ציטוזין: מבנה, פונקציות, תכונות, סינתזה - ביולוגיה - 2025

ציטוזין הוא סוג nucleobase pyrimidine, שכיהן במשך ביוסינתזה של cytidine-5'-monophosphate ו deoxycytidine 5'-monophosphate. תרכובות אלה משמשות לביוסינתזה, בהתאמה, של חומצה deoxyribonucleic (DNA) וחומצה ribonucleic (RNA). ה- DNA אוגר מידע גנטי ול- RNA תפקידים שונים.

בדברים חיים ציטוזין לא נמצא חופשי, אך בדרך כלל הוא יוצר ריבונוקליאוטידים או דוקסיריאבונוקלאוטידים. לשני סוגי התרכובות קבוצת פוספטים, ריבוז ובסיס חנקן.

מקור: Vesprcom

לפחמן 2 של ריבוז יש קבוצת הידרוקסיל (-OH) בריבונוקלאוטידים, ואטום מימן (-H) בדוקסוריאבונוקלאוטידים. בהתאם למספר קבוצות הפוספטים הקיימות, יש ציטידין-5′-מונופוספט (CMP), ציטידין-5′-דיפוספט (CDP) וציטידין-5′-טריפוספט (CTP).

המקבילות deoxygenated נקראות deoxycytidin-5′-monophosphate (dCMP), deoxycytidin-5′-diphosphate (dCDP), ו- deoxycytidine-5′-triphosphate (dCTP).

ציטוזין, על צורותיו השונות, משתתף בפונקציות שונות, כגון ביוסינתזה של DNA ו- RNA, ביוסינתזה של גליקופרוטאין, ויסות ביטוי הגנים.

מבנה ותכונות

לציטוזין, 4-אמינו-2-הידרוקסיפירימידין, יש את הנוסחה האמפירית C ₄ H ₅ N ₃ O, שמשקלה המולקולרי הוא 111.10 גרם / מול, ומטהר כאבקה לבנה.

מבנה הציטוזין הוא טבעת הטרוציקלית ארומטית מישורית. אורך הגל של הספיגה המרבית (ʎ _{מקסימום} ) הוא 260 ננומטר. טמפרטורת ההיתוך של ציטוזין עולה על 300 מעלות צלזיוס.

ליצירת נוקלאוטיד, ציטוזין מחובר בצורה קוולנטית, דרך חנקן 1, דרך קשר N-beta-גליקוזידי לפחמן 1 of של ריבוז. פחמן 5 is מועשר באמצעות קבוצת פוספטים.

ביוסינתזה

לביוסינתזה של נוקליאוטידים של פירימידינים יש מסלול משותף, המורכב משש צעדים מנותזים אנזים. המסלול מתחיל בסינתזה ביוסינתזה של קרבמויל פוספט. בפרוקריוטים יש רק אנזים אחד: סינתז קרבמויל פוספט. זה אחראי לסינתזה של פירמידינים וגלוטמין. באאוקריוטים יש קרבמויל פוספט סינתז I ו- II, האחראים, בהתאמה, לביוסינתזה של גלוטמין ופירימידינים.

השלב השני מורכב מהיווצרות N-carbamoylaspartate, מפחמן פחמתי ואספרטט, תגובה המנותזת על ידי טרנס-קאבמוילאז אספרטט (ATCase).

השלב השלישי הוא סינתזה של L-dihydrorotate הגורם לסגירת טבעת הפירימידין. שלב זה מנותל על ידי דיהידרוטאז.

השלב הרביעי הוא היווצרות של orotate, שהיא תגובת redox המנותזת על ידי dehydroorotate dehydrogenase.

השלב החמישי מורכב מהיווצרות אורוטידילט (OMP) באמצעות זרחן פירופוספט פוספוריבוסיל (PRPP) כמצע, ומזרחת זרחן פוספוריבוסיל כזרז.

השלב השישי הוא היווצרות של uridylate (uridin-5′-monophosphate, UMP), תגובה המנותזת על ידי OMP-decarboxylase.

הצעדים הבאים מורכבים מהזרחן המזרז הקינזתי של UMP ליצירת UTP, והעברת קבוצת אמינו מגלוטמין ל- UTP ליצירת CTP, תגובה שמוזזת על ידי סינתז CTP.

ויסות הביוסינתזה

אצל יונקים, הרגולציה מתרחשת ברמה של קרבמויל פוספט סינתז II, אנזים שנמצא בציטוזול, ואילו קרבמויל פוספט סינתז I הוא מיטוכונדריאלי.

