Transcript Metabolismo dei Nucleotidi

Metabolismo dei Nucleotidi
N
N
N
N
N
H
N
Indice
•
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•
•
•
Strutture acidi nucleici
Degradazione acidi nucleici
Sintesi delle Purine
Degradazione delle Purine
Sintesi delle Pirimidine
Degradazione delle Pirimidine
Nucleoside and Nucleotide
Nucleoside = Nitrogenous base ribose
Nucleotide = Nitrogenous base ribose phosphate
Purine vs Pirimidine
Strutture dei nucleotidi
pyrimidine
OR
purine
N-b-glycosyl
legame
Ribose
o
2-deoxyribose
Degradazione degli acidi nucleici
Nucleoproteine
Stomaco
Acido gastrico e pepsina
Acidi nucleici
Intestino tenue
Proteine
Enndonucleasi: RNase & DNase
Nucleotidi
Nucleotidasi
Fosfato
Nucleoside
Nucleosidase
Base
Ribosio
Ruolo dei nucleotidi
1. Precursori per la sintesi di DNA e RNA
2. Essenziali come trasportatori di energia chimica
(ATP)
3. Componenti dei cofactori NAD+, FAD, e coenzyme A
4. Formazione di intermedi attivati: UDP-glucosio e
CDP-diacilglicerolo.
5. cAMP e cGMP, secondo messengero.
Sintesi dei nucleotidi purinici
2 pathways portano ai nucleotidi
• De novo sintesi: La sintesi dei nucleotidi inizia
inizia coi precursori metabolici: amino acidi,
ribosio-5-fosfato, CO2, e unità monocarboniose.
• Pathways di salvataggio: : Sintesi dei nucleotidi
rtramite il riciclo delle basi libere o nucleosidi
rilasciati dalla frammentazione degli acidi grassi.
De novo sintesi
• Localizzazione:
– in citosol epatico, intestino tenue e timo
• Caratteristiche:
a. Purine sono sintetizzate utilizzando 5fosforibosio (R-5-P) come materiale di partenza
step by step.
b. PRPP(5-fosforibosil-1-pirofosfato) è un
donatore attivo di R-5-P.
c. AMP e GMP sono sintetizzati da IMP
(Inosina-5'-Monofosfato).
Elementi fonti delle basi puriniche
N10-Formyltetrahydrofolate
N10-Formyltetrahydrofolate
Primo, sintesi di Inosina-5'-Monofosfato, IMP
FH4 (or THF)
N10—CHO—FH4
2. Sintesi Inosina Monofosfato (IMP)
• Pathway di base per la sintesi di
ribonucleotidi
• Inizia con ribosio-5-fosfato (R-5-P)
• Consta complessivamente di 11 passaggi
• Localizzazione principale Fegato
OH
Step 1:Activation of ribose-5-phosphate
Committed step= reazione enzimatica irreversibile
1
ATP
AMP
2
Riboso fosfato pirofosfochinasi
Step 2: acquisizione Azoto 9
Gln:PRPP amidotransferase
•Fasi 1 e 2 sono strettamente
regolati tramite l'inibizione di
feedback
Step 3: Acquisizione degli atomi C4, C5, and N7
3
glycinamide synthetase
•Step 4: Acquisizione di C8
4
GAR transformylase
Step 5: Acquisizione di N3
5
•Step 6: Chiusura dell’anello imidazolo
6
Step 7: Acquisizione di C6
7
5 aminoimidazolo ribonucleotide
AIR carboxylase
Carbossi amino imidazolo
ribonucleotide (CAIR)
Step 8: Acquisizione di N1
Carboxyaminoimidazole
ribonucleotide (CAIR)
SAICAR synthetase
Step 9: Eliminazione di fumarato
adenylosuccinate lyase
Step 10: Acquisizione di C2
AICAR transformylase
Step 11: chiusura dell’anello e quindi IMP
• Una volta formato, IMP viene
rapidamente convertito in AMP e
GMP (non si accumula nelle cellule).
N10-CHOFH4
N10-CHOFH4
3. Conversion of IMP to AMP and GMP
Note: GTP is used for AMP synthesis.
Note: ATP è utilizzato
Per la sintesi di GMP
IMP è il precursore di AMP e GMP.
.
4. ADP, ATP, GDP e GTP biosintesi
kinase
kinase
AMP
ATP
ADP
ADP
ATP
ATP
kinase
ADP
kinase
GTP
GDP
GMP
ATP
ADP
ATP
ADP
5. Regolazione della de novo sintesi
Significato della regolazione:
> Incontra la necessità del corpo, senza
sprecare.
