Nukleozidtrifosfát

Nukleozidtrifosfát je molekula obsahujúca dusíkatú bázu viazanú na pentózu (buď ribózu alebo deoxyribózu) s tromi fosfátovými skupinami naviazanými na cukor. Sú to molekulárne prekurzory DNA aj RNA, čo sú reťazce nukleotidov vytvorené procesmi replikácie a transkripcie DNA. Nukleozidtrifosfáty slúžia aj ako zdroj energie pre bunkové reakcie a podieľajú sa na signálnych dráhach. Spolu s nukleozidmonofosfátmi a nukleoziddifosfátmi patria medzi nukleotidy.
Nukleozidtrifosfáty sa nedajú dobre absorbovať z potravy, takže sa typicky syntetizujú v bunke. Dráhy syntézy sa líšia v závislosti od konkrétneho nukleozidtrifosfátu, ktorý sa vyrába, ale vzhľadom na mnohé dôležité úlohy nukleozidtrifosfátov je syntéza vo všetkých prípadoch prísne regulovaná. Nukleozidové analógy môžu byť tiež použité na liečbu vírusových infekcií, napríklad azidotymidín (AZT) je nukleozidový analóg používaný na prevenciu a liečbu HIV/AIDS.
Pomenovanie.
Termín nukleozid sa týka dusíkatej bázy naviazanej na päťuhlíkový cukor (buď ribózu alebo deoxyribózu). Nukleotidy sú nukleozidy kovalentne spojené s jednou alebo viacerými fosfátovými skupinami. Na poskytnutie informácie o počte fosfátov sa môžu nukleotidy namiesto toho označovať ako nukleozid(mono, di alebo tri)fosfáty. Nukleozidtrifosfáty sú teda typom nukleotidu.
Nukleotidy sú bežne pomenovávané pomocou trojpísmenových skratiek (prípadne štvor- alebo päťpísmenových v prípade deoxy- alebo dideoxynukleotidov). Prvé písmeno označuje identitu dusíkatej bázy (napr. A pre adenín, G pre guanín), druhé písmeno označuje počet fosfátov (mono, di, tri) a tretie písmeno je P, čo znamená fosfát. Nukleozidtrifosfáty, ktoré obsahujú ribózu ako cukor, sa bežne označujú skratkou NTP (kde N je akákoľvek/bližšie neurčená báza), zatiaľ čo nukleozidtrifosfáty obsahujúce deoxyribózu ako cukor sa označujú skratkou dNTP. Napríklad dATP znamená deoxyadenozíntrifosfát. NTP sú stavebnými kameňmi RNA a dNTP sú stavebnými kameňmi DNA.
Uhlíky cukru v nukleozidtrifosfáte sú očíslované pozdĺž uhlíkového kruhu počínajúc pôvodným karbonylovým uhlíkom cukru. Bežne za číslami uhlíka v cukre nasleduje apostrof ('), aby sa odlíšili od uhlíkov dusíkatej bázy (číslované bez apostrofu). Dusíkatá báza je naviazaná na 1' uhlík cez glykozidovú väzbu a fosfátové skupiny sú kovalentne naviazané na 5' uhlík. Prvá fosfátová skupina spojená s cukrom sa nazýva α-fosfát, druhá je β-fosfát a tretia je γ-fosfát.
Syntéza DNA a RNA.
Bunkové procesy replikácie a transkripcie DNA zahŕňajú syntézu DNA a RNA. Syntéza DNA využíva dNTP ako substráty, zatiaľ čo syntéza RNA využíva NTP ako substráty. DNA obsahuje štyri rôzne dusíkaté bázy: adenín, guanín, cytozín a tymín. RNA tiež obsahuje adenín, guanín a cytozín, ale nahrádza tymín uracilom. Syntéza DNA teda vyžaduje dATP, dGTP, dCTP a dTTP ako substráty, zatiaľ čo syntéza RNA vyžaduje ATP, GTP, CTP a UTP. NTP nemožno premeniť priamo na dNTP, musia najprv byť premenené na NDP, ktoré sa potom menia na dNDP a nakoniec na dNTP. 
