NÜKLEOTİDLER VE NÜKLEİK ASİTLER Biyomedikal önemi DNA ve RNA’nın yapıtaşı Enerji metabolizmasında önemli Metabolizmada fosforil gruplarının alıcı ve vericisi Protein sentezinde Glikojen sentezinde (UDP-glukoz, UDP-galaktoz) Lipid sentezinde (CDP-açilgliserol) Enzim aktivitesinin düzenlenmesinde Sinyal iletiminde (cAMP,cGMP, GTP, GDP) Koenzim yapısında: FAD, NAD, NADP+, FMN ve CoA Tıbbi Önemi Nükleotidlerin kimyasal yapılarına bağlı olarak mor ötesi ışığı absorbe edebilmeleri, bu ışığı güçlü mutajen haline getirir. Kanser, AIDS gibi önemli hastalıkların kemoterapisinde kullanılır. Kanser kemoterapisi ve AİDS’te, organ transplantasyonunda immun baskılayıcı olarak (sentetik pürin ve pirimidin analogları-halojenler, tiyoller) Tıbbi Önemi Kanser hücreleri veya bazı virüslerin üremesini bastırmada kullanılan doğal bazların, nükleozidlerin veya nükleotidlerin yapay benzerleri içinde 5-fluorourasil, 5’iyodo-2’-deoksiüridin, 6-tioguanin bulunur. Nükleotid yapısı 5 karbonlu şeker- Riboz, deoksiriboz Baz- Pürin, pirimidin Fosfat grubu Not: Fosfat grubu olmadığı zaman nükleozid (Baz-şeker) Pürin ve pirimidinlerin kimyası Heterosiklik bileşiklerdir. En sık rastlanılan hetero atom azottur. Başlıca türevleri nükleozitler ve nükleotidler olup β-Nglikozid bağı ile bağlanmış siklik şeker (pentoz) içerir Numaralandırma Big word, small ring Small word, big ring Fig. 8-1b Know these: numbering system and general ring structure Nitrogenous Bases PURINES 1. Adenine (A) 2. A or G Guanine (G) PYRIMIDINES 3. Thymine (T) 4. Cytosine (C) T or C 10 11 1. Nitrogene base 2. The Sugar (Pentose) 2. The Sugar (Pentose) 3. The Phosphate A nucleoside + one or more phosphoryl groups is called a nucleotide. DNA Nucleotide Phosphate Group O O=P-O O 5 CH2 O N C1 C4 Sugar (deoxyribose) C3 C2 Nitrogenous base (A, G, C, or T) 17 Nükleotid yapısı- 1 Şekerler HOCH2 Riboz yapısı OH O Riboz 5’ HOCH2 O OH 4’ OH 1’ 3’ 2’ HOCH2 Karbon atomlarının numaralandırması üslü sayılarla ifade edilir. OH O Deoksiriboz OH H Nükleotid Yapısı - 4 Bazlar - Pirimidinler Timin sadece DNA’da bulunur. RNA’da Timin’in yerine Urasil bulunur. Urasil ve Timin yapısal olarak benzerdir. Urasil 4 3 5 2 6 1 N O N NH U N H O Sitozin, çok kolay bir şekilde Urasil'i oluşturacak şekilde deaminasyona (NH2 atımı) uğrayabilmektedir. Minör Bazlar Serbest Pürinler Hücrede serbest halde bulunan nükleotidler içinde adenin ve guanin metabolizmasının ara maddeleri olan hipoksantin ve ksantin ile insanlarda pürin katabolizmasının son ürünü olan ve idrarla atılan ürik asit vardır. Bitkilerdeki metillenmiş pürinlerin farmakolojik özellikleri vardır. Kafein:1,3,7-trimetilksantin Teofilin:1,3-dimetilksantin Teobromin: 3,7-dimetil ksantin Nükleik asitler az rastlanan veya alışılmadık bazlar da içerir. 5-Metil sitozin :bakteri, insan DNA N6-Metiladenin: memeli mRNA N6-dimetiladenin:memeli tRNA Psödoüridin: tRNA Oligonükleotid tanınmasında önemli rol oynarken, RNA ların yarı ömrünün düzenlenmesinde rolleri vardır. Nükleozidler N-glikozidlerdir. Pürin ve pirimidin bazlarına şekerler N-glikozidik bağla bağlanırlar. Şekerler pürinlerde N9’a, pirimidinlerde N1’e beta-Nglikozidik bağla bağlanmışlardır. Şeker halkasındaki atomlar karışıklığı önlemek için üslü sayılarla ifade edilir. Hypoxanthine Xanthine Inosine Xanthosine Inosinate (IMP) Xanthylate (XMP) Nükleotidlerde üç birimin birbirine bağlanmasında glikozid ve ester bağları görev yapar. Bazların Tautomerizasyon Azotlu bazlara bağlı hidrojen atomlarının yerlerinin