Szerkesztő:Borkarebeka/Nukleotid anyagcsere

Bevezetés

Pirimidin és purin váz

Nomenklatúra

Bázis:

• purin gyűrű: adenin, guanin

• pirimidin gyűrű: citozin, timin (csak DNS-ben), uracil (csak RNS-ben)

Purinok

Nukleozid: bázis + pentóz

• bázis N-glikozil kötéssel pentóz C1 atomjához kapcsolódik
• pentóz lehet: ribóz vagy dezoxiribóz

Pirimidinek

Nukleotid (NMP): bázis + pentóz + foszfát, vagyis foszforilált nukleozid

• pentóz komponenstől függően:
  • ribóz (RNS-ben) → ribonukleotid
  • dezoxiribóz (DNS-ben) → dezoxiribonukleotid
• kapcsolódó foszfátok számától függően:
  • nukleozid-monofoszfát: egy foszfát észter kötéssel kapcsolódik a pentóz C5'-csoportjához
  • nukleozid-difoszfát: észterkötés + foszfátok savanhidrid kötéssel kapcsolódnak egymáshoz
  • nukleozid-trifoszfát: észterkötés + két savanhidrid kötés

Nukleotidok szerepe a sejtben

• DNS és RNS prekurzorok
• kémiai energiahordozók pl. ATP
• kofaktor komponensek pl. NAD, FAD, koenzim-A
• származékaik a szénhidrát- és lipidanyagcsere intermedierjei pl. UDP-glükóz, UDP-galaktóz, CDP-diacilglicerol
• szekunder messengerek pl. cAMP, cGMP

  

  Nukleotid szerkezete

Nukleotidok bioszintézise

Purin és pirimidin vázas nukleotidok szintézise

Két úton történhet:

1. De novo pathway ("újonnan" szintetizáló útvonal)
2. Salvage pathway ("mentő" útvonal)

Purin és pirimidin szintézis közös elemei:

• foszforibozil-pirofoszfát (PRPP)
• aminosav felhasználás:
  • glicin → purin
  • aszpartát → pirimidin
• N-donor: glutamin, glutamát

PRPP-szintetáz (ribóz-foszfát pirofoszfokináz) reakció

Purinok

1. De novo

• ribóz-5-foszfátból és ATP-ből a PRPP-szintetáz (ribóz-foszfát pirofoszfokináz) által PRPP (5-foszforibozil-1-pirofoszfát) és AMP képződik
  • az újonan szintetizálódó purin gyűrű a PRPP által szolgáltatott ribóz-5-foszfáton fog felépülni

Purinok bioszintézise inozinátig

Purinok bioszintézise IMP-től AMP és GMP képződéséig

PRPP-ből IMP (inozinát, inozin-monofoszfát) képződése: 11 vagy 10 lépésben

• PRPP-ből és glutaminból a PRPP-glutamin-amidotranszferáz 5-foszfo-$\beta$-D-ribozilamint készít miközben glutamát és PP_i lép ki a reakció során
• 5-foszfo-$\beta$-D-ribozilaminból, glicinből és ATP-ből a GAR-szintetáz (glicinamid ribonukleotid szintetáz) GAR-t készít (glicinamid ribonukleotid) miközben ADP és P_i lép ki
• GAR-ból és N¹⁰-formil-H₄-folátból (N-formil-tetrahidrofolát) a GAR-transzformiláz FGAR-t (formilglicinamid ribonukleotid) készít tetrahidrofolát kilépése közben
• FGAR-ból, glutaminból és ATP-ből az FGAR-amidotranszferáz FGAM-ot (formilglicinamidin ribonukleotid) csinál miközben glutamát, ADP és P_i képződik
• FGAM-ból és ATP-ből az FGAM-cikláz (AIR szintetáz) AIR-t (5-aminoimidazol ribonukleotid) készít víz, ADP és P_i kilépése közben

AIR-ból két módon keletkezhet CAIR:

