URACIL: CẤU TRÚC, CHỨC NĂNG, ĐẶC TÍNH, TỔNG HỢP - SINH HỌC - 2025

Các uracil là một loại pyrimidin nucleobase, tìm thấy trong các axit ribonucleic (RNA). Đây là một trong những đặc điểm giúp phân biệt RNA với axit deoxyribonucleic (DNA), vì sau này có thymine thay vì uracil. Cả hai chất, uracil và thymine, chỉ khác nhau ở chỗ chất sau có một nhóm metyl.

Theo quan điểm tiến hóa, người ta đã đề xuất rằng ARN là phân tử đầu tiên lưu trữ thông tin di truyền và có chức năng như một chất xúc tác trong tế bào, trước ADN và các enzym. Bởi vì điều này, uracil được cho là đã đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của sự sống.

Nguồn: Kemikungen

Trong cơ thể sống, uracil không được tìm thấy ở dạng tự do mà thường ở dạng nucleotide monophosphate (UMP), diphosphate (UDP) và triphosphate (UTP). Các nucleotide uracil này có các chức năng khác nhau, chẳng hạn như sinh tổng hợp RNA và glycogen, chuyển đổi đồng phân giữa các loại đường và điều hòa tổng hợp glutamine.

Cấu trúc và tính chất

Uracil, được gọi là 2,4-dioxypyridine, có công thức thực nghiệm C ₄ H ₄ N ₂ O ₂ , có trọng lượng phân tử là 112,09 g / mol, và được tinh chế dưới dạng bột màu trắng.

Cấu trúc của uridine là một vòng dị vòng với bốn nguyên tử cacbon và hai nguyên tử nitơ, với các liên kết đôi xen kẽ. Nó là phẳng.

Nó có độ hòa tan 50mg / ml, ở 25ºC, trong 1M natri hydroxit và pKa từ 7,9 đến 8,2. Bước sóng tại đó độ hấp thụ cực đại (ʎ _max ) của nó xảy ra là từ 258 đến 260 nm.

Sinh tổng hợp

Có một con đường phổ biến để sinh tổng hợp pyrimidine nucleotide (uracil và cytokine). Bước đầu tiên là sinh tổng hợp carbamoyl phosphate từ CO ₂ và NH ₄ ⁺ , được xúc tác bởi carbamoyl phosphate synthetase.

Pyrimidine được xây dựng từ carboyl phosphate và aspartate. Cả hai chất đều phản ứng và tạo thành N-carbamoylaspartate, một phản ứng được xúc tác bởi aspartate transcabamoylase (ATCase). Sự đóng vòng pyrimidine là do sự khử nước được xúc tác bởi dihydrootase và tạo ra L-dihydrorotate.

L-dihydrorotate bị oxy hóa và chuyển thành orotate; chất nhận electron là NAD ⁺ . Nó là một phản ứng được xúc tác bởi dihydroorotate dehydrogenase. Bước tiếp theo bao gồm chuyển nhóm phosphoribosyl, từ phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP), thành orotate. Nó tạo thành orotidylate (OMP) và pyrophosphate vô cơ (PPi), được xúc tác bởi orotate phosphoribosyl transferase.

Bước cuối cùng bao gồm quá trình khử carboxyl hóa vòng pyrimidine của orotidylate (OMP). Nó tạo thành uridylate (uridin-5'-monophosphate, UMP), được xúc tác bởi một decarboxylase.

Sau đó, thông qua sự tham gia của kinase, một nhóm phosphate được chuyển từ ATP sang UMP, tạo thành UDP (uridine-5′-diphosphate). Sau đó được lặp lại, tạo thành UTP (uridin-5′-triphosphat).

Điều hòa sinh tổng hợp

Ở vi khuẩn, điều hòa sinh tổng hợp pyrimidine xảy ra bằng phản hồi tiêu cực, ở mức aspartate transcabamoylase (ATCase).

Enzyme này bị ức chế bởi CTP (cytidine-5′-triphosphate), là sản phẩm cuối cùng của con đường sinh tổng hợp pyrimidine. ATCase sở hữu các tiểu đơn vị điều chỉnh liên kết với CTP điều hòa allosteric.

Ở động vật, điều hòa sinh tổng hợp pyrimidine xảy ra thông qua phản hồi tiêu cực, ở mức độ của hai enzym: 1) carbamoyl phosphat synthase II, bị ức chế bởi UTP và được hoạt hóa bởi ATP và PRPP; và 2) OMP decarboxylase, bị ức chế bởi sản phẩm của phản ứng mà nó xúc tác, UMP. Tốc độ sinh tổng hợp OMP thay đổi tùy theo sự sẵn có của PRPP.