> AMP e GMP controllo della rispettiva
sintesi da IMP da un meccanismo di
feedback, [GTP] = [ATP]
• Purina nucleotide biosintesi è regolata dalla inibizione
di feedback
Pathway di salvataggio
• Basi puriniche derivate dalla degradazione di RNA
o DNA e intermedi di sintesi delle purine possono
essere direttamente convertiti nei corrispondenti
nucleotidi.
• Significato del pathway di salvataggio:
– Risparmiare carburante.
– Alcuni tessuti e organi quali cervello e midollo osseo
sintetizzano nucleotidi solo tramite il pathway di
salvataggio.
• 2 fosforibosilo transferasi:
– APRT (adenine phosphoribosyl transferase) for adenine.
– HGPRT (hypoxanthine guanine phosphoribosyl
transferase) per guanina o hypoxanthine.
Purine Pathway di salvataggio
.
adenine
phosphoribosyl transferase
Adenine
PRPP
AMP
PPi
O
N
O
N
2-O
N
N
N
Hypoxanthine
O
N
N
hypoxanthine-guanine
phosphoribosyl transferase
(HGPRT)
PRPP
N
N
Guanine
NH2
3POH2C
O
N
N
N
HO OH
IMP
O
PPi
N
2-O
3POH2C
O
N
N
N
NH2
HO OH
GMP
.
Assenza dell’attività di HGPRT Lesch-Nyhan syndrome.
Sindrome di Kelley-Seegmiller
• Alcuni uomini hanno parziale (fino al 20% in
meno attività dell'enzima) carenza di HGPRT
che causa elevati livelli di acido urico nel
sangue, con sviluppo di artrite gottosa e la
formazione di calcoli di acido urico nel tratto
urinario.
Sindrome di Lesch-Nyhan
• Descritta nel1964 by Michael Lesch and William L.
Nyhan. Prodotto dalla mutazione di HPRT gene sul
cromosoma X.
• Difetto o perdita dell’enzima HGPRT ipoxisantina-guanina
fosforibosil trasferasi
• Malattia metabolica lagata al sesso: solo maschi
• La velocità della sintesi della purine è aumentata di
circa 200-volte
– Perdita di HGPRT porta a livelli elevati PRPP e stimolazione
della sintesi de novo delle purine.
• Aumentati livelli di acido urico  gotta
• Inoltre si hanno aberrazioni mentali
• Auto-mutilazioni per morsi delle labba e delle dita
Formazione di deossiribonucleotidi
• La formazione di deossiribonucleotidi
prevede la riduzione di frazioni di carboidrato
del ribonucleotide difosfato (ADP, GDP, CDP
or UDP).
• Sintesi di deossiribonucleotidi a livello di
nucleoside diphosphate(NDP).
P
P
O CH 2 O
Base
ribonucleotide
reductase
Mg2+
OH
OH
P
P
O CH 2 O
H2O
thioredoxin S
S
thioredoxin SH
NDP
SH
£¨ N=A, G, C, U£©
FAD
+
NADP
thioredoxin
reductase
NADPH + H
OH
Base
H
dNDP
ATP
+
kinase
ADP
dNTP
Sintesi di Deossi ribonicleotidi a livello di NDP
Antimetaboliti dei nucleotidi purinici
• Antimetaboliti dei nucleotidi purinici sono:
tanaloghi strutturali di purine, amino acidi e
acido folico.
• Interferiscono, inibiscono, bloccano il
pathway di sintesi dei nucleotidi purinici cui
segue il blocco della sintesi di DNA, RNA,
and proteins.
• Largamente utilizzati in oncologia.
Analoghi purine
• 6-Mercaptopurine (6-MP) analogo di
hypoxanthine.
OH
SH
N
N
N
N
H
hypoxanthine
N
N
N
N
H
6-MP
• 6-MP analogo di IMP
de novo synthesis
-
amidotransferase
-
6-MP
IMP
6-MP nucleotide
-
AMP and GMP
-
HGPRT
-
salvage pathway
2. Aminoacidi analoghi
• Azaserine (AS) analogo della glutammina
O
H2N
NH2
C
CH2
CH2
O
N
N
CH2
C
CH COOH
Gln
NH2
O
CH2
CH COOH
AS
3. Analoghi di acido folico
• Aminopterin (AP) e Methotrexate (MTX)
NH2
N
N
H2N
N
CH2
R
O
N
C NH C CH2
H
OH
H2N
H
N
N
CH2 COOH
N
MTX
R＝CH3： TXT
R＝H： AP
N
COOH
CH2 N
O
COOH
C NH
C
H
CH2 CH2
N
folic acid
COOH
NADPH + H+
NADP+
folate
FH2 reductase
-
NADPH + H+
FH2
NADP+
FH2 reductase
FH4
-
AP or MTX
•Gli analoghi di acido folico (e.g. MTX) sono molto usati
per controllo neoplasie (e.g. leukaemia).
