Nukleozidtrifosfát
Nukleozidtrifosfát (NTP, ang. nucleoside triphosphate) je molekula obsahujúca dusíkatú bázu viazanú na pentózu (buď ribózu alebo deoxyribózu) s tromi fosfátovými skupinami naviazanými na sacharid.[1] Sú to molekulárne prekurzory DNA aj RNA, čo sú polyméry nukleotidov vytvorené procesmi replikácie a transkripcie DNA.[2] Nukleozidtrifosfáty slúžia aj ako zdroj energie pre bunkové reakcie[3] a podieľajú sa na signálnych dráhach.[4] Spolu s nukleozidmonofosfátmi a nukleoziddifosfátmi patria medzi nukleotidy.
Nukleozidtrifosfáty sa nedajú dobre absorbovať z potravy, takže sa typicky syntetizujú v bunke.[5] Dráhy syntézy sa líšia v závislosti od konkrétneho nukleozidtrifosfátu, ktorý sa tvorí, ale vzhľadom na mnohé dôležité úlohy nukleozidtrifosfátov je syntéza vo všetkých prípadoch prísne regulovaná.[6] Nukleozidové analógy (antimetabolity) môžu byť tiež použité na liečbu vírusových infekcií,[7] napríklad azidotymidín (AZT) je nukleozidový analóg používaný na prevenciu a liečbu HIV/AIDS.[8]
Pomenovanie
[upraviť | upraviť zdroj]Termín nukleozid sa týka dusíkatej bázy naviazanej na päťuhlíkový cukor (buď ribózu alebo deoxyribózu).[1] Nukleotidy sú nukleozidy kovalentne spojené s jednou alebo viacerými fosfátovými skupinami.[9] Na poskytnutie informácie o počte fosfátov sa môžu nukleotidy namiesto toho označovať ako nukleozid(mono, di alebo tri)fosfáty.[10] Nukleozidtrifosfáty sú teda typom nukleotidu.[10]
Nukleotidy sú bežne pomenovávané pomocou trojpísmenových skratiek (prípadne štvor- alebo päťpísmenových v prípade deoxy- alebo dideoxynukleotidov). Prvé písmeno označuje identitu dusíkatej bázy (napr. A pre adenín, G pre guanín), druhé písmeno označuje počet fosfátov (mono, di, tri) a tretie písmeno je P, čo znamená fosfát.[11] Nukleozidtrifosfáty, ktoré obsahujú ribózu ako cukor, sa bežne označujú skratkou NTP (kde N je akákoľvek/bližšie neurčená báza), zatiaľ čo nukleozidtrifosfáty obsahujúce deoxyribózu ako cukor sa označujú skratkou dNTP. Napríklad dATP znamená deoxyadenozíntrifosfát. NTP sú stavebnými kameňmi RNA a dNTP sú stavebnými kameňmi DNA.[12]
Báza | Nukleozidtrifosfát (NTP) | Deoxyukleozidtrifosfát (dNTP) | |
---|---|---|---|
purínová | adenín | adenozíntrifosfát (ATP) | deoxyadenozíntrifosfát (dATP) |
guanín | guanozíntrifosfát (GTP) | deoxyguanozíntrifosfát (dGTP) | |
hypoxantín | inozíntrifosfát (ITP) | deoxyinozíntrifosfát (dITP) | |
xantín | xantozíntrifosfát (XTP) | deoxyxantozíntrifosfát (dXTP) | |
pyrimidínová | uracil | uridíntrifosfát (UTP) | deoxyuridíntrifosfát (dUTP) |
cytozín | cytidíntrifosfát (CTP) | deoxycytitríndifosfát (dCTP) | |
tymín | 5-metyluridíntrifosfát (m5UTP) | tymidíntrifosfát (dTTP) |
Uhlíky cukru v nukleozidtrifosfáte sú očíslované pozdĺž uhlíkového kruhu počínajúc pôvodným karbonylovým uhlíkom cukru. Bežne za číslami uhlíka v cukre nasleduje apostrof ('), aby sa odlíšili od uhlíkov dusíkatej bázy (číslované bez apostrofu). Dusíkatá báza je naviazaná na 1' uhlík cez glykozidovú väzbu a fosfátové skupiny sú kovalentne naviazané na 5' uhlík.[13] Prvá fosfátová skupina spojená s cukrom sa nazýva α-fosfát, druhá je β-fosfát a tretia je γ-fosfát.[14]

Syntéza DNA a RNA
[upraviť | upraviť zdroj]
Bunkové procesy replikácie a transkripcie DNA zahŕňajú syntézu DNA a RNA. Syntéza DNA využíva dNTP ako substráty, zatiaľ čo syntéza RNA využíva NTP ako substráty.[2] DNA obsahuje štyri rôzne dusíkaté bázy: adenín, guanín, cytozín a tymín. RNA tiež obsahuje adenín, guanín a cytozín, ale nahrádza tymín uracilom.[15] Syntéza DNA teda vyžaduje dATP, dGTP, dCTP a dTTP ako substráty, zatiaľ čo syntéza RNA vyžaduje ATP, GTP, CTP a UTP. NTP nemožno premeniť priamo na dNTP, musia najprv byť premenené na NDP, ktoré sa potom menia na dNDP a nakoniec na dNTP.
