Цитозин как азотистое основание¶

Цитозин (сокращённо C или Cyt) — одно из пяти основных азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. По химическому строению представляет собой гетероциклическое ароматическое соединение — производное пиримидина, а именно 4-аминопиримидин-2(1H)-он. Молекулярная формула — C₄H₅N₃O, молярная масса — 111,10 г/моль. Цитозин входит в состав ДНК и РНК, где образует комплементарную пару с гуанином, и играет ключевую роль в хранении и передаче генетической информации.

¶Химическое строение и свойства

Цитозин относится к пиримидиновым основаниям — наряду с тимином и урацилом. Его молекула состоит из шестичленного пиримидинового кольца с аминогруппой (–NH₂) в положении 4 и карбонильной группой (C=O) в положении 2. Благодаря наличию сопряжённой системы π-связей и аминогруппы цитозин проявляет слабые основные свойства: его аминогруппа способна присоединять протон, образуя катион.

Ключевое свойство цитозина — способность к комплементарному спариванию с гуанином посредством трёх водородных связей. Две связи образуются между аминогруппой цитозина и кислородом гуанина, третья — между атомом азота кольца цитозина и аминогруппой гуанина. Именно тройная водородная связь делает пару C–G более прочной, чем пару A–T (аденин–тимин), что влияет на термостабильность двойной спирали ДНК.

Цитозин — бесцветное кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде при низких температурах, но хорошо растворимое в горячей воде и полярных растворителях. Температура плавления — около 320 °C. Он обладает характерным спектром поглощения в ультрафиолетовой области с максимумом около 267 нм (в нейтральной среде), что используется для количественного анализа нуклеиновых кислот.

¶Роль в нуклеиновых кислотах

В ДНК и РНК цитозин соединяется с остатком сахара (дезоксирибозы в ДНК, рибозы в РНК) через N-гликозидную связь, образуя нуклеозид цитидин. При присоединении фосфатной группы образуется нуклеотид — цитидинмонофосфат (CMP). Нуклеотиды цитозина входят в состав всех молекул ДНК и РНК.

Содержание цитозина в ДНК варьирует у разных организмов. Согласно правилам Чаргаффа, количество цитозина всегда равно количеству гуанина, а количество аденина — количеству тимина. Доля пары G–C в ДНК (% GC-состав) служит важной характеристикой генома: у термофильных организмов она обычно выше, что связывают с повышенной стабильностью двойной спирали.

В РНК цитозин выполняет те же функции комплементарного спаривания, участвуя в процессе трансляции на рибосомах. Кодоны матричной РНК, содержащие цитозин, кодируют определённые аминокислоты в соответствии с генетическим кодом.

¶Метилирование и эпигенетика

Одно из важнейших биологических свойств цитозина — способность к метилированию. В ДНК эукариот ферменты ДНК-метилтрансферазы присоединяют метильную группу к цитозину, чаще всего в составе динуклеотида CpG. Образующаяся 5-метилцитозин — эпигенетическая модификация, не меняющая последовательность нуклеотидов, но влияющая на активность генов.

Метилирование промоторных областей генов, как правило, связано с подавлением их транскрипции. Этот механизм лежит в основе эпигенетической регуляции: дифференцировки клеток, инактивации одной из X-хромосом у млекопитающих и геномного импринтинга. Нарушения профиля метилирования цитозина ассоциированы с рядом заболеваний, включая онкологические.

¶Дезаминирование и мутации

Цитозин подвержен спонтанному дезаминированию — отщеплению аминогруппы с превращением в урацил. В ДНК урацил не является нормальным основанием, поэтому такие изменения распознаются и исправляются системой репарации (урацил-ДНК-гликозилазой). Однако метилированный цитозин дезаминируется с образованием тимина — нормального основания ДНК. Такую ошибку система репарации распознаёт хуже, что делает сайты CpG «горячими точками» мутаций. Это объясняет, почему динуклеотиды CpG встречаются в геномах позвоночных реже ожидаемого.

¶Применение и значение

Цитозин и его производные применяются в фармакологии. Аналог цитозина — цитарабин — используется в химиотерапии при лечении лейкозов. Другой аналог, 5-азацитидин, применяется как гипометилирующий препарат при миелодиспластических синдромах. Производные цитозина входят в состав противовирусных средств, например ламивудина.

В лабораторной практике цитозин и его нуклеотиды используются в секвенировании, ПЦР и синтезе олигонуклеотидов. Анализ метилирования цитозина (бисульфитное секвенирование) — стандартный метод эпигенетических исследований.

Цитозин был впервые выделен в 1894 году немецкими биохимиками Альбрехтом Косселем и Альбертом Нейманом из ткани вилочковой железы (тимуса) крупного рогатого скота — вместе с другими нуклеиновыми основаниями. Впоследствии его структура была установлена, а роль в генетических процессах подтверждена в середине XX века в работах по расшифровке структуры ДНК.

¶Сравнение с другими основаниями

Цитозин — одно из фундаментальных соединений молекулярной биологии, связывающее химию нуклеиновых кислот, генетику и эпигенетику.