Két egymást követő reakcióval:

• AIR-ból, ATP-ből és HCO₃^--ból N⁵-CAIR-szintetáz C-t készít (N⁵-karboxiaminoimidazol ribonukleotid), ADP és P_i lép ki
• N⁵-CAIR-ból az N⁵-CAIR-mutáz által CAIR (karboxiaminoimidazol ribonukleotid) képződik

Egy reakcióval:

• AIR-ból CO₂ hozzáadásával az AIR-karboxiláz CAIR-t készít

CAIR-ból IMP:

• CAIR-ból, aszpartát és ATP hozzáadásával a SAICAR-szintetáz (N-szukcinil-5-aminoimidazol-4-karboxiamid ribonukleotid szintetáz) SAICAR-t képez ADP és P_i kilépésével
• SAICAR-ból a SAICAR-liáz AICAR-t (5-aminoimidazol-4-karboxiamid ribonukleotid) képez fumarát kilépésével
• AICAR-ból N¹⁰-formil H₄-folát hozzáadásával az AICAR-transzformiláz FAICAR-t (N-formilaminoimidazol-4-karboxiamid ribonukleotid) készít tetrahidrofolát kilépése közben
• FAICAR-ból IMP-szintáz IMP-t (inozinát) készít vízkilépéses reakció során

IMP-ből képződhet AMP (adenilát, adenozin-monofoszfát) és GMP (guanilát, guanozin-monofoszfát):

AMP képződése:

• IMP-ből, aszpartát és GTP hozzáadásával az adeniloszukcinát-szintetáz adeniloszukcinátot készít miközben GTP és P_i lép ki
• adeniloszukcinátból az adeniloszukcinát-liáz AMP-t képez fumarát kilépése közben

GMP képződése:

• IMP-ből, víz és NAD⁺ hozzáadásával az IMP-dehidrogenáz XMP-t (xantilát) készít miközben NADH+H⁺ lép ki
• XMP-ből, glicin, víz és ATP hozzáadásával a XMP-glutamin-amidotranszferáz GMP-t képez glutamát, AMP és PP_i kilépése közben

Példa nukleozid-difoszfát és -trifoszfát keletkezéseére

Nukleozid-difoszfátok és trifoszfátok keletkezése:

• AMP-ből és GMP-ből nukleozid-monofoszfát-kinázok és nukleozid-difiszfát-kinázok képezik őket
• ATP a magas energiájú foszfátcsoportforrás ezekben a reakciókban

2. Salvage

Adenin-foszforibozil-transzferáz és hipoxantin-guanin-foszforibozil-transzferáz reakciók

Bizonyos sejtek (pl. eritrociták) nem tudnak de novo purin nukleotidokat szintetizálni és felvenni sem. Viszont purin nukleozidokat exogén fel tudnak venni, amikből ezen útvonal segítségével látják el a sejtek nukleotid szükségletét.

• PRPP + purin bázis
  • PRPP-ből és adeninből az adenin-foszforibozil-transzferáz AMP-t hoz létre PP_i kilépéssel
  • PRPP-ből és hipoxantinból vagy guaninból a hipoxantin-guanin-foszforibozil-transzferáz IMP-t vagy GMP-t hoz létre PP_i kilépésével
• purin-ribonukleozid ATP-vel foszforilálódik és nukleozid-monofoszfátok keletkeznek
  • adenozinból az adenozin-kináz csinál AMP-t (ATP $\rightarrow$ ADP)
  • guanozinból a guanozin-kináz csinál GMP-t (ATP $\rightarrow$ ADP)

