Nukleotid

Nukleotid - Et nukleosid som har festet til seg en, to eller tre fosfatgrupper via en esterbinding til sukkermolekylet. DNA og RNA er en polymer av nukleotider. Base + sukker + fosfat = nukleotid. Nukleosid-5´-trifosfater (NTP eller dNTP) er byggeblokkene i RNA og DNA. Ved nøytral pH vil fosfatgruppen ha en negativ ladning og derfor kalles nukleinsyrene for syrer.

Nukleotidene danner grunnstrukturen i nukleinsyrene DNA og RNA. Nukleotidene er satt sammen av en base, et monosakkarid og fosfat.Nukleotider inngår også i omsetning av kjemisk energi i cellene via ATP-ADP-AMP og GTP-GDP-GMP.Syklisk AMP (cAMP) og syklisk GMP (cGMP) deltar som sekundære budbringere i signaloverføring i cellene. Nukleotider er en bestanddel i koenzymer.

Polynukleotidkjede

Baser

Basene er puriner: Adenin (A) og Guanin (G) som finnes både i deoksyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA) og pyrimidiner: Cytosin (C), Thymin (T) og Uracil (U). Cytosin og Thymin i DNA, og Cytosin og Uracil i RNA. Basene er hydrofobe og har en flat kjemisk struktur slik at de kan stables opp på hverandre (hydrofob stabling)  når basene stikker ut fra den hydrofile kjeden med sukkermolekyler bundet sammen i fosfodiesterbinding.

Monosakkarid

Monosakkarridet er et femkarbonsukker (pentose), deoksyribose (2’-deoksy-β-D-ribose( i DNA og ribose (β-D-ribose)  i RNA. Basene er festet med en N-glykosidbinding til karbonatom C1 på pentosen.

Fosfat

Fosfat er festet med en esterbinding til karbonatom C5 på pentose. Molekyler bestående av base og pentose, men hvor pentosen ikke er bundet til fosfat kalles nukleosider. Hvis fosfat er bundet til pentosen kalles molekylene nukleotider.

Ribose og deoksyribose

Nukleotidene i RNA er:  Adenylat (adenosin-5’-monofosfat, AMP, A), Guanylat (guanosin-5’-monofosfat, GMP, G), Uridylat (uridin-5’-monofosfat, UMP, U), og Cytidylat (cytidin-5’-monofosfat, CMP, C).

Nukleotidene i DNA er: Deoksyadenylat (deoksyadenosin-5’-monofosfat, dAMP, dA, A), Deoksyguanylat (deoksyguanosin-5’-monofosfat, dGMP, dG, G), Deoksythymidylat (deoksythymidin-5’-monofosfat, dTMP, dT, T), Deoksycytidylat (deoksycytidin-5’-monofosfat, dCMP, dC, C).

Nukleinsyrer og nukleotidsekvens

Nukleotidene er hektet sammen slik at fosfatgruppen på nukleotidet er koblet med 3’-hydrosygruppen (3’-OH) på pentosen i en fosfordiesterbinding. En esterbinding dannes mellom en syre (-COOH) og en alkohol (-OH). Nukleotidsekvensen får derved en 5’-ende og 3’-ende, skrevet på papir henholdsvis til venstre og høyre side.

DNA (deoksyribose nukleinsyre)

I DNA er det to nukleotidsekvenser som går motsatt vei (antiparallelle) og tvinnet sammen,  hvor sukkerkjeden vender utover,  og de hydrofobe basene vender innover,  festet sammen med hydrogenbindinger. De to kjedene er komplementære hvor adenin (A) er bundet til thymin  (T), og guanin (G) til cytosin (C) (Chargaffs regel). En dobbelheliks. Det er to hydrogenbindinger mellom A-T og tre hydrogenbindinger mellom G-C.  I tillegg er det van der Waals krefter og  dipol-dipol interaksjoner mellom de flate hydrofobe basene som ligger i stabel. Når de to kjedene i DNA skal tvinnes fra hverandre for å blottlegge kodende nukleotidsekvenser oppstår det fysiske spenninger i tråden som må fjernes ved hjelp av enzymer (gyraser, topoisomeraser). De to nukleinsyretrådene er innpakket i histonproteiner og snurpet opp omkring nukleosomer. Oligonukleotider er korte, mens polynukleotider er lange nukleotidkjeder med mer enn 50 baser. DNA er et relativt stabilt molekyl. Ved kopiering av DNA-tråden i celledelingen vil DNA polymerase foreta korrekturlesing og rette feil. Feil i nukleotidsekvensen blir reparert av egne DNA reparasjonsenzymer, bl.a. blått lys aktiverte fotoreaktiveringsenzymer som reparerer UV-skader.

RNA (ribose nukleinsyre)

I RNA er det vanligvis bare en nukleotidkjede. Imidlertid kan denne RNA-kjeden inngå baseparring med seg selv og danne hårnålsløkker (palindromer) hvor nukleotidsekvensen er lik i både 5’-3’retning og 3’-5’-retning). RNA kan også danne baseparring med DNA og med andre RNA, for eksempel ved RNA interferens. Til forskjell fra DNA er RNA et mer ustabilt molekyl, spesielt under basiske forhold.

UV-stråling og nukleinsyrer

Grunnet basene i DNA og RNA absorberer begge molekylene ultrafiolett stråling (UV) med absorbsjonstopp 260 nm. Denaturert DNA har høyere absorbanse i UV (hyperkromeffekt) enn renaturert DNA (hypokromeffekt). Proteiner derimot absorberer UV med maksimum absorbsjonstopp 280 nm grunnet det aromatiske aminosyrene tyrosin og fenylalanin.

