Цитозин как азотистое основание¶

Цитозин — азотистое основание пиримидинового ряда, одно из четырёх основных оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. В молекулах ДНК и РНК цитозин образует комплементарную пару с гуанином, участвуя в хранении и передаче генетической информации. Химическая формула — C₄H₅N₃O, молекулярная масса — 111,10 г/моль. В составе нуклеотидов цитозин обозначается буквой C.

¶Химическое строение и свойства

Цитозин представляет собой гетероциклическое соединение — производное пиримидина с аминогруппой в положении 4 и гидроксильной (кетонной в лактамной форме) группой в положении 2. Брутто-формула C₄H₅N₃O. Молекула существует в двух таутомерных формах: амино-оксо- и имино-гидроксо-, причём в физиологических условиях преобладает первая.

Чистый цитозин — бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде и хорошо — в щелочах и кислотах за счёт амфотерных свойств. Температура плавления около 320 °C (с разложением). Как основание, он образует соли с кислотами, а аминогруппа способна к реакциям дезаминирования.

В составе нуклеиновых кислот цитозин связан с остатком рибозы (в РНК) или дезоксирибозы (в ДНК) через N-гликозидную связь, образуя соответственно цитидин и дезоксицитидин. При присоединении фосфатных групп возникают нуклеотиды — цитидинмоно-, ди- и трифосфат (ЦМФ, ЦДФ, ЦТФ).

¶Роль в нуклеиновых кислотах

Цитозин — обязательный компонент всех природных ДНК и РНК. В двойной спирали ДНК он образует с гуанином три водородные связи, что делает пару G–C более прочной, чем пару A–T (аденин–тимин), где связей только две. Именно поэтому участки ДНК, богатые цитозином и гуанином, имеют более высокую температуру плавления.

Соотношение содержания цитозина и гуанина в ДНК подчиняется правилам Чаргаффа: количество цитозина равно количеству гуанина, а сумма пуринов равна сумме пиримидинов. Это открытие сыграло ключевую роль в установлении структуры двойной спирали Уотсоном и Криком в 1953 году.

В РНК цитозин также спаривается с гуанином, но молекула РНК обычно одноцепочечная, поэтому пары образуются лишь на локальных участках вторичной структуры.

¶Модификации и метилирование

В ДНК эукариот цитозин подвергается эпигенетической модификации — метилированию по пятому положению пиримидинового кольца с образованием 5-метилцитозина. Этот процесс регулирует активность генов: метилирование промоторных областей, как правило, подавляет транскрипцию. Метилирование цитозина играет важную роль в эмбриональном развитии, инактивации X-хромосомы и геномном импринтинге.

В РНК встречаются другие производные: 5-метилцитозин, 2'-O-метилцитозин и псевдоцитидин. Эти модификации влияют на стабильность и функции РНК.

Дезаминирование цитозина приводит к урацилу. Спонтанное дезаминирование — одна из наиболее частых мутаций: если урацил не будет исправлен системой репарации, в следующей репликации он спарится с аденином вместо гуанина, что приведёт к замене пары C–G на T–A. Для распознавания таких ошибок в ДНК урацил не используется как нормальное основание — его место занимает тимин.

¶Биосинтез

Цитозиновые нуклеотиды синтезируются в клетке двумя путями. В ходе de novo синтеза сначала образуется уридинтрифосфат (УТФ), который затем аминируется с превращением в цитидинтрифосфат (ЦТФ) под действием фермента ЦТФ-синтетазы. В реакциях «запасного» (salvage) пути цитозин и цитидин могут повторно использоваться после фосфорилирования.

У животных цитозиновые нуклеотиды синтезируются преимущественно из УТФ, тогда как у бактерий и растений существуют дополнительные регуляторные механизмы.

¶Применение и значение

Цитозин и его производные применяются в фармакологии и биотехнологии:

• Цитозинарабинозид (цитарабин) — цитостатик, используемый в лечении лейкозов;
• 5-азацитидин и децитабин — ингибиторы метилирования ДНК, применяемые при миелодиспластических синдромах;
• цитидинтрифосфат — субстрат в лабораторных синтезах нуклеиновых кислот;
• меченые аналоги цитозина используются в секвенировании и визуализации ДНК.

В молекулярной биологии цитозин служит маркером при анализе состава ДНК, определении GC-состава геномов и в эпигенетических исследованиях.

¶История изучения

Цитозин был впервые выделен в 1894 году немецкими биохимиками Альбрехтом Косселем и Альбертом Нейманом из тканей телёнка — практически одновременно с тимином. Коссель, изучавший продукты гидролиза нуклеиновых кислот, установил, что помимо аденина и гуанина в их состав входят азотистые основания пиримидинового ряда. В 1903 году структура цитозина была уточнена, а его синтез осуществлён химическим путём. За работы по химии нуклеиновых кислот Коссель получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1910 году.

Позднее, в 1950-х годах, правила Чаргаффа и модель двойной спирали окончательно определили роль цитозина как одного из четырёх «букв» генетического кода.