Pirimidinek

1. De novo

• Fájl:9 karbamoil-foszfát szintetáz.JPG

  Karbamoil-foszfát szintetáz II. citoszólikus enzim által katalizált reakciók

  aszpartátból és karbamoil-foszfátból az aszpartát-transzkarbamiláz készít N-karbamoil aszpartátot, miközben P_i lép ki
  • glutaminból, HCO₃^--ből és két ATP-ből a karbamoil-foszfát szintetáz II. (citoszólban lévő enzim) szintetizálja a karbamoil-foszfátot:
    1. bikarbonát foszforilációs hely: bikarbonátból reverzibilis reakcióban karboxifoszfát képzése (ATP $\rightarrow$ ADP)
    2. glutamin hidrolízis hely (channeling): karboxifoszfátból karbamidsav képzése (NH₃ $\rightarrow$ P_i)
    3. karbamidsav foszforilációs hely: karbamidsavból karbamoil-foszfát képzése (ATP $\rightarrow$ ADP)

• N-karbamoil aszpartátból a dihidroorotáz L-dihidroorotátot képez víz kilépése közben

Emlősökben a fentebb felsorolt három enzim multifunkcionális egységet képez és mint CAD ismert.

• L-dihidroorotátból NAD⁺ segítségével a dihidroorotát-dehidrogenáz orotátot készít NADH+H⁺ kilépése közben
• orotátból és PRPP-ből az orotát-foszforibozil-transzferáz orotidilátot készít, PP_i lép ki

  

  Uridin-kináz és citidin-kináz reakciók

  • ellentétben a purin gyűrűvel, a pirimidin gyűrű már azelőtt szintetizálódni kezd, hogy a PRPP ribózmolekulát szolgáltatna hozzá
• orotidilátból az orotidilát-dekarboxiláz UMP-t (uridilát) képez CO₂ kilépése közben
• UMP-ből kinázok készítenek UTP-t (uridin-5'-trifoszfát)
• UTP-ből, glicin és ATP segítségével a citidilát szintáz képez CTP-t (citidin-5'-trifoszfát) glutamin, ADP és P_i kilépés mellett

2. Salvage

• PRPP + pirimidin bázis
  • PRPP-ből és uracilból az uracil-foszforibozil-transzferáz készít UMP-t PP_i kilépéssel
  • PRPP-ből és citidinből a citidin-foszforibozil-transzferáz készít CMP-t PP_i kilépéssel

• pirimidin-ribonukleozid ATP-vel foszforilálódik és nukleozid-monofoszfátok keletkeznek
  • uridinből az uridin-kináz csinál UMP-t (ATP $\rightarrow$ ADP)
  • citidinből a citidin-kináz csinál CMP-t (ATP $\rightarrow$ ADP)

Nukleotidok bioszintézisének szabályozása

Purinok szintézisének szabályozása

Purinok bioszintézisének szabályozása

Negatív feedback szabályozás: végtermék-visszacsatolásos allosztérikus gátlás

• IMP, AMP, GMP megakadályozza a purinok túltermelődését
• PRPP-szintetáz gátlása: ADP
• PRPP-glutamin-amidotranszferáz gátlása: AMP, GMP, IMP
• adeniloszukcinát-szintetáz gátlása: AMP
• IMP-dehidrogenáz gátlása: GMP
• a magas PRPP koncentráció legyőzi ezt a gátlást, ez a sebességkorlátozó enzim

Reciprok szabályozás: keresztreguláció

• az AMP és GMP kiegyensúlyozott termelésének a fenntartásában fontos szerepet játszik

  

  Pirimidinek bioszintézise és szintézis szabályozása

  • a GMP-útnak ATP-re van szüksége, az AMP-útnak GTP-re van szüksége
  • adeniloszukcinát szintetáz: GTP $\rightarrow$ GDP + P_i
  • XMP-glutamin amidotranszferáz: ATP $\rightarrow$ AMP + P_i

A mentő út gátolja a de novo nukleotidszintézist: elhasználja a PRPP-t és a termékek (AMP, GMP) gátolják az IMP szintézisét.