Vai trò trong sinh tổng hợp RNA

Uracil có trong tất cả các loại RNA, chẳng hạn như RNA thông tin (mRNA), RNA vận chuyển (tRNA) và RNA ribosome (rRNA). Quá trình sinh tổng hợp các phân tử này xảy ra thông qua một quá trình gọi là phiên mã.

Trong quá trình phiên mã, thông tin chứa trong DNA được RNA polymerase sao chép thành RNA. Quá trình ngược lại, trong đó thông tin chứa trong ARN được sao chép thành ADN, xảy ra ở một số vi rút và thực vật thông qua enzym phiên mã ngược.

Quá trình sinh tổng hợp RNA cần nucleoside triphosphate (NTP), cụ thể là: uridine triphosphate (UTP), cytidine triphosphate (CTP), adenine triphosphate (ATP) và guanine triphosphate (GTP). Phản ứng là:

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

Quá trình thủy phân pyrophosphat vô cơ (PPi) cung cấp năng lượng cho quá trình sinh tổng hợp ARN.

Vai trò trong quá trình sinh tổng hợp đường

Đường este rất phổ biến trong cơ thể sống. Một số este này là diphosphat nucleoside ester, chẳng hạn như đường UDP, có rất nhiều trong tế bào. Đường UDP tham gia vào quá trình sinh tổng hợp disaccharid, oligosaccharid và polysaccharid.

Ở thực vật, sinh tổng hợp sacaroza xảy ra thông qua hai con đường: con đường chính và con đường thứ cấp.

Con đường chính là chuyển D-glucose từ UDP-D-glucose thành D-fructose để tạo thành sucrose và UDP. Con đường thứ cấp bao gồm hai bước: nó bắt đầu với UDP-D-glucose và fructose-6-phosphate và kết thúc với sự hình thành của sucrose và phosphate.

Trong tuyến vú, quá trình sinh tổng hợp lactose xảy ra từ UDP-D-galactose và glucose.

Ở thực vật, quá trình sinh tổng hợp cellulose được thực hiện bằng sự ngưng tụ liên tục của các gốc beta-D-glucosyl, từ UDP-glucose đến đầu không khử của chuỗi polyglucose đang phát triển. Tương tự, quá trình sinh tổng hợp amylose và amylopectin đòi hỏi UDP-glucose như một cơ chất cung cấp glucose cho chuỗi đang phát triển.

Ở động vật, cả UDP-glucose và ADP-glucose đều được sử dụng để sinh tổng hợp glycogen. Tương tự, sinh tổng hợp chondroitin sulfat cần UDP-xylose, UDP-galactose và UDP-glucuronate.

Vai trò trong chuyển đổi đồng phân giữa các loại đường

Việc chuyển đổi galactose thành chất trung gian của quá trình đường phân xảy ra thông qua con đường Leloir. Một trong những bước của con đường này được xúc tác bởi enzym UDP-galactose-4-epimerase, tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển đổi lẫn nhau của UDP-galactose thành UDP-glucose.

Vai trò trong sinh tổng hợp glycoprotein

Trong quá trình sinh tổng hợp glycoprotein, các protein đi qua các túi cis, giữa và trans của bộ máy Golgi.

Mỗi túi này có một tập hợp các enzym xử lý glycoprotein. Các đơn phân đường, chẳng hạn như glucose và galactose, được thêm vào oligosaccharide của protein từ UDP-hexose và các nucleotide-hexose khác.

Các nucleotide hexose được vận chuyển đến các bể chứa Golgi bằng antiport. UDP-galactose (UDP-Gal) và UDP-N-acetylgalactosamine (UDP-GalNAc) đi vào các bể chứa từ dịch bào bằng cách trao đổi lấy UMP.

Trong bể chứa Golgi, một men phosphatase thủy phân một nhóm phosphate trên UDP và tạo thành UMP và Pi. UDP đến từ các phản ứng được xúc tác bởi galactosyltransferase và N-acetylgalactosamyltransferase. UMP được tạo thành bởi phosphatase phục vụ cho quá trình trao đổi nucleotide-hexose.

Vai trò trong việc điều chỉnh tổng hợp glutamine

Cơ chế điều chỉnh của glutamine synthase là biến đổi cộng hóa trị, bao gồm quá trình adenyl hóa, làm bất hoạt nó, và khử enzym, kích hoạt nó. Sự biến đổi cộng hóa trị này có thể đảo ngược và được xúc tác bởi adenyltransferase.

