Nucleòtid

Els nucleòtids són les unitats estructurals bàsiques dels àcids nucleics, és a dir que els àcids nucleics estan formats per l'encadenament de nucleòtids. També es poden trobar lliures a totes les cèl·lules.

Estan compostos per molècules d'àcid fosfòric, un glúcid de cinc carbonis, és a dir, una pentosa, i bases nitrogenades. La pentosa pot ser una ribosa o el seu derivat, la 2-desoxiribosa. La ribosa apareix en els nucleòtids que constitueixen les molècules d'ARN,i la desoxiribosa forma part de les d'ADN.

A més, els nucleòtids participen en la senyalització cel·lular (guanosina monofosfat cíclica i adenosina monofosfat cíclica) i estan incorporats com a uns dels importants cofactors de les reaccions enzimàtiques (coenzim A, dinucleòtid de flavina i adenina, mononucleòtid de flavina, i nicotinamida adenina dinucleòtid fosfat). Els derivats dels nucleòtids com per exemple el nucleòsid trifosfat tenen un paper central en el metabolisme, on serveixen com a font d'energia química (adenosina trifosfat i guanosina trifosfat).

Estructura dels nucleòtids 

Un nucleòtid està compost per una base nitrogenada, un sucre de cinc carbonis (ribosa o 2- desoxiribosa) i un grup fosfat. La base nitrogenada i el sucre junts formen un nucleòsid. El grup fosfat forma enllaços amb el carboni 2, 3, o 5 del sucre, sent el carboni 5 el més comú. Els nucleòtids cíclics es formen quan el grup fosfat és enllaçat amb dos dels grups hidroxils dels sucres. Els ribonucleòtids són nucleòtids on el sucre és la ribosa, i els desoxiribonucleòtids contenen el sucre desoxiribosa. Els nucleòtids poden tenir tant la base purina com la base pirimidina.

Els àcids nucleics són macromolècules, considerades polímers, fets de nucleòtids, que són els monòmers d'aquestes estructures. En el DNA, les bases de la purina són l'adenina i la guanina, mentre que les pirimidines són la timina i la citosina. El RNA fa servir l'uracil en comptes de la timina. L'adenina sempre forma parella amb la timina mitjançant dos ponts d'hidrogen, mentre que la guanina forma parella amb la citosina mitjançant tres ponts d'hidrogen, cadascun degut a les seves estructures úniques.

Funcions biològiques 
La funció principal dels nucleòtids a les cèl·lules és formar part dels àcids nucleics. L’ADN està format per desoxiribonucleòtids i l’ARN per ribonucleòtids. Mentre que la funció pràcticament exclusiva dels desoxiribonucleòtids és formar part de l’ADN, els ribonucleòtids juguen molts altres papers a banda de formar part de l’ARN.

Magatzem i transferència d’energia. Els ribonucleòtids trifosfat, especialment l’ATP i en menor mesura el GTP, són molt utilitzats en processos cel·lulars que requereixen energia. De fet s’ha denominat l’ATP “la moneda universal d’energia”. El trencament de l'enllaç anhidre entre el 3r i el 2n grup fosfat dels ribonucleòtids trifosfat allibera una quantitat d’energia que és fàcilment aprofitada per enzims de síntesi de macromolècules, per transport de molècules contra gradient, en la contracció muscular, etc...

Els ribonucleòtids trifosfat poden actuar com a coenzims transferint grups en reaccions catalitzades per enzims. El més habitual és la transferència d’un grup fosfat en reaccions de fosforilació, si bé poden transferir grups difosfat o pirofosfat o fins i tot nucleòtids monofosfat com l’adenilat o AMP.

Un altre possible destí dels ribonucleòtids dins de la cèl·lula és formar part de coenzims. Alguns dels coenzims més habituals com el coenzim A, el FAD, el NAD o el SAM tenen un component d’origen ribonucleotídic a la seva estructura.

Alguns ribonucleòtids juguen papers molt importants en transducció de senyals. Així trobem alguns nucleòtids que poden ser transformats en formes cíclades donant lloc a importants segons missatgers com l'AMPc o el GMPc. Algunes proteïnes molt importants en transducció de senyals com les proteïnes G heterotrimèriques (acoblades a receptors 7TM) o les proteïnes G monomèriques (Ras, Rho) es regulen en funció de si estan unides al ribonucleòtid GDP (estat inactiu) o GTP (estat actiu).