değişmesidir. Adenin ve sitozin için amino Guanin ve timin için keto konfigürasyonları temel tautomerik formlardır. amino yerine imino ve keto yerine enol formları oluşur. Tautomerizm veya Hücrenin nötral pH sında pürin ve pirimidin bazları hidrofobik karakterde olup suda çözünmezler, ancak asidik veya alkali pH da bazlar elektriksel olarak yüklü duruma geçerler ve dolayısıyla su içindeki çözünürlükleri artar. Pürin ve pirimidinlerin en önemli işlevsel grupları halkasal azot, karbonil grubu ve halkaya bağlı amino gruplarıdır. Amino ve karbonil gruplarını içeren hidrojen bağları ise nükleik asitlerin birbiriyle ikinci derecede önem gösteren ilişki şekilleridir. Hidrojen bağıyla oluşmuş en önemli baz çiftleri A’ nın T (veya U) ve G’ nin C ile yaptığı baz çiftleridir. BASE-PAIRINGS Purines Bonds Adenine (A) Guanine (G) Pyrimidines Base # of Pairs H- Thymine (T) A=T 2 Cytosine (C) C G 3 H-bonds G C T A Chargaff’s Rule Adenine must pair with Thymine Guanine must pair with Cytosine Their amounts in a given DNA molecule will be about the same. T A G C Özgül metillenmiş nükleotid bazlarının varlığı, viral veya bakteriyel patojenlere bağlı enfeksiyonlardan kaynaklanan DNA azların yabancı ve tabii oligonükleotidleri ayırmalarına olanak sağlar. Nükleotidlerin Adlandırılması dGTP 5’-AMP ATP Phosphate Variations: Number 2 1 3 Nucleoside mono-, di-, or triphosphate Nükleotidler çeşitli fizyolojik işlevler görür Özgül nükleotidler, protein ve nükleik asit sentezi, düzenleyici basamaklar ve hücre içi ve hücreler arası sinyal iletim yolları gibi çok değişik fizyolojik işlevleri sağlayan tepkimelere katılır. Nükleozid trifosfatlar yüksek grup aktarma potansiyeline sahiptir. Bütün nükleozit trifosfatların uçtaki fosfatlarının her ikisinin de hidrolizine ait ΔG0, yaklaşık 7kcal/mol dır. Adenozin türevleri: ADP ve ATP ATP: Enerji Nucleotides as Energy Carriers ATP Adenosine triphosphate ADP, AMP Adenosine diphosphate Adenosine monophosphate ATP <--> ADP + PO4 ADP <--> AMP + PO4 • Main energy exchange reactions in cells cAMP (adenozin 3’, 5’-monofosfat), adenilil siklaz ile katalizlenen bir tepkime ile ATP den oluşur. Adenozin 3’-fosfat-5’-fosfosülfat (PAPS): sülfatlanmış proteoglikanlar veya idrarda sülfat konjugatları halinde atılan ilaç metabolitlerinin vericisidir. Guanozin türevleri Süksinil-KoA nın süksinata çevrimi GTP cGMP: ikincil haberci, cAMP ye antagonist olarak davranır. GTP den guanilil siklazla oluşur. Endotel kaynaklı gevşetici faktör NO ya yanıt olarak artmış cGMP derişimi düz kas gevşemesini sağlayan olayda ikincil haberci olarak görev yapar. Hipoksantin türevleri: pürin ribonükleotidlerinin öncülü olan hipoksantin ribonükleotid (IMP), kas dokusunda AMP nin deaminasyonu ile oluşur. Urasil türevleri: UDP şeker türevleri, glukoz 1-fosfat ile galaktoz 1fosfatın birbirlerine çevriminde görülen türde şeker epimerizasyonlarına katılır UDP-glukoz, glikojen ile glikozil disakkaritlerin biyosentezi için glukozil vericisi olup diğer UDP şekerler, glikoproteinler ve proteoglikanların oligosakkaritlerinin biyosentezinde şeker vericiler olarak davranır. UDP-Glukronik asit - bilirubin ve aspirin Sitozin türevleri: CTP, hayvansal dokularda bazı fosfogliseridlerin biyosentezinde CDP kolini içeren reaksiyonlar: Sfingomyelin Sentetik nükleotid analogları kemoterapide kullanılır. Heterosiklik halkaları veya şeker kısımlarından modifiye pürin, pirimidin, nükleozid ve nükleotidlerin sentetik analogları Toksik etkileri nükleik asit sentezindeki enzimleri veya senteze katılan nükleik asitlerin yapısına katılarak baz eşleşmesini bozmaları ile gerçekleşir. 