Nukleosid trifosfát - Nucleoside triphosphate
Nukleosid trifosfát je molekula, obsahující dusíkatou bázi vázaného 5-uhlík cukru a (buď ribózu nebo deoxyribozového ), se třemi fosfátových skupin , vázaných na cukr. Je to příklad nukleotidu . Jsou to molekulární prekurzory DNA i RNA , což jsou řetězce nukleotidů vytvořených procesy replikace a transkripce DNA . Nukleosidtrifosfáty také slouží jako zdroj energie pro buněčné reakce a podílejí se na signálních drahách.
Nukleosidtrifosfáty nelze dobře absorbovat, takže jsou typicky syntetizovány v buňce. Dráhy syntézy se liší v závislosti na konkrétním vyráběném nukleosid trifosfátu, ale vzhledem k mnoha důležitým rolím nukleosid trifosfátů je syntéza ve všech případech přísně regulována. Analogy nukleosidů mohou být také použity k léčbě virových infekcí. Například azidothymidin (AZT) je nukleosidový analog používaný k prevenci a léčbě HIV/AIDS .
Pojmenování
Termín nukleosid se týká dusíkaté báze navázané na 5-uhlíkový cukr (buď ribóza nebo deoxyribóza ). Nukleotidy jsou nukleosidy kovalentně spojené s jednou nebo více fosfátovými skupinami . Pro poskytnutí informace o počtu fosfátů mohou být nukleotidy místo toho označovány jako nukleosidové (mono, di nebo tri) fosfáty. Nukleosid trifosfáty jsou tedy typem nukleotidů.
Nukleotidy jsou obvykle zkráceny 3 písmeny (4 nebo 5 v případě deoxy- nebo dideoxy-nukleotidů). První písmeno označuje identitu dusíkaté báze (např. A pro adenin , G pro guanin ), druhé písmeno označuje počet fosfátů (mono, di, tri) a třetí písmeno je P, což znamená fosfát. Nukleosidtrifosfáty, které obsahují ribózu jako cukr, se obvykle zkracují jako NTP, zatímco nukleosidtrifosfáty obsahující d -oxyribózu jako cukr se zkracují jako dNTP. Například dATP znamená deoxyribose adenosintrifosfát. NTP jsou stavebními kameny RNA a dNTP jsou stavebními kameny DNA .
Uhlíky cukru v nukleosid trifosfátu jsou očíslovány kolem uhlíkového kruhu počínaje původním karbonylem cukru. Za čísly uhlíku v cukru obvykle následuje primární symbol ('), který je odlišuje od uhlíků dusíkaté báze. Dusíkatá báze je spojena s 1 'uhlíkem glykosidickou vazbou a fosfátové skupiny jsou kovalentně spojeny s 5' uhlíkem. První fosfátová skupina navázaná na cukr se nazývá a-fosfát, druhá je p-fosfát a třetí je y-fosfát.
Syntéza DNA a RNA
Buněčné procesy replikace a transkripce DNA zahrnují syntézu DNA a RNA. Syntéza DNA používá jako substráty dNTP, zatímco syntéza RNA používá jako substráty NTP. NTP nelze převést přímo na dNTP. DNA obsahuje čtyři různé dusíkaté báze: adenin , guanin , cytosin a tymin . RNA také obsahuje adenin, guanin a cytosin, ale nahrazuje tymin uracilem . Syntéza DNA tedy vyžaduje jako substráty dATP, dGTP, dCTP a dTTP, zatímco syntéza RNA vyžaduje ATP, GTP, CTP a UTP.
Syntéza nukleových kyselin je katalyzována buď DNA polymerázou nebo RNA polymerázou pro syntézu DNA a RNA. Tyto enzymy kovalentně spojují volnou skupinu -OH na 3 'uhlíku rostoucího řetězce nukleotidů s a-fosfátem na 5' uhlíku dalšího (d) NTP, přičemž uvolňují skupiny β- a y-fosfátu jako pyrofosfát ( PPi). Výsledkem je fosfodiesterová vazba mezi dvěma (d) NTP. Uvolnění PPi poskytuje energii nezbytnou pro reakci. Je důležité si uvědomit, že syntéza nukleové kyseliny probíhá výhradně ve směru 5 'až 3' .
Metabolismus nukleosid trifosfátu
Vzhledem k jejich významu v buňce je syntéza a degradace nukleosid trifosfátů pod přísnou kontrolou. Tato část se zaměřuje na metabolismus nukleosid trifosfátů u lidí, ale tento proces je mezi druhy poměrně zachován. Nukleosidtrifosfáty nelze dobře absorbovat, takže všechny nukleosidtrifosfáty se obvykle vyrábějí de novo . Syntéza ATP a GTP ( puriny ) se liší od syntézy CTP, TTP a UTP ( pyrimidiny ). Syntéza purinu i pyrimidinu používá jako výchozí molekulu fosforibosylpyrofosfát (PRPP).
Konverzi NTP na dNTP lze provést pouze ve formě difosfátu. Typicky má NTP jeden fosfát odstraněn, aby se stal NDP, poté je převeden na dNDP enzymem nazývaným ribonukleotidová reduktáza a poté je přidán zpět fosfát za vzniku dNTP.
Syntéza purinu
Dusíkatá báze nazývaná hypoxanthin je sestavena přímo na PRPP. Výsledkem je nukleotid nazývaný inosinmonofosfát (IMP). IMP se poté převede buď na předchůdce AMP nebo GMP. Jakmile se vytvoří AMP nebo GMP, mohou být fosforylovány ATP na jejich difosfátové a trifosfátové formy.