•Avviso: Questi inibitori influenzano anche la proliferazione delle
cellule normalmente crescenti. Questo provoca molti effetti
collaterali tra cui anemia, calvizie, pelle squamosa, ecc
Degradazione dei nucleotidi
purinici
NH 2
Adenosine
N Deaminase
C
N
C
O
C
HN
C
N
CH
CH
HC
C
HC
N
N
C
N
O
N
Ribose-P
Ribose-P
IMP
AMP
C
HN
CH
HC
C
C
N
HN
C
C
O
C
N
H
N
H
Hypoxanthine
O
C
HN
C
N
Xanthine Oxidase
O
C
N
H
Uric Acid
(2,6,8-trioxypurine)
C
N
O
CH
C
O
N
C
N
H
N
H
GMP
Xanthine
Prodotto finale del metabolismo delle purine
Acido urico
• Acido Urico è il prodotto finale espulso di
purine catabolismo nei primati, uccelli e altri
animali
• Il tasso di escrezione acido urico dalla
normale umano adulto è di circa 0.6 g/24 h,
derivanti in parte dal purine ingerite e in parte
dal turnover dei nucleotidi purinici degli acidi
nucleici.
• La concentrazione normale di acido urico nel
siero degli adulti è nell'intervallo 3-7 mg/dl.
Gotta
• La gotta è una malattia delle articolazioni, di
solito nei maschi, causata da una elevata
concentrazione di acido urico nel sangue e nei
tessuti.
• Le articolazioni diventano infiammate, dolorose, e
artritiche, grazie alla deposizione anormale di
cristalli di urato di sodio.
• L'acido urico in eccesso si deposita nei tubuli
renali.
Allopurinolo – inibitore suicida usato nel
trattamento della gotta
O
O
C
C
HN
C
N
HN
C
H
C
N
CH
HC
C
N
H
Hypoxanthine
N
HC
C
N
Allopurinol
Xanthine oxidase
Xanthine oxidase
N
H
Sintesi di nucleotidi pirimidinici
De novo sintesi
• Pathway più corto rispetto alle purine
• L’anello pirimidinico è costruito prima, hquindi è
laegato il ribosio-P (a differenza biosintesi delle purine)
• Solo 2 precursori (aspartato and glutammina, più HCO3-)
contribuscono all’anello a 6 termini.
• Consiste di 6 steps (invece di 11)
• Il prodotto è UMP (uridine monophosphate)
Elementi sorgente
C
Gln
N3
4
5C
Asp
CO2
C2
1
N
6C
Step 1: sintesi del carbamoyl phosphate
•Carbamoyl phosphate sintetasi (CPS)  2 tipi:
•CPS-I, enzima mitocondriale, coinvolto nel ciclo urea e
biosintesi arginina
•CPS-II, enzima citosolico. Reazione enzimatica
irreversibile.
Step 2: sintesi del carbamoyl aspartate
ATCase: aspartate transcarbamoylase
•Carbamoyl fosfato è
un “composto attivato”
opertanto non serve
un imput energetico in
questo passaggio.
Step 3: chiusura
dell'anello a formare
diidroorotato
Step 4: ossidazione del
diidroorotato di orotato
CoQ
QH2
(a pyrimidine)
Step 5: acquisizione della porzione fosfato ribosio
Step 6: decarbossilazione di OMP
Quadro generale
3. Biosintesi di UTP e CTP
kinase
kinase
UMP
UDP
ATP
ADP
ATP
UTP
ADP
4. Formazione di dTMP
dUMP Til precursore del thymidylate (dTMP)
• La formazione di dUMP si ha o per deaminazione di
dCMP o per idrolisi di dUDP. Il primo è il percorso principale.
UDP
dUDP
dCMP
dCDP
dUMP
N5,N10-methylenetetrahydrofolic Acid
dTMP synthetase
dTMP
ATP
ATP
ADP
dTDP
dTTP
ADP
dTMP sintesi a livello nucleoside
monofosfato.
dUDP
H2O
O
O
Pi
NH 3 O
H2O
dCMP
thymidylate synthase
HN
HN
O
N
CH3
N
5
10
FH2
N
,
N
-CH
-FH
d R 5' P
2
4
R
P
d 5'
FH2
dTMP
dUMP
NADPH
reductase
+ H+
FH4
NADP +
Pathway di salvataggio
uridine-cytidine kinase
uridine
cytidine + ATP
deoxythymidine + ATP
deoxycytidine + ATP
uracil
thymine + PRPP
orotic acid
thymidine kinase
deoxycytidine kinase
pyrimidine phosphate
ribosyltransferase
UMP+ ADP
CMP
dTMP + ADP
dCMP + ADP
UMP
dTMP + PPi
OMP
Antimetaboliti dei nucleotidi
pirimidinici
• Antimetaboliti di nucleotidi
pirimidinici sono simili a quelli dei
nucleotidi purinici.