Mentre que la majoria de funcions biològiques dels ribonucleòtids es duen a terme a l’interior cel·lular, alguns nucleòtids són alliberats de forma regulada o accidental i participen en comunicació intercel·lular estimulant receptors en altres cèl·lules. Els receptors estimulats per aquests nucleòtids s’anomenen receptors purinèrgics, tot i que en alguns casos poden ser estimulats per nucleòtids de pirimidina. Els principals nucleòtids amb funció de paper de comunicació intercel·lular són l’ATP, l’ADP, l’UTP i nucleòsids con l’adenosina. Els nucleòtids i nucleòsids que estimulen receptors purinèrgics juguen papers importants en la resposta immune, en agregació plaquetària, en neurotransmissió, vasoconstricció així com en processos patològics com el càncer o la resposta a infeccions virals.

Metabolisme de nucleòtids 
Els nucleòtids poden ser sintetitzats per les cèl·lules de novo o reciclats mitjançant vies de recuperació. En la síntesi de novo dels ribonucleòtids, la ribosa i el fosfat són aportats pel fosforribosil pirofosfat (PRPP), un monosacàrid que se sintetitza a partir de la ribosa 5-fosfat, mentre que les bases són sintetitzades en vies metabòliques complexes on aminoàcids, CO2 i grups format aporten els àtoms per la síntesi de les bases. La síntesi de novo de purines i la de pirimidines segueixen vies diferents i independents. Donat que la síntesi de novo de ribonucleòtids és un procés costós energèticament, existeixen vies per sintetitzar nucleòtids a partir de nucleòsids o de bases provinents de la degradació de nucleòtids, són les denominades vies de recuperació o de reciclatge.

Síntesi de novo de ribonucleòtids de pirimidina 

La síntesi de pirimidines CTP i UTP té lloc al citoplasma i comença amb la formació de carbamoïl-fosfat a partir de glutamina i CO₂. A continuació, l'aspartat experimenta una reacció de condensació amb el carbamoïl-fosfat per donar lloc a la formació d'àcid oròtic. Posteriorment es dona una reacció de ciclació en la qual un enzim anomenat aspartat carbamoïltransferasa forma N-carbamoïl-aspartat el qual és convertit immediatament en àcid dihidrooròtic per l'acció de l'enzim dihidroorotasa. Finalment aquest àcid esdevé orotat gràcies a la dihidroorotat oxidasa. Així, la reacció neta és la següent:

(S)-Dihidroorotat + O₂ = Orotat + H₂O₂.

L'orotat està unit per un enllaç covalent amb una unitat ribosil fosforilada. Aquest enllaç covalent entre la ribosa i la pirimidina és entre el Carboni 1 de la molècula de ribosa (la qual conté un pirofosfat) i el Nitrogen 1 de l'anell de pirimidina. L'orotat fosforibosiltransferasa (“PPRP transferasa”) catalitza la reacció global produint orotidina monofosfat:
La reacció aquesta vegada és la següent:

Orotat + 5-fosfo-α-D-ribosa 1-difosfat (PRPP") = Orotidina 5'-fosfat + Pirofosfat

L'orotidina-5-fosfat és descarboxilat pel corresponent enzim (orotidina-5-fosfat descarboxilasa) per formar uridina monofosfat (UMP). La PRPP transferasa catalitza tant la reacció de ribosilació com la de descarboxilació, formant UMP a partir de l'àcid oròtic amb la presència de PRPP. És a partir d'aquest UMP d'on derivaran altres nucleòtids del grup pirimidina. L'UMP (monofosfat d'uridina) és fosforilat per dues cinases per mitjà de dues reaccions en cadena. Primer es duu a terme la primera fosforilació, aconseguint uridina difosfat i finalment s'arriba al producte uridina trifosfat (UTP) amb la segona fosforilació. Ambdós passos aconsegueixen l'energia a partir de la hidròlisi d'ATP:

1)	ATP + UMP = ADP + UDP

2)	UDP + ATP = UTP + ADP 

La citidina trifosfat (CTP) es forma a continuació per una aminació del UTP gràcies a l'acció catalítica de la UTP sintetasa. L'NH3 prové de la Glutamina. Així tornem a tenir una reacció com la següent, amb la hidròlisi de l'ATP com a font d'energia:
UTP + Glutamina + ATP + H₂O = CTP + ADP + Pi
La citidina monofosfat (CMP) deriva de la citidina trifosfat (CTP) quan es desfosforila dues vegades.