Syntéza purinu je regulována alosterickou inhibicí tvorby IMP adeninovými nebo guaninovými nukleotidy. AMP a GMP také kompetitivně inhibují tvorbu jejich prekurzorů z IMP.
Syntéza pyrimidinu
Dusíkatá báze zvaná orotát je syntetizována nezávisle na PRPP. Po vytvoření orotátu je kovalentně připojen k PRPP. Výsledkem je nukleotid nazývaný orotátmonofosfát (OMP). OMP je převeden na UMP, který pak může být fosforylován pomocí ATP na UDP a UTP. UTP pak lze převést na CTP deaminační reakcí. TTP není substrátem pro syntézu nukleových kyselin, takže není syntetizován v buňce. Místo toho je dTTP vytvářen nepřímo buď z dUDP nebo dCDP po konverzi na jejich příslušné deoxyribózové formy.
Syntéza pyrimidinu je regulována alosterickou inhibicí syntézy orotátu pomocí UDP a UTP. PRPP a ATP jsou také alosterické aktivátory syntézy orotátu.
Ribonukleotid reduktáza
Ribonukleotid reduktáza (RNR) je enzym zodpovědný za konverzi NTP na dNTP. Vzhledem k tomu, že se při replikaci DNA používají dNTP, je aktivita RNR přísně regulována. Je důležité si uvědomit, že RNR může zpracovávat pouze NDP, takže NTP jsou nejprve defosforylovány na NDP před konverzí na dNDP. dNDP jsou pak typicky znovu fosforylovány. RNR má 2 podjednotky a 3 místa: katalytické místo, místo aktivity (A) a místo specificity (S). Katalytické místo je místo, kde probíhá reakce NDP na dNDP, místo aktivity určuje, zda je enzym aktivní, a místo specificity určuje, která reakce probíhá v katalytickém místě.
Místo aktivity může vázat buď ATP nebo dATP. Když je vázán na ATP, je aktivní RNR. Když je ATP nebo dATP vázán na místo S, RNR bude katalyzovat syntézu dCDP a dUDP z CDP a UDP. dCDP a dUDP mohou nepřímo vytvářet dTTP. dTTP vázaný na místo S bude katalyzovat syntézu dGDP z HDP a vazba dGDP na místo S bude podporovat syntézu dADP z ADP. dADP je poté fosforylován za vzniku dATP, který se může vázat na místo A a vypnout RNR.
Jiné buněčné role
ATP jako zdroj buněčné energie
ATP je primární energetická měna buňky. Přestože je syntetizován metabolickou cestou popsanou výše, je primárně syntetizován během buněčného dýchání i fotosyntézy pomocí ATP syntázy . ATP syntáza spojuje syntézu ATP z ADP a fosfátu s elektrochemickým gradientem generovaným čerpáním protonů buď vnitřní mitochondriální membránou (buněčné dýchání) nebo thylakoidní membránou (fotosyntéza). Tento elektrochemický gradient je nezbytný, protože tvorba ATP je energeticky nepříznivá .
Hydrolýzou ATP na ADP a Pi probíhá následujícím způsobem:
Tato reakce je energeticky příznivá a uvolňuje 30,5 kJ/mol energie. V buňce je tato reakce často spojena s nepříznivými reakcemi, které jim dodávají energii k dalšímu postupu. GTP se příležitostně používá pro spojování energií podobným způsobem.
Transdukce signálu GTP
GTP je nezbytný pro přenos signálu , zejména u G proteinů . G proteiny jsou spojeny s receptorem vázaným na buněčnou membránu. Celý tento komplex se nazývá receptor spojený s G proteinem (GPCR). G proteiny mohou vázat buď GDP nebo GTP. Když jsou vázány na HDP, G proteiny jsou neaktivní. Když ligand váže GPCR, spustí se alosterická změna v G proteinu, což způsobí odchod HDP a jeho nahrazení GTP. GTP aktivuje alfa podjednotku G proteinu, což způsobuje jeho disociaci z G proteinu a působí jako downstream efektor.
Nukleosidové analogy
Nukleosidové analogy mohou být použity k léčbě virových infekcí . Nukleosidové analogy jsou nukleosidy, které jsou strukturně podobné (analogické) nukleosidům používaným při syntéze DNA a RNA. Jakmile tyto nukleosidové analogy vstoupí do buňky, mohou být fosforylovány virovým enzymem. Výsledné nukleotidy jsou dostatečně podobné nukleotidům používaným při syntéze DNA nebo RNA, aby mohly být začleněny do rostoucích řetězců DNA nebo RNA, ale nemají dostupnou 3 'OH skupinu pro útok na další nukleotid, což způsobuje ukončení řetězce . Toho lze využít pro terapeutická použití u virových infekcí, protože virová DNA polymeráza rozpoznává určité nukleotidové analogy snáze než eukaryotická DNA polymeráza. Například azidothymidin se používá k léčbě HIV/AIDS . Některé méně selektivní nukleosidové analogy mohou být použity jako chemoterapeutická činidla k léčbě rakoviny, jako je cytosin arabinóza (ara-C) při léčbě určitých forem leukémie .
Rezistence na nukleosidové analogy je běžná a je často způsobena mutací enzymu, který po vstupu do buňky fosforyluje nukleosid. To je běžné u nukleosidových analogů používaných k léčbě HIV/AIDS.