גואנין: מאפיינים, מבנה, היווצרות ותפקודים - ביולוגיה - 2025

גואנין הוא בסיס חנקני המשמש ביוסינתזה של guanylate monophosphate 5'-5'-monophosphate deoxiguanilato. שני החומרים הם חלק, בהתאמה, מ- RNA ו- DNA, המאחסנים את המידע הגנטי של התאים.

חומצה ריבונוקליאית (RNA) וחומצה deoxyribonucleic (DNA) מורכבות מנוקלאוטידים המורכבים מבסיס חנקני המחובר לסוכר וקבוצת פוספטים.

מקור: NEUROtiker

גואנין, בנוסף להיותו חלק מחומצות גרעין, בצורותיו של נוקלאוזידים מונופוספט, דיפוספט וטריפוספטים (GMP, תמ"ג ו- GTP) משתתף בתהליכים כמו חילוף חומרים אנרגיים, תרגום האות התוך תאי, פיזיולוגיה של קולטני פוטו ואיחוי שלפוחית.

מבנה כימי

המבנה הכימי של גואנין (2-amino-6-hydroxypurine) הוא טבעת פורין הטרוציקליקית, המורכבת ממערכת של שתי טבעות מקושרות: טבעת אחת היא פירימידין והטבעת השנייה היא imidazole.

הטבעת ההטרוציקלית של גואנין היא שטוחה עם כמה קשרים כפולים מצומדים. בנוסף, יש לו שתי צורות טאוטומריות, צורות הקטו והאנול, בין קבוצות C-1 ו- N-6.

מאפיינים

המאפיינים של גואנין הם כדלקמן:

- גואנין הוא חומר אפולרי. זה לא מסיס במים, אך הוא מסיס בתמיסות מרוכזות של חומצות או בסיסים חזקים.

- ניתן לבודד כמוצק לבן, עם נוסחה אמפירית C ₅ H ₅ N ₅ O, ומשקל מולקולרי 151.3 גרם / מול.

- תכונת ה- DNA של קליטת אור במהירות 260 ננומטר נובעת, בחלקה, מהמבנה הכימי של גואנין.

- ב- DNA גואנין יוצר שלושה קשרי מימן. קבוצת C-6 קרבוניל היא מקבילה לקשר מימן, קבוצת N-1 וקבוצת האמינו C-2 הם תורמי קשר מימן.

מסיבה זו דרוש יותר אנרגיה כדי לשבור קשר בין גואנין וציטוזין, מאשר זה של אדנין עם תימין, מכיוון שהצמד האחרון מקושר על ידי שני קשרי מימן בלבד.

- בתא הוא תמיד נמצא כחלק מחומצות גרעין או כ- GMP, תוצר מקומי ו- GTP, לעולם לא בצורתו החופשית.

ביוסינתזה

מולקולת הגואנין, בדומה לפורינים אחרים, מסונתזת דה נובו מ- 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP), באמצעות תגובות המנותחות על ידי אנזימים.

השלב הראשון מורכב מתוספת של קבוצת אמינו, מגלוטמין, ל- PRPP ונוצרת 5-זרחן-פרמין (PRA).

לאחר מכן, ברצף מסודר, מתרחשת תוספת של גליצין, אספרטט, גלוטמין, פורמייט ופחמן דו חמצני ל- PRA. בדרך זו נוצר מטבוליט ביניים הנקרא אינוזין 5'-מונופוספט (IMP).

בתהליך זה משתמשים באנרגיה חופשית מהידרוליזה של ATP (אדנוזין 5'-טריפוספט), המייצר ADP (אדנוזין 5'-דיפוספט) ופי (פוספט אנאורגני).

חמצון של IMP תלוי ב- NAD ⁺ (nicotinamide adenine dinucleotide), ומייצר Xanthine 5'-monophosphate (XMP). לאחר מכן הוספת קבוצת אמינו ל- XMP מייצרת את מולקולת הגואנילט.

ויסות ביוסינתזה של גוויאנאט מתרחש בתחילת הדרך, כאשר נוצר PRA, ובסופו, כאשר מתרחשת חמצון IMP. הרגולציה מתרחשת על ידי משוב שלילי: נוקליאוטיד GMP מעכב את האנזימים בשני השלבים.

במהלך השפלה מטבולית של נוקליאוטידים, בסיסים חנקניים ממוחזרים. GMP נוצר על ידי האנזים hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase, ומעביר קבוצת פוסריבוסיל מ- PRPP לגואנין.