Syntéza nukleových kyselín je katalyzovaná buď DNA polymerázou pre syntézu DNA alebo RNA polymerázou pre syntézu RNA.[16] Tieto enzýmy kovalentne spájajú voľnú -OH skupinu na 3' uhlíku rastúceho reťazca nukleotidov s α-fosfátom na 5' uhlíku nasledujúceho (d)NTP, čím sa uvoľnia β- a y-fosfátové skupiny v podobe pyrofosfátu ( PPi).[17] To vedie k tvorbe fosfodiesterovej väzby medzi dvoma (d)NTP. Uvoľňovanie PPi poskytuje energiu potrebnú na uskutočnenie reakcie.[17] Je dôležité poznamenať, že syntéza nukleových kyselín prebieha výlučne v smere od 5' konca k 3' koncu.
Metabolizmus nukleozidtrifosfátov
[upraviť | upraviť zdroj]Vzhľadom na ich význam v bunke je syntéza a rozklad nukleozidtrifosfátov prísne regulovaná.[6] Táto sekcia sa zameriava na metabolizmus nukleozidtrifosfátu u ľudí, ale tento proces je medzi druhmi pomerne zachovaný.[18] Nukleozidtrifosfáty sa nedajú dobre absorbovať z potravy, takže všetky nukleozidtrifosfáty sa typicky vyrábajú de novo.[19] Syntéza ATP a GTP (purínov) sa líši od syntézy CTP, TTP a UTP (pyrimidínov). Pri syntéze purínov i pyrimidínov sa ako východisková molekula používa fosforibozylpyrofosfát (PRPP).[20]
Premena NTP na dNTP neprebieha priamo a môže sa uskutočniť iba vo forme difosfátu (teda NDP na dNDP). Typicky sa z NTP odstráni jeden fosfát, aby sa z neho stal NDP, ktorý potom je prevedený na dNDP pomocou enzýmu nazývaného ribonukleotidreduktáza. Nakoniec sa fosfát znovu naviaže, čím z dNDP vzniká dNTP.[21]
Syntéza purínov
[upraviť | upraviť zdroj]Dusíkatá báza nazývaná hypoxantín je zostavená priamo naviazaná na PRPP.[22] Výsledkom je nukleotid nazývaný inozínmonofosfát (IMP). IMP sa potom prevedie buď na AMP alebo GMP. Akonáhle sa vytvoria AMP alebo GMP, môžu sa fosforylovať pomocou ATP na ich difosfátové a trifosfátové formy.[23]
Syntéza purínov je regulovaná alosterickou inhibíciou tvorby IMP adenínovými alebo guanínovými nukleotidmi.[24] AMP a GMP tiež kompetitívne inhibujú tvorbu svojich prekurzorov z IMP.[25]
Syntéza pyrimidínov
[upraviť | upraviť zdroj]Dusíkatá báza nazývaná orotát sa syntetizuje nezávisle od PRPP.[25] Po vytvorení orotátu sa orotát kovalentne naviaže na PRPP. Výsledkom je nukleotid nazývaný orotidínmonofosfát (OMP).[26] OMP sa konvertuje na UMP, ktorý sa potom môže fosforylovať pomocou ATP na UDP a UTP. UTP sa potom môže premeniť na CTP deaminačnou reakciou.[27] TTP (správne m5UTP) nie je substrátom pre syntézu nukleových kyselín, preto sa v bunke nesyntetizuje. Namiesto toho sa dTTP vyrába nepriamo buď z UDP alebo CDP po konverzii na ich príslušné deoxyribózové formy (dUDP a dCDP).[20]
Syntéza pyrimidínov je regulovaná alosterickou inhibíciou syntézy orotátu prostredníctvom UDP a UTP. PRPP a ATP sú tiež alosterické aktivátory syntézy orotátu.[28]
Ribonukleotidreduktáza
[upraviť | upraviť zdroj]Ribonukleotidreduktáza (RNR) je enzým zodpovedný za premenu NTP na dNTP. Vzhľadom na to, že dNTP sa používajú pri replikácii DNA, je aktivita RNR prísne regulovaná.[6] RNR však dokáže spracovať iba NDP, takže NTP sú najskôr defosforylované na NDP pred konverziou na dNDP.[29] dNDP sú potom typicky refosforylované na dNTP. RNR má 2 podjednotky a 3 miesta: katalytické miesto, miesto aktivity (A) a miesto špecifickosti (S).[29] Katalytické miesto je miesto, kde prebieha reakcia NDP na dNDP, miesto aktivity určuje, či je enzým aktívny alebo nie, a miesto špecifickosti určuje, ktorá reakcia prebieha v katalytickom mieste.
