Prof. Giorgio Sartor Metabolismo dei nucleotidi · Acidi Nucleici Coenzimi NUCLEOTIDI Basi azotate...

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V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 1V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

Metabolismo dei nucleotidi

Prof. Giorgio Sartor

Copyright © 2001-2013 by Giorgio Sartor.

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N01 - Versione 0.2 – 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


A cosa servono i nucleotidi• Informazione:

– Acidi nucleici: RNA e DNA (NMP; dNMP → NTP; dNTP)

• Sintesi proteica e regolazione:

– Acidi nucleici: mRNA, tRNA, smRNA…

• Trasporto di energia:

– ATP (GTP), ADP, AMP

• Metabolismo:

– UTP, ATP

• Segnali intracellulari:

– cAMP, cGMP

• Trasporto di equivalenti ridotti:

– NAD+/NADH, NADP+/NADPH, FAD/FADH2

• Trasporto di acili:

– CoA

• …

2


Le basi azotate

• PURINE– Adenina– Guanina

– Inosina

– Xantina

• PIRIMIDINE– Uridina– Ciditina– Timidina

– Orotidina

NHN

NN

N

N


Le basi azotate

• PURINE– Adenina– Guanina

– Inosina

– Xantina

• PIRIMIDINE– Uridina– Ciditina– Timidina

– Orotidina

NHN

NN

N

N

3


Nucleotidi purinici• Adenosinmonofosfato (AMP)

• Guanosinmonofostato (GMP)

• Inosinmonofosfato (IMP)

• Xantinamonofosfato (XMP)

OHOH

O

OPO3--

NN

NN

NH2

OHOH

O

OPO3--

NN

NNH

O

NH2

AMP

GMP

OHOH

O

OPO3--

NN

NNH

O

OHOH

O

OPO3--

NNH

NNH

O

O

IMP XMP


Nucleotidi pirimidinici

OHOH

O

OPO3--

N

NH

O

O

OHOH

O

OPO3--

N

NH

O

O

CH3

OHOH

O

OPO3-

N

N

O

NH2

UMP

TMP

CMP

• Uridinmonofosfato (UMP)

• Timidinmonofosfato (TMP)

• Ciditinmonofosfato (CMP)

• Orotidinmonofosfato (OMP)

OHOH

O

OPO3--

N

NH

O

O

O

OOMP

4


Metabolismo delle Purine


Metabolismo delle Pirimidine

5


Sintesi de-novo• Quasi tutti gli organismi sintetizzano

nucleotidi da zero:

Acidi Nucleici Coenzimi

NUCLEOTIDI Basi azotate

ENERGIA

Aminoacidi, CO2, N10-formil-THF, ATP, Ribosio

BIOSINTESI

DEGRADAZIONE

Ribosio


Chi sintetizza nucleotidi de-novo

• Tutte le cellule che proliferano!–Linfociti–Batteri–Tumori–…

• Le vie metaboliche di sintesi de-novo dei nucleotidi sono il bersaglio di farmaci antibatterici e antitumorali.

6


Sintesi de-novo

• Diversa strategia:–Nucleotidi purinici

• La sintesi de-novo dei nucleotidi purinici avviene attraverso la costruzione dell’anello purinico sul ribosio-5-P per formare INOSINA MONO FOSFATO (IMP);

–Nucleotidi pirimidinici • La sintesi de-novo dei nucleotidi pirimidinici

avviene attraverso la sintesi di una purina(OROTATO) e, quindi, legame al ribosio-5-P con conversione in URIDIN MONO FOSFATO (UMP)


α-riboso-5-fosfato

P OO

O

O O

OH OH

OH

7


Via dei pentosi fosfati

• A secondo dei bisogni della cellula la via dei pentosi fosfati opera in vari modi per massimizzare la concentrazione dei diversi prodotti:

• riboso-5-fosfato, NADPH, e ATP,


8



Sintesi di riboso-5-P e NADPH

• Duplicazione cellulare.

– Il ribuloso-5-fosfato viene convertito in riboso-5-fosfato, necessario per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici.

– Viene anche prodotto del NADPH.

