+ Codis usats per als nucleòtids Codi Equivalència Complement A A T o U C C G G G C T T AU U A M A o C K R A o G Y W A o T W S C o G S Y C o T R K G o T M V A o C o G B H A o C o T D D A o G o T H B C o G o T V X o N A o C o G o T X
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 fosfat de dinucleòtid de nicotinamida i adenina). Els derivats dels nucleòtids, com ara el nucleòsid trifosfat tenen un paper central en el metabolisme, on serveixen com a font d'energia química (trifosfat d'adenosina [ATP] i trifosfat de guanosina [GTP]).Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K & Wlater P (2002). Molecular Biology of the Cell (4th ed.). Garland Science. . p. 120-121. esquerra|600px|Structural elements of the most common nucleotides
Estructura dels nucleòtids miniatura|Estructura de la ribosa amb els àtoms de carboni numerats. 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 tenen molts altres papers a banda de formar part de l'ARN.
Magatzem i transferència d'energia. Els trifosfats de ribonucleòtids, 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 trifosfats de ribonucleòtids allibera una quantitat d'energia que és fàcilment aprofitada per enzims de síntesi de macromolècules, per al 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 dinucleòtid de flavina i adenina (FAD), el dinucleòtid de nicotinamida i adenina (NAD) o el SAM tenen un component d'origen ribonucleotídic a la seva estructura.
Alguns ribonucleòtids tenen funcions molt importants en la transducció de senyals. Hi ha alguns nucleòtids que poden ser transformats en formes cíclades donant lloc a importants segons missatgers com el monofosfat d'adenosina cíclic (AMPc) o el fosfat de guanosina cíclic (GMPc). Algunes proteïnes molt importants en transducció de senyals, com ara les proteïnes G heterotrimèriques (acoblades a receptors 7TM) o les proteïnes G monomèriques (Ras, Rho), es regulen segons estiguin 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 la 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 comunicació intercel·lular són l'ATP, l'ADP, l’UTP i nucleòsids con l'adenosina. Els nucleòtids i nucleòsids que estimulen receptors purinèrgics tenen papers importants en la resposta immunitària, en l'agregació plaquetària, en neurotransmissió, vasoconstricció i en processos patològics com ara el càncer o en 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, CO i grups formats aporten els àtoms per a 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 miniatura|The synthesis of UMP.L'esquema de colors és el següent: enzims, coenzims, noms dels substrats, molècules inorgàniques
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.
miniatura|Síntesi d'IMP. L'esquema de colors és el següent: enzims, coenzims, noms dels substrats, ions metal·lics, molècules inorgàniques Orígens biosintètics dels àtoms amb anell de purina Orígens biosintetics dels àtoms amb anell de purinaN1 sorgeix del grup amino de l'AspC₂ i C₈ provenen del format. N₃ i N9 estan sota la contribució del grup amida de Gln. C₄, C₅ i N₇ deriven de la Gly mentre que el C₆ té l'origen en HCO₃- (CO₂).
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).