Nucleósido trifosfato

Un nucleósido trifosfato é unha molécula que contén unha base nitroxenada unida a un azucre de 5 carbonos (pode ser ribosa ou desoxirribosa), con tres grupos fosfato unidos ao azucre.^[1] Son os precursores moleculares dos nucleótidos que constitúen o ADN e o ARN (que son nucleósidos monofosfato), xa que estes ácidos nucleicos son cadeas de nucleótidos orixinadas durante a replicación do ADN e a transcrición.^[2] Os nucleósidos trifosfato tamén serven como fonte de enerxía para as reaccións celulares (o ATP é o mellor exemplo)^[3] e están implicados en vías de sinalización (por exemplo o GTP).^[4]

Os nucleósidos trifosfato dos alimentos non poden ser absorbidos ben, polo que se sintetizan dentro da célula.^[5] As vías de síntese son distintas dependendo do nucleósido trifosfato concreto que se vaia formar, pero como teñen importantes funcións, a súa síntese está estreitamente regulada en todos os casos.^[6] Os análogos de nucleósidos poden tamén usarse para tratar infeccións virais.^[7] Por exemplo, a azidotimidina (AZT) é un análogo de nucleósido usado para previr e tratar a VIH/SIDA.^[8]

O termo nucleósido fai referencia a unha molécula formada por unha base nitroxenada unida a un azucre de 5 carbonos (ribosa ou desoxirribosa).^[1] Os nucleótidos son nucleósidos que están unidos covalentemente a un grupo fosfato, o cal pode estar constituído, dependendo da definición utilizada, por un ácido fosfórico só,^[9] ou por dous ou tres.^[10] Para proporcionar información sobre o número de fosfatos, os nucleótidos son denominados nucleósidos monofosfato, difosfato ou trifosfato.^[10][11] Por tanto, os nucleósidos trifosfato son considerados tradicionalmente como un tipo de nucleótido.^[10][12][11] Para a discusión da definición de nucleótido, ver a páxina nucleótido (hai certa ambigüidade entre a definición da IUPAC e os usos tradicionais en bioquímica, xa que a IUPAC denomina nucleótidos só aos nucleósidos monofosfato).^[9]

O nome dos nucleósidos fosfato abréviase xeralmente cunha sigla de tres letras, que son 4 ou 5 no caso dos desoxi- ou didesoxinucleósidos fosfato). A primeira letra indica a identidade da base nitroxenada (por exemplo, A por adenina, G por guanina), a segunda letra indica o número de fosfatos (mono, di, tri), e a terceira é P, que indica fosfato.^[13] Os nucleósidos trifosfato que conteñen ribosa como azucre abrévianse convencionalmente como NTPs, mentres que os que conteñen desoxirribosa abrévianse como dNTPs. Por exemplo, dATP sería a desoxirribosa adenosín trifosfato. Os NTPs orixinan os nucleósidos monofosfato que son as unidades que forman o ARN, e os dNTPs orixinan os nucleósidos monofosfato que forman o ADN.^[14] Os carbonos do azucre dun nucleósido trifosfato numéranse arredor do anel carbonado no sentido das agullas do reloxo empezando polo do grupo carbonilo orixinal do azucre. Convencionalmente, os números que indican os carbonos do azucre levan o símbolo prima (‘) para distinguilos dos carbonos da base nitroxenada. A base nitroxenada está ligada ao carbono 1’ por medio dun enlace N-glicosídico e o grupo fosfato está enlazado covalentemente ao carbono 5’ do azucre por enlace fosfodiéster (ou ás veces ao 3'^[9]). Os fosfatos están ligados entre si por enlaces anhidro ácidos (ou fosfoanhidro).^[15] O primeiro fosfato unido ao azucre denomínase α (fosfato alfa), o segundo é o β (beta) e o terceiro é o γ (gamma).^[16]

Os procesos celulares da replicación do ADN e transcrición implican a síntese de ADN e ARN, respectivamente. A síntese de ADN usa dNTPs como substratos, mentres que a síntese de ARN usa NTPs.^[2] Os NTPs non se poden converter directamente en dNTPs. O ADN contén catro bases nitroxenadas diferentes: adenina, guanina, citosina e timina. O ARN contén tamén adenina, guanina e citosina, pero en lugar de timina ten uracilo.^[17] Por tanto, a síntese de ADN require como substratos dATP, dGTP, dCTP e dTTP, mentres que a de ARN necesita ATP, GTP, CTP e UTP.

