السيتوزين: الهيكل والوظائف والخصائص والتوليف - مادة الاحياء - 2025

و السيتوزين هو نوع بيريميدين nucleobase، خدمة لالحيوي من سيتيدين-5'-الأدينوزين وdeoxycytidine 5'-الأدينوزين. تعمل هذه المركبات في التخليق الحيوي ، على التوالي ، لحمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). يقوم الحمض النووي بتخزين المعلومات الجينية وله وظائف مختلفة.

في الكائنات الحية ، لا يتم العثور على السيتوزين مجانًا ، ولكن عادةً ما يشكل ريبونوكليوتيدات أو ديوكسي ريبونوكليوتيدات. يحتوي كلا النوعين من المركبات على مجموعة فوسفات وريبوز وقاعدة نيتروجين.

المصدر: Vesprcom

يحتوي الكربون 2 في الريبوز على مجموعة هيدروكسيل (-OH) في ريبونوكليوتيدات ، وذرة هيدروجين (-H) في ديوكسي ريبونوكليوتيدات. اعتمادًا على عدد مجموعات الفوسفات الموجودة ، يوجد سيتيدين-5′-أحادي الفوسفات (CMP) وسيتيدين-5′-ثنائي الفوسفات (CDP) وسيتيدين-5′-ثلاثي الفوسفات (CTP).

تسمى المكافئات غير المؤكسجة deoxycytidin-5′-monophosphate (dCMP) و deoxycytidin-5′-diphosphate (dCDP) و deoxycytidine-5′-triphosphate (dCTP).

يشارك السيتوزين ، بأشكاله المختلفة ، في وظائف مختلفة ، مثل التخليق الحيوي للحمض النووي والحمض النووي الريبي ، والتخليق الحيوي للبروتين السكري ، وتنظيم التعبير الجيني.

الهيكل والخصائص

سيتوزين ، 4-أمينو-2-هيدروكسي بريميدين ، له الصيغة التجريبية C ₄ H ₅ N ₃ O ، الذي يبلغ وزنه الجزيئي 111.10 جم / مول ، ويتم تنقيته كمسحوق أبيض.

هيكل السيتوزين هو حلقة عطرية حلقية غير متجانسة. الطول الموجي لأقصى امتصاص (ʎ _max) هو 260 نانومتر. تتجاوز درجة حرارة انصهار السيتوزين 300 درجة مئوية.

لتشكيل نيوكليوتيد ، يتم ربط السيتوزين تساهميًا ، من خلال النيتروجين 1 ، عبر رابطة N-beta-glycosidic إلى 1 كربون من الريبوز. يتم أسترة 5 ′ كربون بمجموعة فوسفات.

التخليق الحيوي

يحتوي التخليق الحيوي للنيوكليوتيدات في البيريميدين على مسار مشترك ، يتكون من ست خطوات محفزة بالإنزيم. يبدأ المسار بالتخليق الحيوي لفوسفات الكاربامويل. يوجد في بدائيات النوى إنزيم واحد فقط: سينسيز كربامويل فوسفات. هذا هو المسؤول عن تخليق البيريميدين والجلوتامين. في حقيقيات النوى ، هناك كاربامويل سينثيز 1 و 2 ، وهما المسؤولان ، على التوالي ، عن التخليق الحيوي للجلوتامين والبيريميدين.

تتكون الخطوة الثانية من تكوين N-carbamoylaspartate ، من فوسفات الكربويل والأسبارتات ، وهو تفاعل محفز بواسطة الأسبارتات transcabamoylase (ATCase).

والخطوة الثالثة هي تخليق L-dihydrorotate ، والذي يتسبب في إغلاق حلقة البيريميدين. يتم تحفيز هذه الخطوة بواسطة ثنائي هيدروتاز.

والخطوة الرابعة هي تكوين مادة الأوروتات ، وهو تفاعل الأكسدة والاختزال المحفز بواسطة نازعة هيدروجين ثنائي هيدروجين.

تتكون الخطوة الخامسة من تكوين orotidylate (OMP) باستخدام phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP) كركيزة ، و orotate phosphoribosyl transferase كمحفز.

الخطوة السادسة هي تكوين اليوريديلات (uridin-5′-monophosphate ، UMP) ، وهو تفاعل محفز بواسطة OMP-decarboxylase.

تتكون الخطوات التالية من الفسفرة المحفزة بالكيناز لـ UMP لتشكيل UTP ، ونقل مجموعة أمينية من الجلوتامين إلى UTP لتشكيل CTP ، وهو تفاعل محفز بواسطة CTP synthetase.

تنظيم التخليق الحيوي

في الثدييات ، يحدث التنظيم على مستوى carbamoyl phosphate synthase II ، وهو إنزيم موجود في العصارة الخلوية ، في حين أن carbamoyl phosphate synthase I عبارة عن ميتوكوندريا.

سينثاس كاربامويل فوسفات II ينظمه ردود فعل سلبية. المنظمين ، UTP و PRPP ، على التوالي ، مثبط ومنشط لهذا الإنزيم.