Carbamoyl phosphate synthase II מוסדר על ידי משוב שלילי. הרגולטורים שלה, UTP ו- PRPP, הם, בהתאמה, מעכב ומפעיל את האנזים הזה.

ברקמות שאינן כבדות, קרבמויל פוספט סינתז II הוא המקור היחיד לפלפט קרבמוייל. בעודו בכבד, בתנאים של עודף אמוניה, קרבמויל פוספט סינטאז I מייצר, במיטוכונדריה, קרבמויל פוספט, המועבר לציטוזול, משם הוא נכנס למסלול הביוסינתזה של הפירימידין.

נקודת ויסות נוספת היא OMP-decarboxylase, שמווסתת על ידי עכבה תחרותית. מוצר התגובה שלה, UMP, מתחרה עם OMP על אתר הכריכה ב- OMP-decarboxylase.

פירמידינים, כמו ציטוזין, ממוחזרים

למחזור הפירימידינים יש את הפונקציה של שימוש חוזר בפירימידינים ללא צורך בביוסינתזה דה-נובו, והימנעות מהמסלול השפלה. תגובת המיחזור מנותזת על ידי pyrimimidine phosphoribosyltransferase. התגובה הכללית היא כדלקמן:

Pyrimidine + PRPP -> pyrimidine nucleoside 5′-monophosphate + PPi

אצל בעלי חוליות נמצא פירימימידין פוספוריבוסילטרנספראז באריתרוציטים. הפירימידינים המצעיים לאנזים זה הם אורציל, תימין ואורוטט. ציטוזין ממוחזר בעקיפין מאורידין-5′-מונופוספט.

תפקיד בביוסינתזה של DNA

במהלך שכפול ה- DNA, המידע הכלול ב- DNA מועתק ל- DNA על ידי פולימראז DNA.

ביוסינתזה של RNA דורשת deoxynucleotide triphosphate (dNTP), דהיינו: deoxythymidine Triphosphate (dTTP), deoxycytidine triphosphate (dCTP), deoxyadenine triphosphate (dATP) ו- deoxyguanine Triphosphate (dGTP). התגובה היא:

(DNA) _{שאריות n} + dNTP -> (DNA) שאריות + ₁ + PPi

ההידרוליזה של פירופוספט אנאורגני (PPi) מספקת את האנרגיה לביוסינתזה של RNA.

תפקיד בייצוב מבנה ה- DNA

בסליל הכפול של ה- DNA, פורין חד-גדילתי קשור לפירימידין עם ההילוך ההפוך באמצעות קשרי מימן. לפיכך, ציטוזין מקושר תמיד לגואנין על ידי שלושה קשרי מימן: אדנין מקושר לתימין על ידי שני קשרי מימן.

קשרי מימן נשברים כאשר תמיסה של DNA מקורי מטוהר, ב- pH 7, נתונה לטמפרטורות מעל 80 מעלות צלזיוס. זה גורם לסליל הכפול של ה- DNA ליצור שני גדילים נפרדים. תהליך זה ידוע בשם denaturation.

הטמפרטורה בה 50% של ה- DNA מפולט מכונה טמפרטורת ההיתוך (Tm). מולקולות DNA שיחסיהן של גואנין וציטוזין גבוה מזה של תמין ואדנין יש ערכי Tm גבוהים יותר מאלו שיחס הבסיס שלהן הוא הפוך.

האמור לעיל מהווה את ההוכחה הניסיונית שמספר גדול יותר של קשרי מימן מייצבים טוב יותר את מולקולות ה- DNA המקוריות.

תפקוד אזורים עשירים בציטוזין ב- DNA

לאחרונה התגלה כי ה- DNA מגרעין התאים האנושיים יכול לאמץ מבני מוטיב (IM) משובצים. מבנים אלה מתרחשים באזורים העשירים בציטוזין.

מבנה ה- iM מורכב מארבעה גדילי DNA, בניגוד ל- DNA הקלאסי עם שני גדילים שיש בו שני גדילים. ליתר דיוק, שתי שרשראות דופלקס מקבילות שזורות זו בזו באוריינטציה אנטי-פארלית, והן מוחזקות יחד על ידי זוג ציטוזינים המימפרוטוניים (C: C ⁺ ).

בגנום האנושי, מבני iM נמצאים באזורים כמו מקדמים וטלומרים. מספר מבני ה- iM גבוה יותר בשלב ה- G1 / S של מחזור התא, בו התמלול גבוה. אזורים אלה הם אתרי זיהוי חלבונים המעורבים בהפעלת מכונות התמלול.