Syntéza nukleových kyselín je katalyzovaná buď DNA polymerázou pre syntézu DNA alebo RNA polymerázou pre syntézu RNA. Tieto enzýmy kovalentne spájajú voľnú -OH skupinu na 3' uhlíku rastúceho reťazca nukleotidov s α-fosfátom na 5' uhlíku nasledujúceho (d)NTP, čím sa uvoľnia β- a y-fosfátové skupiny v podobe pyrofosfátu ( PPi). To vedie k tvorbe fosfodiesterovej väzby medzi dvoma (d)NTP. Uvoľňovanie PPi poskytuje energiu potrebnú na uskutočnenie reakcie. Je dôležité poznamenať, že syntéza nukleových kyselín prebieha výlučne v smere od 5' konca k 3' koncu.
Metabolizmus nukleozidtrifosfátov.
Vzhľadom na ich význam v bunke je syntéza a rozklad nukleozidtrifosfátov prísne regulovaná. Táto sekcia sa zameriava na metabolizmus nukleozidtrifosfátu u ľudí, ale tento proces je medzi druhmi pomerne zachovaný. Nukleozidtrifosfáty sa nedajú dobre absorbovať z potravy, takže všetky nukleozidtrifosfáty sa typicky vyrábajú "de novo". Syntéza ATP a GTP (purínov) sa líši od syntézy CTP, TTP a UTP (pyrimidínov). Pri syntéze purínov i pyrimidínov sa ako východisková molekula používa fosforibozylpyrofosfát (PRPP).
Premena NTP na dNTP neprebieha priamo a môže sa uskutočniť iba vo forme difosfátu (teda NDP na dNDP). Typicky sa z NTP odstráni jeden fosfát, aby sa z neho stal NDP, ktorý potom je prevedený na dNDP pomocou enzýmu nazývaného ribonukleotidreduktáza. Nakoniec sa fosfát znovu naviaže, čím z dNDP vzniká dNTP.
Syntéza purínov.
Dusíkatá báza nazývaná hypoxantín je zostavená priamo naviazaná na PRPP. Výsledkom je nukleotid nazývaný inozínmonofosfát (IMP). IMP sa potom prevedie buď na AMP alebo GMP. Akonáhle sa vytvoria AMP alebo GMP, môžu sa fosforylovať pomocou ATP na ich difosfátové a trifosfátové formy.
Syntéza purínov je regulovaná alosterickou inhibíciou tvorby IMP adenínovými alebo guanínovými nukleotidmi. AMP a GMP tiež kompetitívne inhibujú tvorbu svojich prekurzorov z IMP.
Syntéza pyrimidínov.
Dusíkatá báza nazývaná orotát sa syntetizuje nezávisle od PRPP. Po vytvorení orotátu sa orotát kovalentne naviaže na PRPP. Výsledkom je nukleotid nazývaný orotidínmonofosfát (OMP). OMP sa konvertuje na UMP, ktorý sa potom môže fosforylovať pomocou ATP na UDP a UTP. UTP sa potom môže premeniť na CTP deaminačnou reakciou. TTP (správne m5UTP) nie je substrátom pre syntézu nukleových kyselín, preto sa v bunke nesyntetizuje. Namiesto toho sa dTTP vyrába nepriamo buď z UDP alebo CDP po konverzii na ich príslušné deoxyribózové formy (dUDP a dCDP).
Syntéza pyrimidínov je regulovaná alosterickou inhibíciou syntézy orotátu prostredníctvom UDP a UTP. PRPP a ATP sú tiež alosterické aktivátory syntézy orotátu.
Ribonukleotidreduktáza.
Ribonukleotidreduktáza (RNR) je enzým zodpovedný za premenu NTP na dNTP. Vzhľadom na to, že dNTP sa používajú pri replikácii DNA, je aktivita RNR prísne regulovaná. RNR však dokáže spracovať iba NDP, takže NTP sú najskôr defosforylované na NDP pred konverziou na dNDP. dNDP sú potom typicky refosforylované na dNTP. RNR má 2 podjednotky a 3 miesta: katalytické miesto, miesto aktivity (A) a miesto špecifickosti (S). Katalytické miesto je miesto, kde prebieha reakcia NDP na dNDP, miesto aktivity určuje, či je enzým aktívny alebo nie, a miesto špecifickosti určuje, ktorá reakcia prebieha v katalytickom mieste.