Síntesi de novo de ribonucleòtids de purina 
Els àtoms que són utilitzats per construir el nucleòtid de purina provenen de moltes fonts diferents.

El procés de novo síntesi dels nucleòtids de purina és on aquests precursors s'incorporen al procés de l'anell de purina mitjançant 10 passos fins al punt de ramificació intermedi IMP, el nucleòtid de base hipoxantina. L'AMP i el GMP són posteriorment sintetitzats a partir d'aquest intermediari per vies separades en dues etapes. Així, restes de purina són inicialment formades com a part dels ribonucleòtids, en lloc de com a bases lliures.
Sis enzims participen en la síntesi de IMP. Tres d'ells són multifuncionals:
GART (reaccions 2,3 i 5)
PAICS (reaccions 6 i 7)
ATIC (reaccions 9 i 10)

El procés comença amb la formació de PRPP. PRPS1 és l'enzim encarregat d'activar el R5P, que es forma principalment per la pentosa fosfat, a PRPP al reaccionar amb l'ATP. La reacció en què un grup pirofosfat és transferit directament de l'ATP fins al C1 del R5P on el producte té la configuració alfa sobre C1, considerat inusual. Aquesta reacció està també compartida per la síntesi de Trp, His i els nucleòtids de pirimidina i està altament regulada, ja que té lloc en un creuament metabòlic important i requereix molta energia.

En la primera reacció única per la biosíntesi del nucleòtid de purina, PPAT catalitza el desplaçament del grup pirofosfat PRPP (PPi) per un nitrogen de l'amida donat per qualsevol glutamina (N), glicina (N + C), aspartat (N), àcid fòlic (C1), o pel CO₂. Aquest procés està realitzat durant la síntesi de purina. La reacció es produeix amb la inversió de la configuració de la ribosaC1, formant β-5-fosforibosilamina (5-PRA) i establint la forma anomèrica del futur nucleòtid.
Més endavant una glicina s'incorpora, impulsada durant la hidròlisi d'ATP, i el grup carboxil forma un enllaç amida amb NH₂ introduït prèviament. Una unitat d'un carboni de l'àcid fòlic coenzim N10-formil-THF s'afegeix al grup amino de la glicina substituïda seguit pel trencament de l'anell de imidazol. Seguidament, un segon grup NH₂ es transfereix des de la glutamina fins al primer carboni de la unitat de glicina. Una carboxilació del segon carboni de la unitat de glicina es fa al mateix moment. Aquest nou carboni és modificat per l'addició d'una tercera unitat d'NH₂, aquesta vegada transferit des d'un residu d'aspartat. Finalment, una segona unitat de carboni-formil-THF s'afegeix al grup de nitrogen i l'anell es tanca covalentment per formar el precursor comú purina inosina monofosfat (IMP).

El monofosfat d'inosina es converteix en adenosina monofosfat en dos passos. En primer lloc, la hidròlisi de GTP permet l'addició d'aspartat al IMP gràcies a la sintetasa adenilosuccinato, substituint l'oxigen carbonil per nitrogen i formant l'intermediari adenilosuccinat. El fumarat s'escindeix després per formar monofosfat d'adenosina. Aquesta etapa és catalitzada gràcies a l'adenilosuccinato liasa.
La inosina monofosfat es converteix en guanosina monofosfat gràcies a l'oxidació de l'IMP que forma xantilat, seguida per la inserció d'un grup amina en el C2. El NAD+ és l'acceptor d'electrons en la reacció d'oxidació. La transferència del grup amida des de la glutamina és impulsat per la hidròlisi d'ATP.

Síntesi de nucleòtids per reciclatge 
A banda de la síntesi de novo, les cèl·lules poden sintetitzar nucleòtids a partir de nucleòsids o de bases que provenen generalment de la degradació dels nucleòtids, tot i que una fracció molt petita pot provenir de la dieta.