في الأنسجة غير الكبدية ، يعتبر carbamoyl phosphate synthase II المصدر الوحيد لفوسفات الكاربامويل. أثناء وجوده في الكبد ، في ظل ظروف الأمونيا الزائدة ، ينتج سينثيز فوسفات الكاربامويل الأول ، في الميتوكوندريا ، فوسفات الكاربامويل ، الذي يتم نقله إلى العصارة الخلوية ، حيث يدخل مسار التخليق الحيوي للبيريميدين.

نقطة أخرى من التنظيم هي OMP-decarboxylase ، الذي ينظمه التثبيط التنافسي. يتنافس منتج التفاعل ، UMP ، مع OMP لموقع الربط على OMP-decarboxylase.

يتم إعادة تدوير البيريميدينات ، مثل السيتوزين

إن إعادة تدوير البيريميدين له وظيفة إعادة استخدام البيريميدينات دون الحاجة إلى التخليق الحيوي de novo الحيوي ، وتجنب المسار التدهور. يتم تحفيز تفاعل إعادة التدوير بواسطة ناقل بيريميميدين phosphoribosyltransferase. رد الفعل العام هو كما يلي:

بيريميدين + PRPP -> نيوكليوسيد بيريميدين 5′-أحادي الفوسفات + PPi

في الفقاريات ، تم العثور على بيريميميدين فسفوريبوسيل ترانسفيراز في كريات الدم الحمراء. الركيزة بيريميدين لهذا الإنزيم هي اليوراسيل والثايمين والأوروتات. يتم إعادة تدوير السيتوزين بشكل غير مباشر من uridine-5′-monophosphate.

دور في التخليق الحيوي للحمض النووي

أثناء تكرار الحمض النووي ، يتم نسخ المعلومات الموجودة في الحمض النووي إلى الحمض النووي بواسطة بوليميريز الحمض النووي.

يتطلب التخليق الحيوي للحمض النووي الريبي ديوكسينوكليوتيد ثلاثي الفوسفات (dNTP) ، وهي: ديوكسي ثيميدين ثلاثي الفوسفات (dTTP) ، ديوكسيتيدين ثلاثي الفوسفات (dCTP) ، ديوكسي أدينين ثلاثي الفوسفات (dATP) وديوكسي جوينين ثلاثي الفوسفات (dGTP). رد الفعل هو:

(DNA) _{n بقايا} + dNTP -> (DNA) _{n + 1} بقايا + PPi

يوفر التحلل المائي لبيروفوسفات غير عضوي (PPi) الطاقة اللازمة للتخليق الحيوي للحمض النووي الريبي.

دور في تثبيت بنية الحمض النووي

في الحلزون المزدوج للحمض النووي ، يرتبط البيورين أحادي السلسلة بالبيريميدين المعاكس الذي تقطعت به السبل بواسطة روابط هيدروجينية. وهكذا ، يرتبط السيتوزين دائمًا بالجوانين بثلاث روابط هيدروجينية: الأدينين مرتبط بالثيمين برابطتين هيدروجينيتين.

تنكسر روابط الهيدروجين عندما يتعرض محلول من الحمض النووي المنقى الأصلي ، عند درجة الحموضة 7 ، لدرجات حرارة أعلى من 80 درجة مئوية. يؤدي هذا إلى تشكيل الحلزون المزدوج للحمض النووي إلى خيطين منفصلين. تُعرف هذه العملية باسم التمسخ.

تُعرف درجة الحرارة التي يتم فيها تغيير طبيعة 50٪ من الحمض النووي بدرجة حرارة الانصهار (Tm). جزيئات الدنا التي تكون نسبة الجوانين والسيتوزين فيها أعلى من تلك الموجودة في الثايمين والأدينين لها قيم Tm أعلى من تلك التي تكون نسبتها الأساسية معكوسة.

يشكل ما تم وصفه أعلاه دليلًا تجريبيًا على أن عددًا أكبر من الروابط الهيدروجينية يعمل على استقرار جزيئات الحمض النووي الأصلية بشكل أفضل.

وظيفة المناطق الغنية بالسيتوزين في الحمض النووي

في الآونة الأخيرة ، وجد أن الحمض النووي من نواة الخلايا البشرية يمكن أن يتبنى هياكل عزر متناثرة (iM). تحدث هذه الهياكل في المناطق الغنية بالسيتوزين.

يتكون هيكل iM من أربعة خيوط من الحمض النووي ، على عكس الحمض النووي المزدوج الشريطة الكلاسيكي الذي يحتوي على خيطين. وبشكل أكثر تحديدًا ، تتخلل سلسلتان مزدوجتان متوازيتان في اتجاه معاكس ، ويتم ربطهما معًا بواسطة زوج من السيتوزينات ذات البروتونات النصفية (C: C ⁺).

في الجينوم البشري ، توجد هياكل iM في مناطق مثل المحفزات والتيلوميرات. يكون عدد هياكل iM أعلى خلال مرحلة G1 / S من دورة الخلية ، حيث يكون النسخ مرتفعًا. هذه المناطق عبارة عن مواقع للتعرف على البروتين تشارك في تنشيط آلية النسخ.

