Nukleoside

Nukleoside (auch Nucleoside) sind organische Moleküle, die aus einer Nukleobase und einer Pentose bestehen. In einer Zelle kommen verschiedene Nukleoside vor, die sich im Basen- oder Zuckeranteil unterscheiden. Sie enthalten im Gegensatz zu den Nukleotiden, welche die Nukleinsäuren (DNA oder RNA) aufbauen, keine Phosphatreste.

Aufbau von Nukleotiden und Nukleosiden. Bei einem Nukleosid ist die 5′-OH-Gruppe der Pentose nicht mit einer Phosphatgruppe verestert. Über das C1′-Atom ist eine Base mit dieser Pentose verknüpft. Falls der Rest R eine Hydroxygruppe ist, liegt eine Ribose vor, bei einem Wasserstoffrest spricht man von einer Desoxyribose.

Grundtypen

Die fünf Grundtypen der Nukleoside bestehen entweder aus einer Purin- oder einer Pyrimidinbase. Wenn sie Bausteine einer RNA sind, ist die Pentose (ein Einfachzucker mit fünf C-Atomen) die Ribose, in der DNA liegt als Pentose die Desoxyribose vor. Deshalb nennt man die Bausteine der DNA genauer Desoxynukleoside, während Nukleoside im engeren Sinne die Bausteine der verschiedenen RNA-Formen sind. Die Verknüpfung von Base und Pentose erfolgt bei den Purin-Basen stets über das Stickstoffatom in Position 9, bei den Pyrimidin-Basen über das Stickstoffatom in Position 1 und das C1′-Atom des Zuckers.

Purin-Basen


Nukleobase	Nukleosid	Desoxynukleosid

Adenin	Adenosin, A	Desoxyadenosin, dA

Guanin	Guanosin, G	Desoxyguanosin, dG

Anmerkung: Es ist jeweils nur eine der möglichen tautomeren Strukturen dargestellt.

Pyrimidin-Basen


Nukleobase	Nukleosid	Desoxynukleosid

Cytosin	Cytidin, C	Desoxycytidin, dC

Thymin	Ribothymidin T[1] (= 5-Methyluridin)	Desoxythymidin, dT

Uracil	Uridin, U	Desoxyuridin, dU

Abwandlungen der Grundformen

Neben diesen Grundformen gibt es noch zahlreiche Modifikationen, die vor allem in den tRNAs und rRNAs zu finden sind.[2] Einige finden sich auch in der DNA.[3] Diese veränderten Nukleoside entstehen in der Regel erst nach der Transkription und dienen einer Feineinstellung von Struktur, Aktivität und Spezifität der Moleküle. Die meisten Modifikationen entstehen durch Methylierung.

Einen Überblick über die möglichen Abwandlungen soll die folgende Auswahl geben. Zum Vergleich sind die Grundformen ebenfalls angeführt:

Pyrimidin-Nukleoside

Pyrimidin-Nukleoside (Auswahl)
Name	Symbol	R¹	R²	R³	R⁴	R⁵	R⁶
Cytidin	C	Ribose	=O		–NH₂
3-Methylcytidin	m³C	Ribose	=O	–CH₃	–NH₂
5-Methylcytidin	m⁵C	Ribose / Desoxyribose	=O		–NH₂	–CH₃
N⁴-Methylcytidin	m⁴C	Ribose / Desoxyribose	=O		–NH–CH₃
N⁴,N⁴-Dimethylcytidin	m⁴₂C	Ribose	=O		–N(CH₃)₂
2′-O-Methylcytidin	C_m	2′-O-Methyl-ribose	=O		–NH₂
Isocytidin (synth.)	iC	Ribose	–NH₂		=O
Pseudocytidin (synth.)	ΨC	–H	=O		–NH₂	Ribose
Pseudoisocytidin (synth.)	psiC	–H	–NH₂		=O	Ribose
2-Thiocytidin	s²C	Ribose	=S		–NH₂
N⁴-Acetylcytidin	ac⁴C	Ribose	=O		–NH–CO–CH₃
Uridin	U	Ribose	=O		=O
3-Methyluridin	m³U	Ribose	=O	–CH₃	=O
2′-O-Methyluridin	U_m	2′-O-Methyl-ribose	=O		=O
Pseudouridin	P, Ψ, Ψrd	–H	=O		=O	Ribose
Dihydrouridin	D, UH₂, Uh	Ribose	=O		=O	–H,–H	–H,–H
5-Methoxyuridin	mo⁵U	Ribose	=O		=O	–O–CH₃
5-(Carboxyhydroxymethyl)-Uridin	chm⁵U	Ribose	=O		=O	–CH(OH)–CO₂CH₃
5-Carboxymethylaminomethyl-Uridin	cmnm⁵U	Ribose	=O		=O	–CH₂–NH–CH₂–CO₂CH₃
5-Methylaminomethyl-Uridin	mnm⁵U	Ribose	=O		=O	–CH₂–NH–CH₃
5-Methoxy-carbonylmethyl-Uridin	mcm⁵U	Ribose	=O		=O	–CH₂–CO₂CH₃
2-Thiouridin	s²U	Ribose	=S		=O
4-Thiouridin	s⁴U	Ribose	=O		=S
Ribothymidin (= 5-Methyluridin)	T, m⁵U	Ribose	=O		=O	–CH₃
Dihydrothymidin		Desoxyribose	=O		=O	–H,–CH₃	–H,–H

Purin-Nukleoside

Purin-Nukleoside (Auswahl)
Name	Symbol	R¹	R²	R⁶	R⁷	R⁹
Adenosin	A			–NH₂		Ribose
1-Methyladenosin	m¹A	–CH₃		–NH₂		Ribose
2-Methyladenosin	m²A		–CH₃	–NH₂		Ribose
N⁶-Methyladenosin	m⁶A			–NH–CH₃		Ribose / Desoxyribose
N⁶,N⁶-Dimethyladenosin	m⁶₂A			–N(CH₃)₂		Ribose
2′-O-Methyladenosin	A_m			–NH₂		2′-O-Methyl-ribose
Inosin	I			=O		Ribose
1-Methylinosin	m¹I	–CH₃		=O		Ribose
2′-O-Methylinosin	I_m			=O		2′-O-Methyl-ribose
Guanosin	G		–NH₂	=O		Ribose
1-Methylguanosin	m¹G	–CH₃	–NH₂	=O		Ribose
7⁺-Methylguanosin	m⁷G		–NH₂	=O	–CH₃	Ribose
N²-Methylguanosin	m²G		–NH–CH₃	=O		Ribose
N²,N²-Dimethylguanosin	m²₂G		–N(CH₃)₂	=O		Ribose
2′-O-Methylguanosin	G_m		–NH₂	=O		2′-O-Methyl-ribose
Isoguanosin (synth.)	iG		=O	–NH₂		Ribose

Hypermodifizierte Nukleoside und mit verändertem Basengrundgerüst


Queuosin (Q, obiges Bild) β-D-Galactosyl-queuosin (galQ) β-D-Mannosyl-queuosin (manQ)	Archaeosin (G^*, kommt nur in Archaeen vor)

2′-O-Ribosyladenosinphosphat (Ar(p), rAMP) nur in Eukaryoten gefunden	Wybutosin (Y, yW; obiges Bild) Wyosin (Wyo, imG)

N⁶-Threonylcarbamoyladenosin (t⁶A)	Lysidin (k²C)

Variationen der Pentosen


Nukleobase	(Ribosyl)Nukleosid	Desoxynukleosid	Arabinosylnukleosid	(Methylribosyl)Nukleosid

Cytosin	Cytidin, C	Desoxycytidin, dC	Cytarabin, araC	2′-O-Methylcytidin, C_m

Physiologie

Wird die Hydroxygruppe des C-5-Atoms der Pentose eines Nukleosids mit Phosphat verestert, entsteht das entsprechende Nukleotid. Je nach Anzahl der Phosphat-Reste spricht man von Mono-, Di- und Triphosphaten. Aus der zentralen Bedeutung der Nukleotide ergibt sich die gleiche Bedeutung für die entsprechenden Nukleoside, da sie als Baustein der Nukleotide in diese umgewandelt werden können.