Miesto aktivity môže viazať buď ATP alebo dATP.[30] Keď je naviazaný na ATP, RNR je aktívna. Keď sa ATP alebo dATP naviaže na miesto S, RNR bude katalyzovať syntézu dCDP a dUDP z CDP a UDP. dCDP a dUDP môžu pokračovať v nepriamom vytváraní dTTP. dTTP naviazaný na S miesto bude katalyzovať syntézu dGDP z GDP a väzba dGDP na S miesto bude podporovať syntézu dADP z ADP.[31] dADP sa potom fosforyluje za vzniku dATP, ktorý sa môže viazať na miesto A a vypnúť RNR.[30]
(d)NTP v mieste aktivity | (d)NTP v mieste špecificity | Reakcia prebiehajúca v katalytickom mieste |
---|---|---|
ATP | ATP alebo dATP | CDP → dCDP → dTTP
UDP → dUDP → dTTP |
dTTP | GDP → dGDP | |
dGDP | ADP → dADP | |
dATP | - | neprebieha |
Ďalší význam v bunke
[upraviť | upraviť zdroj]
ATP ako zdroj energie
[upraviť | upraviť zdroj]ATP je primárny energetický pohon využívaný v reakciách v bunke.[32] Okrem toho, že je syntetizovaný de novo prostredníctvom metabolickej dráhy popísanej vyššie, je primárne syntetizovaný počas bunkového dýchania[33] a fotosyntézy[34] enzýmom ATP syntázou. ATP syntáza spája syntézu ATP z ADP a fosfátu s elektrochemickým gradientom generovaným presunom protónov buď cez vnútornú mitochondriálnu membránu (bunkové dýchanie) alebo tylakoidnú membránu chloroplastov (fotosyntéza).[35] Tento elektrochemický gradient je nevyhnutný, pretože tvorba ATP je energeticky nevýhodná.
Hydrolýza ATP na ADP a Pi prebieha podľa rovnice:[36]
Táto reakcia je energeticky výhodná a uvoľňuje 30,5 kJ/mol energie. V bunke je táto reakcia často spojená s nepriaznivými reakciami a poskytuje im energiu, aby mohli prebiehať.[37] GTP sa príležitostne používa podobným spôsobom.[38]

Prenos signálu pomocou GTP
[upraviť | upraviť zdroj]GTP je nevyhnutný pre prenos signálu, najmä s G proteínmi. Každý G-proteín je spojený s receptorom viazaným na bunkovú membránu.[4] Celý tento komplex sa nazýva receptor spriahnutý s G-proteínom (GPCR). G-proteíny môžu viazať buď GDP alebo GTP. Keď sú naviazané na GDP, G-proteíny sú neaktívne. Keď sa ligand (z okolia bunky) naviaže na GPCR, dôjde k alosterickej zmene v G-proteíne, ktorá spôsobí odchod GDP a jeho nahradenie za GTP.[39] GTP aktivuje alfa podjednotku G-proteínu, čo spôsobí jej disociáciu od G-proteínu a umožní jej pôsobiť ako efektor v ďalších procesoch.[39]
Nukleozidové analógy
[upraviť | upraviť zdroj]Nukleozidové analógy môžu byť použité na liečbu vírusových infekcií.[40] Nukleozidové analógy sú nukleozidy, ktoré sú štruktúrne podobné (analogické) nukleozidom používaným pri syntéze DNA a RNA.[41] Akonáhle tieto nukleozidové analógy vstúpia do bunky, môžu sa fosforylovať vírusovým enzýmom a následne bunkovou nukleozidmonofosfátkinázou a neukleoziddifosfátkinázou, pričom výsledné nukleozidtrifosfáty sú dostatočne podobné nukleotidom využívaným pri syntéze DNA na to, aby boli začlenené do rastúcich reťazcov DNA, ale nemajú dostupnú 3' -OH skupinu na pripojenie ďalšieho nukleotidu, čo spôsobuje ukončenie reťazca.[42] Toto možno využiť na terapeutické použitie pri vírusových infekciách, pretože vírusová DNA polymeráza rozpoznáva určité nukleotidové analógy ľahšie ako eukaryotická DNA polymeráza.[40] Napríklad azidotymidín sa používa pri liečbe HIV/AIDS.[8] Niektoré menej selektívne nukleozidové analógy sa môžu použiť ako chemoterapeutické činidlá na liečbu rakoviny,[43] ako je cytarabín (ara-C) pri liečbe určitých foriem leukémie.[7]
Rezistencia na nukleozidové analógy je bežná a je často spôsobená mutáciou v enzýme, ktorý fosforyluje nukleozid po vstupe do bunky.[7] Toto je bežné u nukleozidových analógov používaných na liečbu HIV/AIDS.[44] Problém rezistencie na nukleozidové analógy sa rieši súčaným podávaním viacerých antivirotík, ktoré pôsobia v rôznych fázach životného cyklu vírusu.
