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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 1V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Metabolismo dei nucleotidi
Prof. Giorgio Sartor
Copyright © 2001-2013 by Giorgio Sartor.
All rights reserved.
N01 - Versione 0.1 – may 2013
1: introduzione
2: biosintesi de-novo delle purine
3: biosintesi de-novo delle pirimidine
4: catabolismo delle purine
5: catabolismo delle pirimidine
6: sintesi deossiribonucleotidi
7: regolazione della sintesi deossiribonucleotidi
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Metabolismo dei nucleotidi
4: catabolismo delle purine
Prof. Giorgio Sartor
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Catabolismo delle purine
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Catabolismo delle purine
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Catabolismo dei nucleotidi purinici
NMP + H2O Nucleoside + Pi
Nucleoside + Pi Base + Ribosio-1-P
Nucleotidasi
PNP
• I nucleotidi provenienti dalla degradazione del mRNA sono convertiti in nucleosidi da nucleotidasi intracellulari che sono sotto stretto controllo metabolico per evitare la deplezione di nucleotidi;
• I nucleosidi sono scissi in base purinica e ribosio-1-P da purinanucleoside fosforilasi (PNP) ma né l’Adenosina né la Deossiadenosina sono substrati di PNP, questi due nucleosidi sono convertiti in Inosina da Adenosina deaminasi, l’Inosina viene processata;
• I prodotti di PNP vengono convertiti in Xantina da Guanina deaminasi e Xantina ossidasi la quale converte anche la Xantina in Acido Urico.
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Catabolismo delle purine
ROH
O
OPO3-
NN
NN
NH2
ROH
O
OPO3-
NN
NNH
O
NH2
OHOH
O
OPO3-
NN
NNH
O
OHOH
O
OPO3-
NNH
NNH
O
O
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
OPO3-
OHOH
OOH
NHN
NNH
O
NHN
H
NNH
O
O NHN
NNH
O
NH2
NHN
H
NH
NH
O
O
O
R = OH; H
NucleotidasiEC 3.1.3.5
AMP deaminasiEC 3.5.4.6
H2O NH4+
AMPdAMP
IMP XMPGMP
dGMP
AdenosinadeossiAdenosina
Inosina Xantosina Guanosina
AdenosinadeaminasiEC 3.5.4.2
H2O NH4+
Ipoxantina Xantina Guanina
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
H2O + O2 H2O2
GuaninadeaminasiEC 3.5.4.3
H2ONH4+
H2O + O2
H2O2
Acido Urico
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
4
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Deaminasi
ROH
O
OPO3-
NN
NN
NH2
ROH
O
OPO3-
NN
NNH
O
NH2
OHOH
O
OPO3-
NN
NNH
O
OHOH
O
OPO3-
NNH
NNH
O
O
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
OPO3-
OHOH
OOH
NHN
NNH
O
NHN
H
NNH
O
O NHN
NNH
O
NH2
NHN
H
NH
NH
O
O
O
R = OH; H
NucleotidasiEC 3.1.3.5
AMP deaminasiEC 3.5.4.6
H2O NH4+
AMPdAMP
IMP XMPGMP
dGMP
AdenosinadeossiAdenosina
Inosina Xantosina Guanosina
AdenosinadeaminasiEC 3.5.4.2
H2O NH4+
Ipoxantina Xantina Guanina
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
H2O + O2 H2O2
GuaninadeaminasiEC 3.5.4.3
H2ONH4+
H2O + O2
H2O2
Acido Urico
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 8V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Deaminasi
• Tre deaminasi:
–AMP deaminasi (EC 3.5.4.6),
–Adenosina deaminasi (EC 3.5.4.2) e
–Guanina deaminasi (EC 3.5.4.3).
• Intervengono, a diverso livello, per produrre xantina.
