- Struktur und Eigenschaften
- Biosynthese
- Regulation der Biosynthese
- Pyrimidine werden wie Cytosin recycelt
- Rolle bei der DNA-Biosynthese
- Rolle bei der Stabilisierung der DNA-Struktur
- Funktion von Cytosin-reichen Regionen in der DNA
- Rolle bei der RNA-Biosynthese
- Rolle bei der Glykoprotein-Biosynthese
- Chemotherapeutische Behandlungen mit Cytosin und Krebs
- Verweise
Das Cytosin ist ein Pyrimidin-Nucleobase-Typ, der zur Biosynthese von Cytidin-5'-monophosphat und Desoxycytidin-5'-monophosphat dient. Diese Verbindungen dienen zur Biosynthese von Desoxyribonukleinsäure (DNA) bzw. Ribonukleinsäure (RNA). DNA speichert genetische Informationen und RNA hat verschiedene Funktionen.
In Lebewesen ist Cytosin nicht frei, sondern bildet üblicherweise Ribonukleotide oder Desoxyribonukleotide. Beide Arten von Verbindungen haben eine Phosphatgruppe, eine Ribose und eine Stickstoffbase.
Quelle: Vesprcom
Der Kohlenstoff 2 der Ribose hat eine Hydroxylgruppe (-OH) in Ribonukleotiden und ein Wasserstoffatom (-H) in Desoxyribonukleotiden. Abhängig von der Anzahl der vorhandenen Phosphatgruppen gibt es Cytidin-5'-monophosphat (CMP), Cytidin-5'-diphosphat (CDP) und Cytidin-5'-triphosphat (CTP).
Die desoxygenierten Äquivalente werden als Desoxycytidin-5'-monophosphat (dCMP), Desoxycytidin-5'-diphosphat (dCDP) und Desoxycytidin-5'-triphosphat (dCTP) bezeichnet.
Cytosin ist in seinen verschiedenen Formen an verschiedenen Funktionen beteiligt, wie der DNA- und RNA-Biosynthese, der Glykoprotein-Biosynthese und der Regulation der Genexpression.
Struktur und Eigenschaften
Cytosin, 4-Amino-2-hydroxypyrimidin, hat die Summenformel C 4 H 5 N 3 O, dessen Molekulargewicht 111,10 g / mol beträgt, und wird als weißes Pulver gereinigt.
Die Struktur von Cytosin ist ein planarer aromatischer heterocyclischer Ring. Die Wellenlänge der maximalen Absorption (ʎ max ) beträgt 260 nm. Die Schmelztemperatur von Cytosin übersteigt 300 ° C.
Um ein Nukleotid zu bilden, wird Cytosin über Stickstoff 1 über eine N-beta-glycosidische Bindung an den 1'-Kohlenstoff der Ribose kovalent gebunden. Der 5'-Kohlenstoff wird mit einer Phosphatgruppe verestert.
Biosynthese
Die Nukleotidbiosynthese von Pyrimidinen hat einen gemeinsamen Weg, der aus sechs enzymkatalysierten Schritten besteht. Der Weg beginnt mit der Carbamoylphosphat-Biosynthese. In Prokaryoten gibt es nur ein Enzym: Carbamoylphosphatsynthase. Dies ist verantwortlich für die Synthese von Pyrimidinen und Glutamin. In Eukaryoten gibt es Carbamoylphosphatsynthase I und II, die jeweils für die Biosynthese von Glutamin und Pyrimidinen verantwortlich sind.
Der zweite Schritt besteht in der Bildung von N-Carbamoylaspartat aus Carboylphosphat und Aspartat, einer durch Aspartattranscabamoylase (ATCase) katalysierten Reaktion.
Der dritte Schritt ist die Synthese von L-Dihydrorotat, die den Verschluss des Pyrimidinrings bewirkt. Dieser Schritt wird durch Dihydrootase katalysiert.
Der vierte Schritt ist die Bildung von Orotat, einer durch Dihydroorotat-Dehydrogenase katalysierten Redoxreaktion.
Der fünfte Schritt besteht aus der Bildung von Orotidylat (OMP) unter Verwendung von Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) als Substrat und Orotatphosphoribosyltransferase als Katalysator.
Der sechste Schritt ist die Bildung von Uridylat (Uridin-5'-monophosphat, UMP), einer durch eine OMP-Decarboxylase katalysierten Reaktion.