פוּנקצִיָה

מכיוון שגואנין לא נמצא בצורתו החופשית, תפקידיו קשורים ל- GMP, GDP ו- GTP. חלקם מוזכרים להלן:

- גואנוזין 5'-טריפוספט (GTP) משמש כמאגר של אנרגיה חופשית. ניתן להעביר את קבוצת הגמא פוספטים של GTP לאדנוזין 5'-טריפוספט (ADP), ליצירת ATP. תגובה זו הינה הפיכה והיא מנותזת על ידי נוקלאוזיד דיפוספט-קינאז.

- GMP הוא הצורה היציבה ביותר של הנוקלאוטיד המכיל גואנין. באמצעות הידרוליזה, GMP יוצר GMP מחזורי (cGMP), שהוא שליח שני במהלך איתות תוך-תאי, בנתיבי התרגום. לדוגמא בתאי הריח הפוטו-קולטור וכימור-קולטור.

- ה- cGMP משתתף בהרפיה של כלי הדם של השריר החלק, במהלך הביוסינתזה של תחמוצת החנקן בתאי האנדותל.

- הידרוליזה של פוספט גאמא GTP משמשת כמקור אנרגיה חופשי לביוסינתזה חלבונית בריבוזומים.

- אנזימי הליקאז זקוקים לאנרגיה חופשית מהידרוליזה של GTP בכדי להפריד את הסליל הכפול של ה- DNA, במהלך שכפול DNA ותמלול.

- בנוירונים של ההיפוקמפוס, פעולת תעלות הנתרן המגודרות מתח מוסדרת על ידי הידרוליזה של GTP לתמ"ג.

מחלות קשורות

רמות גבוהות של חומצת שתן בדם ובשתן נקשרו לשלושה מומים מטבוליים שונים, אותם נראה בהמשך.

תסמונת Lesch-Nyhan

זה מאופיין על ידי מחסור ב- HPRT (hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase), אנזים החשוב למיחזור של hypoxanthine and guanine. במקרה זה, רמות ה- PRPP עולות ולא נוצרים IMP ו- GMP, שני רגולטורים חשובים לשלב הראשוני של סינתזת הפורין. כל זה מעדיף את הביוסינתזה של דה-נובו של פורינים.

פעילות PRPP מוגברת

זה מייצר עלייה ברמות PRPP. מטבוליט זה משמש כאקטיבציה של גלוטמין PRPP-amidotranferase, האחראי על הסינתזה של 5-פוספוריבוסילאמין, מה שמגביר את הביוסינתזה של דה-נובו של פורינים.

תסמונת פון גירקה

זוהי מחלה הקשורה לאחסון גליקוגן מסוג 1. חולים עם תסמונת זו סובלים מגלוקוז 6 פוספטאז. זה מייצר עלייה ברמות הגלוקוזה 6-פוספט, המשמשת לסינתזה של ריבוזה 5-פוספט, באמצעות פוסוזה פנטוזה.

ריבוז 5-פוספט הוא המטבוליט המתחיל לביוסינתזה של PRPP. בדומה לשני המקרים הקודמים, זה מוביל לעלייה בסינתזה ביו-נובו של פורינים.

עליית חומצת השתן בדם ובשתן גורמת לתסמינים המוכרים בדרך כלל גאוט. במקרה של תסמונת Lesch Nyhan, החולים חסרים לחלוטין את פעילות האנזים HPRP, מה שמוביל לביטוי תסמינים אחרים כולל שיתוק ופיגור שכלי.

הגן HPRP נמצא בכרומוזום X ולכן מוטציות בגן זה משפיעות על גברים. אין טיפול לטיפול בבעיות נוירולוגיות. תסמינים הקשורים לחומצת שתן מוגברת מטופלים באלופורינול.

הפניות

1. דוסון, ר 'ואח'. 1986. נתונים למחקר ביוכימי. Clarendon Press, אוקספורד.
2. הורטון, ר; מורן, ל; Scrimgeour, G; פרי, מ. וראון, ד. 2008. עקרונות ביוכימיה. מהדורה רביעית. פירסון חינוך.
3. מת'יו, ואן הולדה, אהרן. 2001. ביוכימיה. המהדורה השלישית.
4. מוריי, ר; סניף, ד; Mayes, P. and Rodwell, V. 2003. Harper's Illustrated Biochemistry. מהדורה 26. חברות מקגרו-היל.
5. נלסון, DL וקוקס, מ '1994. להינגר. עקרונות הביוכימיה. מהדורה רביעית. אד אומגה.
6. סיגמא-אלדריך. 2019. גיליון כימי לגואנין. כתובת אינטרנט רחבה: sigmaaldrich.com.