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AMP deaminasi (EC 3.5.4.6) Adenosina deaminasi (EC 3.5.4.2)Guanosina deaminasi (EC 3.5.4.3)
ROH
OOR'
NN
NN
NH2
R"
ROH
OOR'
NN
NNH
O
R"
Nucleotide; deossiNucleotideR = -OH; -H
Deaminasi
H2O NH4+
Nucleoside; NucleotideR' = -H; -PO3
-
Adenosina; Guanosina R" = -H; -NH2
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AMP deaminasi
• Nel muscolo scheletrico serve per rifornire il ciclo di Krebs di fumarato.
• La carenza di AMP deaminasi provoca la sindrome da immunodeficienza combinata (SCID).
NO
NH
N
OHOHN
OO
PO
O
ON
O
NH
N
OHOHN
OP
OO
O
NH
O
O
O
O
NH2
O
O
O
O
NO
NH
N
OHOHN
OP
OO
O
NH2
O
O
O
O
NH3
GTP
GDP
IMP
AMP
Asp
Fumarato
EC 6.3.4.4Adenilosuccinato
sintasi
EC 4.3.2.2Adenilosuccinato
liasiEC 3.5.4.6AMP deaminasi
6
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SCID• Sindrome da ImmunoDeficienza Combinata
– Mancata capacità proliferativa di linfociti B e T a causa della aumentata sintesi di dATP che inibisce la sintesi dei deossinucleotidi.
NO
N
N
HOH
N
NH2
OH
NO
N
N
HOH
N
NH2
OH
NO
N
N
HOH
N
NH2
OP
OO
O
NO
N
N
HOH
N
NH2
OP
OO
O
PO
O
O
PO
O
OEC 3.5.4.6
AMP deaminasi
Nucleosidechinasi
ADPGDPCDPUDP
dADPdGDPdCDPdUDP
dATPdGTPdCTPdTTP
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Fermentazione e acidosi
• Il passaggio attraverso la via anaerobica genera un’acidosi dalla quale gli organismi acquatici che vivono nella zona intertidale si difendono utilizzando diversi meccanismi:– Eliminazione durante l’alta marea
– Effetto tampone dei pigmenti respiratori
– Conversione in specie meno pericolose (etanolo)
– Utilizzo della conchiglia per tamponare
– Trasporto in un altro distretto
– Conversione di AMP in IMP e NH3 che viene usata per tamponare il pH acido.
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Acidosi
• Minimizzare l’acidificazione utilizzando vie di consumo di H+
• A basso O2 nel muscolo:
• AMP è convertito in IMP e NH3 il quale è protonato a NH4+
• La concentrazione di IMP può crescere fino a 5 mM a pH 7
– Aspetto positivo: buon sistema di protezione
– Aspetto negativo: deplezione del pool dell’adenilato
N
N
O
N
OHN
NH2
OH
OP
OO
O
O
OHOH
OP
O
O
O
N
N
N
NH
O
H2O
AMP deaminasiEC 3.5.4.6
NH3
NH4+
H+
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5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
ROH
O
OPO3-
NN
NN
NH2
ROH
O
OPO3-
NN
NNH
O
NH2
OHOH
O
OPO3-
NN
NNH
O
OHOH
O
OPO3-
NNH
NNH
O
O
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
OPO3-
OHOH
OOH
NHN
NNH
O
NHN
H
NNH
O
O NHN
NNH
O
NH2
NHN
H
NH
NH
O
O
O
R = OH; H
NucleotidasiEC 3.1.3.5
AMP deaminasiEC 3.5.4.6
H2O NH4+
AMPdAMP
IMP XMPGMP
dGMP
AdenosinadeossiAdenosina
Inosina Xantosina Guanosina
AdenosinadeaminasiEC 3.5.4.2
H2O NH4+
Ipoxantina Xantina Guanina
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
H2O + O2 H2O2
GuaninadeaminasiEC 3.5.4.3
H2ONH4+
H2O + O2
H2O2
Acido Urico
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 15V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
• Le 5'-Nucleotidasi appartengono ad una famiglia di metallo (Zn++) proteine dinucleari;
• Il passaggio tra la forma aperta (inattiva) e la forma chiusa (attiva) dell’enzima è dovuto ad una rotazione del dominio catalitico di 96°;
• L’adenosina lega una specifica tasca nel dominio C-terminaleformando una struttura “stacked” tra la Phe429 e Phe498;
• Il dominio N-terminale contiene il centro bimetallico e un residuo conservato (His117) i quali formano il centro catalitico;
• Anche tre residui di Ala (375, 379 e 410) sono coinvolti nel legame del substrato e probabilmente stabilizzano lo stato di transizione;
• Uno ione metallico coordina anche una molecola d’acqua posizionata opportunamente per effettuare l’attacco nucleofilo sull’atomo di fosforo.