Referencie
[upraviť | upraviť zdroj]- ↑ a b Nucleotides and bases [online]. Genetics Generation. Dostupné online. (po anglicky)
- ↑ a b The Nucleic Acids. Volume III. New York : Academic Press, 1960. Dostupné online. ISBN 978-0-323-14477-3.
- ↑ VOET, Donald. Biochemistry. Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, 2011. (4th edition.) Dostupné online. ISBN 978-0-470-57095-1. S. 578-583.
- ↑ a b GPCR [online]. Scitable by Nature Education. Dostupné online. (po anglicky)
- ↑ DALBY, Matthew. Eating DNA: Dietary Nucleotides in Nutrition [online]. 2014-04-09, [cit. 2022-09-11]. Dostupné online. (po anglicky)
- ↑ a b c WYNGAARDEN, James B.. Regulation of purine biosynthesis and turnover. Advances in Enzyme Regulation, 1976-01-01, roč. 14, s. 25–42. Dostupné online [cit. 2022-09-11]. ISSN 0065-2571. DOI: 10.1016/0065-2571(76)90006-6. (po anglicky)
- ↑ a b c GALMARINI, C. M.; MACKEY, J. R.; DUMONTET, C.. Nucleoside analogues: mechanisms of drug resistance and reversal strategies. Leukemia, 2001-06, roč. 15, čís. 6, s. 875–890. Dostupné online [cit. 2022-09-11]. ISSN 1476-5551. DOI: 10.1038/sj.leu.2402114. (po anglicky)
- ↑ a b Zidovudine Monograph for Professionals [online]. Drugs.com, [cit. 2022-09-11]. Dostupné online. (po anglicky)
- ↑ Structure of Nucleic Acids. [s.l.] : [s.n.], 2000. Dostupné online.
- ↑ a b Nucleoside and nucleotide nomenclature. Current Protocols in Nucleic Acid Chemistry, May 2001, s. A.1D.1–A.1D.3. Dostupné online. DOI: 10.1002/0471142700.nca01ds00. PMID 18428808.
- ↑ Nomenclature of Nucleosides [online]. [Cit. 2022-09-11]. Dostupné online. Archivované 2019-09-22 z originálu.
- ↑ From DNA to RNA to protein, how does it work?. Science Explained. Dostupné online [cit. 2017-11-11].
- ↑ Numbering convention for nucleotides [online]. . Dostupné online.
- ↑ SparkNotes: DNA Replication and Repair: The Chemistry of the Addition of Substrates of DNA Replication [online]. . Dostupné online.
- ↑ Do You Know the Differences Between DNA and RNA? [online]. [Cit. 2017-11-11]. Dostupné online.
- ↑ Difference Between DNA Polymerase and RNA Polymerase [online]. 2011-12-24. Dostupné online.
- ↑ a b Nucleic Acid Synthesis. [s.l.] : [s.n.], 2000. Dostupné online.
- ↑ Nucleotide biosynthesis is critical for growth of bacteria in human blood. PLOS Pathogens, February 2008, s. e37. DOI: 10.1371/journal.ppat.0040037. PMID 18282099.
- ↑ Nucleotide Biosynthesis. [s.l.] : [s.n.], 2002. Dostupné online.
- ↑ a b Nucleotide Metabolism: Nucleic Acid Synthesis [online]. . Dostupné online.