OH

OH

O

O

OH

P

O

O

O

OH

OH

O

O

OH

P

O

OO

P OO

O

O O

OH OH

OH

OH

OH

OH

OH

O

O

OH

PO

OO

PO

OO

OOH

O

H

O

OH

O OH

OH

P

OH

OO

O

PO

O

O

O

OH

OH

O

PO

OO

OOH

O

H

POO

O

OO

OH

OH

OH

OH

POO

O

OO

OH

OH

OH

OH

POO

O

OO

OH

OH

O

OH

P

OO

O

O

OH

OH

OHOH

O OD-ribuloso-5-fosfato

Ribuloso-fosfato3-epimerasi(EC 5.1.3.1)

D-xiluloso-5-fosfato

Riboso-5-fosfatoisomerasi

(EC 5.3.1.6)

D-riboso-5-fosfato

+

D-gliceraldeide-3-fosfato

D-sedoeptuloso-7-fosfato

Transchetolasi(EC 2.2.1.1)

+

Transaldolasi(EC 2.2.1.2)

D-fruttoso-6-fosfato

D-eritroso-4-fosfato

Transchetolasi(EC 2.2.1.1)

D-gliceraldeide-3-fosfato

Glucoso-6-fosfato isomerasi

(EC 5.3.1.9)

α-D-Glucoso-6-fosfatoβ-D-Glucoso-6-fosfato 6-fosfo-D-glucono-1,5-lattone

Glucoso-6-fosfatodeidrogenasi(EC 1.1.1.49)

6-fosfogluconolattonasi(EC 3.1.1.31)

6-fosfo-D-gluconato

CO2

NADP+

NADPH

NADP+

NADPH

Fosfogluconatodeidrogenasi(EC 1.1.1.44)

9


Metabolismo dei nucleotidi

2: biosintesi de-novo delle purine

Prof. Giorgio Sartor


BIOSINTESI delle PURINE

NNO

N

OH

N

NH2

OH

OP

O

O

O

NNO

N

OH

NH

O

OH

OP

O

O

O

NH2

AMP GMP

10


Purine


Purine

11


Metabolismo purinico

• I nucleotidi purinici sono sintetizzati sia a partire da precursori più semplici attraverso la biosintesi de-novo, sia mediante il riutilizzo delle basi azotate e dei nucleosidi attraverso le vie di recupero.

• L’IMP gioca un ruolo centrale nel metabolismo purinico in quanto è sia il prodotto della biosintesi de-novo che un intermedio metabolico necessario alla sintesi dell’AMP e del GMP.

• Un altro substrato chiave è il αPRPP che è coinvolto sia nelle prime tappe della biosintesi de-novo, sia nelle vie di recupero delle basi puriniche.


Metabolismo purinico

• La biosintesi de-novo delle purine avviene principalmente nel fegato;

• altri tessuti, nei quali la biosintesi de-novo èmeno rappresentata (cervello) o del tutto assente (globuli rossi), dipendono dal fegato per fabbisogno di purine e si riforniscono di nucleotidi purinici attraverso le vie di recupero;

• il globulo rosso svolge un ruolo importante in questo processo in quanto incorpora le purine nel fegato e le cede agli altri tessuti.

12


Biosintesi dei nucleotidi purinici• La sintesi dei nucleotidi purinici (AMP e GMP)

avviene attraverso la sintesi dell’intermedio comune

• IMP – inosinmonofosfato

NN

O

N

OH

NH

O

OH

OP

O

O

O

NN

O

N

OH

N

OH

OH

OP

O

O

O


Biosintesi dei nucleotidi purinici

NNO

N

OH

NH

O

OH

OP

O

O

O

NNO

N

OH

N

NH2

OH

OP

O

O

O

NNO

N

OH

NH

O

OH

OP

O

O

O

NH2AMPGMP

IMP

13


Biosintesi del nucleo purinico

N

NN

NR5P

NH2

O

O

OH

O

H

NH2

OO

NH2 O

H

CO2

NH2

O

OH

H

1

2

3

4

5

6

7

8

9

N10-Formil-THF

N10-Formil-THF

Glicina

Glutamina

Aspartato


Biosintesi IMP

• Undici reazioni– Tre reazioni per convertire il riboso-5-P a fosforibosil

glicinamide (GAR). L’azoto proviene da Gln. Si usano tre molecole di ATP: una per formare αPRPP (ad AMP), una per attivare la Gln e una per attivare la Gly;

– Quattro reazioni per la costruzione dell’anello a cinque termini aminoimidazolo carbossilato (FGAR, FGAM, AIR, CAIR) usando 10N-Formil-THF, Gln, CO2. Si usano due molecole di ATP: una per usare la Gln e una per chiudere l’anello;

– Quattro reazioni per la chiusura dell’anello purinico dell’IMP (SAICAR, AICAR, FAICAR) usando, Asp, 10N-Formil-THF e una molecola di ATP per usare Asp.