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5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
Forma aperta (inattiva)
Forma chiusa (attiva)
1HP1
1HPU
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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 17V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
Forma aperta (inattiva)
Forma chiusa (attiva)
1HP1
1HPU
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5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
Forma aperta (inattiva) Forma chiusa (attiva)
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5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
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Nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
Figure 3. Structure of the dimetal center and the coordination sphere. Only the β-methylene-phosphate group and the α-phosphorus atom ofAMPCP are shown for clarity.
Knöfel T, Sträter N.Mechanism of hydrolysis of phosphate esters by the dimetal center of 5'-nucleotidase based on crystal structures.J Mol Biol. 2001 May 25;309(1):239-54.
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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 21V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Purina nucleoside fosforilasi (EC 2.4.2.1)
• Purina nucleoside fosforilasi (PNP) è un enzima chiave nel meccanismo di riciclo delle basi azotate come alternativa alla sintesi de-novo delle purine;
• Catalizza, in modo reversibile, la fosforolisi dei 2'-deossiopurina ribonucleosidi a base purinica e 2-deossiriboso 1-fosfato.
OHOH
OOH
BASEOPO3-
OHOH
OOH
BASEPO3--
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Purina nucleoside fosforilasi (EC 2.4.2.1)
1A9T
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Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
ROH
O
OPO3-
NN
NN
NH2
ROH
O
OPO3-
NN
NNH
O
NH2
OHOH
O
OPO3-
NN
NNH
O
OHOH
O
OPO3-
NNH
NNH
O
O
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
H2O
PO3--
OPO3-
OHOH
OOH
NHN
NNH
O
NHN
H
NNH
O
O NHN
NNH
O
NH2
NHN
H
NH
NH
O
O
O
R = OH; H
NucleotidasiEC 3.1.3.5
AMP deaminasiEC 3.5.4.6
H2O NH4+
AMPdAMP
IMP XMPGMP
dGMP
AdenosinadeossiAdenosina
Inosina Xantosina Guanosina
AdenosinadeaminasiEC 3.5.4.2
H2O NH4+
Ipoxantina Xantina Guanina
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
H2O + O2 H2O2
GuaninadeaminasiEC 3.5.4.3
H2ONH4+
H2O + O2
H2O2
Acido Urico
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
NucleotidasiEC 3.1.3.5
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
PO3--
Riboso-1-P
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Purinanucleosidefosforilasi(PNP)EC 2.4.2.1
Xantinaossidasi
EC 1.17.3.2
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 24V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2 - EC 1.17.1.4)
• L’enzima agisce su diversi substrati purini e aldeidici
• Nei mammiferi converte anche il retinolo (all-trans) in acido retinoico (all-trans) con il substrato legato alla retinoid-bindingprotein (RBP);
• Negli eucarioti contiene due centri Ferro Zolfo [2Fe-2S], FAD e un centro molibdeno;
• Nei mammiferi è predominante la forma deidrogenasi NAD-dipendente (EC 1.17.1.4)
• Nella purificazione viene convertito nella forma O2-dipendente, xantina ossidasi (EC 1.17.3.2).
