catabolismo delle pirimidine

Prof. Giorgio Sartor
Metabolismo dei
nucleotidi
1:
2:
3:
4:
5:
6:
7:
introduzione
biosintesi de-novo delle purine
biosintesi de-novo delle pirimidine
catabolismo delle purine
catabolismo delle pirimidine
sintesi deossiribonucleotidi
regolazione della sintesi deossiribonucleotidi
Copyright
© 2001-2013
by Giorgio Sartor.
V.0.1 © gsartor
2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
N01 - Versione 0.1 – may 2013
-1
All rights reserved.
Prof. Giorgio Sartor
Metabolismo dei
nucleotidi
4: catabolismo delle purine
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
-2
1
Catabolismo delle purine
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
-3
Catabolismo delle purine
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
-4
2
Catabolismo dei nucleotidi purinici
Nucleotidasi
Nucleoside + Pi
NMP + H2O
PNP
Nucleoside + Pi
Base + Ribosio-1-P
• 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 purina
nucleoside 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.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
-5
Catabolismo delle purine
NH2
O
N
N
AMP deaminasi
EC 3.5.4.6
N
N
H2O
OPO3O
HO
NH4+
R
N
H
OPO3O
OH
HO
IMP
H2O
PO3--
Adenosina
deossiAdenosina
HO
H2O
O
H2O
Inosina
OPO3-
N
HN
N
N
H
Ipoxantina
PO3--
Xantosina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
O
OH
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
PO3--
+
PO3--
Guanosina
O
O
N
H
N
H
O
NH4+
H2O
N
HN
H2N
Xantina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Guanina
deaminasi
EC 3.5.4.3
N
HN
H2O2
PO3--
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
H2O + O2
R
GMP
dGMP
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
PO3--
Riboso-1-P
HO
HO
H2O
PO3-NH4
OH
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
Adenosina
deaminasi
EC 3.5.4.2
N
H2N
N
OPO3O
XMP
H2O
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
N
HN
N
O
OPO3O
HO
O
N
HN
N
N
AMP
dAMP
R = OH; H
O
N
HN
N
N
H
Guanina
H2O + O2
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
H2O2
O
H
N
HN
O
O
N
H
N
H
Acido Urico
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
-6
3
Deaminasi
NH2
O
N
N
AMP deaminasi
EC 3.5.4.6
N
N
H2O
OPO3O
HO
NH4+
R
N
H
OPO3O
OH
HO
IMP
H2O
PO3--
Adenosina
deossiAdenosina
HO
Adenosina
deaminasi
EC 3.5.4.2
H2O
O
H2O
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
Inosina
PO3--
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
OPO3O
N
HN
N
N
H
PO3--
Xantosina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
PO3--
O
H2O2
N
H
N
H
O
NH4+
H2O
N
HN
H2N
Xantina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Guanina
deaminasi
EC 3.5.4.3
N
HN
O
H2O + O2
Guanosina
PO3--
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
Ipoxantina
R
GMP
dGMP
PO3--
NH4+
OH
HO
H2O
Riboso-1-P
HO
OH
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
PO3--
N
H2N
N
OPO3O
XMP
H2O
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
N
HN
N
O
OPO3O
HO
O
N
HN
N
N
AMP
dAMP
R = OH; H
O
N
HN
N
N
H
Guanina
H2O + O2
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
H2O2
O
H
N
HN
O
O
N
H
N
H
Acido Urico
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
-7
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.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
-8
4
AMP deaminasi (EC 3.5.4.6)
Adenosina deaminasi (EC 3.5.4.2)
Guanosina deaminasi (EC 3.5.4.3)
NH2
O
N
N
Nucleotide; deossiNucleotide
R = -OH; -H
Nucleoside; Nucleotide
R' = -H; -PO3-
OR'
Adenosina; Guanosina
R" = -H; -NH2
NH4
+
OR'
O
O
R
HO
V.0.1 © gsartor 2001-2013
N
N
R"
H2 O
N
HN
N
N
R"
Deaminasi
R
HO
Metabolismo dei nucleotidi
-9
AMP deaminasi
O
O
• Nel muscolo
scheletrico serve per
rifornire il ciclo di
Krebs di fumarato.
O
• La carenza di AMP
deaminasi provoca la
sindrome da
immunodeficienza
combinata (SCID).
Asp
GDP
O
GTP
NH2
O
O
EC 6.3.4.4
Adenilosuccinato
sintasi
O
P
N
O
O
H
N
N
N
O
NH3
O
O
O
O
O
O
O
IMP
P
O
N
OH
HN
N
O
N
HN
HO
HO
OH
EC 4.3.2.2
Adenilosuccinato
liasi
EC 3.5.4.6
AMP deaminasi
O
P
O
O
O
N
O
O
HO
O
NH2
N
OH
HN
O
O
Fumarato
N
AMP
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 10
5
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.
