Cytosin

Rozbalit box

Obsah boxu

Cytosin (zkratka C) je jednou ze čtyř základních nukleových bází, které tvoří nukleové kyseliny DNA a RNA. V rámci párování bází se v dvoušroubovici DNA komplementárně váže s guaninem pomocí tří vodíkových můstků. Z chemického hlediska se jedná o derivát pyrimidinu, který má na pozici 4 aminoskupinu a na pozici 2 ketoskupinu. Kromě své základní role v kódování genetické informace hraje cytosin klíčovou roli v epigenetice, zejména prostřednictvím své methylace.

📜 Historie

Cytosin byl objeven v roce 1894 německým biochemikem Albrechtem Kosselem a jeho studentem Albertem Neumannem. Podařilo se jim ho izolovat hydrolýzou tkáně brzlíku telete. Struktura cytosinu byla navržena v roce 1903 a následně byla potvrzena laboratorní syntézou, což definitivně zařadilo tuto molekulu mezi základní stavební kameny života. Objev cytosinu a dalších nukleových bází byl zásadním krokem k pozdějšímu objasnění struktury DNA v roce 1953 Jamesem Watsonem a Francisem Crickem.

🧬 Struktura a chemické vlastnosti

🏛️ Základní struktura

Základem molekuly cytosinu je šestičlenný heterocyklický kruh pyrimidinu. Na tento kruh jsou navázány funkční skupiny, které určují jeho vlastnosti:

Aminoskupina (-NH₂) na uhlíku C4.
Ketoskupina (=O) na uhlíku C2.

Tato struktura umožňuje existenci cytosinu v různých tautomerních formách (amino-oxo a imino-hydroxy), přičemž v biologických systémech drtivě převažuje amino-oxo forma, která je klíčová pro správné párování s guaninem. Připojením deoxyribózy na atom dusíku N1 vzniká nukleosid deoxycytidin; připojením ribózy vzniká cytidin. Následnou fosforylací hydroxylové skupiny cukru vznikají nukleotidy (např. deoxycytidinmonofosfát, dCMP).

🧪 Fyzikálně-chemické vlastnosti

Cytosin je za normálních podmínek bílá krystalická látka, která je jen omezeně rozpustná ve vodě. Vykazuje silnou absorpci ultrafialového záření s maximem okolo 274 nm. Jeho teplota tání je vysoká (přibližně 320–325 °C), ale při této teplotě dochází k jeho rozkladu.

↔️ Párování s guaninem

Nejdůležitější vlastností cytosinu v kontextu molekulární biologie je jeho schopnost tvořit specifický pár s guaninem. Mezi těmito dvěma bázemi se vytvářejí tři vodíkové můstky: 1. Mezi ketoskupinou (C2) cytosinu a aminoskupinou (N1) guaninu. 2. Mezi atomem dusíku (N3) cytosinu a vodíkem na N2 guaninu. 3. Mezi aminoskupinou (C4) cytosinu a ketoskupinou (C6) guaninu.

Tato trojná vazba činí pár G-C termodynamicky stabilnějším než pár adenin-thymin (A-T), který je spojen pouze dvěma vodíkovými můstky. Oblasti DNA bohaté na páry G-C mají proto vyšší teplotu tání (denaturace) než oblasti bohaté na A-T páry.

生物 Biologický význam

💾 Nosič genetické informace

Jako jedna ze čtyř bází v DNA a RNA je cytosin součástí genetického kódu. Sekvence bází, včetně cytosinu, v řetězci DNA určuje pořadí aminokyselin v proteinech a řídí veškeré buněčné procesy. V RNA plní cytosin stejnou funkci při přenosu genetické informace (mRNA), v ribozomech (rRNA) i při transportu aminokyselin (tRNA).

🤫 Epigenetická regulace

Cytosin je ústřední molekulou v oblasti epigenetiky, což je studium změn v genové expresi, které nejsou způsobeny změnou samotné sekvence DNA.