Pirimidinek bioszintézisének szabályozása:

Negatív feedback szabályozás: végtermék-visszacsatolásos allosztérikus gátlás

• a CTP gátolja az aszpartát transzkarbamoiláz enzimet
• UMP gátolja az orotidilát-dekarboxilázt

Karbamoil-foszfát szintetáz II. allosztérikus szabályozása:

• UTP gátolja
• ATP és PRPP stimulálja

Nukleotidok lebontása

A purin és pirimidin nukleotidok lebontása a foszfátcsoportok eltávolításával (víz belépés mellett) kezdődik nukleotidázok által. Ennek eredményeként adenozin, guanozin, inozin, citidin és uridin keletkezik.

Purinok lebontása

Purinok

Húgysavvá bomlanak le.

Adenozin lebontása:

• adenozinból adenozin-dezamináz inozint csinál víz belépése és ammónia kilépése során

AMP lebontásának első lépéseként akár dezaminálódhat is IMP-t képezve, majd ezután adja le nukleotidáz által a foszfátot inozint eredményezve.

• inozinból purin-nukleotid-foszforiláz hipoxantint hoz létre víz belépése és ribóz kilépése közben
• hipoxantin xantinná oxidálódik a hipoxantin-oxidáz enzim segítségével, miközben a belépő vízből és oxigénből hidrogén-peroxid keletkezik

Guanozin lebontása:

• guanozinból purin-nukleotid-foszforiláz guanint hoz létre víz belépése és ribóz kilépése közben
• guaninból a guanin-dezamináz xantint csinál víz belépése és ammónia kilépése közben

Xantin lebontása:

• xantin oxigén és víz felhasználásával a xantin-oxidáz által húgysavvá oxidálódik miközben hidrogén-peroxid képződik
• a húgysav pedig normális esetben a vizelettel kiürül a szervezetből

Pirimidinek

Timin lebontása

$\beta$-aminosavakká, NH₄⁺ ionná és CO₂-dá bomlanak le. NH₄⁺ az urea ciklusban (karbamid ciklus) urea szintézisre fordítódik.

Citidin és uridin lebontása: közös úton történik, mert a citidinből dezaminálással uridin keletkezik.

• uridinből ribóz-1-foszfát lehasadása után uracil keletkezik P_i reakcióba való belépésével
• uracil redukálódik pirimidin-dehidrogenáz által és dihidrouracil keletkezik (NADPH+H⁺$\rightarrow$ NADP⁺⁾
• dihidrouracilból hidrolízis során a dihidropirimidináz N-karbamil-$\beta$-alanint (ureidopropionát) készít
• N-karbamil-$\beta$-alaninból újabb hidrolízissel az ureidopropionáz $\beta$-alanint hoz létre NH₄⁺ és HCO₃^- kilépése mellett

Timidin lebontása:

• timidinből a pirimidin-nukleozid-foszforiláz timint készít miközben a dezoxi-ribóz dezoxi-ribóz-1-foszfáttá alakul
• timin redukálódik pirimidin-dehidrogenáz által és dihidrotimin keletkezik (NADPH+H⁺$\rightarrow$ NADP⁺⁾
• dihidrotimidinből hidrolízis során a dihidropirimidináz N-karbamil-$\beta$-amino-izobutirátot készít
• N-karbamil-$\beta$-amino-izobutirátból újabb hidrolízissel az ureidopropionáz $\beta$-amino-izobutirátot hoz létre NH₄⁺ és HCO₃^- kilépése mellett
• $\beta$-amino-izobutirát transzaminálódik, aminotranszferáz segítségével metil-maloni-CoA-t eredményezve ($\alpha$-ketoglutarát $\rightarrow$ glutamát)
• metil-maloni-CoA szukcinil-CoA-n keresztül a citrátkörbe kerül

Dezoxiribonukleotidok szintézise

A dezoxiribonukleotidok kialakulásáért a ribonukleotid-reduktáz a felelős. Ez csak olyan sejtekben aktív, melyek osztódni akarnak. A ribóz második szénatomján lévő hidroxilcsoport redukálódik és oxigénből víz keletkezik. Az enzimrendszer több komponensből épül fel és SH csoportokat is tartalmaz, amik az enzim működése közben oxidálódnak. Kofaktora a tioredoxin. Ennek visszaredukálását eukariótákban a glutation-reduktáz végzi, amelyhez NADPH-t használ hidrogéndonorként. Az enzim az összes nukleotidot szubsztrátnak tekinti, ha azok nukleozid-difoszfát (ADP, CDP, UDP, GDP) formában vannak jelen.