O
OH
N
O
HO
NH2
N
O
P
O
O
O
N
O
HO
N
P
O
O
O
P
O
O
O
P
O
O
N
O
HO
dADP
dGDP
dCDP
dUDP
N
N
H
N
ADP
GDP
CDP
UDP
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NH2
N
NH2
N
H
N
O
HO
EC 3.5.4.6
AMP deaminasi
OH
O
N
N
H
Nucleoside
chinasi
NH2
N
H
N
N
dATP
dGTP
dCTP
dTTP
Metabolismo dei nucleotidi
- 11
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.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 12
6
Acidosi
• Minimizzare l’acidificazione utilizzando vie di consumo di H+
NH4+
• A basso O2 nel muscolo:
H+
O
O
P
O
NH3
H 2O
N
O
O
O
AMP deaminasi
EC 3.5.4.6
N
N
OH
HO
N
O
NH2
N
N
O
P
O
O
O
NH
N
OH
HO
• 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
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 13
5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
NH2
O
N
N
AMP deaminasi
EC 3.5.4.6
N
N
H2O
OPO3O
HO
NH4+
R
N
H
OPO3O
OH
HO
IMP
H2O
PO3--
Adenosina
deossiAdenosina
HO
H2O
O
H2O
Inosina
OPO3-
N
HN
N
N
H
Ipoxantina
PO3--
Xantosina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
O
OH
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
PO3--
+
PO3--
Guanosina
O
O
N
H
N
H
O
NH4+
H2O
N
HN
H2N
Xantina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Guanina
deaminasi
EC 3.5.4.3
N
HN
H2O2
PO3--
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
H2O + O2
R
GMP
dGMP
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
PO3--
Riboso-1-P
HO
HO
H2O
PO3-NH4
OH
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
Adenosina
deaminasi
EC 3.5.4.2
N
H2N
N
OPO3O
XMP
H2O
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
N
HN
N
O
OPO3O
HO
O
N
HN
N
N
AMP
dAMP
R = OH; H
O
N
HN
N
N
H
Guanina
H2O + O2
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
H2O2
O
H
N
HN
O
O
N
H
N
H
Acido Urico
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 14
7
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-terminale
formando 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.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 15
5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
Forma chiusa (attiva)
1HP1
1HPU
Forma aperta (inattiva)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 16
8
5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
Forma chiusa (attiva)
1HP1
1HPU
Forma aperta (inattiva)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 17
5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
Forma aperta (inattiva)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Forma chiusa (attiva)
Metabolismo dei nucleotidi
- 18
9
5’-nucleotidasi (EC 3.1.3.5)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 19
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 of
AMPCP 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.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 20
10
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 2deossiriboso 1-fosfato.
OH
OH
O
HO
V.0.1 © gsartor 2001-2013
BASE
OH
O
PO3--
HO
OPO3OH
BASE
Metabolismo dei nucleotidi
- 21
Purina nucleoside fosforilasi (EC 2.4.2.1)
1A9T
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 22
11
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
NH2
O
N
N
AMP deaminasi
EC 3.5.4.6
N
N
H2O
OPO3O
HO
NH4+
R
N
H
OPO3O
OH
HO
IMP
H2O
PO3--
Adenosina
deossiAdenosina
HO
Adenosina
deaminasi
EC 3.5.4.2
H2O
O
H2O
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
Inosina
PO3--
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
OPO3O
N
HN
N
N
H
Ipoxantina
PO3--
Xantosina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
PO3--
Guanosina
O
O
N
H
N
H
O
NH4+
H2O
N
HN
H2N
Xantina
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Guanina
deaminasi
EC 3.5.4.3
N
HN
H2O2
PO3--
Purina
nucleoside
fosforilasi
(PNP)
EC 2.4.2.1
Riboso-1-P
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
H2O + O2
R
GMP
dGMP
PO3--
NH4+
OH
HO
H2O
Riboso-1-P
HO
OH
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
PO3--
N
H2N
N
OPO3O
XMP
H2O
Nucleotidasi
EC 3.1.3.5
N
HN
N
O
OPO3O
HO
O
N
HN
N
N
AMP
dAMP
R = OH; H
O
N
HN
N
N
H
Guanina
H2O + O2
Xantina
ossidasi
EC 1.17.3.2
H2O2
O
H
N
HN
O
O
N
H
N
H
Acido Urico
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 23
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-binding
protein (RBP);
• Negli eucarioti contiene due centri Ferro Zolfo [2Fe-2S], FAD e un
centro molibdeno;
• Nei mammiferi è predominante la forma deidrogenasi NADdipendente (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.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 24
12
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
3AMZ
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 25
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
• Il centro catalitico è il centro Mo
Xantina
O
O
O
S
N
HN
N
H
N
HN
H
N
H
Mo
*
O
OH-
O
H+
*
N
H
N
H
SH
Mo
O
O
*
*
MoIV Ridotto
MoVI Ossidato
2H+
Forma lattamica
Forma lattimica
O
H
N
HN
O
N
H
O
N
H
V.0.1 © gsartor 2001-2013
N
N
O
HO
OH
N
O2
Acido Urico
OH
N
H
O
H2O2
N
HN
OH
N
H
N
H
Metabolismo dei nucleotidi
S
Mo
O
*
MoVI Ossidato
*
- 26
13
Xantina ossidasi (EC 1.17.3.2)
3AMZ
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 27
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.
