- Structuur en eigenschappen
- Biosynthese
- Regulatie van biosynthese
- Pyrimidines worden, net als cytosine, gerecycled
- Rol in de biosynthese van DNA
- Rol bij het stabiliseren van de structuur van DNA
- Functie van cytosinerijke regio's in DNA
- Rol in RNA-biosynthese
- Rol in de biosynthese van glycoproteïne
- Cytosine en chemotherapeutische behandelingen voor kanker
- Referenties
Het cytosine is een pyrimidinenucleobase-type, dat dient voor de biosynthese van cytidine-5'-monofosfaat en deoxycytidine 5'-monofosfaat. Deze verbindingen dienen voor de biosynthese van respectievelijk deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). DNA slaat genetische informatie op en RNA heeft verschillende functies.
In levende wezens wordt cytosine niet vrij gevonden, maar vormt het gewoonlijk ribonucleotiden of deoxyribonucleotiden. Beide soorten verbindingen hebben een fosfaatgroep, een ribose en een stikstofbase.
Bron: Vesprcom
De koolstof 2 van ribose heeft een hydroxylgroep (-OH) in ribonucleotiden en een waterstofatoom (-H) in deoxyribonucleotiden. Afhankelijk van het aantal aanwezige fosfaatgroepen is er cytidine-5′-monofosfaat (CMP), cytidine-5′-difosfaat (CDP) en cytidine-5′-trifosfaat (CTP).
De zuurstofarme equivalenten worden deoxycytidine-5′-monofosfaat (dCMP), deoxycytidine-5′-difosfaat (dCDP) en deoxycytidine-5′-trifosfaat (dCTP) genoemd.
Cytosine, in zijn verschillende vormen, neemt deel aan verschillende functies, zoals DNA- en RNA-biosynthese, glycoproteïne-biosynthese en regulatie van genexpressie.
Structuur en eigenschappen
Cytosine, 4-amino-2-hydroxypyrimidine, heeft de empirische formule C 4 H 5 N 3 O, waarvan het molecuulgewicht is 111,10 g / mol, en gezuiverd als een wit poeder.
De structuur van cytosine is een vlakke aromatische heterocyclische ring. De golflengte van maximale absorptie (ʎ max ) is 260 nm. De smelttemperatuur van cytosine is hoger dan 300ºC.
Om een nucleotide te vormen, wordt cytosine covalent gebonden, via stikstof 1, via een N-beta-glycosidebinding aan het 1 ′ koolstofatoom van ribose. De 5 ′ koolstof is veresterd met een fosfaatgroep.
Biosynthese
De nucleotide biosynthese van pyrimidinen heeft een gemeenschappelijke route, bestaande uit zes door enzymen gekatalyseerde stappen. De route begint met biosynthese van carbamoylfosfaat. In prokaryoten is er maar één enzym: carbamoylfosfaatsynthase. Dit is verantwoordelijk voor de synthese van pyrimidines en glutamine. In eukaryoten komen carbamoylfosfaatsynthase I en II voor, die respectievelijk verantwoordelijk zijn voor de biosynthese van glutamine en pyrimidinen.
De tweede stap bestaat uit de vorming van N-carbamoylaspartaat, uit carboylfosfaat en aspartaat, een reactie die wordt gekatalyseerd door aspartaattranscabamoylase (ATCase).
De derde stap is de synthese van L-dihydrorotaat, die de sluiting van de pyrimidinering veroorzaakt. Deze stap wordt gekatalyseerd door dihydrootase.
De vierde stap is de vorming van orotaat, een redoxreactie die wordt gekatalyseerd door dihydroorotaat dehydrogenase.
De vijfde stap bestaat uit de vorming van orotidylaat (OMP) met fosforibosylpyrofosfaat (PRPP) als substraat en orotaat fosforibosyltransferase als katalysator.
De zesde stap is de vorming van uridylaat (uridin-5′-monofosfaat, UMP), een reactie die wordt gekatalyseerd door een OMP-decarboxylase.
De volgende stappen bestaan uit de door kinase gekatalyseerde fosforylering van UMP om UTP te vormen, en de overdracht van een aminogroep van glutamine naar UTP om CTP te vormen, een reactie die wordt gekatalyseerd door CTP-synthetase.