5-florourasil, 6-tiyoguanin, 6-merkaptopürin, allopurinol Sitarabin: kanser ve viral enfeksiyonlarda Azatiyopürin: organ red cevabını baskılamada Nükleotidler ultraviole ışığı absorbe ederler. Pürin ve pirimidin bazlarındaki konjuge çift bağlar ultraviole ışığı absorbe ederler. Ultraviolenin DNA üzerindeki mutajenik etkisi bu nedenle gerçekleşir. pH 7’de tüm nükleotidler 260 nm de ışığı absorbe ederler. Bundan yararlanarak bu moleküllerin konsantrasyon hesabı yapılabilir. Nükleotidlerin bazı özellikleri 1. Mononükleotidlerin fizyolojik pH’da negatif yüklü olduğu 2.Nukleotitler UV ışığı absorblar 3. Birçok koenzim nükleotid türevidir 4. Sentetik nükleotid analogları kemoterapide kullanılır 5. Nükleozid trifosfatlar yüksek grup transfer potansiyeline sahiptir. 6. Bazı nükleotidler sinyal iletimi ile ilgilidir 1. Mononükleotidlerin fizyolojik pH’da negatif yüklü olduğu Birincil ve ikincil fosforil gruplarının pK'ları sırasıyla yaklaşık 1.0 ve 6.2'dir Nukleozitler ve / veya serbest pürin veya pirimidin bazları fizyolojik pH'ta yüklü değildirler 2.Nukleotitler UV ışığı absorblar Pürinlerin ve pirimidinlerin heterosiklik bazlarının konjuge çift bağları, nükleosidlerin, nükleotitlerin ve polinükleotidlerin UV'yi absorbsiyonunu sağlar Spektrumları pH'ya bağlıdır, ancak tüm yaygın nükleotidler, pH 7,0'da 260 nm'ye yakın bir dalga boyunda ışığı absorbe eder Nükleotid ve nükleik asit konsantrasyonları genellikle '260 nm'de absorbans' terimleri ile ifade edilir UV Spectrum 3. Birçok koenzim nükleotid türevidir 4. Sentetik nükleotid analogları kemoterapide kullanılır Pürinlerin ve pirimidinlerin kimyasal olarak sentezlenmiş analogları, bunların nükleozidleri ve nükleotidleri, klinik tıpta sayısız uygulamaları bulmaktadır. Hem heterosiklik halka hem de şeker parçasının değiştirildiği bir analogun uygulanması, analog belirli hücresel bileşenlere dahil edildiğinde toksik etki yaratır Etkileri, iki işlemden birini yansıtmaktadır: A) Nükleik asit sentezi için esas olan spesifik enzimlerin ilaca göre inhibisyonu B) İlacın metabolitlerinin nükleik asitler içine yerleştirilmesi, böylece doğru replikasyon için gerekli olan baz eşleştirmesini etkilerler Örnekler 5-fluoro uracil → thymine analog 5-iodo deoxyuridine → thyminide analog 6-mercaptopurine → purine analaog 6-thioguanine → purine analaog 8-azaguanine → purine analaog 5 or 6-azauridine → pirimidine analaog 6-azacytidine → pirimidine analaog 4-hydroxypyrazolopyrimidine (allopurinol) → purine analaog Allopurinol inhibits de novo purine biosynthesis and xanthine oxidase activity. It is used for treatment of hyperuricemia and gout Arabinozun ribozu yer değiştirilerek, sitarabin (arabinosil sitozin) oluşur ve kemoterapide ve viral enfeksiyonların tedavisinde kullanılır. Azathioprine, 6-mercaptopurine katabolize edilir ve organ nakli sırasında immünolojik reddin bastırılması için kullanılır Nucleoside diphosphate kinases, found in all cells, catalyzes the reaction Mg2+ ATP+NDP(or dNDP) → ADP+NTP(or dNDP) Although this reaction is fully reversible the relatively high ATP/ADP ratio in cells normally drives the reaction to the right, with the net formation of NTPs and dNTPs Structure of DNA? The Genetic Material Crick and Watson Race with Linus Pauling to predict structure Chargaff’s rules: Chemical analysis: [A] = [T] [G] = [C] Constant for each organism over time across all tissues