• La conversione può essere innescata dalla ossidazione di gruppi tiolici di Cys per formare ponte disolfuro, questa reazione può essere catalizzata da una tiolo-enzima transidrogenasi (EC 1.8.4.7) che usa glutatione ossidato oppure attraverso una parziale proteolisi enzimatica che rende irreversibile la conversione;
• La conversione avviene anche in vivo.
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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 25V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
3AMZ
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 26V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
• Il centro catalitico è il centro Mo
NHN
H
NNH
O
O
OH
NHN
H
NNH
O
O
H
*Mo
*
S
O NHN
H
NNH
O
O*Mo
*
SH
OO
*Mo
*
S
O
NHN
NN
OH
OH
OH
NHN
H
NH
NH
O
O
O
OH-
H+
2H+
O2
H2O2
MoVI Ossidato
MoVI Ossidato
MoIV Ridotto
Acido Urico
Xantina
Forma lattamica Forma lattimica
14
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 27V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
3AMZ
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 28V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Xantina ossidasi e gotta
• Gli umani e gli altri primati eliminano acido urico con le urine ma la maggior parte dell’azoto viene eliminato come urea;
• Uccelli, rettili e insetti usano l’acido urico come mezzo principale per l’eliminazione dell’azoto;
• La gotta è una patologia provocata dall’accumulo di urati nelle articolazioni delle estremità;
• L’allopurinolo, un inibitore della xantina ossidasi, è utilizzato nel trattamento della gotta.
N
N
N
N
O
H
H
N
N
N
N
O
H
H
Allopurinolo Xantina
15
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 29V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Destino acido urico
NHN
H
NH
NH
O
O
O
NHN
H
NH
ONH2
O
O
NH
NH
NH2
ONH2
O O
OH
O
OO
O
NH2
NH2
O
NH3
Acido Urico(Primati, Uccelli,rettili e insetti)
Allantoina(Altri mammiferi)
Acidoallantoico
(Pesci teleostei)
Urea(Pesci cartilaginei
e anfibi)
(Invertebratimarini)
H2O2H2O
+ O2
H2O
CO2 +
H2O2
2H2O2CO2
Uratoossidasi Allantoinasi
Allantoinasi
Ureasi
Gliossilato
4 2
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 30V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Destino acido urico
• Negli umani e negli altri primati:– L’acido urico è il prodotto finale del metabolismo delle
basi puriniche e viene escreto con le urine;
– L’azoto amminico proveniente dal metabolismo aminoacidico viene eliminato come urea.
• Negli uccelli, nei rettili terrestri e in molti insetti l’acido urico è l’unica via di escrezione dell’azoto anche quello proveniente dagli aminoacidi e l’acido urico viene escreto come solido per mantenere l’acqua;
• La conversione dell’acido urico nei suoi derivati èfunzione della disponibilità di acqua per l’organismo.