Hoạt động của adenyltransferase được điều chỉnh bởi sự liên kết của protein PII, được điều chỉnh bởi một biến đổi cộng hóa trị, uridinyl hóa.

Cả quá trình uridyl hóa và deuridyl hóa đều được thực hiện bởi uridylyltransferase. Trong enzyme này, hoạt động uridyl hóa là do glutamine và phosphate, và được kích hoạt bởi sự liên kết của alpha-ketoglutarate và ATP với PII.

Vai trò trong chỉnh sửa RNA

Một số mRNA được chỉnh sửa trước khi dịch. Ở một số sinh vật nhân chuẩn, chẳng hạn như Trypanosoma brucei, có sự chỉnh sửa RNA của bản sao của gen tiểu đơn vị cytochrome oxidase II. Điều này xảy ra thông qua việc chèn các dư lượng uracil, một phản ứng được xúc tác bởi uridyltransferase tận cùng.

RNA dẫn đường, bổ sung cho sản phẩm đã chỉnh sửa, đóng vai trò như một khuôn mẫu cho quá trình chỉnh sửa. Các cặp bazơ được hình thành giữa bản phiên mã ban đầu và RNA dẫn đường liên quan đến cặp bazơ G = U không phải là Watson-Crick và phổ biến trong RNA.

Sinh tổng hợp UDP-glucose

Trong điều kiện sinh lý, sinh tổng hợp glycogen từ glucose-1-phosphate là không thể về mặt nhiệt động lực học (ΔG dương). Do đó, trước khi sinh tổng hợp, sự hoạt hóa của glucose-1-phosphate (G1P) xảy ra. Phản ứng này kết hợp G1P và UTP để tạo thành uridine diphosphate glucose (UDP-glucose hoặc UDPG).

Phản ứng được xúc tác bởi UDP-glucose pyrophosphorylase, và như sau:

G1P + UTP -> UDP-glucose + 2Pi.

Sự biến thiên năng lượng tự do Gibbs trong bước này là lớn và âm (-33,5 KJ / mol). Trong quá trình phản ứng với oxy, G1P tấn công nguyên tử phốt pho alpha của UTP và tạo thành UDP-glucose và pyrophosphate vô cơ (PPi). Tiếp theo, PPi bị thủy phân bởi một pyrophosphatase vô cơ, năng lượng thủy phân của nó là yếu tố thúc đẩy phản ứng chung.

UDP-glucose là một chất "năng lượng cao". Nó cho phép hình thành các liên kết glycosidic giữa phần dư glucose và chuỗi polysaccharide đang phát triển. Nguyên tắc năng lượng tương tự này có thể áp dụng cho các phản ứng mà đường UDP tham gia, chẳng hạn như sinh tổng hợp các disaccharide, oligosaccharide và glycoprotein.

Uracil DNA glycosylase

Có những tổn thương DNA xảy ra một cách tự phát. Một trong những tổn thương này là sự vô hiệu hóa tự phát của cytokine, và hậu quả là chuyển đổi thành uracil. Trong trường hợp này, quá trình sửa chữa diễn ra bằng cách loại bỏ gốc đã sửa đổi khỏi DNA bởi một enzyme gọi là uracil DNA glycosylase.

Enzyme uracil DNA glycosylase loại bỏ cytokine bị hư hỏng (uracil), tạo ra dư lượng deoxyribose thiếu base nitơ, được gọi là vị trí AP (apurinic-apyrimidinic site).

Sau đó, enzyme AP endonuclease sẽ cắt qua xương sống phosphodiester của vị trí AP, loại bỏ dư lượng đường-phosphate. DNA polymerase I phục hồi các sợi bị hư hỏng.

Người giới thiệu

1. Bohinski, R. 1991. Hóa sinh. Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, Delaware.
2. Devlin, TM 2000. Hóa sinh. Editorial Reverté, Barcelona.
3. Lodish, H., Berk, A., Zipurski, SL, Matsudaria, P., Baltimore, D., Darnell, J. 2003. Sinh học tế bào và phân tử. Editorial Medica Panamericana, Buenos Aires, Bogotá, Caracas, Madrid, Mexico, Sāo Paulo.
4. Nelson, DL, Cox, MM 2008. Lehninger - Các nguyên lý của hóa sinh. WH Freeman, New York.
5. Voet, D. và Voet, J. 2004. Hóa sinh. John Wiley và Sons, Hoa Kỳ.