Síntesi de nucleòtids per reciclatge de nucleòsids 
Consisteix en la fosforil·lació de nucleòsids mitjançant cinases de nucleòsids específiques, per donar lloc a nucleòtids monofosfat. Aquesta via existeix tant a la síntesi de ribonucleòtids com de desoxiribonucleòtids, ja siguin de purina o de pirimidina. L'esquema de la reacció és: Nucleòsid + ATP → Nucleòtid monofosfat + ADP

Exemples de cinases de nucleòsids són adenosina cinasa (EC 2.7.1.20), timidina cinasa (EC 2.7.1.21), desoxiguanosina cinasa (EC 2.7.1.113), desoxicitidina cinasa (EC 2.7.1.74).

Síntesi de nucleòtids per reciclatge de bases

Consisteix en la unió d’una base a una molècula de PRPP donant lloc al ribonucleòtid monofosfat corresponent. Aquesta reacció està catalitzada per enzims fosforibosiltransferases. Aquesta via permet sintetitzar ribonucleòtids a partir de bases reciclades, però no desoxiribonucleòtids. L'esquema de la reacció és: Base + PRPP → Nucleòtid monofosfat + PPi

Exemples d’enzims que catalitzen aquestes reaccions són la Hipoxantina-guanina fosforibosiltransferasa (EC 2.4.2.8) o Adenina fosforibosiltransferasa (EC 2.4.2.7).

Síntesi de desoxiribonucleòtids 
Els desoxiribonucleòtids se sintetitzen a partir de ribonucleòtids. El fet que els ribonucleòtids siguin precursors en la síntesi de desoxiribonucleòtids és un argument bioquímic a favor de la hipòtesi del món d’ARN. Aquesta teoria postula que anteriorment a la vida que hi ha actualment sobre la terra, va existir una vida basada en el RNA com a magatzem d’informació genètica que va evolucionar cap a les formes de vida actuals amb DNA.

Concretament les cèl·lules sintetitzen desoxiribonucleòtids difosfat a partir de ribonucleòtids difosfat. Aquesta síntesi es duu a terme en una única reacció de reducció catalitzada per l'enzim ribonucleòtid reductasa (RNR) que reconeix com a substrats els ribonucleòtids difosfat d’A, G, C i U. A partir dels desoxiribonucleòtids difosfat d’A, G i C es sintetitzen els corresponents desoxiribonucleòtids trifosfat mitjançant cinases de nucleòtids difosfat (NDPK). Pel que fa a la síntesi dels desoxiribonucleòtids de Timina, l'enzim clau és la timidilat sintasa (EC. 2.1.1.45) que sintetitza dTMP a partir de dUMP. A diferència dels ribonucleòtids que juguen múltiples funcions biològiques, els desoxiribonucleòtids trifosfat d’A, G, C i T són utilitzats només en la replicació del DNA i en la reparació de dany al DNA.

Degradació de nucleòtids 
Els àcids nucleics són degradats per enzims anomenats de forma genèrica nucleases. Dins les nucleases trobem les desoxiribonucleases (o DNAses) i les ribonucleases (o RNAses) que degraden DNA i RNA, respectivament. Les nucleases es poden classificar també en exonucleases (E.C. 3.1.11 - 3.1.16), que alliberen els nucleòtids d’un en un per l'extrem de la cadena de polinucleòtids, i endonucleases (E.C. 3.1.21 - 3.1.31), que trenquen l'enllaç fosfodièster en punts interns de la cadena. Els nucleòtids monofosfat, tant si provenen de la degradació d’àcids nucleics com si formen part del pool de nucleòtids amb altres funcions cel·lulars, són degradats per nucleotidases (E.C. 3.1.3.5, 3.1.3.6) donant lloc a nucleòsids. Els nucleòsids poden ser reciclats mitjançant la síntesi de nucleòtids per reciclatge de nucleòsids o bé ser degradats per l’acció de nucleosidases (E.C. 3.2.2) donant lloc a bases.