Die nächsten Schritte bestehen aus der Phosphorylierung von UMP, das durch Kinasen katalysiert wird, um UTP zu bilden, und der Übertragung einer Aminogruppe von Glutamin auf UTP, um CTP zu bilden, eine durch CTP-Synthetase katalysierte Reaktion.
Regulation der Biosynthese
Bei Säugetieren erfolgt die Regulation auf der Ebene der Carbamoylphosphatsynthase II, einem im Cytosol vorkommenden Enzym, während die Carbamoylphosphatsynthase I mitochondrial ist.
Die Carbamoylphosphatsynthase II wird durch negative Rückkopplung reguliert. Seine Regulatoren UTP und PRPP sind jeweils Inhibitor und Aktivator dieses Enzyms.
In nicht-hepatischen Geweben ist Carbamoylphosphatsynthase II die einzige Quelle für Carbamoylphosphat. In der Leber produziert Carbamoylphosphatsynthase I unter Bedingungen von überschüssigem Ammoniak in den Mitochondrien Carbamoylphosphat, das zum Cytosol transportiert wird, von wo es in den Pyrimidin-Biosyntheseweg gelangt.
Ein weiterer Regulationspunkt ist die OMP-Decarboxylase, die durch kompetitive Hemmung reguliert wird. Ihr Reaktionsprodukt UMP konkurriert mit OMP um die Bindungsstelle auf OMP-Decarboxylase.
Pyrimidine werden wie Cytosin recycelt
Das Recycling von Pyrimidinen hat die Funktion, Pyrimidine ohne die Notwendigkeit einer De-novo-Biosynthese wiederzuverwenden und den Abbauweg zu vermeiden. Die Recyclingreaktion wird durch Pyrimimidinphosphoribosyltransferase katalysiert. Die allgemeine Reaktion ist wie folgt:
Pyrimidin + PRPP -> Pyrimidinnukleosid 5'-Monophosphat + PPi
Bei Wirbeltieren kommt Pyrimimidinphosphoribosyltransferase in Erythrozyten vor. Die Substratpyrimidine für dieses Enzym sind Uracil, Thymin und Orotat. Cytosin wird indirekt aus Uridin-5'-monophosphat recycelt.
Rolle bei der DNA-Biosynthese
Während der DNA-Replikation wird die in der DNA enthaltene Information von einer DNA-Polymerase in DNA kopiert.
Die RNA-Biosynthese erfordert Desoxynukleotidtriphosphat (dNTP), nämlich: Desoxythymidintriphosphat (dTTP), Desoxycytidintriphosphat (dCTP), Desoxyadenintriphosphat (dATP) und Desoxyguanintriphosphat (dGTP). Die Reaktion ist:
(DNA) n Reste + dNTP -> (DNA) n + 1 Rest + PPi
Die Hydrolyse von anorganischem Pyrophosphat (PPi) liefert die Energie für die RNA-Biosynthese.
Rolle bei der Stabilisierung der DNA-Struktur
In der DNA-Doppelhelix ist ein einsträngiges Purin über Wasserstoffbrücken an das gegenübersträngige Pyrimidin gebunden. Somit ist Cytosin immer über drei Wasserstoffbrücken an Guanin gebunden: Adenin ist über zwei Wasserstoffbrücken an Thymin gebunden.
Wasserstoffbrückenbindungen werden aufgebrochen, wenn eine Lösung gereinigter nativer DNA bei pH 7 Temperaturen über 80 ° C ausgesetzt wird. Dies bewirkt, dass die DNA-Doppelhelix zwei getrennte Stränge bildet. Dieser Vorgang wird als Denaturierung bezeichnet.
Die Temperatur, bei der 50% der DNA denaturiert werden, ist als Schmelztemperatur (Tm) bekannt. DNA-Moleküle, deren Verhältnis von Guanin und Cytosin höher ist als das von Thymin und Adenin, haben höhere Tm-Werte als solche, deren Basenverhältnis invers ist.
Das oben beschriebene stellt den experimentellen Beweis dar, dass eine größere Anzahl von Wasserstoffbrücken die nativen DNA-Moleküle besser stabilisiert.
Funktion von Cytosin-reichen Regionen in der DNA
Kürzlich wurde gefunden, dass DNA aus dem Zellkern menschlicher Zellen eingestreute Motivstrukturen (iM) annehmen kann. Diese Strukturen treten in Regionen auf, die reich an Cytosin sind.
