Reaksi-Reaksi Spesifik Pada Nukleotida

Struktur Nukleotida

Mari kita memperbesar DNA. Kita memasuki inti sel, mengungkap kromosom, dan melihat untai ganda tipis. Perbesar Gambar lebih jauh, dan Anda akan melihat bahwa masing-masing helai terbuat dari kecil bahan bangunan yang disebut nukleotida. Dengan DNA tampak seperti tangga memutar, setiap blok bangunan, atau nukleotida, termasuk setengah anak tangga (setengah lainnya milik untai lainnya) dan sedikit dari bagian vertikal tangga. Nukleotida juga ada dengan sendirinya dan dapat menjadi bagian dari molekul penting lainnya selain DNA. Misalnya, energi pembawa ATP adalah bentuk nukleotida.

Komponen Nukleotida

Nukleotida selalu memiliki basa nitrogen, gula, dan satu atau lebih fosfat. Mari kita belajar tentang setiap bagian.
Basis nitrogen
Disebut basa untuk jangka pendek, ini mungkin adenin, timin, sitosin, guanin, atau urasil. Mereka diberi nama setelah fakta bahwa mereka basa, bukan asam, dan mereka masing-masing berisi beberapa atom nitrogen. Nukleotida dapat berpasangan satu sama lain: pasangan sitosin dengan guanin, dan pasangan adenin dengan timin (pada DNA) atau urasil (RNA).

Gula
Ada banyak jenis gula, namun ada dua yang penting di sini: Ribosa merupakan gula yang Anda akan melihatnya pada RNA. Ada versi ribosa yang memiliki atom oksigen yang hilang, dan kita menyebutnya gula deoksiribosa. Itulah jenis gula dalam nukleotida DNA. (Ingat bahwa DNA adalah singkatan dari Asam deoksiribonukleat.)
Q
Fosfat adalah atom fosfor terikat empat atom oksigen. Ikatan antara fosfat adalah energi yang sangat tinggi dan bertindak sebagai bentuk penyimpanan energi. Ketika ikatan rusak, energi yang dihasilkan dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan.

METABOLISME NUKLEOTIDA

SECARA UMUM

Persyaratan untuk metabolisme nukleotida dan basis serumpun mereka dapat dipenuhi dengan baik asupan makanan atau sintesis de novo dari molekul berat rendah prekursor. Memang, kemampuan untuk menyelamatkan nukleotida dari sumber dalam tubuh dapat mengurangi apapun kebutuhan gizi untuk nukleotida, sehingga purin dan basa pirimidin tidak diperlukan dalam makanan. Jalur penyelamatan adalah sumber utama dari nukleotida untuk sintesis DNA, RNA dan enzim co-faktor.

Ekstraselular hidrolisis asam nukleat ditelan terjadi melalui tindakan bersama dari endonuklease, phosphodiesterases dan phosphorylases nukleosida. Endonuklease mendegradasi DNA dan RNA di situs internal menyebabkan produksi oligonucleotides. Oligonucleotides selanjutnya dicerna oleh phosphodiesterases bahwa tindakan dari ujung ke dalam menghasilkan nukleosida bebas. Dasar yang terhidrolisis dari nukleosida oleh aksi phosphorylases yang menghasilkan ribosa-1-fosfat dan bebas basa. Jika nukleosida dan / atau basa tidak kembali memanfaatkan lebih lanjut basa purin menjadi asam urat terdegradasi dan pirimidin untuk β-aminoiosobutyrate, NH₃ dan CO_2.

Baik menyelamatkan dan jalur sintesis de novo dari purin dan memimpin biosintesis pirimidin untuk produksi nukleosida-5′-fosfat melalui pemanfaatan suatu gula diaktifkan menengah dan kelas enzim yang disebut phosphoribosyltransferases. Gula aktif yang digunakan adalah 5-phosphoribosyl-1- pirofosfat, PRPP. PRPP dihasilkan oleh tindakan sintetase PRPP dan memerlukan energi dalam bentuk ATP seperti yang ditunjukkan:

Perhatikan bahwa reaksi ini melepaskan AMP. Oleh karena itu, 2 fosfat energi setara tinggi dikonsumsi selama reaksi.