• Si consumano sette legami P~O~P

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Tetraidrofolato (THF)• La sintesi avviene attraverso la cessione

di unità monocarboniose veicolate dal tetraidrofolato (THF).

N

NH

N

NH

NH2

O

N

NH

OOHO

OH

O

n

R'

R"105


Tetraidrofolato (THF)• La sintesi avviene attraverso la cessione

di unità monocarboniose veicolate dal tetraidrofolato (THF).

N

NH

N

NH

NH2

O

N

R'

R"

R

NH

OOHO

OH

O

n

105

R =

15


Sintesi del THF

NH2 NH

N

NH

RN

O

N

H NH2 NH

N

NH

RN

O

N

HH

H

NH2 NH

N

HH

H

NH

RN

O

N

HH

NADPH + H+

NADP+

NADP+

NADPH + H+

EC 1.5.1.3Diidrofolato reduttasi

Folato Diidrofolato

Tetraidrofolato THF


NH2 NH

NH

HH

NH

RNO

N

HH

NH2 NH

NH

HH

NH

RNO

N

CH3

H

NH2 NH

NH

HH

NRN

O

N

HH

O

O

N

NH2 NH

NH

HH

NH

R

O

NH

NH

N

NH2 NH

NH

HH

NH

R

O

NH

N

N

NH2 NH

NH

HH

O

N H

R

N

N

NH2 NH

NH

HH

O

N H

R

Formiato + ATP

Formil Glu

FormimminoGlu

His

Gly + NAD+

NADH + H+

CO2 + NH4+

Glu

Glu

ADP + Pi

ADP+ Pi

ATP

H2O

Ser

Gly

Omocys Met

NADPH + H+

NADPH + H+

NAPD+

NAPD+

NH4+

16


NH2 NH

NH

HH

NH

RNO

N

HH

NH2 NH

NH

HH

NH

RNO

N

CH3

H

NH2 NH

NH

HH

NRN

O

N

HH

O

O

N

NH2 NH

NH

HH

NH

R

O

NH

NH

N

NH2 NH

NH

HH

NH

R

O

NH

N

N

NH2 NH

NH

HH

O

N H

R

N

N

NH2 NH

NH

HH

O

N H

R


NH2 NH

NH

HH

NH

RNO

N

HH

NH2 NH

NH

HH

NH

RNO

N

CH3

H

NH2 NH

NH

HH

NRN

O

N

HH

O

O

N

NH2 NH

NH

HH

NH

R

O

NH

NH

N

NH2 NH

NH

HH

NH

R

O

NH

N

N

NH2 NH

NH

HH

O

N H

R

N

N

NH2 NH

NH

HH

O

N H

R

THF

N5-formimmino-THF N5-formil-THF N10-formil-THF

N5,N10-metenil-THF

N5,N10-metilene-THF

N5-metil-THF

FormiatoN.O. +2

FormaldeideN.O. 0

Metanolo

N.O. -2

17


N10-formil-THF

N

NH

NH

NH

NH2

O

N

O

NH

OOHO

OH

O

n

H

105


Folato

• Il folato è necessario per la sintesi, la riparazione e la metilazione degli acidi nucleici

• I mammiferi non possono sintetizzare folato de-novo;

• I batteri sono sensibili agli inbitoridella sintesi del folato (Sulfonamidi);

18


Biosintesi del folato

http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?ko00790


Pool del folato

http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?ko00670

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Costruzione dell’IMP

N

N

N

R5P

O

NH

NH2

R5P

NH

NH2

O

R5P

NH

NH

O

R5P

O

NH

NH

NH

R5P

O

N

N

NH2

R5P

N

N

NH2

R5P

O

O

N

N

NH2

R5P

O

NH2

N

N

NH R5P

O

NH2

O

Fosforibosilamina GAR FGAR AIRFGAM

CAIR AICAR FAICAR IMP


Tre reazioni per convertire il Riboso-5-P a fosforibosilglicinamide(GAR)