Dezoxi-timidilát (dTMP) szintézise

1. dUMP metilálása

• metilcsoportot N⁵, N¹⁰-metilén-THF (tetrahidrofolát) szolgáltatja és a reakciót a timidilát-szintáz végzi
• a tetrahidrofolát a metilén-metil redukcióhoz szükséges hidrogént szolgáltatja, így DHF (dihidrofolát) keletkezik belőle
• a dihidrofolát tetrahidrofoláttá redukálását a NADPH-függő dihidrofolát-reduktáz katalizálja, a metilén csoport pedig szerinből származik ($\rightarrow$ glicin)

2. dezoxi-timidin direkt foszforilációja

• dT-ből ATP felhasználásával a timidin-kináz dTMP-t csinál

Timidin-trifoszfát (dTTP) szintézise

• dTMP timidilát-kinázzal foszforilálódik dTDP-vé (ATP$\rightarrow$ADP)
• dTDP nukleozid-difoszfát-kináz által foszforilálódik dTTP-vé (ATP$\rightarrow$ADP)
• a keletkező dTTP pedig DNS-szintézisre fordítódik

Orvosi jelentőség

Fájl:1 ribonukleotid reduktáz 2.JPG

Ribonukleotid-reduktáz enzim

Nukleotidokat érintő genetikai rendellenességek

Súlyos kombinált immunhiány: autoszomális recesszív

• ok: adenozin-deamináz hiány
  • nincs adenozin $\rightarrow$ inozin átalakulás
  • nincs dAMP $\rightarrow$ dIMP átalakulás
• az enzim hiánya az adenozin, dAMP felhalmozódásához vezet
• dAMP átalakul dADP-vé és dATP-vé, amelyek felhalmozódnak a sejtekben
• dATP gátolja a ribonukleotid reduktázt, vagyis csökkenti a ribonukleotidok dezoxiribonukleotiddá alakulását, ami csökkenti a DNS szintézist a B és T sejtekben

• Fájl:2 ribonukleotid reduktáz 1.JPG

  Ribonukleotid-reduktáz enzim működésének mechanizmusa

  B és T sejtek hiánya a humorális és sejtes immunitás csökkenése miatt visszatérő bakteriális, vírus, gomba és protozoon fertőzésekhez vezet

Köszvény: lehet szerzett is

• ok: magas húgysavszint
  • húgysav túltermelődés:
    • PRPP szintetáz aktivitásának fokozódása
    • hipoxantin-guanin foszforibozil transzferáz hiánya
  • húgysav ürülésének csökkenése
    • veseműködés zavara
• terápia húgysav túltermelődés esetén:
  • allopurinol, alloxantin
    • xantin-oxidáz enzim blokkolása

Timidilát-szintáz enzim működése

Lesch-Nyhan-szindróma: X-hez kötött recesszív, ezért inkább a férfiakat érinti

• ok: hipoxantin-guanin foszforibozil transzferáz enzim teljes hiánya
• salvage pathway hiányában a PRPP szint emelkedik és a purinok túltermelődnek
• hipoxantin és a guanin xantinná alakul, a xantin pedig húgysavvá
• magas húgysavszint agyi károsodásokhoz, köszvényhez és veseelégtelenséghez vezet
• tünetek: rossz koordináció, mentális retardáció, önkárosítás (pl. saját ujjak ill. ajkak lerágása)

