Nucleotide là gì?

Một nucleotide được coi là khối xây dựng cơ bản của axit nucleic (gồm ADN và ARN). Ngược lại, axit nucleic là một trong những nhóm phân tử sinh học chính (các nhóm còn lại là carbohydrate, protein và axit amin).

Axit nucleic tham gia vào việc bảo tồn, sao chép và biểu hiện thông tin di truyền.

Nucleotide cũng cung cấp năng lượng hóa học dưới dạng nucleoside triphosphate. Ngoài ra, chúng còn tham gia truyền tín hiệu tế bào và tạo thành chất truyền tin thứ hai trong các quá trình của tế bào.

Nucleotide trong ADN và ARN

Nucleotide là một hợp chất hữu cơ được tạo thành từ ba tiểu đơn vị: bazơ nitơ, đường có 5 cacbon và nhóm photphat.

Cả axit deoxyribonucleic (DNA) và axit ribonucleic (RNA) đều được tạo thành từ các nucleotide bao gồm ba thành phần:

1. Bazơ nitơ: bao gồm 2 nhóm chính là purin và pyrimidine. Adenine và guanine thuộc nhóm purin. Cytosine, thymine và uracil là pyrimidine. Trong ADN, các bazơ là adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C). Trong ARN, các bazơ là adenine, guanine, uracil và cytosine.
2. Đường pentose: Trong ADN, đường là 2′-deoxyribose. Trong ARN, đường là ribose. Cả ribose và deoxyribose đều là đường 5 carbon. Các nguyên tử cacbon được đánh số tuần tự để giúp theo dõi vị trí các nhóm được gắn vào. Sự khác biệt duy nhất giữa chúng là 2′-deoxyribose có ít hơn một nguyên tử oxy gắn với carbon thứ hai.
3. Nhóm Phosphate: Một nhóm photphat đơn là PO₄ ^3-. Nguyên tử phốt pho là nguyên tử trung tâm. Một nguyên tử oxy được kết nối với 5 carbon trong đường và với nguyên tử phốt pho. Khi các nhóm phốt phát liên kết với nhau để tạo thành chuỗi, như trong ATP (adenosine triphosphate), liên kết trông giống như OPOPOPO, với hai nguyên tử oxy bổ sung gắn vào mỗi phốt pho, một ở hai bên của nguyên tử.

Mỗi nhóm photphat kết nối các vòng đường của hai monome nucleotide liền kề. Các nhóm photphat và các gốc đường tạo thành xương sống của axit nucleic.

Mặc dù ADN và ARN có một số điểm tương đồng nhưng chúng được tạo thành từ các loại đường hơi khác nhau, cộng thêm có sự thay thế bazơ giữa chúng. ADN sử dụng thymine (T), trong khi ARN sử dụng uracil (U). Cả thymine và uracil đều liên kết với adenine (A).

Các liên kết trong Nucleotide

Bazơ nitơ được gắn vào carbon chính hoặc carbon đầu tiên.

Carbon số 5 của đường được liên kết với nhóm photphat. Một nucleotide tự do có thể có một, hai hoặc ba nhóm photphat gắn vào chuỗi 5 carbon của đường. Khi các nucleotide kết nối để tạo thành ADN hoặc ARN, photphat của một nucleotide sẽ gắn thông qua liên kết phosphodiester với 3-cacbon đường của nucleotide tiếp theo, tạo thành khung đường phốt phát của axit nucleic.

Trong ADN, hướng của hai sợi là ngược chiều nhau. Điều này cho phép ghép cặp bazơ bổ sung giữa các thành phần nucleobase. Ngoài chuỗi axit nucleic dài, nucleotide còn tồn tại ở dạng tuần hoàn. Các nucleotide tuần hoàn hình thành khi nhóm photphat liên kết hai lần với gốc đường, đặc biệt là với hai nhóm hydroxyl của đường thành phần.

Nucleoside và Nucleotide

Không nên nhầm lẫn nucleotide với nucleoside, cũng là đường 5 carbon có gốc nitơ.

Nucleosid không có nhóm photphat.

Khi một nucleoside liên kết với nhóm photphat, nó sẽ tạo ra một nucleotide.

Do đó, nucleotide còn được gọi là nucleoside monophosphate (nếu chỉ có một nhóm photphat), nucleoside diphosphate (với hai nhóm photphat) hoặc nucleoside triphosphate (khi có ba nhóm photphat).

Tùy thuộc vào thành phần đường pentose, nucleoside có thể là ribonucleoside hoặc deoxyribonucleoside.

• Ribonucleoside là một nucleoside có ribose (thành phần đường). Dựa trên thành phần nucleobase, ribonucleoside có thể là Adenosine, Guanosine, Cytidine, Uridine hoặc 5-methyluridine.
• Deoxyribonucleoside là một nucleoside có deoxyribose. Tương tự, dựa trên thành phần nucleobase, deoxyribonucleoside có thể là deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxycytidine, deoxythymidine, hoặc deoxyuridin.

Ngoài ra, tùy thuộc vào thành phần nucleobase, các nucleoside có thể được nhóm thành purine “vòng kép” hoặc pyrimidine “vòng đơn”.