16
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 31V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Destino acido urico
NHN
H
NH
ONH2
O
O
NH
NH
NH2
ONH
2
O O
OH
O
OO
O
NH2
NH2
O
NH3
NHN
H
NH
NH
O
O
O
Acido Urico(Primati, Uccelli,rettili e insetti)
Allantoina(Altri mammiferi)
Acidoallantoico
(Pesci teleostei)
Urea(Pesci cartilaginei
e anfibi)
(Invertebratimarini)
H2O2H2O
+ O2
H2O
CO2 +
H2O2
2H2O2CO2
Uratoossidasi Allantoinasi
Allantoinasi
Ureasi
Gliossilato
4 2Disponibilità
di acqua
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 32V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Urea, CO2 e NH3
NH2 NH2
O
NH2
O
OP
O
O
O
CO2
NH N
NN
Urea CO2 + 2NH3
UreasiEC 3.5.1.5
H2O
2ATP 2ADP + Pi Carbamilfosfato
Carbamil-fosfatosintasi
EC 6.3.4.16
HCO3-
Ca2+
Ca2+ Ca2+ + CO32-
CaCO3
HCO3-
Ciclo dell'Urea
Ca2+
HCO3-
Ca2+
NH3
Proteine
Mucopolisaccaridi
NH4+ + CaCO3
Proteine
Mucopolisaccaridi
INTERO(acqua marina)
MANTELLO
CONCHIGLIA
CO2 + NH3
H2O
AnidrasiCarbonicaEC 4.2.1.1
HCO3-
H2O
AnidrasiCarbonicaEC 4.2.1.1
H2CO3
CO2
SPAZIO EXTRAPALLIALE
SOVRASATURO
17
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 33V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Ureasi (EC 3.5.1.15)
1EJW (298K)
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 34V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Ureasi (EC 3.5.1.15)
18
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 35V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
αPRPP
PPi
GMP
Guanosina
Guanina
IMP
Inosina
Ipoxantina
αPRPP
PPi
AMP
Adenosina
Adenina
Recupero delle purine• Una quota delle purine derivate dal metabolismo degli acidi
nucleici viene recuperata per la formazione di nucleotidi attraverso le fosforibosiltranferasi:
– Adenina fosforibosiltransferasi (EC 2.4.2.7)
– Ipoxantina-guanina fosforibosiltransferasi (EC 2.4.2.8)
EC 2.4.2.7 EC 2.4.2.8
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Interconversione delle purine
O
HOH
OP
OP
OH
O
O O
O
NN
NN
NH2
O
OHOH
OP
OP
OH
O
O O
O
NN
NN
NH2
O
OHOH
OP
OO
O
NN
NNH
O
O
OHOH
OP
OO
O
NNH
NNH
O
O
O
OHOH
OP
OP
OH
O
O O
O
NN
NNH
O
NH2
O
HOH
OP
OP
OH
O
O O
O
NN
NN
NH2
O
OHOH
OP
OHO
O
NN
NN
NH2
O
OHOH
OP
OHO
O
NN
NNH
O
NH2
dATP ATP GTP dGTP
dADP ADP GDP dGDP
dAMP AMP GMP dGMPIMP XMP
dAdenosina Adenosina Guanosina dGuanosinaInosina
Adenina GuaninaIpoxantina
αPRPPαPRPP
αPRPP
Riduzione
TrasferimentoNH2
Ossidazione
TrasferimentoNH2
Riduzione
BASE
Nucleoside
NMP
NDP
NTP
Traut TW. Enzymes of nucleotide metabolism: the significance of subunit size and polymer size for biological function and regulatory properties. CRC Crit Rev Biochem. 1988;23(2):121-69.
19
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 37V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Interconversione delle purine• Il turnover degli acidi nucleici (soprattutto mRNA) porta al
rilascio di basi puriniche per formare adenina, guanina e ipoxantina.
• Visto il costo metabolico per la loro sintesi vengono riutilizzate per risintetizzare i nucleotidi attraverso le fosforibosil trasferasi (HGPRT):
BASE + ααααPRPP →→→→ NMP + PPi
• L’idrolisi di PPi rende la reazione irreversibile
• L’assenza, o la sintesi ridotta, di HGPRT è causa della sindrome di Lesch-Nyhan nella quale la sintesi di purine ècirca 200 volte maggiore e la concentrazione di acido urico nel sangue è elevata
• Questo aumento è dovuto all’attivazione allosterica da αPRPP della biosintesi de-novo delle purine.