Daganatterápia

A gyorsan növekvő daganatos sejtek és baktériumok DNS és RNS szintézise magas nukleotid szintet igényel, ezért a gyorsan növekvő daganatos sejtek és baktériumok érzékenyebbek a nukleotid bioszintézis gátlókra. Azonban nem csak a nem kedvező, hanem a fontos és hasznos funkciókat szolgáló sejtek is károsodnak, mivel ugyan a leggyorsabban osztódó sejtek károsodnak a legnagyobb mértékben, de nem kizárólag. Ezért pl. vérképző-, bélhám- és ivarsejteket és immunrendszert is érinti az ilyen jellegű kezelés.

Alapja, hogy a természetes anyagcseretermékekhez hasonló szerkezetű vegyületeket használnak, amik így gátolhatják az adott enzimet.

Folát analógok (pl. aminopterin, metotrexát, trimetoprim)

• kompetitíven gátolja a dihidrofolát reduktázt, ami a dihidrofolát tetrahidrofáláttá való redukcióját katalizálja

• Fájl:1 köszvény.jpg

  Köszvény

  tetrahidrofolát kell a timidin és purin nukleotidok szintéziséhez

• alkalmazása:
  • Mola-betegség
  • leukémiák
  • limfómák
  • oszteogén szarkóma
  • reumatoid artritisz

    

    Köszvény kezelése

5-fluorouracil (5-FU)

• tumorsejtek 5-fluorodeoxiuridin-monofoszfáttá (FdUMP) alakítják, ami irreverzibilisen gátolja a timidilát-szintázt, és akadályozza a deoxitimidin-monofoszát (dTMP) szintézisét deoxiuridin-monofoszfátból (dUMP)

• alkalmazása:
  • emlő-, gyomor- és vastagbélrák

Hidroxiurea

• gátolja a ribonukleotid-reduktázt, ami a ribonukleotidokat dezoxiribonukleotiddá alakítja át
• dezoxiribonukleotidok mennyiségének csökkenésével csökken a DNS szintézis is

• alkalmazása:
  • krónikus mielogén leukémia

    

    Folát analógok és fluorouracil alkalmazása a daganatterápiában

  • sarlósejtes anaémia

6-merkaptopurin és származéka (pl. Imuran)

• a hipoxantin szerkezeti analógja
• foszforibozilálása hipoxantin-guanin-foszforibozil-transzferáz jelenlétében tioinozinsavat eredményez, mely az inozinsav adeniláttá és guaniláttá történő átalakulását gátolja

Glutamin analógok

Citozin-arabinozid

• citozintól annyiban tér el, hogy ribóz helyett arabinóz a cukorkomponense

• a sejtekben foszforilálódik és így, mint a dCTP analógja, gátolja a DNS-szintézist

Glutamin analógok (pl. azaszerin, acivicin)

• glutamin-PRPP-amidotranszferáz gátlása

Lometrexol

• GAR-transzformiláz gátlása

Források

• Lehninger Principles of Biochemistry: David L. Nelson, Michael M. Cox: Lehninger Principles of Biochemistry. New York, W.H. Freeman and Company, 2008. 5^th ISBN 978-0-7167-7108-1
• Biokémia - Gyors segítség a sikeres vizsgához: Edward F. Goljan (szerk.): Biokémia - Gyors segítség a sikeres vizsgához. Budapest, Medicina Könyvkiadó Zrt., 2009. ISBN 978-963-226-254-3
• Orvosi biokémia: Ádám Veronika (szerk.): Orvosi biokémia. Budapest, Medicina Könyvkiadó Zrt., 2006. ISBN 963-242-902-8
• Szerves és bioorganikus kémia: Gergely Pál, Penke Botond, Tóth Gyula: Szerves és bioorganikus kémia. Budapest, Alliter Kiadói és Oktatásfejlesztő Alapítvány, 2006. ISBN 963-87040-4-7