מצד שני, באזורים העשירים בזוגות בסיס גואנין עוקבים (C), ה- DNA נוטה לאמץ את צורת הליקס A, בתנאי התייבשות. צורה זו אופיינית ללהקות כפולות של RNA ו- DNA-RNA במהלך שעתוק ושכפול, ובזמנים מסוימים כאשר ה- DNA נקשר לחלבונים.

אזורים בסיסיים ברציפות של ציטוזין הוכחו כמי שמייצרים תיקון אלקטרופוזיטיבי בשסע הראשי של ה- DNA. לפיכך, מאמינים כי אזורים אלה נקשרים לחלבונים, וממצים את האזורים הגנומיים המסוימים לשבריריות גנטית.

תפקיד בביוסינתזה של RNA

במהלך התעתיק, המידע הכלול ב- DNA מועתק ל- RNA על ידי פולימראז RNA. ביוסינתזה של RNA דורשת נוקלאוזיד טריפוספט (NTP), היינו: ציטודין טריפוספט (CTP), אורידין טריפוספט (UTP), אדנין טריפוספט (ATP) וגואנין טריפוספט (GTP). התגובה היא:

(RNA) _{n שאריות} + NTP -> (RNA) _{n + 1} שאריות + PPi

ההידרוליזה של פירופוספט אנאורגני (PPi) מספקת את האנרגיה לביוסינתזה של RNA.

תפקיד בביוסינתזה של גליקופרוטאין

העברה רציפה של משושים ליצירת אוליגוסכרידים, המקושרים O לחלבונים, מתרחשת ממבשרים נוקלאוטידים.

בחוליות, השלב האחרון של ביוסינתזה של אוליגוסכריד צמוד O מורכב מתוספת של שני שאריות חומצה סיאלית (N-acetylneuraminic) מקודם ציטדין-5′-מונופוספט (CMP). תגובה זו מתרחשת בשק הטרנס גולגי.

ציטוזין וסרטן טיפולים כימותרפיים

חומצה טטרהידרופולאטית (FH4) היא מקור לקבוצות -CH ₃ , והיא הכרחית לביוסינתזה של dTMP מ- dUMP. בנוסף נוצר FH2. הפחתה של FH2 ל- FH4 מצריכה הפחתה של חומצה פולית ו- NADPH. ישנם מעכבי רדוקטז פולית, כגון אמינופטרין ומטוטרקסט, משמשים בטיפולי סרטן.

Methotrexan הוא מעכב תחרותי. הפחתת הפולטים נקשרת בזיקה פי מאה למעכב זה מאשר למצע. Aminopterin עובד בצורה דומה.

עיכוב הפחתת הפולאט מעכב בעקיפין את הביוסינתזה של dTMP, ולכן גם את ה- dCTP. עיכוב ישיר מתרחש על ידי מעכבי אנזים תימידילט סינתזת, אשר מזרז dTMP מ- dUMP. מעכבים אלה הם 5-פלואורוראציל ו- 5-פלואורו-2-דוקסיורידין.

לדוגמא, 5-פלואורואוציל אינו כשלעצמו מעכב אלא מומר תחילה, במסלול המיחזור, לדאוקסיורידין מפוספט ד (FdUMP), הקושר ומעכב את סינתזת התימידילט.

חומרים המקבילים לגלוטמין, azaserine ו- acivicin, מעכבים גלוטמין amidotransferase. אזרין היה אחד החומרים הראשונים שהתגלו כפועלים כמתאבדים.

הפניות

1. אסי, ח.א., Garavís, M., González, C., and Damha, MJ 2018. i-Motif DNA: תכונות מבניות ומשמעות לביולוגיה של התא. מחקר חומצות גרעין, 46: 8038-8056.
2. בוהינסקי, ר '1991. ביוכימיה. אדיסון ווסלי איברואמריקנה, וילמינגטון, דלאוור.
3. דבלין, TM 2000. ביוכימיה. Reverté העריכה, ברצלונה.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. ביולוגיה תאית ומולקולרית. העריכה Medica Panamericana, בואנוס איירס, בוגוטה, קראקס, מדריד, מקסיקו, סאו פאולו.
5. נלסון, DL, קוקס, MM 2008. להינגר - עקרונות ביוכימיה. WH פרימן, ניו יורק.
6. Voet, D. ו- Voet, J. 2004. Biochemistry. ג'ון וויילי ובניו, ארה"ב.