1. Analoghi Pirimidine
• 5-fluorouracile (5-FU) analogo della
timina.
O
F
HN
O
O
N
H
5-FU
CH3
HN
O
N
H
thymine
Fluoropirimidine
DPYD
TYMS
MTHFR
Fluoropirimidine
DPYD – Dihydropyrimidine dehydrogenase
• Iniziale e fattore limitante del pathway del 5-fluorouracile.
• Polimorfismo IVS14+1G>A
• Proteina troncata  Riduzione dell’attività
• Aumento della tossicità
Fluoropirimidine
TYMS – Thymidylate synthetase
• Strategico per riparazione e replicazione del DNA.
• Bersaglio primario di 5-fluorouracile.
• Polimorfismo: variabile numero di tandem repeats (VNTR) of
28bp (≥ 3 invece di 2) nella regione del promotore (TSER).
• Aumento dell’espressione di mRNA
• Chemioresistenza  Minore sopravvivenza generale e libera
da malattia, ad alto rischio di recidiva.
Fluoropirimidine
MTHFR – 5,10-methylenetetrahydrofolate reductase (NADPH)
•
Catalizza la converzione di 5,10-methyleneTHF in 5-methylTHF.
•
5,10-methyleneTHF è necessario alla sintesi del DNA ed al mantenimento di un pool
adeguato di nucleotidi.
•
5-methylTHF è necessario per la metilazione di omocisteina a metionina ed al
mantenimento del profilo di metilazione del DNA.
•
Polimorfismi s 677C>T and 1298A>C
•
Incremento della termolabilità e riduzione della funzionalità di MTHFR -> aumento
della concentrazione di 5,10-methyleneTHF  aumento della concentrazione e
stabilità dei complessi fatti da 5FU e 5,10-methyleneTHF. No DNA sintesi.
•
Incremento della sensibilità al farmaco e della citotossicità.
2. Amino acid analoghi
• Azaserine (AS) inibisce la sintesi di CTP
3. Acido Folico analoghi
• Methotrexate (MTX) inibisce la sintesi di
dTMP.
4. Analoghi dei nucleosidi
• Arabinosil citosina (Ara-c) inibisce la
sintesi di dCDP.
NH2
NH2
N
N
O
CH2OH
O
H
N
OH
H
H
H
OH
O
CH2OH
O
H
ara-c
N
H
H
H
OH
OH
cytosine
Degradazione Nucleotidi piriminidici
O
NH2
N
O
H2O
N
H
cytosine
NH3
O
HN
O
uracil
HN
N
H
O
HOOC
O
N
H
N
H
thymine
HOOC
NH2 CH2
¦Â-ureidopropionate
CH3
CH2
NH2 CH CH3
O
CH2 ¦Â-ureidoN
isobutyrate
H
H2O
H2N CH2 CH2 COOH
¦Â-alanine
H2O
CO2 + NH3
H2N CH2 CH COOH
CH3
¦Â-aminoisobutyrate
Highly soluble products
Sommario della biosintesi delle purine
dADP
dATP
AMP
ADP
ATP
GMP
GDP
GTP
dGDP
dGTP
IMP
Sommario della biosintesi delle pirimidine
dTTP
dTMP
dTDP
dUMP
dUDP
UMP
UDP
UTP
CDP
CTP
dCDP
dCTP
dCMP
Sommario della sintesi dei nucleotidi
• Purine costruite su ribosio
– PRPP synthetase: passaggio chiave
– Sintesi IMP
• Pirimidine costruzione anello, quindi
aggiunta ribosio
– CPS-II: passaggio chiave
– Sintesi UMP
• Importante il pathway di salvataggio
Punti
• Sintesi dei nucleotidi purinici
– De novo sintesi: Localizzazione, Caratteristiche, Elementi
fonte delle basi puriniche
– Salvataggio pathway: definizione, significato, enzimi LeschNyhan syndrome
– Formazio dei deossiribonucleotidi: concentrazione NDP
– Antimetaboliti dei nucleotidi purinici:
• Analoghi: Purine, Amino acidi, acido folico
• Degradazione nucleotidi purinici
– Acido urico, gotta
• Sintesi nucleotidi pirimidinici
– De novo sintesi : Caratteristiche, Elementi fonte delle basi
pirimidiniche
– Salvataggio pathway:
– Antimetaboliti dei nucleotidi pirimidinici
– Catabolismo dei nucleotidi pirimidinici