A síntese de ácidos nucleicos é catalizada polos encimas ADN polimerase, que realiza a síntese de ADN, ou ARN polimerase, que realiza a síntese de ARN.^[18] Estes encimas crean un enlace covalente entre o grupo hidroxilo libre (-OH) do carbono 3’ do azucre dunha cadea de nucleótidos en crecemento e o fosfato α do carbono 5’ do seguinte (d)NTP, liberando xuntos os fosfatos β e γ en forma de pirofosfato (PPi).^[19] Isto ten como resultado a formación dun enlace fosfodiéster entre os dous (d)NTPs. A liberación do PPi proporciona a enerxía necesaria para que ocorra a reacción.^[19] A síntese de ácidos nucleicos realízase na dirección 5’-3’.

Dada a súa importancia na célula, a síntese e degradación de nucleósidos trifosfato está baixo un estreito control.^[6] Este capítulo céntrase no metabolismo dos nucleósidos trifosfato en humanos, pero o proceso está moi conservado entre as especies.^[20] Os nucleósidos trifosfato dos alimentos non se poden absorber ben, así que todos os nucleósidos trifosfato teñen que formarse de novo.^[21] A síntese de ATP e GTP (purinas) é distinta que a síntese de CTP, dTTP e UTP (pirimidinas). Tanto a síntese de purinas coma a das pirimidinas utilizan o fosforribosil pirofosfato (PRPP) como molécula de inicio.^[22]

A conversión de NTPs en dNTPs só pode realizarse en forma de difosfafots. A un NTP retíraselle un fosfato, converténdoo nun NDP, despois é convertido nun dNDP por un encima chamado ribonucleótido redutase, despois engádese de novo un fosfato para dar lugar a un dNTP.^[23]

A base nitroxenada hipoxantina ensámblase directamente co PRPP.^[24] Isto orixina un nucleótido chamado inosina monofosfato (IMP). O IMP convértese despois nun precursor do AMP ou do GMP. Unha vez que se forman o AMP ou o GMP, poden ser fosforilados polo ATP orixinando as formas difosfato e trifosfato.^[25]

A síntese de purinas é regulada por inhibición alostérica da formación de IMP realizada polos nucleótidos de adenina e guanina.^[26] O AMP e o GMP tamén inhiben competitivamente a formación dos seus precursores a partir de IMP.^[27]

A base nitroxenada orotato sintetízase independentemente do PRPP.^[27] Despois o orotato únese covalentemente ao PRPP, orixinando o nucleótido orotato monofosfato (OMP).^[28] O OMP convértese en UMP, o cal pode ser despois fosforilado polo ATP a UDP e UTP. O UTP pode despois converterse en CTP por medio dunha reacción de desaminación.^[29] O dTTP fórmase indirectamente a patir de dUDP ou dCDP.^[22]

A síntese de pirimidinas é regulada pola inibición da síntese de orotato polo UDP e UTP. Ademais, o PRPP e o ATP son tamén activadores alostéricos da síntese de orotato.^[30]

A ribonucleótido redutase (RNR) é o encima responsable da conversión de NTPs en dNTPs. Como os dNTPs se usan na replicación do ADN, a actividade da RNR está moi regulada.^[6] O encima RNR soamente pode procesar NDPs, polo que os NTPs son primeiramente desfosforilados a NDPs antes da súa conversión en dNDPs.^[31] Os dNDPs son despois refosforilados. A RNR ten dúas subunidades e 3 sitios para a unión de moléculas: o sitio catalítico, o sitio de actividade (A) e o sitio de especificidade (S).^[31] O sitio catalítico é onde ten lugar a reacción de paso do NDP a dNDP; o sitio de actividade detemina se o encima está activo ou non, e o sitio de especificidade determina que reacción terá lugar no sitio catalítico.