Regulatie van biosynthese
Bij zoogdieren vindt regulatie plaats op het niveau van carbamoylfosfaatsynthase II, een enzym dat wordt aangetroffen in het cytosol, terwijl carbamoylfosfaatsynthase I mitochondriaal is.
Carbamoylfosfaatsynthase II wordt gereguleerd door negatieve feedback. De regulatoren, UTP en PRPP, zijn respectievelijk remmer en activator van dit enzym.
In niet-leverweefsels is carbamoylfosfaatsynthase II de enige bron van carbamoylfosfaat. Terwijl in de lever, onder omstandigheden van overmaat ammoniak, carbamoylfosfaatsynthase I produceert, in de mitochondriën, carbamoylfosfaat, dat wordt getransporteerd naar het cytosol, vanwaar het de pyrimidinebiosyntheseroute binnengaat.
Een ander punt van regulering is OMP-decarboxylase, dat wordt gereguleerd door competitieve remming. Zijn reactieproduct, UMP, concurreert met OMP voor de bindingsplaats op OMP-decarboxylase.
Pyrimidines worden, net als cytosine, gerecycled
Het recyclen van pyrimidines heeft de functie van het hergebruiken van pyrimidines zonder de novo biosynthese en het vermijden van de afbraakroute. De recyclingreactie wordt gekatalyseerd door pyrimimidinefosforibosyltransferase. De algemene reactie is als volgt:
Pyrimidine + PRPP -> pyrimidinenucleoside 5′-monofosfaat + PPi
Bij gewervelde dieren wordt pyrimimidinefosforibosyltransferase aangetroffen in erytrocyten. De substraatpyrimidinen voor dit enzym zijn uracil, thymine en orotaat. Cytosine wordt indirect gerecycled uit uridine-5'-monofosfaat.
Rol in de biosynthese van DNA
Tijdens DNA-replicatie wordt de informatie in DNA gekopieerd naar DNA door een DNA-polymerase.
RNA-biosynthese vereist deoxynucleotide-trifosfaat (dNTP), namelijk: deoxythymidinetrifosfaat (dTTP), deoxycytidinetrifosfaat (dCTP), deoxyadenine-trifosfaat (dATP) en deoxyguaninetrifosfaat (dGTP). De reactie is:
(DNA) n residuen + dNTP -> (DNA) n + 1 residu + PPi
De hydrolyse van anorganisch pyrofosfaat (PPi) levert de energie voor RNA-biosynthese.
Rol bij het stabiliseren van de structuur van DNA
In de dubbele DNA-helix is een enkelstrengs purine door waterstofbindingen verbonden met het tegenoverliggende pyrimidine. Cytosine is dus altijd verbonden met guanine via drie waterstofbruggen: adenine is verbonden met thymine door twee waterstofbruggen.
Waterstofbindingen worden verbroken wanneer een oplossing van gezuiverd natief DNA, met een pH van 7, wordt blootgesteld aan temperaturen boven 80 ºC. Hierdoor vormt de dubbele DNA-helix twee afzonderlijke strengen. Dit proces staat bekend als denaturatie.
De temperatuur waarbij 50% van het DNA wordt gedenatureerd, staat bekend als de smelttemperatuur (Tm). DNA-moleculen waarvan de verhouding guanine en cytosine hoger is dan die van thymine en adenine, hebben hogere Tm-waarden dan die waarvan de basisverhouding omgekeerd is.
Het hierboven beschreven vormt het experimentele bewijs dat een groter aantal waterstofbruggen de natieve DNA-moleculen beter stabiliseren.
Functie van cytosinerijke regio's in DNA
Onlangs werd ontdekt dat DNA uit de kern van menselijke cellen interversed motif (iM) -structuren kan aannemen. Deze structuren komen voor in regio's die rijk zijn aan cytosine.
De iM-structuur bestaat uit vier strengen DNA, in tegenstelling tot klassiek dubbelstrengs DNA dat twee strengen heeft. Meer in het bijzonder worden twee parallelle duplexketens afgewisseld in een antiparallelle oriëntatie, en bij elkaar gehouden door een paar hemiprotonerende cytosinen (C: C + ).