O
H
O
H
N
N
N
N
N
H
N
H
Allopurinolo
V.0.1 © gsartor 2001-2013
N
N
Metabolismo dei nucleotidi
Xantina
- 28
14
Destino acido urico
O
H
N
HN
O
O
N
H
N
H
Acido Urico
(Primati, Uccelli,
rettili e insetti)
Urato
ossidasi
2H2O
+ O2
O
NH2
O
CO2 +
H2O2
N
H
H
N
N
H
O
H2O
Allantoina
(Altri mammiferi)
OH
O
NH2
Allantoinasi
O
N
H
NH2
N
H
O
Acido
allantoico
(Pesci teleostei)
H2O
Allantoinasi
2CO2
2H2O
4 NH3
(Invertebrati
marini)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
O
O
O
Gliossilato
NH2
2
Ureasi
O
O
NH2
Urea
(Pesci cartilaginei
e anfibi)
Metabolismo dei nucleotidi
- 29
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 è
funzione della disponibilità di acqua per
l’organismo.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 30
15
Destino acido urico
O
H
N
HN
O
Urato
ossidasi
O
N
H
N
H
Acido Urico
(Primati, Uccelli,
rettili e insetti)
O
2H2O
+ O2
H
N
O
NH2
N
H
N
H
O
H2O
Allantoina
(Altri mammiferi)
CO2 +
H2O2
OH
O
NH2
Allantoinasi
O
N
H
NH2
N
H
O
Acido
allantoico
(Pesci teleostei)
H2O
Allantoinasi
2CO2
Disponibilità
di acqua
2H2O
V.0.1 © gsartor 2001-2013
O
O
O
Gliossilato
4 NH3
NH2
2
Ureasi
(Invertebrati
marini)
O
O
NH2
Urea
(Pesci cartilaginei
e anfibi)
Metabolismo dei nucleotidi
- 31
Urea, CO2 e NH3
2ATP
2ADP + Pi
Carbamilfosfato
O
CO2 + NH3
O
Carbamil-fosfato
sintasi
EC 6.3.4.16
P
O
NH2
O
O
CO2
CO2
Ca2+
Ciclo dell'Urea
H2O
Ca2+ + CO32-
Anidrasi
Carbonica
EC 4.2.1.1
O
H 2N
CaCO3
SOVRASATURO
NH 2
Urea
Ureasi
EC 3.5.1.5
H2CO3
H2O
HCO3-
HCO3N
N
H
Ca2+
N
CO2 + 2NH3
Anidrasi
Carbonica
EC 4.2.1.1
NH4+ + CaCO3
HCO3-
HCO3-
N
Ca2+
Ca2+
Proteine
Proteine
Mucopolisaccaridi
Mucopolisaccaridi
MANTELLO
SPAZIO EXTRAPALLIALE
INTERO
(acqua marina)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
NH3
H2O
CONCHIGLIA
Metabolismo dei nucleotidi
- 32
16
Ureasi (EC 3.5.1.15)
1EJW (298K)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 33
Ureasi (EC 3.5.1.15)
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 34
17
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)
AMP
IMP
GMP
PPi
PPi
Inosina
Adenosina
EC 2.4.2.7
Guanosina
EC 2.4.2.8
αPRPP
αPRPP
Adenina
Ipoxantina
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Guanina
Metabolismo dei nucleotidi
- 35
Interconversione delle purine
NH2
O
O
O
O
P
P
O
O
HO
O
HO
H
O
O
O
O
P
P
O
O
H2N
HO
O
HO
NH 2
HO
O
O
P
O
O
OH
NTP
dATP
ATP
NDP
dADP
ADP
NMP
dAMP
AMP
Nucleoside dAdenosina
BASE
O
HO
O
O
OH
HO
Riduzione
O
HO
H
H2N
HO
O
Ipoxantina
O
HO
XMP
αPRPP
N
N
O
O
P
O
OH
αPRPP
N
HN
Trasferimento
NH2
IMP
Inosina
N
N
H
O
O
P
O
O
O
O
O
P
P
O
O
O
N
Trasferimento
NH2
αPRPP
Adenosina
Adenina
O
O
P
O
O
HN
N
N
O
HO
N
HN
N
N
Ossidazione
O
N
N
HO
OH
N
N
O
HO
N
N
N
N
O
O
O
O
P
P
O
O
OH
Riduzione
N
HN
N
N
NH2
O
N
N
N
N
HO
NH2
N
N
OH
GTP
dGTP
GDP
dGDP
GMP
dGMP
Guanosina
dGuanosina
Guanina
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.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 36
18
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 + αPRPP → 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 è
circa 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
- 37
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
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 38
19
Prof. Giorgio Sartor
Metabolismo dei
nucleotidi
5: catabolismo delle pirimidine
Copyright © 2001-2013 by Giorgio Sartor.
