Inhaltsverzeichnis
Definition
Nomen
Plural: Pyrimidine
py-rim-i-dine, py-rim-i-dine
Eine heterocyclische aromatische Verbindung, die als Pyrimidinring vorliegt und als Bestandteil von Nukleinsäuren (z.B.. DNA und RNA), bestimmter Proteine, Stärken, etc.
Details
Übersicht
Eine Nukleobase ist eine stickstoff-enthaltende Verbindung, die, wenn sie an einen Pentosezucker Ribose oder Desoxyribose gebunden ist, ein Nukleotid bildet. Das Nukleotid ist die monomere Einheit von Nukleinsäuren, wie z. B. DNA und RNA. In zweisträngigen Nukleinsäuren wie der DNA sind die Nukleobasen gepaart. Die beiden Nukleobasen, die komplementär sind, sind durch eine Wasserstoffbrücke verbunden. Die Nukleobasen können in zwei Haupttypen unterteilt werden: Purine und Pyrimidine.
Purine vs. Pyrimidine
Während sowohl Purine als auch Pyrimidine heterozyklische aromatische Verbindungen sind, können sie aufgrund ihrer chemischen Struktur voneinander unterschieden werden. Ein Purin hat zwei Kohlenstoffringe, während ein Pyrimidin nur einen Kohlenstoffring hat. Das Purin hat einen Pyrimidinring, der an einen Imidazolring kondensiert ist. Das Pyrimidin hat nur einen Pyrimidinring. Das Purin hat also vier Stickstoffatome, während das Pyrimidin zwei hat.
Zu den Pyrimidinen gehören Cytosin, Thymin und Uracil, zu den Purinen Adenin und Guanin. Diese fünf stickstoffhaltigen Basen werden als primär oder kanonisch angesehen, da sie die grundlegenden Einheiten des genetischen Codes sind. Die Nukleobasen, aus denen die Nukleinsäure besteht, dienen zur Unterscheidung der DNA von RNA-Molekülen. In der DNA bildet das Thymin ein Komplementärpaar mit dem Adenin, während in der RNA das Uracil mit dem Adenin zusammenpasst. Das Thymin unterscheidet sich vom Uracil dadurch, dass es eine Methylgruppe besitzt, die dem Uracil fehlt. Die Paarungen der Nukleobasen C-G und A-T (bzw. A-U in der RNA) werden als Basenkomplemente bezeichnet.
Eigenschaften von Pyrimidinen
Pyrimidin ist eine heterocyclische aromatische organische Verbindung mit der chemischen Formel C4H4N2. Es besitzt einen einzelnen Ring (Pyrimidinring genannt) mit abwechselnden Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Die molare Masse von Pyrimidin beträgt 80,088 g/mol und sein Schmelzpunkt liegt bei 20-22 °C.
Cytosin, Thymin und Uracil
Cytosin, Thymin und Uracil sind Pyrimidin-Nukleobasen. Cytosin unterscheidet sich von den anderen Pyrimidinen dadurch, dass es in seinem heterocyclischen aromatischen Ring eine Ketogruppe an Position 2 und eine Aminogruppe an Position 4 besitzt. Es hat die chemische Formel C4H5N3O. In DNA und RNA paart sich Cytosin mit Guanin und bildet drei Wasserstoffbrücken. Wenn sie mit drei Phosphorsäuregruppen phosphoryliert werden, werden sie zu Cytidintriphosphat (CTP) und Desoxycytidintriphosphat (dCTP), den Nukleotiden, die die RNA- bzw. DNA-Moleküle aufbauen. Ein Cytidintriphosphat ist ein Nukleotid, das einen Teil der DNA oder RNA bildet. Es kann auch als Co-Faktor für Enzyme dienen. Es kann sein Phosphat übertragen, um ADP in ATP umzuwandeln.
Thymin hat eine chemische Formel von C5H6N2O2. Es hat zwei Ketogruppen an den Positionen 2 und 4 und eine Methylgruppe an Position 5 in seinem heterocyclischen aromatischen Ring. Thymin bildet komplementäre Basenpaare mit Adenin durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen. Im Gegensatz zu Cytosin, das sowohl in der DNA als auch in der RNA vorhanden ist, ist Thymin jedoch nur im DNA-Molekül vorhanden, da es in der RNA durch Uracil ersetzt wird. Thymin, das an eine Desoxyribose (einen Pentosezucker) gebunden ist, wird als Desoxythymidin (oder Thymidin) bezeichnet. Wenn es mit drei Phosphorsäuregruppen phosphoryliert wird, wird das Desoxythymidin zu Desoxythymidintriphosphat (dTTP), das eine der Nukleotidmonomereinheiten ist, die die DNA aufbauen.
