Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Der Purinring wird aus verschiedenen Vorstufen zusammengebaut

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Der Purinring wird am Ribosephosphat aufgebaut

Die Bildung von 5-phosphoribosyl 1-amin ist die Schrittmacherreaktionbei der de novo-Synthese von Purinnucleotiden

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

• Der sukzessive Aufbau des Purinrings resultiert in der Bildung des Nucleotids Inosinat 5’-monophosphat (IMP)

• Aus IMP werden Adenosin 5’-monophosphat (AMP) und Guanosin 5’-monophosphat (GMP) gebildet

Hinweis: IMP wird normalerweise nicht in Nucleinsäuren eingebaut. Da sich Inosin aber mit Cytosin und Thymin paaren kann, wird es oft bei der Synthese von “degenerierten” Oligonucleotiden verwendet.

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Die Synthese der Purinnucleotide wird durch Feedback-Hemmung reguliert

• PRPP-Synthetase wird durch grosse Mengen an Purinnucleotiden teilweise gehemmt = kumulative Feedback Kontrolle

• Glutamin-PRPP-Amidotransferase wird über einen Feedback-(Rückkopplungs) mechanismus gehemmt. Hierbei wirken AMP und GMP synergistisch.

• Die vom IMP ausgehenden Reaktionen sind durch Feedback-Hemmung reguliert

• GTP ist ein Substrat bei der AMP-Synthese, ATP bei der GMP-Synthese. Diese reziproke Substratbeziehung reguliert das Gleichgewicht der Produkte

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Konzept: Salvage pathways

Beim hydrolytischen Abbau von Nucleinsäuren und Nucleotiden enstehen freie Purinbasen. Die Wiederverwertung dieser freien Basen ist einfacher und weniger aufwending

Im “salvage pathway” wird eine Ribosephosphateinheit vom PRPP auf das Purin übertragen

Für den Purinbasen salvage pathway stehen zwei Enzyme zur Verfügung:

• Adenin-Phosphoribosyltransferase (APRT) AMP• Hypoxanthin-Guanin -Phosphoribosyltransferase (HGPRT) IMP oder GMP

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Synthese des Pyrimidinringes

• Im Gegensatz zur de novo-Synthese des Purinringes wird der Pyrimidinring zuerst aus zwei Bausteinen zusammengefügt

• Anschliessend wird der Pyrimidinring mit einer Ribosephosphatgruppe verknüpft und decarboxyliert zum Uridin 5’-monophosphat

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Zusammenfassung: Synthese von Purin- und Pyrimidinnucleotiden

• Der Purinring von AMP und GMP wird am Ribosephosphat aufgebaut

• Der Pyrimidinring wird zuerst aufgebaut und dann auf Ribosephosphat übertragen. Dabei entsteht zunächst nur Uridin 5’-monophosphat (UMP)

• Nucleosidmono- di- und triphosphate sind ineinander umwandelbar

XDP + YTP XTP + YDP

• CTP wird durch Aminierung von UTP gebildet (Glutamin als Donor der NH2 gruppe)

Resultat: ATP, GTP. CTP, UTP

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Synthese von Deoxyribonucleotiden

• Die Synthese von Deoxyribonucleotiden wird von Ribonucleotid-Reduktase, ein Radikalenzym, katalysiert. Thioredoxin oder Glutaredoxin transportieren die e-

• Ribonuclotid-Reduktase ist ein heterotetrameres Enzym.

• Die Reduktion der Ribonucleotide wird durch zwei verschiedenartige allosterische Zentren reguliert

- Gesamtaktivität: dATP/ATP - Substratspezifität: dATP/ATP fördert Reduktion von

UDP und CDP dTTP fördert Reduktion von GDP

dGTP fördert Reduktion von ADP

A close-up view.... 22-8b_RiboReductase

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Die Synthese von Deoxythymidin ist ein wichtiger Angriffspunkt in der Krebschemotherapie

Dihydrofolat/Tetrahydrofolat hat eine Schlüsselrolle in der Synthese von dTMP und der Purinsynthese

Thymidylat-Synthase

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Die Synthese von Deoxythymidin ist ein wichtiger Angriffspunkt in der Krebschemotherapie

• Krebszellen brauchen besonderns viel dTTP zur DNA Synthese

• Fluoruracil ist ein Suizidinhibitor da es von TS in F-dUMP umgewandelt wird, welches das Enzym irreversibel hemmt

• Aminopterin und Methotrexat sind Dihydrofolat-Analoga welche DR kompetitiv (Ki < 10-9 M) inhibieren

• Besonders wirksam bei schnell- wachsenden Tumoren, jedoch sind die Substrat-analoga auch sehr toxisch da sie auch gesunde Zellen mit hohen Teilungsraten abtöten (z.B. Knochen- markstammzellen, Darmepithelzellen)

A close-up view.... 22-16_DHFReductase

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Purinabbau

• Unter physiologischen Bedingungen sind Purinsynthese, Purinreutilisation und Purinabbau so reguliert dass das Purinnucleotidangebot genau der metabolischen Situation angepasst ist

• Täglicher Bedarf: 400 - 700 mg, weitgehend durch Reutilisation gedeckt

• Purine werden zu Harnsäure abgebaut. Tägliche Produktion ca. 1 gm

AMP DeaminasePurin NucleosidPhosphorylase

XanthineOxidase

XanthineOxidase

Biosynthese und Abbau der Nucleotide

Störungen im Purinabbau sind genetisch bedingt und haben erhebliche klinische Folgen

• Hyperurikämie

Erhöhte Serumkonzentration von Urat (bis zu 30 g oder mehr, normal 1 g in Körperwasser). Führt zu Gicht, die Ablagerung von Natriumuratkristallen in Gelenken, Nieren und Sehnenscheiden. Kann z. T. auch durch falsche Ernährung bedingt sein.

• Lesch-Nyhan-Syndrom (X-linked recessive)

Ca. 1 in 100’000 Kinder sind betroffen. Bedingt durch ein völliges Fehlen des Enzyms Hypoxanthin- Guanin-Phosphoribosyltransferase (HGPRT). Erhöhte PRPP Konzentration und de-novo Purinbiosynthese.

Klinische Symptome beinhalten zwanghafter Hang zur Selbstzerstümmlung, Agression, geistige Behinderung, und Gicht in frühem Alter.