Ao sitio de actividade pode unirse o ATP ou o dATP.^[32] Cando se une o ATP, a RNR está activa. Cando se unen o ATP ou o dATP ao sitio S, a RNR cataliza a síntese de dCDP e dUDP a partir de CDP e UDP. O dCDP e o dUDP poden despois dar lugar indirectamente dTTP. O dTTP unido ao sitio S determina a síntese de dGDP a partir de GDP, e a unión de dGDP ao sitio S promove a síntese de dADP a partir de ADP.^[33] O dADP é despois fosforilado para dar dATP, o cal se pode unir ao sitio A e inactivar a RNR.^[32]

O ATP é a molécula que funciona como fonte de enerxía primaria da célula.^[34] Malia que é sintetizado pola vía metabólica descrita anteriormente, é producido principalmente durante a respiración celular^[35] e fotosíntese^[36] pola ATP sintase. A ATP sintase acopla a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato cun gradiente electroquímico xerado polo bombeo de protóns a través da membrana mitocondrial interna (na respiración celular) ou da membrana tilacoidal (na fotosíntese).^[37] Este gradiente electroquímico é necesario porque a formación de ATP é enerxeticamente desfavorable.

A hidrólise do ATP a ADP e Pi procede como segue:^[38]

${\displaystyle {\ce {ATP + H2O -> ADP + Pi}}}$

Esta reacción é enerxeticamente favorable e libera 30,5 kJ/mol de enerxía.^[3] Na célula esta reacción está a miúdo acoplada a reaccións desfavorables para proporcionar a enerxía que a faga posible.^[39] O GTP é utilizado ocasionalmente para o acoplamento de enerxía de xeito similar.^[40]

O GTP é esencial para a transdución de sinais, especialmente coa proteína G. As proteínas G están acopladas a un receptor unido á membrana celular.^[4] Este complexo completo denomínase receptor acoplado á proteína G (GPCR). As proteínas G poden unirse ao GDP ou ao GTP. Cando se unen ao GDP, as proteínas G están inactivas. Cando un ligando se une ao GPCR, desencadéase un cambio alostérico na proteína G, causando que o GDP saia e sexa substituído por GTP.^[41] O GTP activa a subunidade alfa da proteína G, causando que esta se disocie da proteína G e actúe como efector augas abaixo.^[41]

Poden utilizarse análogos de nucleósidos para tratar infeccións virais.^[42]Os análogos de nucleósidos son nucleósidos estruturalmente similares (análogos) aos nucleósidos usados na síntese de ADN e ARN.^[43] Unha vez que estes análogos de nucleósidos entran na célula, poden ser fosforilados por un encima viral. Os nucleótidos resultantes son o suficientemente similares aos nucleótidos normais do ADN ou ARN como para ser incorporados nas febras en crecemento de ADN ou ARN durante a súa síntese, pero non teñen un grupo 3' OH dispoñible para atacar o seguinte nucleótido, causando a terminación da cadea.^[44] Isto pode ser explotado para usos terapéuticos en infección virais porque a ADN polimerase viral recoñece certos análogos de nucleótidos máis facilmente que a ADN polimerase eucariota.^[42] Por exemplo, a azidotimidina utilízase no tratamento da VIH/SIDA.^[8] Algúns análogos de nuleósidos menos selectivos poden utilizarse como axentes quimioterápicos para tratar o cancro,^[45] como a citosina arabinosa (ara-C) no tratamento de certas formas de leucemia.^[7]

Porén, a resistencia a análogos de nucleósidos é común e débese frecuentemente a unha mutación no encima que fosforila o nucleósido despois da entrada na célula.^[7] Isto é algo común cos análogos de nucleósidos utilizados para tratar a VIH/SIDA.^[46]

• Nucleótido
• Nucleobase
• Guanosín pentafosfato