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 38V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Patologie legate al metabolismo purinico
• Xantinuria• Sindrome di Lesch-Nyhan• Adenina fosforibosiltransferasi deficienza• Superattività Fosforibosilpirofosfato sintetasi I• Adenilosuccinato liasi deficienza• Sindrome da deplezione di DNA Mitocondriale (MDS)• Distrofia dei Coni e dei Bastoncelli• Sindrome di Desbuquois• Anemia• Calcificazione delle articolazioni e delle arterie• Sindrome di Arts• AICA-ribosiduria• Calcificazione arteriale infantile generalizzata• Piruvato chinasi (PK) deficienza• Oftalmoplegia progressiva estrena
20
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 39V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Metabolismo dei nucleotidi
5: catabolismo delle pirimidine
Prof. Giorgio Sartor
Copyright © 2001-2013 by Giorgio Sartor.
All rights reserved.
N01 - Versione 0.1 – apr 2013
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 40V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Catabolismo delle pirimidine
• Catabolismo riduttivo –NADH + H+ → NAD+
–Animali, pianti e alcuni batteri.
• Catabolismo ossidativo–Accettore ossidato → Accettore ridotto
–Esclusivamente batterico.
• Rut (Pyrimidine utilization) pathway– in Escherichia coli K-12
–usa le pirimidine come unica sorgente di azoto (NH3).
21
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 41V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Catabolismo delle pirimidine
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 42V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Catabolismo riduttivo delle pirimidine
22
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 43V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Catabolismo riduttivo delle pirimidine
NH
N
O
NH2
NH
NH
O
O
O
ONH3+
NH
NH
O
O
CH3
O
ONH3+
CH3
CO2 + NH3++CO2 + NH3
++
ββββ-Ala
Uracile Citosina
3-amino-isobutanoato
Timina
UMP CMP/dCMP dTMP
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 44V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Catabolismo riduttivo delle pirimidine
NH
NH
O
O
R
NH
NH
O
O
RNH
O
H2N
O
O
R
O
ONH2
R
Uracile; R = HTimina; R = CH3
EC 1.3.1.1Pirimidinareduttasi
EC 3.5.2.2Diidodropirimidinasi
5,6- diidrouracile; R = H5,6- diidrotimina; R = CH3
3-Ureidopropionato; R = H3-Ureidoisobutirrato; R = CH3
EC 3.5.1.6β-ureidopropionasi
ββββ-Alanina; R = H3-Aminoisobutirrato; R = CH3
CO2 NH3+
NADH + H+
NAD+
23
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 45V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Catabolismo ossidativo delle pirimidine
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 46V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Catabolismo ossidativo delle pirimidine
NH
NH
O
O
R
NH
NH
O
O
O
R
OH NH
NH2
O O O
R
OH
O O
R
OH NH2NH2
O
EC 1.17.99.4Uracile-timina
ossidasi
H2OA AH
Uracile; R = -HTimina; R = -CH3
Barbiturato; R = -H5-metilbarbiturato; R = -CH3
EC 3.5.2.1Barbiturasi
H2O3-Osso-3-ureidopropanoato; R = - H3-Osso-3-ureidoisobitirrato; R = - CH3
EC 3.5.1.95N-malonilurea
idrolasi
Malonato; R = -HMetilmalonato; R = -CH3
Urea
H2O
24
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 47V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Barbiturasi (EC 3.5.2.1)
• Omotetramero;
• Contiene uno ione zinco;
• Ha come substrato specifico il barbiturato;
• Catalizza la reazione di apertura dell’anello ma non la formazione di malonato (metilmalonato ) e urea;
• Sembra coinvolto nella regolazione del metabolismo delle pirimidine con uracile fosforibosiltransferasi (EC 2.4.2.9);
• Coinvolto anche nella degradazione dell’atrazina.
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 48V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Proposed pathway for oxidative pyrimidine metabolism (A) and catabolic pathway for atrazine degradation (B).