En cèl·lules humanes, els anells de pirimidina (C, T, U) poden ser degradats completament en CO2 i NH3 (excreció d'urea). Cal dir que els anells de purina (G, A) no poden. En comptes d'això, es degraden en l'àcid metabòlic úric inert que després s'excreta del cos. L'àcid úric es forma quan el GMP es divideix en la base guanina i en la ribosa. La guanina es desamina a xantina que al seu torn s'oxida a àcid úric, sent aquesta última reacció irreversible. De la mateixa manera, l'àcid úric es pot formar quan AMP és desaminat en IMP del qual s'extreu la unitat de ribosa per formar hipoxantina. La hipoxantina s'oxida formant xantina i finalment creant àcid úric. En lloc de la secreció d'àcid úric, la guanina i el IMP poden ser utilitzats pel procés de reciclatge i per la síntesi d'àcids nucleics en presència de PRPP i aspartat (NH₃ donants).

El metabolisme de nucleòtids en la teràpia contra el càncer 
Molts fàrmacs utilitzats en quimioteràpia pel tractament del càncer tenen com a diana enzims del metabolisme de nucleòtids Molts d’ells pertanyen a la classe dels antimetabòlits, petites molècules químicament similars a metabòlits dels nucleòtids, que inhibeixen de manera competitiva l’activitat dels enzims implicats en la síntesi de nucleòtids. Alguns exemples importants són:

- la mercaptopurina. És un anàleg de purina i un inhibidor de la PRPP amidotransferasa, un enzim clau en la síntesi de novo de nucleòtids de purina. S’utilitza en quimioteràpia pel tractament de diversos càncers com leucèmies i limfoma non Hodgkin.

- el 5-fluorouracil. És un anàleg de pirimidina, estructuralment semblant a l’uracil, que inhibeix la timidilat sintasa, provocant la disminució en la disponibilitat de desoxiribonucleòtids de timina per a la síntesi de DNA. El 5-fluorouracil i els seus derivats s’utilitzen en el tractament de càncer colorectal i pancreàtic, entre d’altres.

- la gemcitabina i  la citarabina. Són anàlegs de nucleòsids de pirimidina que s’incorporen al DNA provocant l’aturada de la síntesi de la nova cadena de DNA de manera que causen la mort de les cèl·lules que intenten entrar en divisió cel·lular. S’utilitzen pel tractament de diversos càncers, com el càncer de pàncrees.

- el metotrexat. Pertany a la classe dels antifolats. Es un inhibidor del dihidrofolat reductasa, l'enzim de síntesi del tetrahidrofolat, un coenzim necessari per la funció de diversos enzims del metabolisme de nucleòtids com el timidilat sintasa.

Els fàrmacs que tenen com a diana enzims del metabolisme de nucleòtids, presenten generalment efectes secundaris causats per la seva citotoxicitat sobre cèl·lules no canceroses amb alta taxa de divisió cel·lular. En els darrers anys s’han fet importants avenços en el desenvolupament de fàrmacs amb dianes més específiques de les cèl·lules tumorals o amb estratègies per fer arribar fàrmacs específicament a aquestes cèl·lules. Tot i això la recerca en fàrmacs en el metabolisme continua i algunes dianes molt estudiades recentment inclouen els enzims dihidroorotat deshidrogenasa (DHODH), l’únic enzim mitocondrial de la síntesi de novo de nucleòtids de pirimidina, o la inosina monofosfat deshidrogenasa (IMPDH), l'enzim limitant en la síntesi de novo de nucleòtids de GMP.

Unitat de longitud 
El nucleòtid és una unitat de longitud comuna per una sola cadena de RNA, similar als parells de bases (bp) com a unitat de longitud de la doble cadena de DNA.

Codis d'abreujament per bases degenerades 
El IUPAC té designats símbols per als nucleòtids. A part de les cinc bases nitrogenades (A, G, C, T/U), normalment les bases degenerades s'utilitzen per designar PCR primers. A continuació trobem la llista d'aquests codis dels nucleòtids.

Estructures químiques

Ribonucleòtids

Desoxiribonucleòtids

Vegeu també 
 Cromosoma
 Gen
 Genètica
 Complexitat lingüística de seqüència

Referències

Enllaços externs 

 Abbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents (IUPAC)
 Provisional Recommendations 2004 (IUPAC)
 Chemistry explanation of nucleotide structure