OH

OHOH

OOPO3-

O O

OH

P

OH

O

O

O

OPO3-

PO

O

O

ONH

2

OHOH

OPO3-O

NH

OHOH

OPO3- ONH

2

NH3+

OO

NH2 O

NH3+

OO

O O

NH2

O

O

EC 2.7.6.1Riboso-fosfato difosfokinasi

ATP AMP

Fosforibosilpirofosfato(ααααPRPP)

Gln + H2O

Glu + PPi

EC 2.4.2.14amidofosforibosiltransferasi

Gly + ATP

ADP + Pi

EC 6.3.4.13Fosforibosilamina

-glicina ligasi

Fosforibosilglicinamide(GAR)

Fosforibosil-ββββ-amina

1

2

3

20


Tre reazioni per convertire il Riboso-5-P a fosforibosilglicinamide(GAR)

LIMITANTE

OH

OHOH

OOPO3-

O O

OH

P

OH

O

O

O

OPO3-

PO

O

O

ONH

2

OHOH

OPO3-O

NH

OHOH

OPO3- ONH

2

NH3+

OO

NH2 O

NH3+

OO

O O

NH2

O

O

EC 2.7.6.1Riboso-fosfato difosfochinasi

ATP AMP


Gln + H2O

Glu + PPi


Gly + ATP

ADP + Pi


-glicina ligasi



1

2

3


Controllo

• Il prodotto fosforibolipirofosfato (αPRPP) èil prodotto limitante;

• Il pirofosfato che si forma viene convertito in due ioni fosfato;

• Nella formazione della ribosilamina vi èinversione della configurazione di C1 del ribosio che passa da α a β;

• La configurazione β di C1 viene mantenuta in tutti i nucleotidi.

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1. Riboso-fosfato difosfochinasi (EC 2.7.6.1)

OH

OHOH

OOPO3-

O O

OH

P

OH

O

O

O

OPO3-

PO

O

O

ATP AMP


• È presente sia come esamero (B. subtilis) che come tetramero (Methanocaldococcusjannaschii, 1U9Z)

1U9Z


2. Amidofosforibosiltransferasi (EC 2.4.2.14)• La sintesi dei nucleotidi purinici è regolata, in

parte, dai prodotti finali attraverso l’inibizione di amidofosforibosiltransferasi.

• Lo studio della struttura ternaria del complesso Enzima:ADP:GMP ha determinato che:

• ADP si lega nel sito allosterico A• GMP si lega al sito catalitico e il legame di GMP

aumenta l’affinità per ADP al sito A di venti volte

O O

OH

P

OH

O

O

O

OPO3-

PO

O

O

O NH2

OHOH

OPO3-

NH3+

OO

NH2 O

NH3+

OO

O O


Gln + H2O

Glu + PPi


1AO0

22


3-4-6. Fosforibosilamina-glicina ligasi (EC 6.3.4.13)

• L’enzima GART umano (108 kDa, 1010 aminoacidi) è tri-funzionale e catalizza le reazioni 3, 4 e 6 della via biosintetica de-novo delle purine:– Glicinamide ribonucleotide

sintetasi (GARS, PurD, E.C.6.3.4.13),

– Glicinamide ribonucleotidetransformilasi (GARTfase, PurN, E.C. 2.1.2.2.) e

– Aminoimidazolo ribonucleotidesintetasi (AIRS, PurM, E.C.6.3.3.1).

O NH

OHOH

OPO3- ONH

2

N

NH

NH

NH

NH2

O

N

O

R

ONH

OHOH

OPO3- ONH

O

O NH

OHOH

OPO3- NHNH

O

O N

OHOH

OPO3- NH2

N

NH2

OHOH

OOPO3--

NH2

O

O

NH2

O

NH

OHOH

OOPO3--

GAR

N10-Formil-THF

THF

ADP + PiATP

EC 2.1.2.2GAR transformilasi

N2-formil-N1-(5-fosfo-D-ribosil)glicinamide (FGAR)

EC 6.3.3.1AIR sintetasi

5-amino-1-(5-fospho-D-ribosil)imidazolo (AIR)

2-(Formamido)-N1-(5'-fosforibosil)acetamidina

(FGAM)

Gly + ATP ADP + PiFosforibosil-ββββ-amina



-gicina ligasi


HsGART• L’enzima GART umano (108

kDa, 1010 aminoacidi) è tri-funzionale e catalizza le reazioni 3, 4 e 6 della via biosintetica de-novo delle purine :– Glicinamide ribonucleotide

sintetasi (GARS, PurD, E.C.6.3.4.13),

– Aminoimidazolo ribonucleotidesintetasi (AIRS, PurM, E.C.6.3.3.1) e

– Glicinamide ribonucleotidetransformilasi (GARTfase, PurN, E.C. 2.1.2.2.).