من ناحية أخرى ، في المناطق الغنية بأزواج قاعدة الجوانين المتتالية (C) ، يميل الحمض النووي إلى اعتماد شكل الحلزون A ، في ظل ظروف الجفاف. هذا الشكل نموذجي لنطاقات RNA و DNA-RNA المزدوجة أثناء النسخ والتكرار ، وفي أوقات معينة عندما يرتبط الحمض النووي بالبروتينات.

ثبت أن المناطق القاعدية المتتالية للسيتوزين تخلق رقعة موجبة للكهرباء في الشق الرئيسي للحمض النووي. وبالتالي ، يُعتقد أن هذه المناطق ترتبط بالبروتينات ، مما يهيئ مناطق جينومية معينة للهشاشة الوراثية.

دور في التخليق الحيوي للحمض النووي الريبي

أثناء النسخ ، يتم نسخ المعلومات الموجودة في الحمض النووي إلى RNA بواسطة بوليميريز RNA. يتطلب التخليق الحيوي للحمض النووي الريبي نوكليوزيد ثلاثي الفوسفات (NTP) ، وهي: سيتيدين ثلاثي الفوسفات (CTP) ، يوريدين ثلاثي الفوسفات (UTP) ، أدينين ثلاثي الفوسفات (ATP) وجوانين ثلاثي الفوسفات (GTP). رد الفعل هو:

(RNA) _{n بقايا} + NTP -> (RNA) _{n + 1} بقايا + PPi

يوفر التحلل المائي لبيروفوسفات غير عضوي (PPi) الطاقة اللازمة للتخليق الحيوي للحمض النووي الريبي.

دور في التخليق الحيوي للبروتين السكري

يحدث النقل المتسلسل للسداسيات لتكوين السكريات القليلة ، المرتبطة بالبروتينات ، من سلائف النيوكليوتيدات.

في الفقاريات ، تتكون الخطوة الأخيرة من التخليق الحيوي قليل السكاريد المرتبط بـ O من إضافة اثنين من بقايا حمض السياليك (N-acetylneuraminic) من سلائف cytidine-5′-monophosphate (CMP). يحدث هذا التفاعل في كيس جولجي.

علاجات السيتوزين والعلاج الكيميائي للسرطان

حمض تتراهيدروفولات (FH4) هو مصدر لمجموعات -CH ₃ ، وهو ضروري للتخليق الحيوي لـ dTMP من dUMP. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تشكيل FH2. يتطلب تقليل FH2 إلى FH4 اختزال حمض الفوليك و NADPH. تُستخدم بعض مثبطات اختزال الفولات ، مثل أمينوبترين وميثوتريكسات ، في علاج السرطان.

الميثوتريكسان مثبط تنافسي. يرتبط اختزال الفولات مع تقارب هذا المانع بنسبة 100 مرة أكثر من الركيزة. يعمل Aminopterin بطريقة مماثلة.

يعيق تثبيط اختزال الفولات بشكل غير مباشر التخليق الحيوي لـ dTMP ، وبالتالي فإن dCTP. يحدث التثبيط المباشر عن طريق مثبطات إنزيم سينثيتاز ثيميديل ، الذي يحفز dTMP من dUMP. هذه المثبطات هي 5-فلورويوراسيل و 5-فلورو -2-ديوكسيوريدين.

على سبيل المثال ، لا يعتبر 5-fluoroacyl مثبطًا في حد ذاته ولكن يتم تحويله أولاً ، في مسار إعادة التدوير ، إلى deoxyuridine mphosphate d (FdUMP) ، والذي يربط ويثبط مادة thymidylate synthetase.

المواد المشابهة للجلوتامين ، الآزاسرين والأسي سيفيكين ، تثبط الجلوتامين الوسطي ترانسفيراز. كان الأزارين من أوائل المواد التي تم اكتشافها لتعمل كعامل مثبط للانتحار.

المراجع

1. Assi، HA، Garavís، M.، González، C.، and Damha، MJ 2018. i-Motif DNA: السمات الهيكلية والأهمية لبيولوجيا الخلية. أبحاث الأحماض النووية ، 46: 8038-8056.
2. Bohinski، R. 1991. الكيمياء الحيوية. Addison-Wesley Iberoamericana ، ويلمنجتون ، ديلاوير.
3. Devlin، TM 2000. الكيمياء الحيوية. افتتاحية Reverté ، برشلونة.
4. لوديش ، إتش ، بيرك ، أ. ، زيبورسكي ، إس إل ، ماتسوداريا ، بي ، بالتيمور ، دي ، دارنيل ، ج. 2003. البيولوجيا الخلوية والجزيئية. افتتاحية Medica Panamericana ، بوينس آيرس ، بوغوتا ، كاراكاس ، مدريد ، المكسيك ، ساو باولو.
5. Nelson، DL، Cox، MM 2008. Lehninger - مبادئ الكيمياء الحيوية. دبليو إتش فريمان ، نيويورك.
6. Voet، D. and Voet، J. 2004. الكيمياء الحيوية. جون وايلي وأولاده ، الولايات المتحدة الأمريكية.