Uracil

Strukturformel
Allgemeines
Name	Uracil
Andere Namen	Pyrimidin-2,4(1H,3H)-dion 2,4-Pyrimidindion
Summenformel	C4H4N2O2
CAS-Nummer	66-22-8
PubChem	1174
DrugBank	DB03419
Kurzbeschreibung	weißer, pulvriger Feststoff[1]
Eigenschaften
Molare Masse	112,09 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Schmelzpunkt	341 °C[2]
Löslichkeit	mäßig löslich in kaltem Wasser[1], leicht löslich in heißem Wasser[2]
Sicherheitshinweise
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [1] keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: keine S-Sätze
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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Uracil (U, Ura) ist eine heterocyclische chemische Verbindung, die hauptsächlich biologische Bedeutung als Bestandteil mehrerer Nukleotide und von RNA in allen Lebewesen hat. Im reinen Zustand handelt es sich um ein farbloses Pulver, chemisch eine so genannte Pyrimidin-Base.

Die Verbindung wurde beim hydrolytischen Abbau von Nukleinsäuren entdeckt. Eine Röntgenkristallstrukturanalyse bewies, dass von den möglichen tautomeren Formen im festen Zustand (mehrere desmotrope Formen existieren) die Dioxo-Form vorliegt.^[3]

Tautomere Formen von Uracil

Uracil ist eine schwache Säure (pK_a = 9,45). Die Aciditätskonstante liegt im Bereich von Phenol (pK_a = 10,0) und anderen Enolen. Im Uracil-Anion ist die negative Ladung delokalisiert (mesomere Grenzstrukturen). Daher löst sich Uracil in wässrigen Alkalien und wässrigem Ammoniak.

Dissoziation von Uracil

Biologische Bedeutung

Uracil kommt im Körper hauptsächlich an Ribosephosphat gebunden vor, entweder als eines der Nukleotide Uridinmonophosphat (UMP), Uridindiphosphat (UDP) oder Uridintriphosphat (UTP) oder als Bestandteil der Ribonukleinsäure (RNA).

Bestandteil der RNA

Uracil ist eine der vier Nukleinbasen der Ribonukleinsäure (RNA) und bildet dort die Basenpaarung zu Adenin aus. Uracil bildet mit Ribosen zwei verschiedene Nukleoside, das Uridin (U) (Verknüpfung über das N1-Atom) und das Pseudouridin (Ψ) (Verknüpfung über das C5-Atom).

Pseudouridin (rechts) wird aus Uridin (links) durch eine Ψ-Synthase gebildet.

Physiologisch wird Uracil nur in die einsträngige RNA, nicht aber in die doppelsträngige Desoxyribonukleinsäure (DNA) eingebaut. Zur Paarung mit Adenin über zwei Wasserstoffbrücken kommt es während der Transkription, in den Schleifen (Loops) der tRNA und während der Translation (Proteinbiosynthese).

In der DNA tritt Thymin an die Stelle von Uracil. Uracil kann relativ einfach durch Desaminierung und Hydrolyse aus Cytosin gewonnen werden, was einer Veränderung des genetischen Codes gleichkäme. Thymin hingegen unterscheidet sich vom Uracil durch eine zusätzliche Methylgruppe und kann so auch nicht ohne weiteres aus Cytosin entstehen. In der DNA vorhandenes Uracil kann somit als Mutation erkannt und durch Basenexzisionsreparatur gegen Cytosin ausgetauscht werden. Die Vermeidung von Mutationen rechtfertigt hier den Aufwand, der zur Synthese von Thymin aus Uracil notwendig ist. Im Gegensatz zu DNA ist RNA relativ kurzlebig, mutierte Basen in einzelnen RNAs werden vom Organismus problemlos toleriert, was eine Verwendung des einfacher herzustellenden Uracils zweckmäßig erscheinen lässt.

Aktivierung von Zuckern

Uracil spielt als UTP auch eine wichtige Rolle beim tierischen Zuckermetabolismus. Die Umesterung von UTP und Glucose-1-phosphat zu UDP-Glucose und Pyrophosphat aktiviert die D-Glucose für den Einbau in Glycogenpolymere (überzähliger Zucker wird in Tieren als Glycogen gespeichert). Bei der Isomerisierung von D-Galactose in Glucose wird zunächst UDP-Galactose gebildet, welche dann in UDP-Glucose umgewandelt wird. Diese gibt ihr UDP an die nächste Galactose weiter.

Biosynthese

siehe Pyrimidin-de novo-Synthese

Ausgangsstoff für andere Nukleotide

Synthese von dTMP (1b) aus dUMP (1a). Bei der Reaktion wird N⁵,N¹⁰-Methylentetrahydrofolat (4) zu 7,8-Dihydrofolat (2) umgesetzt, was die Thymidylat-Synthase (EC 2.1.1.45) (A) katalysiert. Dieses wird unter NADPH-Verbrauch zu Tetrahydrofolat (3) durch die Dihydrofolat-Reduktase (EC 1.5.1.3) (B) reduziert. Die Serinhydroxymethyl-Transferase (EC 2.1.2.1) (C) regeneriert N⁵,N¹⁰-Methylentetrahydrofolat schließlich unter Verbrauch von Serin.

Durch Aminierung der 4-Ketogruppe wird aus Uracil Cytosin. Diese Reaktion verbraucht ein Äquivalent ATP, die Aminogruppe stammt von Glutamin.

UDP ist auch der Ausgangsstoff für die Synthese von dTTP (Desoxythymidintriphosphat), das für die DNA-Synthese gebraucht wird. Hierbei wird zunächst UDP durch die Ribonukleotid-Reduktase zu dUDP umgesetzt. Nach Dephosphorylierung zum dUMP wird dieses durch die Thymidylat-Synthase zum dTMP methyliert (vgl. Abbildung rechts). Als Methylgruppendonor fungiert hier N⁵,N¹⁰-Methylentetrahydrofolat. Das entstehende dTMP wird zum Triphosphat (dTTP) phosphoryliert und kann zur DNA-Synthese genutzt werden.

Glucopyranosyloxymethyluracil ist eine wichtige Modifikation von Uracil.

Biochemischer Abbau

Uracil wird zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), zwei Ammoniumionen (NH₄⁺) und 3-Oxo-propionsäure abgebaut. Letzteres reagiert weiter zu Malonyl-CoA, das zum Beispiel in der Fettsäuresynthese Verwertung finden kann.

Literatur

• The Merck Index, 11. Auflage, S. 1550, Merck und Co, Rahway, 1989.
• Voet, Voet, Pratt: Lehrbuch der Biochemie. Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 978-3-527-30519-3.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Datenblatt Uracil bei AlfaAesar, abgerufen am 14. April 2010 (JavaScript erforderlich).
2. ↑ ^{a b} Datenblatt Uracil bei Merck, abgerufen am 14. April 2010.
3. ↑ R. F. Stewart, L. H. Jensen, Redetermination of the crystal structure of uracil, Acta Cryst. 23, 1102–1105 (1967); doi:10.1107/S0365110X67004360.

Weblinks

 Wikibooks: Pyrimidinstoffwechsel – Auf- und Abbau von Uracil – Lern- und Lehrmaterialien