Schematic presentation of crystal structures of the HsGART domains. (A) GARS in complex with ATP. (B) Ternary complex of GARTfase with 10-(trifluoroacetyl) 5,10-dideazaacyclic-5,6,7,8-tetrahydrofolic acid and substrate glycinamide ribonucleotide (PDB ID. 1RBY). (C) Dimeric structure of AIRS. M. Welin, J. G. Grossmann, S. Flodin, T. Nyman, P. Stenmark, L. Trésaugues, T. Kotenyova, I. Johansson, P. Nordlund and L. LehtioNucleic Acids Res. 2010 November; 38(20): 7308–7319.

23


Quattro reazioni per la costruzione dell’anello a cinque termini aminoimidazolo carbossilato

O NH

OHOH

OPO3- ONH

2

N

NH

NH

NH

NH2

O

N

O

R

O NH

OHOH

OPO3- ONH

O

O NH

OHOH

OPO3- NHNH

O

NH3+

OO

NH2 O

NH3+

OO

O O

O N

OHOH

OPO3- NH2

NO N

OHOH

OPO3- NH2

N

OO

GAR

N10-Formil-THF

THF

Glu + ADP +Pi

Gln + ATP + H2O

ADP + Pi

ATP

CO2

EC 2.1.2.2GAR transformilasi


EC 6.3.3.1AIR sintetasi

5-amino-1-(5-fospho-D-ribosil)

imidazolo (AIR)


(FGAM)

EC 6.3.5.3Fosforibosilformil

glicinamidina sintasi

EC 4.1.1.21AIR carbossilasi

5-amino-1-(5-fosfo-D-ribosil)

imidazolo-4-carbossilato (CAIR)

4

5

67


5. FGAM sintasi (EC 6.3.5.3)

• Ci sono due tipi di FGAM sintasi:– Il tipo I è presente negli

eucarioti e batteri Gram-consiste in unico polipepeptide di 140 kDa chiamato “largePurL” (lgPurL);

– Il tipo II, “small PurL”(smPurL), è stato identificato in archaea e batteri Gram+ e consiste in un polipeptide di 80 kDa

ONH

OHOH

OPO3- ONH

O

O NH

OHOH

OPO3- NHNH

O

NH3+

OO

NH2 O

NH3+

OO

O O

Glu + ADP +Pi

Gln + ATP + H2O



(FGAM)

24



• Ci sono due tipi di FGAM sintasi:– Il tipo I è presente negli

eucarioti e batteri Gram-consiste in unico polipepeptide di 140 kDa chiamato “largePurL” (lgPurL);

– Il tipo II, “small PurL”(smPurL), è stato identificato in archæa e batteri Gram+ e consiste in un polipeptide di 80 kDa.

ACP (ATP)FGAR

2HS4



FGAR ACP (ATP)

25


7. AIR carbossilasi (EC 4.1.1.21)

• Diversa dalle solite carbossilasi: non sono necessari né ATP né biotina

O N

OHOH

OPO3-NH

2

N

O N

OHOH

OPO3-H

2N

N

OO

H

O O

O N

OHOH

OPO3-NH

2

N

OO

5-amino-1-(5-fospho-D-ribosil)imidazolo (AIR)

5-amino-1-(5-fosfo-D-ribosil)imidazolo-4-carbossilato (CAIR)

+

H+


7. AIR carbossilasi (EC 4.1.1.21)

• Nei vertebrati la sintesi di CAIR è catalizzata da AIR carbossilasi (EC 4.1.1.21)

• In Escherichia coli sono necessari due enzimi:– 5-(carbossiamino)imidazolo

ribonucleotide sintasi (EC 6.3.4.18) che forma 5-Carbossiamino-1-(5-fosfo-D-ribosil)imidazolo

– 5-(carbossiamino)imidazolo ribonucleotide mutasi (EC 5.4.99.18) che sposta il gruppo carbossilico sulla posizione 4 dell’anello imidazolico.

