Guanina: cechy, struktura, szkolenie i funkcje

Guanina jest bazą azotową stosowaną do biosyntezy 5'-monofosforanu guanylanu i 5'-monofosforanu deoksyguanilanu. Obie substancje są odpowiednio częścią RNA i DNA, które przechowują informację genetyczną komórek.

Kwas rybonukleinowy (RNA) i kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) są tworzone przez nukleotydy, które składają się z zasady azotowej połączonej z cukrem i grupą fosforanową.

Oprócz bycia częścią kwasów nukleinowych, guanina, w postaci monofosforanu nukleozydu, difosforanu i trifosforanów (GMP, GDP i GTP) uczestniczy w procesach takich jak metabolizm energii, translacja sygnału wewnątrzkomórkowego, fizjologia fotoreceptorów i fuzja pęcherzyków.

Struktura chemiczna

Struktura chemiczna guaniny (2-amino-6-hydroksypuryny) jest heterocyklicznym pierścieniem purynowym, który składa się z układu dwóch połączonych pierścieni: jeden pierścień to pirymidyna, a drugi pierścień to imidazol.

Heterocykliczny pierścień guaniny jest płaski i ma pewne sprzężone wiązania podwójne. Dodatkowo, ma dwie formy tautomeryczne, formy keto i enol, pomiędzy grupami C-1 i N-6.

Funkcje

Cechy guaniny są następujące:

- Guanina jest substancją niepolarną. Jest nierozpuszczalny w wodzie, ale jest rozpuszczalny w stężonych roztworach mocnych kwasów lub zasad.

- Można go wydzielić jako białą substancję stałą o wzorze empirycznym C5H5N5O i masie cząsteczkowej 151, 3 g / mol.

- Właściwość pochłaniania światła przy 260 nm DNA wynika częściowo ze struktury chemicznej guaniny.

- W DNA guanina tworzy trzy wiązania wodorowe. Grupa karbonylowa C-6 jest akceptorem wiązania wodorowego, grupa N-1 i grupa aminowa C-2 są donorami wiązań wodorowych.

Z tego powodu potrzeba więcej energii, aby przerwać połączenie między guaniną i cytozyną, niż w przypadku adeniny z tyminą, ponieważ ta ostatnia para jest połączona tylko dwoma wiązaniami wodorowymi.

- W komórce zawsze jest częścią kwasów nukleinowych lub GMP, GDP i GTP, nigdy w wolnej formie.

Biosynteza

Cząsteczka guaniny, podobnie jak inne puryny, jest syntetyzowana de novo z 5-fosforybozylo-1-pirofosforanu (PRPP) poprzez reakcje katalizowane przez enzymy.

Pierwszym krokiem jest dodanie grupy aminowej, od glutaminy, do PRPP i 5-fosforybozyloaminy (PRA).

Następnie, w uporządkowanej kolejności, dochodzi do dodatku glicyny, asparaginianu, glutaminy, mrówczanu i dwutlenku węgla do PRA. W ten sposób powstaje pośredni metabolit zwany 5'-monofosforanem inozyny (IMP).

Podczas tego procesu stosowana jest energia swobodna hydrolizy ATP (5'-trifosforanu adenozyny), która wytwarza ADP (5'-difosforan adenozyny) i Pi (fosforan nieorganiczny).

Utlenianie IMP zależy od NAD + (dinukleotyd nikotynamidowy i adenina), wytwarza 5'-monofosforan ksantyny (XMP). Kolejne dodanie grupy aminowej do XMP daje cząsteczkę guanylanową.

Regulację biosyntezy guanilanu przeprowadza się na początku, gdy tworzy się PRA, a na końcu, gdy zachodzi utlenianie IMP. Regulacja zachodzi poprzez negatywne sprzężenie zwrotne: nukleotyd GMP hamuje enzymy w obu etapach.

Podczas degradacji metabolicznej nukleotydów zasady azotowe są poddawane recyklingowi. GMP jest tworzony przez enzym fosforybozylotransferazę hipoksantyny-guaniny, przenoszący grupę fosrybozylową z PRPP do guaniny.

Funkcja

Ponieważ guaniny nie można znaleźć w jej wolnej formie, jej funkcje są związane z GMP, PKB i GTP. Oto niektóre z nich:

- 5'-trifosforan guanozyny (GTP) działa jako rezerwuar darmowej energii. Grupa GTP fosforanu gamma może być przeniesiona do 5'-trifosforanu adenozyny (ADP), tworząc ATP. Ta reakcja jest odwracalna i jest katalizowana przez kinazę difosforanową nukleozydu.

- GMP jest najbardziej stabilną formą nukleotydu, który zawiera guaninę. Przez hydrolizę GMP tworzy cykliczny GMP (cGMP), który jest drugim przekaźnikiem podczas sygnalizacji wewnątrzkomórkowej, w szlakach translacyjnych. Na przykład w komórkach węchowych fotoreceptorów i chemoreceptorów.

- cGMP uczestniczy w rozluźnieniu naczyń krwionośnych mięśni gładkich podczas biosyntezy tlenku azotu w komórkach śródbłonka.

- Hydroliza GTP fosforanu gamma służy jako źródło darmowej energii do biosyntezy białek w rybosomach.

- Enzymy helikazy potrzebują wolnej energii hydrolizy GTP do oddzielenia podwójnej helisy DNA podczas replikacji i transkrypcji DNA.

- W neuronach hipokampa działanie zależnych od napięcia kanałów sodowych jest regulowane przez hydrolizę GTP do PKB.

Powiązane choroby

Wysoki poziom kwasu moczowego we krwi i moczu wiąże się z trzema różnymi defektami metabolicznymi, które zobaczymy poniżej.

Zespół Lescha-Nyhana

Charakteryzuje się niedoborem HPRT (fosforybozylotransferaza hipoksantyna-guanina), ważnym enzymem do recyklingu hipoksantyny i guaniny. W tym przypadku zwiększa poziomy PRPP i nie tworzy IMP i GMP, dwóch ważnych regulatorów początkowej fazy syntezy puryn. Wszystko to sprzyja biosyntezie de novo puryn.

Wzrosła aktywność syntazy PRPP

Powoduje to wzrost poziomów PRPP. Ten metabolit działa jako aktywator amidotransferazy glutaminy PRPP, która jest odpowiedzialna za syntezę 5-fosforybozyloaminy, zwiększając biosyntezę de novo puryn.

Zespół Von Gierke

Jest to choroba związana z przechowywaniem glikogenu typu I. Pacjenci z tym zespołem mają wadliwą 6-fosfatazę glukozową. Powoduje to wzrost poziomu glukozo-6-fosforanu, który służy do syntezy 5-fosforanu rybozy, poprzez fosforan pentozy.

5-fosforan rybozy jest wyjściowym metabolitem do biosyntezy PRPP. Podobnie jak w dwóch poprzednich przypadkach, prowadzi to do wzrostu biosyntezy de novo puryn.

Wzrost stężenia kwasu moczowego we krwi i moczu powoduje objawy, które są powszechnie znane jako dna moczanowa. W przypadku zespołu Lesch Nyhana pacjentom całkowicie brakuje aktywności enzymu HPRP, co prowadzi do manifestacji innych objawów, które obejmują paraliż i upośledzenie umysłowe.

Gen HPRP znajduje się na chromosomie X. Dlatego mutacje w tym genie wpływają na samce. Nie ma leczenia w leczeniu problemów neurologicznych. Objawy związane ze zwiększonym stężeniem kwasu moczowego są leczone allopurynolem.