Uracil ist dem Thymin in seiner Struktur ähnlich, mit Ausnahme der Methylgruppe an Position 5 im heterozyklischen aromatischen Ring, der in Thymin vorhanden ist. Es hat die chemische Formel C4H4N2O2. Bei der komplementären Basenpaarung paart sich Uracil mit Adenin. Im Allgemeinen kommt Uracil in der RNA vor, nicht in der DNA. Anstelle von Uracil kommt in der DNA Thymin vor, das mit Adenin paart. Eine der möglichen Erklärungen, warum die DNA Thymin anstelle von Uracil hat, hängt mit der Umwandlung von Cytosin in Uracil durch spontane Desaminierung zusammen. Cytosin kann sich in Uracil verwandeln, wenn es seine Aminogruppe verliert. Diese Desaminierung von Cytosin ist ein häufiges Vorkommnis. Der Fehler wird jedoch durch ein inhärentes DNA-Reparatursystem korrigiert. Wenn er jedoch nicht repariert wird, kann er zu einer Punktmutation führen. Wenn Uracil in der DNA vorhanden ist, sind die Reparatursysteme möglicherweise nicht in der Lage, das ursprüngliche Uracil von dem in Cytosin umgewandelten Uracil zu unterscheiden und können daher nicht erkennen, welches Uracil zu korrigieren ist. Das Vorhandensein einer Methylgruppe in Thymin (die in Uracil nicht vorhanden ist) hilft, dies zu verhindern und dadurch die Integrität und Stabilität des genetischen Codes zu bewahren. Uracil, das an eine Desoxyribose (ein Pentosezucker) gebunden ist, wird als Uridin bezeichnet. Wenn es mit drei Phosphorsäuregruppen phosphoryliert wird, wird Uridin zu Uridintriphosphat (UTP), das eine der monomeren Nukleotideinheiten ist, die die RNA aufbauen.
Gebräuchliche biologische Reaktionen
Gebräuchliche biologische Reaktionen
In der Pyrimidin-Biosynthese wird der Ring durch eine Reihe von Schritten gebildet, die mit der Bildung von Carbamoylphosphat beginnt. Zunächst wird Carbamoylphosphat durch eine biochemische Reaktion unter Beteiligung von Bicarbonat, Glutamin, ATP (für die Phosphorylierung) und einem Wassermolekül gebildet. Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, ist die Carbamoylphosphat-Synthetase II, die sich im Cytosol befindet. Anschließend wird das Carbamoylphosphat durch das Enzym Aspartat-Transcarbamylase in Carbamoylaspartat umgewandelt. Dann schließt sich der Ring durch intramolekulare Kondensation, wobei Carbamoylphosphat durch das Enzym Dihydroorotase in Dihydroorotat umgewandelt wird. Schließlich wird das Dihydroorotat durch Dihydroorotat-Dehydrogenase (ein integrales Membranprotein in der inneren Mitochondrienmembran) zu Orootat oxidiert. Dabei stammt C2 des Pyrimidinrings aus dem Bicarbonat-Ion (HCO3-), N3 stammt aus Glutamin und die restlichen Atome in den Ringen stammen aus Aspartat. Nachdem sich der Pyrimidinring gebildet hat, reagiert 5-Phospho-α-D-ribosyl-1-pyrophosphat (PRPP), ein Ribosephosphat, mit Orotat zu Orotidin-5-monophosphat (OMP). OMP wird dann durch das Enzym OMP-Decarboxylase decarboxyliert, um Uridinmonophosphat (UMP) zu bilden. Schließlich werden Uridindiphosphat (UDP) und Uridintriphosphat (UTP) im weiteren Verlauf des Biosyntheseweges durch Kinasen und Dephosphorylierung von ATP gebildet. UTP kann durch Aminierung von UTP über das Enzym CTP-Synthetase in Cytidintriphosphat (CTP) umgewandelt werden.1
Die Biosynthese von Pyrimidinen unterscheidet sich von der Biosynthese von Purinen dadurch, dass Purine zunächst als Nukleotid synthetisiert werden, während Pyrimidine zunächst als freie Base gebildet werden. Beim Menschen werden Pyrimidine in verschiedenen Geweben synthetisiert, vor allem in der Milz, im Thymus und im Magen-Darm-Trakt.
Gängige biologische Reaktionen
Pyrimidine, die abgebaut werden, können über einen Bergungsweg recycelt werden. Nukleobasen werden für die Wiederverwendung nach dem RNA- und DNA-Abbau zurückgewonnen. Pyrimidin-Rettungswege sind wie folgt:
- Cytosin wird durch Desaminierung in Uracil umgewandelt. Durch Uridinphosphorylase wird Uracil durch Reaktion mit Ribose-1-Phosphat in Uridin umgewandelt. Durch das Enzym Nukleosidkinase wird Uridin in Uridinmonophosphat (UMP) umgewandelt.
- Thymin wird durch Reaktion mit Desoxyribose-1-Phosphat und durch das Enzym Thymidinphosphorylase in Thymidin umgewandelt. Thymidin wird dann durch das Enzym Nukleosidkinase in Thymidinmonophosphat umgewandelt.
Biologische Funktion
Pyrimidine als eine der Nukleobasen sind wichtige Strukturbestandteile von Nukleinsäuren. Nukleinsäuren wie DNA- und RNA-Moleküle enthalten die genetische Information, die für alle zellulären Funktionen und die Vererbung wichtig ist. Neben den Nukleinsäuren sind Nukleobasen auch wichtige Bestandteile von bestimmten Proteinen und Stärken. Sie dienen also nicht nur als Strukturbestandteile von DNA und RNA, sondern sind auch an der Regulation von Enzymen und der Zellsignalisierung beteiligt.
Zusatzinformationen
IUPAC
- 1,3-Diazin
- m-Diazin
Chemische Formel
Abgeleitete Bezeichnung(en)
- Pyrimidin-Phosphoribosyltransferase
- Pyrimidin-Transferase
Weiterführende Literatur
Vergleiche
- Purin