NONH

N

OHOH

OP

O

O

O

OH

O

4

26


Quattro reazioni per la chiusura dell’anello purinico dell’IMP

NH3+

O

O

O

O

N

N

RibosioNH2

O

ON

N

RibosioNH2

O

NH

O

OO

O

N

N

RibosioNH2

O

NH2

N

N

RibosioNH

O

NH2

O

N

NH

NH

NH

NH2

O

N

O

R

N

OHOH

O

O

N

N

O

NH

PO

O

O

Asp + ATP ADP + Pi

EC 6.3.2.6SAICAR sintasi

CAIR

1-(5'-fosforibosil)-5-amino-4-(N-succinocarbossamide)-imidazolo (SAICAR)

N10-Formil-THF

THF

EC 4.3.2.2 Adenilosuccinato liasi

1-(5'fosforibosil)-5-amino-4-imidazolocarbossamide

(AICAR)

5-formamido-1-(5-fosfo-D-ribosil)imidazolo-4-carbossamide

(FAICAR)

Inosina monofosfato(IMP)

EC 3.5.4.10IMP cicloidrolasi

H2O

Fumarato

EC 2.1.2.3AICAR transformilasi

8

9

10

11


8. SAICAR sintasi (EC 6.3.2.6)• I substrati possiedono mutuo

antagonismo con maggiore antagonismo tra CAIR e ATP e Asp

• CAIR si lega all’enzima libero con un’affinità 200 volte maggiore rispetto al complesso Enzima-ATP-Asp

• Il complesso Enzima-ATP-Aspsembra esser la forma dominante in vivo

• IMP è un inibitore competitivo di CAIR, suggerendo la possibilitàdella formazione di un legame H tra il carbossile in 4 e l’ NH2 in 5 di CAIR legato all’enzima. S.W. Nelson, D.J. Binkowski, R.B. Honzatko, H.J. Fromm

Properties of SAICAR SynthetaseBiochemistry, Vol. 44, No. 2, 2005

27


8. SAICAR sintasi (EC 6.3.2.6)


9. Adenilosuccinato liasi (EC 4.3.2.2 )

• La Adenilosuccinato liasi(ASL) ha diverse funzioni:

• Converte adenilosuccinato ad AMP e fumarato nella sintesi di AMP da IMP

• Converte SAICAR in AICA e fumarato

• ASL è parte della superfamiglia degli enzimi che catalizzano le β-eliminazioni

• È un omotetramero con tre domini in ogni monomero e quattro siti attivi per tetramero.

2VD6

28


AMP

• Nel muscolo scheletrico serve per rifornire il ciclo di Krebs di fumarato

NO

NH

N

OHOHN

OO

PO

O

ONO

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 liasi

EC 3.5.4.6AMP deaminasi


9. Adenilosuccinato liasi (EC 4.3.2.2 )

NO

NH

N

OHOHN

OO

PO

O

ONO

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

O

OHOH

OP

OO

O N

N NH2

O

NH

O

OO

O

O

OHOH

OP

OO

O N

N NH2

O

NH2

GTP

GDP

IMP

AMP

Asp

Fumarato



EC 3.5.4.6AMP deaminasi



(AICAR)

29


8

Quattro reazioni per la chiusura dell’anello purinico dell’IMP

NH3+

O

O

O

O

N

N

RibosioNH2

O

ON

N

RibosioNH2

O

NH

O

OO

O

N

N

RibosioNH2

O

NH2

N

N

RibosioNH

O

NH2

O

N

NH

NH

NH

NH2

O

N

O

R

N

OHOH

O

O

N

N

O

NH

PO

O

O

Asp + ATP ADP + Pi

EC 6.3.2.6SAICAR sintasi

CAIR


N10-Formil-THF

THF

EC 4.3.2.2 adenilosuccinao liasi


(AICAR)

5-formamido-1-(5-fosfo-D-ribosil)

imidazolo-4-carbossamide (FAICAR)

Inosina monofosfato(IMP)

EC 3.5.4.10IMP cicloidrolasi

H2O

Fumarato

EC 2.1.2.3AICAR transformilasi

9

11

Enzima bifunzionaleAICAR transformilasi (EC2.1.2.3)

