Цитозин — азотистое основание пиримидинового ряда¶

Цитозин — азотистое основание пиримидинового ряда, одно из четырёх основных нуклеиновых оснований, входящих в состав ДНК и РНК. Химическое название — 4-амино-2-оксопиримидин (4-аминопиримидин-2(1H)-он), брутто-формула C₄H₅N₃O, молярная масса 111,10 г/моль. В молекулах нуклеиновых кислот цитозин образует комплементарную пару с гуанином, связываясь с ним тремя водородными связями. В составе нуклеозидов и нуклеотидов цитозин обозначается буквой C.

¶Химическое строение и свойства

Цитозин относится к пиримидинам — гетероциклическим соединениям с шестичленным кольцом, содержащим два атома азота. В положении 4 к кольцу присоединена аминогруппа (–NH₂), в положении 2 — карбонильная группа (C=O). Такое строение определяет амфотерные свойства молекулы: цитозин способен как принимать, так и отдавать протон.

Ключевые физико-химические характеристики:

• Белое кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде и хорошо — в горячей воде и полярных растворителях.
• Температура плавления — около 320–325 °C с разложением.
• Максимум поглощения в ультрафиолетовой области — примерно 267 нм (в нейтральной среде), что используется для количественного определения нуклеиновых кислот спектрофотометрическим методом.
• Склонность к дезаминированию: под действием кислот, щелочей или ферментов аминогруппа отщепляется, и цитозин превращается в урацил.

Именно спонтанное дезаминирование цитозина — одна из наиболее частых мутаций в ДНК: урацил, не свойственный ДНК, распознаётся системой репарации и удаляется. В РНК урацил является нормальным основанием, поэтому дезаминирование цитозина в РНК не считается ошибкой.

¶Нуклеозиды и нуклеотиды

В составе нуклеиновых кислот цитозин существует не как свободное основание, а в связанном виде:

Нуклеотиды цитозина участвуют в синтезе РНК и ДНК, а также в ряде метаболических процессов. Цитидинтрифосфат (CTP) служит не только строительным блоком для полимераз, но и донором энергии в некоторых ферментативных реакциях, а его производные задействованы в синтезе липидов.

¶Роль в генетическом коде

Цитозин — одна из четырёх «букв» генетического алфавита наряду с аденином (A), гуанином (G) и тимином (T) в ДНК либо урацилом (U) в РНК. Правило комплементарности Чаргаффа устанавливает, что в двуцепочечной ДНК количество цитозина равно количеству гуанина (C = G). Пара C–G прочнее пары A–T, поскольку удерживается тремя водородными связями вместо двух, что влияет на температуру плавления ДНК: чем выше доля пар G–C, тем устойчивее двойная спираль.

В генетическом коде триплеты, содержащие цитозин, кодируют различные аминокислоты. Например, кодон CUG в мРНК соответствует лейцину, а AUG — стартовый кодон, кодирующий метионин.

¶Эпигенетические модификации

Особое значение имеет метилирование цитозина — присоединение метильной группы к углероду в положении 5 с образованием 5-метилцитозина. У эукариот эта модификация происходит преимущественно в составе CpG-динуклеотидов и является одним из главных эпигенетических механизмов. Метилирование цитозина влияет на активность генов: как правило, метилированные промоторные области связаны с подавлением транскрипции. Нарушения профиля метилирования ассоциированы с рядом заболеваний, включая онкологические.

Метилированный цитозин склонен к спонтанному дезаминированию с образованием тимина, что делает CpG-сайты «горячими точками» мутаций в геноме.

¶История открытия

Цитозин был выделен в 1894 году немецкими химиками Альбрехтом Косселем и Альбертом Нейманом из тканей вилочковой железы (тимуса) крупного рогатого скота — в ходе исследований, за которые Коссель позднее получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине (1910). Название происходит от греческого «kytos» — «клетка», поскольку вещество обнаружили в клеточном материале. Синтез цитозина был осуществлён в лаборатории в начале XX века, что позволило установить его структуру.

¶Применение и значение

Соединения на основе цитозина применяются в медицине и биотехнологии. Цитарабин (цитозин-арабинозид) — противоопухолевый препарат, используемый при лечении лейкозов; он встраивается в ДНК раковых клеток и блокирует их деление. Аналоги цитозина (например, ламивудин и эмтрицитабин) применяются как противовирусные средства при ВИЧ-инфекции и гепатите B, поскольку нарушают репликацию вирусных нуклеиновых кислот.

В лабораторной практике цитозин и его производные используются в секвенировании, ПЦР-анализе и изучении эпигенетики, в частности в методах бисульфитного секвенирования, позволяющих картировать метилированные участки генома.

Цитозин играет центральную роль в хранении и передаче наследственной информации, а его модификации — в регуляции работы генов, что делает это соединение объектом активных исследований в молекулярной биологии, генетике и медицине.