BIOSINTESIS NUKLEOTIDA PURIN

Terjadinya sintesis purin dalam hati. Sintesis dari nukleotida purin dimulai dengan PRPP dan mengarah ke penuh pertama terbentuk nukleotida, inosine 5′-monophosphate (IMP). jalur ini adalah diagram di bawah ini. Basis purin tanpa terikat pada molekul ribosa terlampir adalah Hipoxantina. Basis purin dibangun di atas ribosa dengan beberapa amidotransferase dan reaksi transformylation. Sintesis IMP membutuhkan lima mol ATP, dua mol glutamin, satu mol glisin, satu mol CO _2, satu mol aspartate dan dua mol formate. Para moieties formil dilakukan pada tetrahydrofolate (THF) dalam bentuk N ^5,N ^{10-methenyl-THF} dan N^{10-formil-THF.}

Sintesis AMP dan GMP dari IMP

Sintesis pertama terbentuk sepenuhnya nukleotida purin, monophosphate inosine, IMP dimulai dengan 5-phospho-α-ribosyl-1-pirofosfat, PRPP. Melalui serangkaian reaksi menggunakan ATP, tetrahydrofolate (THF) derivatif, glutamin, glisin dan aspartate ini menghasilkan jalur IMP. Tingkat membatasi reaksi ini dikatalisis oleh glutamin amidotransferase PRPP, enzim ditunjukkan oleh 1 pada Gambar tersebut. Struktur nucleobase dari IMP (Hipoxantina) akan muncul.

IMP merupakan titik cabang untuk biosintesis purin, karena dapat dikonversi menjadi baik AMP atau GMP melalui dua jalur reaksi yang berbeda. jalur yang mengarah ke AMP memerlukan energi dalam bentuk GTP; yang mengarah ke GMP memerlukan energi dalam bentuk ATP. Pemanfaatan GTP dalam jalur untuk sintesis AMP memungkinkan sel untuk mengontrol proporsi AMP dan GMP untuk dekat kesetaraan. GTP akumulasi kelebihan akan menyebabkan sintesis AMP dipercepat dari IMP sebaliknya, dengan mengorbankan sintesis GMP. Sebaliknya, sejak konversi IMP untuk GMP memerlukan ATP, akumulasi kelebihan ATP menyebabkan sintesis percepatan GMP atas yang AMP.

KATABOLISME DAN SALVAGE DARI NUKLEOTIDA PURIN

Katabolisme dari nukleotida purin akhirnya mengarah ke produksi asam urat yang larut dan dikeluarkan dalam urin sebagai kristal natrium urat.

KATABOLISME NUKLEOTIDA PURIN

Sintesis nukleotida dari basa purin dan nukleosida purin terjadi dalam serangkaian langkah-langkah yang dikenal sebagai jalur penyelamatan. Dasar bebas purin, adenin, guanin, dan Hipoxantina, dapat dikonversi untuk nukleotida yang berhubungan dengan phosphoribosylation. Dua enzim transferase kunci yang terlibat dalam sisa dari purin: phosphoribosyltransferase adenosine (APRT), yang mengkatalisis reaksi berikut:

adenin + PRPP <-> AMP + PP _i

dan Hipoxantina-guanin phosphoribosyltransferase (HGPRT), yang mengkatalisis reaksi berikut:

Hipoxantina + PRPP <-> IMP + PP _i

guanin + PRPP <-> GMP + PP _i

Sebuah enzim penting kritis sisa barang purin dengan cepat membagi sel adalah adenosin deaminase (ADA) yang mengkatalisis deaminasi untuk inosine disebut adenosin. Defisiensi ADA dalam hasil dalam gangguan severe combined immunodeficiency, SCID (dan diuraikan di bawah).

SIKLUS METABOLISME NUKLEOTIDE PURIN

Siklus nukleotida purin melayani fungsi penting dalam latihan otot. Generasi fumarat menyediakan otot rangka hanya dengan sumbernya dari substrat anapleurotic untuk siklus TCA . Dalam rangka untuk operasi lanjutan siklus selama latihan, protein otot harus digunakan untuk memasok nitrogen amino bagi generasi aspartate. Generasi asparate terjadi oleh reaksi transaminasi standar yang interconvert asam amino dengan α-ketoglutarate untuk membentuk glutamat dan glutamat dengan oxaloacetate untuk membentuk aspartat. Myoadenylate deaminase adalah khusus isoenzyme AMP deaminase otot, dan kekurangan dalam memimpin deaminase myoadenylate untuk pasca-latihan kelelahan, kram dan mialgia.