- ↑ Ribonucleotide reductases: amazing and confusing. The Journal of Biological Chemistry, 1990, s. 5329–32. Dostupné online. DOI: 10.1016/S0021-9258(19)39357-3. PMID 2180924.
- ↑ Purine Bases Can Be Synthesized de Novo or Recycled by Salvage Pathways. [s.l.] : [s.n.], 2002. Dostupné online.
- ↑ Purine Synthesis : Synthesis of Purine RiboNucleotides. BiochemDen.com, 2016-03-16. Dostupné online [cit. 2017-11-15].
- ↑ Key Steps in Nucleotide Biosynthesis Are Regulated by Feedback Inhibition. [s.l.] : [s.n.], 2002. Dostupné online.
- ↑ a b Regulation of purine ribonucleotide synthesis by end product inhibition. the effect of adenine and guanine ribonucleotides on the 5'-phosphoribosyl-pyrophosphate amidotransferase of aerobacter aerogenes. The Journal of Biological Chemistry, 1965, s. 358–65. DOI: 10.1016/S0021-9258(18)97657-X. PMID 14253438.
- ↑ Purine and pyrimidine nucleotide synthesis and metabolism. The Arabidopsis Book, April 2002, s. e0018. DOI: 10.1199/tab.0018. PMID 22303196.
- ↑ Pyrimidine Metabolism [online]. . Dostupné online.
- ↑ Regulation of mammalian nucleotide metabolism and biosynthesis. Nucleic Acids Research, February 2015, s. 2466–85. DOI: 10.1093/nar/gkv047. PMID 25628363.
- ↑ a b Structure, function, and mechanism of ribonucleotide reductases. Biochimica et Biophysica Acta, June 2004, s. 1–34. DOI: 10.1016/j.bbapap.2004.02.007. PMID 15158709.
- ↑ a b Oligomerization in Health and Disease. [s.l.] : [s.n.], 2013. ISBN 9780123869319. DOI:10.1016/B978-0-12-386931-9.00014-3 The Structural Basis for the Allosteric Regulation of Ribonucleotide Reductase, s. 389–410.
- ↑ Structural basis for allosteric regulation of human ribonucleotide reductase by nucleotide-induced oligomerization. Nature Structural & Molecular Biology, March 2011, s. 316–22. DOI: 10.1038/nsmb.2007. PMID 21336276.
- ↑ ATP [online]. . Dostupné online.
- ↑ Mitochondria, Cell Energy, ATP Synthase [online]. . Dostupné online.
- ↑ ATP Synthesis [online]. [Cit. 2022-09-11]. Dostupné online. Archivované 2021-07-24 z originálu.
- ↑ Mitochondrial ATP synthase: architecture, function and pathology. Journal of Inherited Metabolic Disease, March 2012, s. 211–25. DOI: 10.1007/s10545-011-9382-9. PMID 21874297.
- ↑ On the mechanism of ATP hydrolysis in F1-ATPase. Biophysical Journal, October 2003, s. 2253–66. DOI: 10.1016/S0006-3495(03)74650-5. PMID 14507690.
- ↑ ATP: Adenosine Triphosphate | Boundless Biology [online]. . Dostupné online.
- ↑ Modeling the mechanisms of biological GTP hydrolysis. Archives of Biochemistry and Biophysics, September 2015, s. 80–90. Dostupné online. DOI: 10.1016/j.abb.2015.02.027. PMID 25731854.
- ↑ a b G protein-coupled receptor | biochemistry | Britannica [online]. www.britannica.com, [cit. 2022-09-11]. Dostupné online. (po anglicky)
- ↑ a b Nucleoside Analogues [online]. . Dostupné online.
- ↑ Advances in the development of nucleoside and nucleotide analogues for cancer and viral diseases. Nature Reviews. Drug Discovery, June 2013, s. 447–64. DOI: 10.1038/nrd4010. PMID 23722347.
- ↑ Nucleoside analogs: molecular mechanisms signaling cell death. Oncogene, October 2008, s. 6522–37. DOI: 10.1038/onc.2008.316. PMID 18955977.
- ↑ Nucleoside analogues and nucleobases in cancer treatment. The Lancet. Oncology, July 2002, s. 415–24. DOI: 10.1016/s1470-2045(02)00788-x. PMID 12142171.
- ↑ Mechanisms of resistance to nucleoside analogue inhibitors of HIV-1 reverse transcriptase. Virus Research, June 2008, s. 124–46. DOI: 10.1016/j.virusres.2007.12.015. PMID 18272247.
Zdroj
[upraviť | upraviť zdroj]Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Nucleoside triphosphate na anglickej Wikipédii.