In het menselijk genoom worden iM-structuren gevonden in regio's zoals promotors en telomeren. Het aantal iM-structuren is hoger tijdens de G1 / S-fase van de celcyclus, waarin de transcriptie hoog is. Deze regio's zijn eiwitherkenningsplaatsen die betrokken zijn bij de activering van de transcriptionele machinerie.
Aan de andere kant, in de regio's die rijk zijn aan opeenvolgende guanine-basenparen (C), neigt het DNA ertoe de A-helixvorm aan te nemen onder dehydraterende omstandigheden. Deze vorm is typerend voor dubbele banden van RNA en DNA-RNA tijdens transcriptie en replicatie, en op bepaalde momenten wanneer DNA aan eiwitten is gebonden.
Van opeenvolgende basisgebieden van cytosine is aangetoond dat ze een elektropositieve pleister vormen in de grote spleet van DNA. Aldus wordt aangenomen dat deze regio's binden aan eiwitten, waardoor bepaalde genomische regio's vatbaar worden voor genetische kwetsbaarheid.
Rol in RNA-biosynthese
Tijdens transcriptie wordt de informatie in DNA gekopieerd naar RNA door een RNA-polymerase. RNA-biosynthese vereist nucleosidetrifosfaat (NTP), namelijk: cytidinetrifosfaat (CTP), uridinetrifosfaat (UTP), adeninetrifosfaat (ATP) en guaninetrifosfaat (GTP). De reactie is:
(RNA) n residuen + NTP -> (RNA) n + 1 residu + PPi
De hydrolyse van anorganisch pyrofosfaat (PPi) levert de energie voor RNA-biosynthese.
Rol in de biosynthese van glycoproteïne
De opeenvolgende overdracht van hexosen om oligosacchariden te vormen, O-gebonden aan eiwitten, vindt plaats vanuit nucleotidevoorlopers.
Bij gewervelde dieren bestaat de laatste stap van de O-gekoppelde oligosaccharidebiosynthese uit de toevoeging van twee siaalzuurresiduen (N-acetylneuraminezuur) uit een cytidine-5′-monofosfaat (CMP) precursor. Deze reactie vindt plaats in de trans Golgi-zak.
Cytosine en chemotherapeutische behandelingen voor kanker
Tetrahydrofoliumzuurverbindingen (FH4) is een bron van CH 3 groepen , en is nodig voor de biosynthese van dTMP van dUMP. Bovendien wordt FH2 gevormd. De reductie van FH2 tot FH4 vereist een reductase van foliumzuur en NADPH. Sommige folaatreductaseremmers, zoals aminopterine en methotrexaat, worden gebruikt bij kankerbehandelingen.
Methotrexan is een competitieve remmer. Folaatreductase bindt met 100 keer meer affiniteit aan deze remmer dan aan zijn substraat. Aminopterin werkt op een vergelijkbare manier.
De remming van folaatreductase belemmert indirect de biosynthese van dTMP, en dus die van dCTP. Directe remming vindt plaats door remmers van het thymidylaatsynthetase-enzym, dat dTMP van dUMP katalyseert. Deze remmers zijn 5-fluorouracil en 5-fluor-2-deoxyuridine.
5-fluoracyl is bijvoorbeeld zelf geen remmer, maar wordt eerst in de recyclingroute omgezet in deoxyuridinemfosfaat d (FdUMP), dat bindt aan thymidylaatsynthetase en deze remt.
Stoffen die analoog zijn aan glutamine, azaserine en acivicine, remmen glutamine-amidotransferase. Azarin was een van de eerste stoffen die werd ontdekt als een zelfmoordinactivator.
Referenties
- Assi, HA, Garavís, M., González, C., en Damha, MJ 2018. i-Motif DNA: structurele kenmerken en betekenis voor celbiologie. Nuclei Acids Research, 46: 8038-8056.
- Bohinski, R. 1991. Biochemistry. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
- Devlin, TM 2000. Biochemistry. Redactioneel Reverté, Barcelona.
- Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Cellulaire en moleculaire biologie. Redactioneel Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo.
- Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principes van biochemie. WH Freeman, New York.
- Voet, D. en Voet, J. 2004. Biochemie. John Wiley and Sons, VS.