BIOSINTESIS NUKLEOTIDA PIRIMIDIN

Sintesis pirimidin kurang kompleks dibandingkan dengan purin, karena dasar jauh lebih sederhana. . Basis menyelesaikan pertama adalah berasal dari 1 mol glutamin, satu mol ATP dan satu mol CO ₂ (yang merupakan karbamoilfosfat) dan satu mol aspartate. Sebuah mol tambahan glutamin dan ATP diperlukan dalam konversi UTP untuk CTP. Jalur biosintesis pirimidin adalah diagram di bawah ini.

Karbamoilfosfat digunakan untuk sintesis nukleotida pirimidin berasal dari glutamin dan bikarbonat, dalam sitosol, yang bertentangan dengan siklus urea carbamoyl fosfat berasal dari amonia dan bikarbonat dalam mitokondria. Reaksi siklus urea dikatalisis oleh sintetase karbamoilfosfat I (CPS-I) sedangkan prekursor nukleotida pirimidin disintesis oleh CPS-II. Carbamoyl phosphate is then condensed with aspartate in a reaction catalyzed by the rate limiting enzyme of pyrimidine nucleotide biosynthesis, aspartate transcarbamoylase (ATCase). karbamoilfosfat kemudian kental dengan aspartat dalam reaksi dikatalisis oleh enzim rate limiting biosintesis nukleotida pirimidin, transcarbamoylase aspartate (ATCase).

Sintesis karbamoilfosfat oleh CPS II

Sintesis UMP dari karbamoilfosfat. Carbamoyl fosfat digunakan dalam sintesis nukleotida pirimidin berbeda dari yang disintesis pada siklus urea, yang merupakan sintesis dari glutamin bukan amonia dan disintesis dalam sitosol.  Reaksi ini dikatalisis oleh fosfat II carbamoyl sintetase (CPS-II). Selanjutnya karbamoilfosfat dimasukkan ke dalam jalur biosintesis nukleotida pirimidin melalui aksi transcarbamoylase aspartate, ATCase (enzim # 1) yang merupakan rate limiting langkah dalam biosintesis pirimidin Setelah selesai sintesis UMP dapat terfosforilasi untuk UTP dan digunakan sebagai substrat untuk synthase CTP untuk sintesis nukleotida CTP uridina. Juga merupakan prekursor untuk sintesis de novo dari nukleotida timin.

Sintesis pirimidin berbeda dalam dua cara yang signifikan dari tahun purinPertama, struktur cincin dipasang sebagai basa bebas, tidak dibangun di atas PRPP. PRPP akan ditambahkan ke base pertama terbentuk sepenuhnya pirimidin (asam orotic), membentuk monophosphate orotate (OMP), yang kemudian dekarboksilasi menjadi UMP. Kedua, tidak ada cabang di jalur sintesis pirimidin.  UMP adalah fosforilasi dua kali untuk menghasilkan UTP (ATP merupakan donor fosfat). Yang pertama adalah fosforilasi dikatalisis oleh kinase uridylate dan yang kedua oleh nukleosida difosfat kinase mana-mana. Akhirnya UTP adalah aminated oleh aksi synthase CTP, menghasilkan CTP. Para nukleotida timin yang pada gilirannya diturunkan oleh sintesis de novo dari Dump atau dengan jalur selamatkan dari deoxyuridine atau deoxythymidine.