Temperatur og nukleinsyrer

Blir DNA oppvarmet til ca. 90oC så blir de to trådene atskilt, kalt denaturering. Det såkalte DNA-smeltepunktet avhenger av G-C innholdet, siden det er tre hydrogenbindinger mellom GC som stabiliserer mer enn de to hydrogenbindingene mellom A-T. Smeltepunktet avhenger også av lengden av tråden, surhetsgraden (pH) og ionekonsentrasjonen i løsningen (ionestyrke). Ved avkjøling kobles de to DNA-trådene sammen igjen, en renaturering. Oppvarming av DNA og atskillelse av DNA-trådene er et viktig prinsipp i polymerase kjedereaksjonen (PCR) som blir brukt til oppformering av DNA med hjelp av en varmestabil Taq DNA polymerase.

 

DNA og RNA

Nukleotider i syntese av stivelse, sukrose og cellulose i planter

I kloroplastene og amyloplaster er ADP-glukose glykosyl-donor i syntesen av stivelse. Enzymet ADP-glukose pyrofosforylase katalyserer reaksjonen mellom glukose-1-fosfat og adenosintrifosfat (ATP):

glukose-1-fosfat  +  ATP → ADP-glukose + PPi

I syntesen av fotosynteseproduktet disakkaridet sukrose i cytoplasma, en viktig transportform av karbohydrater i silvevet, inngår UDP-glukose. Enzymet UDP-glukose pyrofosforylase karalyserer reaksjonen mellom glukose-1-fosfat og uridin trifosfat (UTP): 

glukose-1-fosfat  +  UTP → UDP-glukose + PPi

I neste trinn katalysert av sukrose-6-fosfat syntase reagerer UDP-glukose med fruktose-6-fosfat:

UDP-glukose + fruktose-6-fosfat → sukrose-6-fosfat + UDP

UDP-glukose blir også brukt i syntese av cellulose og hemicellulose i celleveggene hos planter. 

Nukleotidanaloger innen medisin

Nukleotidanaloger kjemiske stoffer som har kjemiske likhetstrekk med nukleotider og består av en baseanalog, et sukkermolekyl og en fosfatgruppe.

Reaksjonen katalysert av nukleosidmonofosfat kinase:

nukleosidmonofosfat + ATP → nukleosiddifosfat + ADP

Reaksjonen katalysert av nukleosiddifosfat kinase:

Nukleotiddifosfat + ATP → nukleosidtrifosfat + ADP

Nukleosidanaloger er nukleosider som inneholder en baseanalog og sukker, og i fosforylert form virker de som et nukleotid.  

Baseanaloger har lik kjemisk struktur som en av de fire basene i DNA (adenin, guanin, cytosin eller thymin), og inngår i strukturen til en av nukleotid- eller nukleosidanalogene. Baseanaloger gir endret baseparing og strukturendringer i DNA som kan påvirke replikasjon og translasjon. 

Nukleotid-,- nukleosid- og base-analoger inngår som virkestoff i en lang rekke forskjellige legemidlerblant annet antivirale midler, innen kjemoterapi og som nukleosidantibiotika.

Analogene kan være adenosin-, deoksyadenosin-, deoksycytidin-, guanosin-, deoksyguanosin, thymidin- , deoksythymidin- og deoksyuridin-analoger. Blir også kalt antimetabolitter.

Et par eksempler:

5-bromoural er en baseanalog som har lik struktur med thymin, og virker mutagent. 2-aminopurin er en baseanlog til adenin.

Merkaptopurin er en analog til hypoxantin og hemmer biosyntesen av puriner.  

5-fluorouracil er en thyminanalog (pyrimidin- og uracilanalog) og hemmer enzymet thymidylat syntase som deltar i biosyntesen av thymin, og derved biosyntesen av DNA. 

Nukleotidanaloger som hemmer enzymet revers transkriptase blir brukt som legemiddel mot HIV, e.g. AZT (dideoksyazidothymidin) Kan kombineres med proteasehemmere.

Acykloguanosin (acyclovir9 er en nukleosidanalog hvor sukkermolekylet er byttet ut med et annet molekyl og som etteraper guanosin og blokkerer syntese av virus-DNA, e.g. i herpes simplex-virus.

Remdesivir er en adenosin nukleosidtrifosfatanalog hvor remdsivir-trifosfat har likhetstrekk med nukleotidet adenosintrifosfat (ATP) og  kan bli brukt som substrat for enzymet RNA-avhengig RNA polymerase, et enzym som enkelttrådet RNA-virus bruker til å kopiere og mangfoldiggjøre virusgenomet. Når nukleotidanalogen blir satt inn i RNA-kjeden stopper forlengelsen og gir kjedeterminering. Det blir ikke fjernet av virusets eksoribonuklease. Har blitt brukt som antiviralt middel mot ebolavirus, nipahvirus, respiratorisk syncytialvirus, samt koronavirusene SARS-CoV og MERS-CoV, men ser ut til å være virkningsløst mot SARS-Cov-2. Etter at legemiddelet er blitt tatt opp kroppsceller blir det metabolisert av enzymene esterase, fosfoamidase og nukleosidfosfat kinase, før det blir aktivt virkestopp.

Noen alkaloider fra planter (metylxantiner) som kaffein, theobromin og theofyllin virker som purinanaloger

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:38 - Sist endret 20. okt. 2020 13:06