CITOZINĂ: STRUCTURĂ, FUNCȚII, PROPRIETĂȚI, SINTEZĂ - BIOLOGIE - 2025

Citozina este un tip nucleobază pirimidinic, servind pentru biosinteza citidin-5'-monofosfat și deoxycytidine 5'-monofosfat. Acești compuși servesc pentru biosinteză, respectiv, de acid dezoxiribonucleic (ADN) și acid ribonucleic (ARN). ADN-ul stochează informații genetice și ARN are diverse funcții.

În ființele vii, citosina nu este găsită liberă, dar formează în mod obișnuit ribonucleotide sau dezoxiribonucleotide. Ambele tipuri de compuși au o grupare fosfat, o riboză și o bază de azot.

Sursa: Vesprcom

Carbonul 2 al ribozei are o grupare hidroxil (-OH) în ribonucleotide și un atom de hidrogen (-H) în dezoxiribonucleotide. În funcție de numărul de grupe de fosfați prezenți, există citidină-5'-monofosfat (CMP), citidină-5'-difosfat (CDP) și citidină-5'-trifosfat (CTP).

Echivalenții deoxigenati sunt numiți deoxicitidin-5′-monofosfat (dCMP), dezoxicitidin-5′-difosfat (dCDP) și dezoxicitidină-5′-trifosfat (dCTP).

Citosina, în diferitele sale forme, participă la diferite funcții, cum ar fi biosinteza ADN și ARN, biosinteza glicoproteinei și reglarea expresiei genice.

Structura și proprietățile

Citosina, 4-amino-2-hidroxipirimidina, are formula empirică C ₄ H ₅ N ₃ O, a cărei masă moleculară este 111,10 g / mol și este purificată sub formă de pulbere albă.

Structura citozinei este un inel heterociclic aromatic plan. Lungimea de undă a absorbanței maxime (ʎ _max ) este de 260 nm. Temperatura de topire a citozinei depășește 300ºC.

Pentru a forma un nucleotid, citosina este atașată covalent, prin azotul 1, printr-o legătură N-beta-glicozidică la carbonul 1 'al ribozei. Carbonul de 5 ′ este esterificat cu o grupare fosfat.

biosinteza

Biosinteza nucleotidică a pirimidinelor are o cale comună, formată din șase etape catalizate de enzimă. Calea începe cu biosinteza fosfatului carbamoil. În procariote există o singură enzimă: carbamoil fosfat sintaza. Aceasta este responsabilă pentru sinteza pirimidinelor și glutaminei. În eucariote, există carbamoil fosfaza sintaza I și II, care sunt responsabile, respectiv, pentru biosinteza glutaminei și pirimidinelor.

A doua etapă constă în formarea de N-carbamoilpartat, din fosfat de carboiil și aspartat, o reacție catalizată de aspartat transcabamoylaza (ATCase).

A treia etapă este sinteza L-dihidrorotatului, care determină închiderea inelului pirimidinic. Această etapă este catalizată de dihidrootază.

A patra etapă este formarea de orotat, care este o reacție redox catalizată de dihidroorotat dehidrogenază.

A cincea etapă constă în formarea de orotidilat (OMP) folosind fosforibosil pirofosfat (PRPP) ca substrat, și orotează fosforibosil transferaza ca catalizator.

A șasea etapă este formarea de uridilat (uridin-5'-monofosfat, UMP), o reacție catalizată de o OMP-decarboxilază.

Următorii pași constau în fosforilarea UMP catalizată de kinază a UMP pentru a forma UTP, și transferul unei grupări amino de la glutamină la UTP pentru a forma CTP, o reacție catalizată de CTP sintaza.

Reglarea biosintezei

La mamifere, reglarea are loc la nivelul de carbamoi fosfat sintaza II, o enzimă care se găsește în citosol, în timp ce carbamoil fosfat sintaza I este mitocondrial.

Carbamoiil fosfaza II este reglat prin feedback negativ. Regulatoarele sale, UTP și PRPP, sunt, respectiv, inhibitor și activator al acestei enzime.

În țesuturile care nu sunt hepatice, carbamoil fosfat sintaza II este singura sursă de fosfat carbamoil. În ficat, în condiții de exces de amoniac, carbamoil fosfaza I produce, în mitocondrii, fosfat de carbamoil, care este transportat la citosol, de unde intră pe calea biosintezei pirimidinei.

Un alt punct de reglementare este OMP-decarboxilază, care este reglementată prin inhibare competitivă. Produsul său de reacție, UMP, concurează cu OMP pentru situsul de legare la OMP-decarboxilază.

Pirimidinele, ca și citozina, sunt reciclate

Reciclarea pirimidinelor are funcția de a reutiliza pirimidine fără a fi nevoie de biosinteză de novo și de a evita calea degradativă. Reacția de reciclare este catalizată de pirimimidina fosforibosiltransferaza. Reacția generală este următoarea:

Pirimidină + PRPP -> nucleosidă pirimidină 5'-monofosfat + PPi

La vertebrate, pirimimidina fosforibosiltransferaza se găsește în eritrocite. Substratul pirimidinelor pentru această enzimă sunt uracilul, timina și orotatul. Citosina este reciclată indirect din uridină-5'-monofosfat.

Rolul în biosinteza ADN-ului

În timpul replicării ADN, informațiile conținute în ADN sunt copiate în ADN de o ADN polimerază.

Biosinteza ARN necesită deoxinucleotidă trifosfat (dNTP), și anume: trifosfat de dezoximetimidină (dTTP), trifosfat de dezoxicitidină (dCTP), trifosfat de dezoximadenină (dATP) și trifosfat dezoxiganină (dGTP). Reacția este:

(ADN) _{n reziduuri} + dNTP -> (ADN) _{n + 1} reziduuri + PPi

Hidroliza pirofosfatului anorganic (PPi) asigură energia pentru biosinteza ARN.