Phân loại Nucleotide

Các nucleotide cơ bản được chia thành purin và pyrimidine dựa trên cấu trúc của bazơ nitơ.

Các bazơ purine bao gồm adenine và guanine trong khi các bazơ pyrimidine là thymine và cytosine và uracil.

Trong ARN uracil thay thế thymine (thymine được sản xuất bằng cách thêm methyl vào uracil).

Các nucleobase tạo nên axit nucleic được sử dụng để phân biệt ADN với các phân tử ARN. Trong ADN, thymine bổ sung với adenine trong khi ở ARN, uracil khớp với adenine. Các cặp nucleobase CG và AT (hoặc AU trong ARN) được gọi là bổ sung bazơ.

Các loại Nucleotide

Nucleotide chỉ có một nhóm photphat:

• adenosine monophosphate (AMP)
• guanosine monophosphate (GMP)
• cytidine monophosphate (CMP)
• uridine monophosphate (UMP)
• adenosine monophosphate tuần hoàn (cAMP)
• guanosine monophosphate tuần hoàn (cGMP)
• cytidine monophosphate tuần hoàn (cCMP)
• uridine monophosphate tuần hoàn (cUMP)
• deoxyadenosine monophosphate (dAMP)
• deoxy guanosine monophosphate (dGMP)
• deoxtcytidine monophosphate (dCMP)
• (deoxy)thymidine monophosphate (dTMP)

Nucleotide có hai nhóm photphat:

• adenosine diphosphate (ADP)
• guanosine diphosphate (GDP)
• cytidine diphosphate (CDP)
• uridine diphosphate (UDP)
• deoxyadenosine diphosphate (dADP)
• deoxyguanosine diphosphate (dGDP)
• deoxycytidine diphosphate (dCDP)
• (deoxy)thymidine diphosphate (dTDP)

Nucleotide có ba nhóm photphat:

• adenosine triphosphate (ATP)
• guanosine triphosphate (GTP)
• cytidine triphosphate (CTP)
• uridine triphosphate (UTP)
• deoxyadenosine triphosphate (dATP)
• deoxyguanosine triphosphate (dGTP)
• deoxycytidine triphosphate (dCTP)
• (deoxy)thymidine triphosphate (dTTP)

Chức năng sinh học của Nucleotide

Ngoài việc đóng vai trò là tiền chất của axit nucleic, nucleotide còn đóng vai trò là đồng yếu tố quan trọng trong quá trình truyền tín hiệu và trao đổi chất của tế bào.

Các đồng yếu tố này bao gồm CoA, flavin adenine dinucleotide (FAD), flavin mononucleotide , adenosine triphosphate (ATP) và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP).

Đặc biệt, nucleoside triphosphate mang các gói năng lượng hóa học được sử dụng trong nhiều hoạt động của tế bào đòi hỏi năng lượng, ví dụ như tổng hợp axit amin, tổng hợp protein, phân chia tế bào, chuyển động bên trong và giữa các tế bào…

Quá trình suy thoái của Nucleotide

Đối với nucleotide có bazơ nitơ thuộc nhóm Purin (guanine và adenine) có thể bị phân hủy như sau:

Đối với GMP, hợp chất này lần đầu tiên được thủy phân và chuyển thành guanosine. Sau đó, chất này được phân cắt để giải phóng guanine.

• Guanine (thông qua guanase ) »xanthine (thông qua xanthine oxyase ) » axit uric.
• Adenosine »» inosine (thông qua purine nucleoside phosphorylase ) » hypoxanthine (thông qua xanthine oxyase ) » xanthine (thông qua xanthine oxyase ) » axit uric.

Do sự phân hủy purine, axit uric được tạo ra. Ở người, axit uric được giải phóng từ gan và các nguồn mô khác vào máu rồi đến thận . Sau đó nó được đào thải ra khỏi cơ thể qua nước tiểu.

Purin từ quá trình dị hóa có thể được tận dụng và tái sử dụng như sau:

• Adenine được thu hồi nhờ enzyme adenine photphoribosyltransferase (APRT), bằng cách chuyển nó thành adenylate.
• Guanine và hypoxanthine được thu hồi nhờ enzyme hypoxanthine-guanine photphoribosyltransferase (HGPRT), bằng cách hình thành guanylate hoặc IMP.

Pyrimidine bị phân hủy có thể được tái chế bằng con đường trục vớt. Nucleobase được thu hồi để tái sử dụng sau quá trình phân hủy ADN và hậu ARN. Con đường trục vớt pyrimidine như sau:

• Cytosine được chuyển đổi thành uracil bằng cách khử amin. Nhờ uridine phosphorylase , uracil được chuyển thành uridine bằng cách phản ứng với ribose-1-phosphate. Thông qua enzyme nucleoside kinase , uridine được chuyển đổi thành uridine monophosphate (UMP).
• Thymine được chuyển đổi thành thymidine bằng cách phản ứng với deoxyribose-1-phosphate và bởi enzyme thymidine phosphorylase . Thymidine sau đó được chuyển đổi thành thymidine monophosphate nhờ enzyme nucleoside kinase . Đặc biệt, thymidine kinase là một enzyme của con đường trục vớt pyrimidine xúc tác quá trình phosphoryl hóa thymidine thành thymidine monophosphate.

(*) Theo ThoughtCo