IMP cicloidrolasi (EC 3.5.4.10)

1M9N 10


Sintesi dell’IMP

N

N

N

R5P

O

NH

NH2

R5P

NH

NH2

O

R5P

NH

NH

O

R5P

O

NH

NH

NH

R5P

O

N

N

NH2

R5P

N

N

NH2

R5P

O

O

N

N

NH2

R5P

O

NH2

N

N

NH R5P

O

NH2

O

Fosforibosilamina GAR FGAR AIRFGAM

CAIR AICAR FAICAR IMP

Gly N10-formil-THF Gln

Glu

Asp

Fum

N10-formil-THF

H2O

ATP ATP

ATP

ATP

ααααPRPP

Gln3 54 6

87 9 10 11

30


Controllo della biosintesi IMP

• Concentrazione limitante di Fosforibosilpirofosfato (αPRPP);

• Utilizzo di N10-Formil-THF – Negli eucarioti antagonisti dell’acido folico:

• Metopteridina• Metotrexato• Amminopteridina

– Nei batteri inibitori della sintesi del folato:• Sulfonamidi che competono con l’acido

paraminobenzoico


Inibizione• Antagonisti dell’acido folico

• Sulfonamidi che competono con l’acido paraminobenzoico

N

N

NH

NH

NH2

OH

N

CH3

NH

OOO

O

O

N

N

NH

NH

NH2

NH2

N

CH3

NH

OOO

O

O

N

N

NH

NH

NH2

NH2

NH

NH

OOO

O

O

Metopteridina

Amminopteridina

Metotrexato

N

N

NH

NH

NH2

OH

NH

NH

OOO

O

O

NH2

OH

O

NH2

SO

ONHR

Pteridina

PABA

(Glu)n; n < 8

PABA Sulfonamidi

31


Sintesi di AMP e GMP da IMP

• La sorgente di energia per la sintesi di AMP è il GTP

• AMP:– Il C=O in posizione 6 del IMP viene convertito

in NH2 utilizzando Asp e GTP

• la sorgente di energia per la sintesi di GMP è ATP

• GMP:– IMP viene ossidato a XMP e il C=O in

posizione 2 viene convertito in NH2 utilizzando Gln e ATP ad AMP


Sintesi di AMP e GMP da IMP

• La sorgente di energia per la sintesi di AMP è il GTP

• AMP:– Il C=O in posizione 6 del IMP viene convertito

in NH2 utilizzando Asp e GTP

• la sorgente di energia per la sintesi di GMP è ATP

• GMP:– IMP viene ossidato a XMP e il C=O in

posizione 2 viene convertito in NH2 utilizzando Gln e ATP ad AMP

32


AMP

NO

NH

N

OHOHN

OO

PO

O

O

NO

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

GTP GDPIMP

AMP

Asp

Fumarato




GMP

NO

NH

N

OHOHN

OO

PO

O

O

NO

NH

N

OHOHNH

OP

OO

O

O

O

NO

NH

N

OHOHN

OP

OO

O

O

NH2

NH2

O

OO

ONH2

O

ONH2

O

Glu + AMP + PPi

Gln + ATP

IMP

GMP

XMP

NAD+ + H2O

NADH + H+

EC 1.1.1.205IMP deidrogenasi

EC 6.3.4.1GMP sintasi

33


Energia

• Per sintetizzare NTP da ribosio5-fosfato vengono consumati:–Sette ATP (6 ATP + 1 GTP) per AMP

–Otto ATP per GMP


RegolazioneRibosio-5-P

ααααPRPP

5-fosforibosil-ββββ-ammina

IMP

Adenilosuccinato

AMP

ADP

ATP

XMP

GMP

GDP

GTP

EC 2.7.6.1Riboso-fosfato difosfochinasi

ATP

AMP

Gln + H2O

Glu + PPi


EC 1.1.1.205IMP deidrogenasi


34


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.


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

OPO

O

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.

35


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

Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da:http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/ oppure da http://www. gsartor.org/

Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor

Università di Bologna – Alma MaterGiorgio Sartor - [email protected]

Prof. Giorgio Sartor Metabolismo dei nucleotidi · Acidi Nucleici Coenzimi NUCLEOTIDI Basi azotate...

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