Soong C et al. J. Biol. Chem. 2002;277:7051-7058
©2002 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology
25
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 49V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Degradazione dell’atrazina
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 50V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Formazione di acido cianurico
N
N
NH
N
NH
Cl
CH3
CH3
CH3
N
N
NH2
N
NH
OH
CH3
CH3 NH2
N
NOH
N
OH
OH
N
N
NH
N
NH2
Cl
CH3
CH3 CH3
O
N
N
OH
N
NH
OH
CH3
N
N
NH
N
NH
OH
CH3
CH3
CH3
N
NNH
N
OH
OHCH3
CH3
CH3 NH2
CH3
CH3
NH2
atrazina monossigenasiEC 1.14.15.-
HCl
atrazina
H2O
2,4-diidrossi-6-(N'-etil)amino-1,3,5-triazina
deisopropilidrossiatrazina aminoidrolasi
EC 3.5.99.-
H2O
acid cianurico
1/2 O2
deisopropilatrazina
acetone
idrolasiEC 3.8.1.-
NH3H2O
deisoproplidrossiatrazina
2,4-diidrossi-6-(N'-etil)amino-1,3,5-triazinaaminoidrolasiEC 3.5.99.-
atrazina cloroidrolasiEC 3.8.1.8
H2O HCl4-(etilamino)-2-idrossi-6-(isopropiylamino)
-1,3,5-triazina
H2O
N-isopropilammelide
etilamina
idrossidecloroatrazinaetilaminoidrolasi
EC 3.5.99.3
N-isopropilammelideisopropilaminoidrolasi
EC 3.5.99.4H2O
isopropilamina
etilamina
26
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 51V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Destino dell’acido cianurico
N
NOH
N
OH
OHNH
NH2
O
NH2
O NH2 NH2
O
NH
NH2
O
OH
O
EC 3.5.2.15Acido cianuricoaminoidrolasi
acid cianurico
H2O CO2
biureto
H2O CO2 NH3
urea
EC 3.5.1.84Biureto
aminoidrolasi
H2O
NH3
urea-3-carbossilato(allofanato)
CO2
EC 3.5.1.5Ureasi
(1EF2 1EJW)
H2O 2NH3
2NH3
H2O
EC 3.5.1.54Allofanato
aminoidrolasi
2
EC 3.5.1.84Biureto
aminoidrolasi
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 52V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Rut (Pyrimidine utilization) pathway
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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 53V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Comparison of Rut pathway products (E. coli K-12) to those of other pyrimidine catabolic pathways.
Kim K et al. J. Bacteriol. 2010;192:4089-4102
V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 54V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
In vitro reactions catalyzed by RutA/F, RutB, and the short-chain dehydrogenase YdfG.
Kim K et al. J. Bacteriol. 2010;192:4089-4102
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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 55V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi
Interconversione delle pirimidine
Traut TW. Enzymes of nucleotide metabolism: the significance of subunit size and polymer size for biological function and regulatory properties. CRC Crit Rev Biochem. 1988;23(2):121-69.
O
HOH
OP
OP
OP
O
OO
O
O O
O
N
N
O
NH2
O
OHOH
OP
OP
OP
O
OO
O
O O
O
N
N
O
NH2
O
OHOH
OP
OP
OP
O
OO
O
O O
O
N
NH
O
O
O
HOH
OP
OP
OP
O
OO
O
O O
O
N
NH
O
O
O
HOH
OP
OP
OP
O
OO
O
O O
O
N
NH
O
O
CH3
dCTP CTP dUTP dTTP
dCDP CDP dUDP dTDP
dCMP CMP dUMP dTMPUMP
dCitidina Citidina dTimidinaUridina
Citosina Uracile
Riduzione
TrasferimentoNH2
Metilazione
Riduzione
UTP
UDP
TiminaBASE
Nucleoside
NMP
NDP
NTP
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Crediti e autorizzazioni all’utilizzo• Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica:
– CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-17030-9] – Zanichelli
– NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli
– GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - PICCIN
– VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-06879-8] – Zanichelli
• E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali:
– Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/
– Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/
– Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/
– Rensselaer Polytechnic Institute: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html
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