Die iM-Struktur besteht aus vier DNA-Strängen, im Gegensatz zur klassischen doppelsträngigen DNA mit zwei Strängen. Insbesondere sind zwei parallele Duplexketten in einer antiparallelen Orientierung durchsetzt und werden durch ein Paar hemiprotonierter Cytosine (C: C + ) zusammengehalten.
Im menschlichen Genom finden sich iM-Strukturen in Regionen wie Promotoren und Telomeren. Die Anzahl der iM-Strukturen ist während der G1 / S-Phase des Zellzyklus, in der die Transkription hoch ist, höher. Diese Regionen sind Proteinerkennungsstellen, die an der Aktivierung der Transkriptionsmaschinerie beteiligt sind.
Andererseits neigt die DNA in den Regionen, die reich an aufeinanderfolgenden Guanin-Basenpaaren (C) sind, dazu, unter Dehydratisierungsbedingungen die A-Helix-Form anzunehmen. Diese Form ist typisch für RNA- und DNA-RNA-Doppelbanden während der Transkription und Replikation und zu bestimmten Zeiten, wenn DNA an Proteine gebunden ist.
Es wurde gezeigt, dass aufeinanderfolgende Basenregionen von Cytosin ein elektropositives Pflaster in der Hauptspalte der DNA erzeugen. Daher wird angenommen, dass diese Regionen an Proteine binden und bestimmte genomische Regionen für genetische Fragilität prädisponieren.
Rolle bei der RNA-Biosynthese
Während der Transkription wird die in der DNA enthaltene Information durch eine RNA-Polymerase in RNA kopiert. Die RNA-Biosynthese erfordert Nucleosidtriphosphat (NTP), nämlich: Cytidintriphosphat (CTP), Uridintriphosphat (UTP), Adenintriphosphat (ATP) und Guanintriphosphat (GTP). Die Reaktion ist:
(RNA) n Reste + NTP -> (RNA) n + 1 Rest + PPi
Die Hydrolyse von anorganischem Pyrophosphat (PPi) liefert die Energie für die RNA-Biosynthese.
Rolle bei der Glykoprotein-Biosynthese
Der sequentielle Transfer von Hexosen zur Bildung von Oligosacchariden, die an Proteine O-gebunden sind, erfolgt aus Nukleotidvorläufern.
Bei Wirbeltieren besteht der letzte Schritt der O-verknüpften Oligosaccharid-Biosynthese in der Zugabe von zwei Sialinsäureresten (N-Acetylneuramin) aus einem Cytidin-5'-Monophosphat (CMP) -Vorläufer. Diese Reaktion findet im trans-Golgi-Sack statt.
Chemotherapeutische Behandlungen mit Cytosin und Krebs
Tetrahydrofolatsäure (FH4) ist eine Quelle für -CH 3 -Gruppen und für die Biosynthese von dTMP aus dUMP erforderlich. Zusätzlich wird FH2 gebildet. Die Reduktion von FH2 zu FH4 erfordert eine Reduktase von Folsäure und NADPH. Einige Folatreduktasehemmer wie Aminopterin und Methotrexat werden bei Krebsbehandlungen eingesetzt.
Methotrexan ist ein kompetitiver Inhibitor. Folatreduktase bindet mit 100-mal höherer Affinität an diesen Inhibitor als an sein Substrat. Aminopterin wirkt auf ähnliche Weise.
Die Hemmung der Folatreduktase behindert indirekt die Biosynthese von dTMP und damit die von dCTP. Direkte Hemmung erfolgt durch Inhibitoren des Thymidylatsynthetaseenzyms, das dTMP aus dUMP katalysiert. Diese Inhibitoren sind 5-Fluorouracil und 5-Fluor-2-desoxyuridin.
Beispielsweise ist 5-Fluoracyl selbst kein Inhibitor, sondern wird zunächst auf dem Recyclingweg in Desoxyuridinmphosphat d (FdUMP) umgewandelt, das an Thymidylatsynthetase bindet und diese hemmt.
Substanzen analog zu Glutamin, Azaserin und Acivicin hemmen die Glutaminamidotransferase. Azarin war eine der ersten Substanzen, die als Selbstmordinaktivator entdeckt wurden.
Verweise
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