Rolul în stabilizarea structurii ADN-ului

În dubla helixă a ADN-ului, o purină monocatenară este legată de pirimidina cu catenă opusă prin legături de hidrogen. Astfel, citosina este întotdeauna legată de guanină prin trei legături de hidrogen: adenina este legată de timină prin două legături de hidrogen.

Legăturile de hidrogen sunt rupte atunci când o soluție de ADN nativ purificat, la pH 7, este supusă la temperaturi peste 80 ºC. Acest lucru face ca dubla helix ADN să formeze două șuvițe separate. Acest proces este cunoscut sub denumirea de denaturare.

Temperatura la care 50% din ADN este denaturată este cunoscută sub denumirea de temperatura de topire (Tm). Moleculele de ADN al căror raport între guanină și citozină este mai mare decât cel al timinei și adeninei au valori Tm mai mari decât cele ale căror raport de bază este invers.

Cele descrise mai sus reprezintă dovada experimentală că un număr mai mare de legături de hidrogen stabilizează mai bine moleculele native de ADN.

Funcția regiunilor bogate în citozină în ADN

Recent, s-a constatat că ADN-ul din nucleul celulelor umane poate adopta structuri cu motive intermise (iM). Aceste structuri apar în regiuni bogate în citozină.

Structura iM este formată din patru catene de ADN, spre deosebire de ADN-ul dublu-catenar clasic, care are două catene. Mai precis, două lanțuri duplex paralele sunt intersectate într-o orientare antiparalelă și sunt menținute împreună de o pereche de citozine hemiprotonate (C: C ⁺ ).

În genomul uman, structurile iM se găsesc în regiuni precum promotori și telomere. Numărul de structuri iM este mai mare în faza G1 / S a ciclului celular, în care transcrierea este mare. Aceste regiuni sunt situri de recunoaștere a proteinelor implicate în activarea aparatului transcripțional.

Pe de altă parte, în regiunile bogate în perechi de bază guanine consecutive (C), ADN-ul tinde să adopte forma de helix A, în condiții de deshidratare. Această formă este tipică pentru ARN și benzi duble ADN-ARN în timpul transcrierii și replicării și în anumite momente când ADN-ul este legat de proteine.

S-a dovedit că regiunile de bază consecvente ale citozinei creează un plasture electropozitiv în fanta majoră a ADN-ului. Astfel, se crede că aceste regiuni se leagă de proteine, predispunând anumite regiuni genomice la fragilitatea genetică.

Rolul biosintezei ARN

În timpul transcrierii, informațiile conținute în ADN sunt copiate în ARN de o ARN polimerază. ARN biosinteza necesită nucleosid trifosfat (NTP), și anume: citidină trifosfat (CTP), uridină trifosfat (UTP), adenină trifosfat (ATP) și guanină trifosfat (GTP). Reacția este:

(ARN) _{n reziduuri} + NTP -> (ARN) _{n + 1} reziduuri + PPi

Hidroliza pirofosfatului anorganic (PPi) asigură energia pentru biosinteza ARN.

Rolul în biosinteza glicoproteinei

Transferul secvențial al hexozelor în formarea oligozaharidelor, O-legat de proteine, are loc de la precursorii nucleotidelor.

La vertebrate, ultima etapă a biosintezei de oligozaharidă legată de O constă în adăugarea a două reziduuri de acid sialic (N-acetilneuraminic) de la un precursor de citidină-5'-monofosfat (CMP). Această reacție are loc în sacul trans Golgi.

Citozină și tratamente chimioterapeutice pentru cancer

Acid tetrahidrofolat (FH4) este o sursă de -CH ₃ grupe , și este necesară pentru biosinteza dTMP de pe halda. În plus, se formează FH2. Reducerea FH2 la FH4 necesită o reducere a folatului și a NADPH. Unii inhibitori ai folatului reductazei, cum ar fi aminopterina și metotrexatul, sunt utilizați în tratamentele pentru cancer.

Metotrexan este un inhibitor competitiv. Folatul reductazei se leagă cu o afinitate de 100 de ori mai mare de acest inhibitor decât de substratul său. Aminopterina funcționează într-un mod similar.

Inhibarea folatului reductazei împiedică indirect biosinteza dTMP și, prin urmare, a dCTP. Inhibarea directă are loc de inhibitorii enzimei timidilat de sintaza, care catalizează dTMP din dUMP. Acești inhibitori sunt 5-fluorouracil și 5-fluoro-2-dezoxiuridină.

De exemplu, 5-fluoroacilul nu este el însuși un inhibitor, dar este transformat pentru prima dată, pe calea de reciclare, în deoxyuridină fosfat d (FdUMP), care se leagă și inhibă timidilata sintaza.

Substanțele similare cu glutamina, azaserina și acivicina, inhibă glutamina amidotransferază. Azarin a fost una dintre primele substanțe descoperite să acționeze ca un inactivator sinucigaș.

Referințe

1. Assi, HA, Garavís, M., González, C. și Damha, MJ 2018. ADN i-Motif: caracteristici structurale și semnificație pentru biologia celulară. Cercetarea acizilor nucleari, 46: 8038-8056.
2. Bohinski, R. 1991. Biochimie. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
3. Devlin, TM 2000. Biochimie. Editorial Reverté, Barcelona.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Biologie celulară și moleculară. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexic, São Paulo.
5. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Principiile biochimiei. WH Freeman, New York.
6. Voet, D. și Voet, J. 2004. Biochimie. John Wiley and Sons, SUA.