH3 (выделение мочевины). В то время как пуриновые кольца (G, A) – нет. Вместо этого они распадаются до метаболически инертной мочевой кислоты, которая затем выводится из организма. Мочевая кислота образуется при расщеплении GMP на основание гуанин и рибозу. Гуанин дезаминируется до ксантина, который, в свою очередь, окисляется до мочевой кислоты. Эта последняя реакция является необратимой. Аналогично, мочевая кислота может образовываться при деаминировании AMP до IMP, из которого удаляется рибозный фрагмент с образованием гипоксантина. Гипоксантин окисляется до ксантина и, наконец, до мочевой кислоты. Вместо выведения мочевой кислоты, гуанин и IMP могут быть использованы для повторного использования и синтеза нуклеиновых кислот в присутствии PRPP и аспартата (донора NH3).

Пребиотический синтез нуклеотидов

Теории о происхождении жизни требуют знания химических путей, позволяющих формировать ключевые строительные блоки жизни в правдоподобных пребиотических условиях. Гипотеза мира РНК утверждает, что в первобытном бульоне существовали свободно плавающие рибонуклеотиды – фундаментальные молекулы, объединяющиеся в цепочки для формирования РНК. Сложные молекулы, такие как РНК, должны были возникнуть из небольших молекул, реакционная способность которых определялась физико-химическими процессами. РНК состоит из пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, оба из которых необходимы для достоверной передачи информации и, следовательно, для дарвиновской эволюции. Беккер и соавторы показали, как пиримидиновые нуклеозиды могут быть синтезированы из небольших молекул и рибозы под воздействием исключительно циклов увлажнения и высушивания. Пуриновые нуклеозиды могут быть синтезированы по аналогичному пути. 5'-моно- и дифосфаты также селективно образуются из минералов, содержащих фосфат, что позволяет одновременному формированию полирибонуклеотидов с пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Таким образом, реакционная сеть, ведущая к пуриновым и пиримидиновым строительным блокам РНК, может быть установлена, начиная с простых атмосферных или вулканических молекул. Примерами служат d5SICS и dNaM. Эти искусственные нуклеотиды, содержащие гидрофобные нуклеобазы, характеризуются двумя конденсированными ароматическими кольцами, которые образуют комплекс (d5SICS–dNaM) или пару оснований в ДНК. E. coli были индуцированы к репликации плазмиды, содержащей UBPs, на протяжении нескольких поколений. Это первый известный пример живого организма, передающего расширенный генетический код последующим поколениям.

Медицинские применения синтетических нуклеотидов

Применение синтетических нуклеотидов широко варьируется и включает диагностику, лечение и прецизионную медицину. Антивирусные или антиретровирусные препараты: несколько производных нуклеотидов используются для лечения инфекций, вызванных гепатитом и ВИЧ. Примеры прямых ингибиторов обратной транскриптазы – нуклеозидных аналогов (НИОТ) включают тенофовир дизопроксил, тенофовир алафенамид и софосбувир. С другой стороны, такие препараты, как мерицитабин, ламивудин, энтекавир и телбивудин, должны сначала подвергаться метаболизму посредством фосфорилирования для активации. Антисмысловые олигонуклеотиды (АСО): синтетические олигонуклеотиды применяются в лечении редких наследственных заболеваний, поскольку они способны связываться со специфическими РНК-транскриптами и, в конечном итоге, модулировать экспрессию белков. Спинальная мышечная атрофия, амиотрофический латеральный склероз, гомозиготная семейная гиперхолестеринемия и первичная гипероксалурия типа 1 – все это состояния, поддающиеся терапии на основе АСО. Применение олигонуклеотидов – это новая область в прецизионной медицине и лечении состояний, которые ранее считались неизлечимыми. Синтетическая направляющая РНК (gRNA): синтетические нуклеотиды могут использоваться для разработки gRNA, которые необходимы для правильной работы технологий редактирования генов, таких как CRISPR-Cas9.

Единица длины

Нуклеотид (сокращенно "nt") — общепринятая единица измерения длины для одноцепочечных нуклеиновых кислот, подобно тому, как пара оснований является единицей измерения длины для двухцепочечных нуклеиновых кислот.