Methylace cytosinu: Na cytosin může být enzymaticky navázána methylová skupina (-CH₃), čímž vzniká 5-methylcytosin (5-mC). Tento proces katalyzují enzymy zvané DNA methyltransferázy (DNMTs).
CpG ostrovy: K methylaci dochází nejčastěji v sekvencích, kde cytosin následuje guanin (tzv. CpG dinukleotidy). Nahromadění těchto sekvencí se nazývá CpG ostrov a často se nachází v promotorových oblastech genů.
Umlčování genů: Methylace CpG ostrovů v promotoru genu obvykle vede k jeho "umlčení" neboli represi transkripce. Buňka takový gen přestane přepisovat do RNA a netvoří se podle něj protein. Tento mechanismus je klíčový pro buněčnou diferenciaci, inaktivaci X-chromozomu a potlačení aktivity transpozonů.
Demethylace: Proces odstraňování methylové skupiny je rovněž aktivně řízen, například pomocí TET enzymů, které postupně oxidují 5-methylcytosin na 5-hydroxymethylcytosin (5-hmC), 5-formylcytosin (5-fC) a 5-karboxylcytosin (5-caC), které jsou následně odstraněny opravnými mechanismy.

⚠️ Chemická nestabilita a mutace

Cytosin je chemicky nejméně stabilní z nukleových bází. Je náchylný k samovolné deaminaci, což je hydrolytická reakce, při které se jeho aminoskupina nahradí ketoskupinou. Tímto procesem se cytosin mění na uracil.

Důsledky pro DNA: Pokud tato změna není včas opravena, DNA polymeráza při replikaci přečte uracil jako thymin a do nového řetězce zařadí adenin místo původního guaninu. Výsledkem je bodová mutace (tzv. C→T tranzice).
Opravné mechanismy: Buňky mají vysoce účinné opravné systémy, jako je bázová excizní reparace (BER), které uracil z DNA rozpoznají a odstraní. Enzym uracil-DNA glykosyláza specificky vyhledává a odštěpuje uracil z řetězce DNA.
Evoluční význam: Právě tato nestabilita cytosinu je považována za hlavní evoluční důvod, proč DNA používá jako standardní bázi thymin (což je methylovaný uracil), zatímco RNA používá uracil. Přítomnost uracilu v DNA je pro buňku jasným signálem poškození, které je třeba opravit.

⚙️ Metabolismus

Organismy mohou cytosin získávat dvěma hlavními způsoby: 1. De novo syntéza: Syntéza z jednodušších prekurzorů, jako jsou aminokyseliny (aspartát), oxid uhličitý a amoniak. Tento proces vede k syntéze uridinmonofosfátu (UMP), který je prekurzorem pro ostatní pyrimidinové nukleotidy, včetně těch cytosinových. 2. Záchranná dráha (Salvage pathway): Recyklace volných bází nebo nukleosidů z rozpadu nukleových kyselin.

Při degradaci je cytosin nejprve deaminován na uracil, který je dále rozložen na β-alanin, CO₂ a amoniak. Tyto konečné produkty mohou být dále využity v jiných metabolických drahách nebo vyloučeny z těla.

💡 Pro laiky

Představte si DNA jako obrovskou kuchařskou knihu s recepty na stavbu a fungování celého těla. Tato kniha je napsaná pouze čtyřmi písmeny: A, T, C a G.

Písmeno v abecedě: Cytosin (C) je jedním z těchto čtyř základních písmen. Jeho pořadí v textu (genu) určuje, jaký "pokrm" (protein) se bude "vařit".
Pravidlo párování: V knize jsou stránky popsány z obou stran a písmena se párují. Písmeno C se vždy a zásadně páruje pouze s písmenem G. Drží se spolu velmi pevně, jako by byly spojeny třemi silnými magnety. Pár A-T je spojen jen dvěma.
Zvýrazňovač (Epigenetika): Někdy buňka potřebuje některé recepty dočasně ignorovat. Použije k tomu jakýsi "chemický zvýrazňovač" (methylovou skupinu), kterým označí písmeno C. Takto označený recept (gen) pak buněčná mašinérie přeskakuje a nečte ho. Nejde o přepsání receptu, jen o poznámku na okraji.
Překlep (Mutace): Písmeno C je trochu nestabilní a občas se může samovolně "rozmazat" a začít vypadat jako písmeno U (uracil), které se v DNA normálně nevyskytuje. Pro buňku je to signál chyby, jako když v knize najdete překlep. Buňka má "korektory", kteří chybu najdou a opraví. Pokud to ale nestihnou, při kopírování knihy se z překlepu stane trvalá chyba, která může změnit význam receptu.

Šablona:Aktualizováno