Sintesis CTP dari UTP

SINTESIS NUKLEOTIDA TIMIN

De novo jalan menuju dTTP sintesis pertama yang membutuhkan penggunaan Dump dari metabolisme baik UDP atau CDP. tempat pembuangan sampah diubah menjadi dTMP oleh aksi synthase timidilat. Kelompok metil (ingat timin yang 5-metil urasil) adalah disumbangkan oleh N ^{5, 10-metilen} THF N, mirip dengan sumbangan dari kelompok metil selama biosintesis dari purin.  Sifat unik dari tindakan synthase timidilat adalah bahwa THF dikonversi menjadi dihydrofolate (DBD), yang hanya menghasilkan reaksi seperti DBD dari THF. Agar reaksi synthase timidilat untuk melanjutkan, THF harus dibuat ulang dari DBD. Hal ini dilakukan melalui aksi reduktase dihydrofolate (DHFR). . THF kemudian dikonversi menjadi N ^5,N^10-THF melalui tindakan transferase hidroksimetil serin. Peran penting dalam biosintesis nukleotida DHFR timidin membuat target yang ideal untuk agen kemoterapi (lihat di bawah).

Sintesis dTMP dari Dump

Jalur penyelamatan untuk dTTP melibatkan sintesis enzim kinase timidin yang dapat menggunakan salah satu atau deoxyuridine timidin sebagai substrat:

timidin + ATP <-> TMP + ADP

deoxyuridine + ATP <-> ADP + Dump

Aktivitas timidin kinase (salah satu dari berbagai deoxyribonucleotide kinase) adalah unik karena berfluktuasi dengan siklus sel, naik ke puncak aktivitas selama fase sintesis DNA; itu dihambat oleh dTTP.

KATABOLISME DAN SALVAGE DARI NUKLEOTIDA PIRIMIDIN

Katabolisme dari nukleotida pirimidin akhirnya menyebabkan β-alanin (ketika CMP dan UMP yang rusak) atau β-aminoisobutyrate (ketika dTMP diturunkan) dan NH ₃dan CO _2. The β-alanin dan β-aminoisobutyrate berfungsi sebagai donor-NH ₂ di transaminasi dari α-ketoglutarate untuk glutamat.Reaksi selanjutnya mengubah produk untuk malonyl-KoA (yang dapat dialihkan ke sintesis asam lemak) atau methylmalonyl-KoA (yang dikonversikan ke succinyl-KoA dan dapat didorong dengan siklus TCA).

Sisa barang dari basa pirimidin memiliki signifikansi klinis kurang daripada purin, karena kelarutan dengan-produk katabolisme pirimidin. Namun, seperti yang ditunjukkan di atas, jalur penyelamatan untuk sintesis nukleotida timidin sangat penting dalam persiapan untuk pembelahan sel. Urasil dapat diselamatkan untuk membentuk UMP melalui tindakan bersama dari fosforilase uridina dan uridina kinase, seperti ditunjukkan:

urasil fosfat + ribosa-1-<-> uridina + P _i

uridina + ATP -> ADP + UMP

. Deoxyuridine juga merupakan substrat untuk fosforilase uridina. Pembentukan dTMP, dengan menyelamatkan dari dTMP membutuhkan fosforilase timin dan sebelumnya dihadapi kinase timidin:

timin <+ deoksiribosa-1-fosfat -> timidin + P _i

timidin + ATP -> ADP + dTMP

Sisa barang dari deoxycytidine ini dikatalisis oleh kinase deoxycytidine:

deoxycytidine + ATP <-> dCMP + ADP

Deoxyguanosine Deoxyadenosine dan juga substrat untuk kinase deoxycytidine, meskipun _m K untuk substrat ini jauh lebih tinggi daripada deoxycytidine.

Fungsi utama dari kinase pirimidin nukleosida adalah untuk menjaga keseimbangan selular antara tingkat pirimidin nukleosida dan monophosphates pirimidin nukleosida. Namun, karena keseluruhan selular dan konsentrasi plasma dari pirimidin nukleosida, serta mereka yang ribosa-1-fosfat, rendah, sisa barang dari pirimidin oleh kinase ini relatif tidak efisien.

Referensi :

Michael W. Michael W. King, Ph.D / IU School of Medicine / miking at iupui.edu Raja, Ph.D / IU School of Medicine / miking di iupui.edu

PERMASALAHAN :

1. Apa perbedaan mencolok antara DNA dan RNA?

2. Apa yang dimaksud dengan purin dan pirimidin?

3. Sebutkan pasangan nukleobasa baik itu pada DNA maupun RNA!

4. Jelaskan mengenai penamaan nukleotida!