Miesto aktivity môže viazať buď ATP alebo dATP. Keď je naviazaný na ATP, RNR je aktívna. Keď sa ATP alebo dATP naviaže na miesto S, RNR bude katalyzovať syntézu dCDP a dUDP z CDP a UDP. dCDP a dUDP môžu pokračovať v nepriamom vytváraní dTTP. dTTP naviazaný na S miesto bude katalyzovať syntézu dGDP z GDP a väzba dGDP na S miesto bude podporovať syntézu dADP z ADP. dADP sa potom fosforyluje za vzniku dATP, ktorý sa môže viazať na miesto A a vypnúť RNR.
Ďalší význam v bunke.
ATP ako zdroj energie.
ATP je primárny energetický pohon využívaný v reakciách v bunke. Okrem toho, že je syntetizovaný "de novo" prostredníctvom metabolickej dráhy popísanej vyššie, je primárne syntetizovaný počas bunkového dýchania a fotosyntézy enzýmom ATP syntázou. ATP syntáza spája syntézu ATP z ADP a fosfátu s elektrochemickým gradientom generovaným presunom protónov buď cez vnútornú mitochondriálnu membránu (bunkové dýchanie) alebo tylakoidnú membránu chloroplastov (fotosyntéza). Tento elektrochemický gradient je nevyhnutný, pretože tvorba ATP je energeticky nevýhodná.
Hydrolýza ATP na ADP a Pi prebieha podľa rovnice:
Táto reakcia je energeticky výhodná a uvoľňuje 30,5 kJ/mol energie. V bunke je táto reakcia často spojená s nepriaznivými reakciami a poskytuje im energiu, aby mohli prebiehať. GTP sa príležitostne používa podobným spôsobom.
Prenos signálu pomocou GTP.
GTP je nevyhnutný pre prenos signálu, najmä s G proteínmi. Každý G-proteín je spojený s receptorom viazaným na bunkovú membránu. Celý tento komplex sa nazýva receptor spriahnutý s G-proteínom (GPCR). G-proteíny môžu viazať buď GDP alebo GTP. Keď sú naviazané na GDP, G-proteíny sú neaktívne. Keď sa ligand (z okolia bunky) naviaže na GPCR, dôjde k alosterickej zmene v G-proteíne, ktorá spôsobí odchod GDP a jeho nahradenie za GTP. GTP aktivuje alfa podjednotku G-proteínu, čo spôsobí jej disociáciu od G-proteínu a umožní jej pôsobiť ako efektor v ďalších procesoch.
Nukleozidové analógy.
Nukleozidové analógy môžu byť použité na liečbu vírusových infekcií. Nukleozidové analógy sú nukleozidy, ktoré sú štruktúrne podobné (analogické) nukleozidom používaným pri syntéze DNA a RNA. Akonáhle tieto nukleozidové analógy vstúpia do bunky, môžu sa fosforylovať vírusovým enzýmom. Výsledné nukleotidy sú dostatočne podobné nukleotidom používaným pri syntéze DNA alebo RNA na to, aby boli začlenené do rastúcich reťazcov DNA alebo RNA, ale nemajú dostupnú 3' -OH skupinu na pripojenie ďalšieho nukleotidu, čo spôsobuje ukončenie reťazca. Toto možno využiť na terapeutické použitie pri vírusových infekciách, pretože vírusová DNA polymeráza rozpoznáva určité nukleotidové analógy ľahšie ako eukaryotická DNA polymeráza. Napríklad azidotymidín sa používa pri liečbe HIV/AIDS. Niektoré menej selektívne nukleozidové analógy sa môžu použiť ako chemoterapeutické činidlá na liečbu rakoviny, ako je cytarabín (ara-C) pri liečbe určitých foriem leukémie.
Rezistencia na nukleozidové analógy je bežná a je často spôsobená mutáciou v enzýme, ktorý fosforyluje nukleozid po vstupe do bunky. Toto je bežné u nukleozidových analógov používaných na liečbu HIV/AIDS.