Die Nukleoside stehen durch Abspaltung der letzten Phosphatgruppe in den Nukleotiden mittels Hydrolyse, mithilfe von Nukleotidase-Enzymen in allen Lebewesen zur Verfügung. Weiterhin kann Inosin aus Adenosin mittels der AMP-Desaminase oder der Guanin-Desaminase synthetisiert werden. Xanthosin ist entsprechend nicht nur durch Hydrolyse von XMP erhältlich, sondern auch aus Guanosin mittels der Guanosin-Desaminase.

Der Abbau erfolgt über Nukleosidasen zur Nukleobase und bei Purinen über Xanthin zur Harnsäure bzw. bei Pyrimidinen zum Alanin oder zur 2-Aminobuttersäure.

Nukleosid-Analoga

Nukleosid-Analoga spielen vor allem in der antiretroviralen Therapie eine große Rolle. Eine Reihe moderner Virostatika enthalten diese Substanzen. Wohl am besten bekannt ist der Wirkstoff Aciclovir, der häufig gegen Herpes-simplex-Viren (HSV-1 und -2) eingesetzt wird. Weiterhin verbreitet ist Ganciclovir, das genau wie Aciclovir ein Guanosin-Analogon ist, und spezifisch die Replikation von CMV unterdrückt. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Krebstherapie. So werden 5-Fluorouracil und Cytarabin als Zytostatika eingesetzt.

Einzelnachweise

Löffler, Petrides, Heinrich: Biochemie und Pathobiochemie. 8. Auflage. Springer, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-32680-9.
Patrick A. Limbach, Pamela F. Crain, James A. McCloskey: „Summary: the modified nucleosides of RNA“, Nucleic Acids Research, 1994, 22 (12), S. 2183–2196 (doi:10.1093/nar/22.12.2183, PMC 523672 (freier Volltext), PMID 7518580).
Melanie Ehrlich, Miguel A. Gama-Sosa, Laura H. Carreira, Lars G. Ljungdahl, Kenneth C. Kuo, Charles W. Gehrke: „DNA methylation in thermophilic bacteria: N⁴-methylcytosine, 5-methylcytosine, and N⁶-methyladenine“, Nucleic Acids Research, 1985, 13 (4), S. 1399–1412 (doi:10.1093/nar/13.4.1399, PMC 341080 (freier Volltext), PMID 4000939).

Weblinks

Commons: Nukleoside – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Datenbank zu allen RNA-Modifikationen mit Recherche-Möglichkeit

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[1] Löffler, Petrides, Heinrich: Biochemie und Pathobiochemie. 8. Auflage. Springer, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-540-32680-9.

[2] Patrick A. Limbach, Pamela F. Crain, James A. McCloskey: „Summary: the modified nucleosides of RNA“, Nucleic Acids Research, 1994, 22 (12), S. 2183–2196 (doi:10.1093/nar/22.12.2183, PMC 523672 (freier Volltext), PMID 7518580).

[3] Melanie Ehrlich, Miguel A. Gama-Sosa, Laura H. Carreira, Lars G. Ljungdahl, Kenneth C. Kuo, Charles W. Gehrke: „DNA methylation in thermophilic bacteria: N⁴-methylcytosine, 5-methylcytosine, and N⁶-methyladenine“, Nucleic Acids Research, 1985, 13 (4), S. 1399–1412 (doi:10.1093/nar/13.4.1399, PMC 341080 (freier Volltext), PMID 4000939).