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
N01 - Versione 0.1 – apr 2013
- 39
All rights reserved.
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).
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 40
20
Catabolismo delle pirimidine
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 41
Catabolismo riduttivo delle pirimidine
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 42
21
Catabolismo riduttivo delle pirimidine
UMP
O
O
O
NH2
HN
Uracile
dTMP
CMP/dCMP
N
O
N
H
Timina
N
H
O
N
H
O
O
O
NH3+
CH3
HN
Citosina
+ CO2 + NH3
+
O
NH3+
+ CO2 + NH3+
CH3
β -Ala
3-amino-isobutanoato
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 43
Catabolismo riduttivo delle pirimidine
O
O
O
NAD+
R
HN
3-Ureidopropionato; R = H
3-Ureidoisobutirrato; R = CH3
NADH + H+
N
H
Uracile; R = H
Timina; R = CH3
R
HN
EC 1.3.1.1
Pirimidina
reduttasi
O
N
H
H
N
H2 N
EC 3.5.2.2
Diidodropirimidinasi
R
O
O
O
5,6- diidrouracile; R = H
5,6- diidrotimina; R = CH3
EC 3.5.1.6
β-ureidopropionasi
CO2 NH3+
R
H2N
O
O
β -Alanina; R = H
3-Aminoisobutirrato; R = CH3
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 44
22
Catabolismo ossidativo delle pirimidine
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 45
Catabolismo ossidativo delle pirimidine
H2 O
O
R
HN
O
A
N
H
H2 O
AH
O
Uracile; R = -H
Timina; R = -CH3
O
R
HN
EC 1.17.99.4
Uracile-timina
ossidasi
3-Osso-3-ureidopropanoato; R = - H
3-Osso-3-ureidoisobitirrato; R = - CH3
N
H
HO
O
N
H
O
EC 3.5.2.1
Barbiturasi
Barbiturato; R = -H
5-metilbarbiturato; R = -CH3
O
O
R
NH2
EC 3.5.1.95
N-malonilurea
idrolasi
H2 O
O
O
O
OH
HO
H2N
R
NH2
Urea
Malonato; R = -H
Metilmalonato; R = -CH3
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 46
23
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
- 47
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
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 48
24
Degradazione dell’atrazina
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 49
Formazione di acido cianurico
Cl
N
H3C
N
H
HCl
H2 O
atrazina
CH3
N
N
H
N
N
atrazina cloroidrolasi
EC 3.8.1.8
CH3
1/2 O2
H3C
N
H
N
N
H
CH3
H2O
etilamina
NH2
H 3C
OH
CH 3
Cl
acetone
N
H3 C
H 3C
CH3
N
idrossidecloroatrazina
etilaminoidrolasi
EC 3.5.99.3
atrazina monossigenasi
EC 1.14.15.-
O
4-(etilamino)-2-idrossi
-6-(isopropiylamino)
-1,3,5-triazina
OH
N-isopropilammelide
N
N
H
N
CH3
N
N
deisopropilatrazina
H3C
NH2
N
H
N
H2O
H2 O
H3C
idrolasi
EC 3.8.1.H2 O
N
NH3
OH
H2O
N
N
deisopropilidrossi H 3C
H3 C
N
N
NH 2
atrazina aminoidrolasi
H
EC 3.5.99.deisoproplidrossiatrazina
V.0.1 © gsartor 2001-2013
N
H
H3C
NH 2
etilamina
N
N
NH2
isopropilamina
CH3
2,4-diidrossi-6-(N'-etil)amino
-1,3,5-triazina
HCl
OH
N-isopropilammelide
isopropilaminoidrolasi
EC 3.5.99.4
OH
OH
N
OH
Metabolismo dei nucleotidi
2,4-diidrossi-6
-(N'-etil)amino
-1,3,5-triazina
aminoidrolasi
EC 3.5.99.-
HO
N
N
OH
acid cianurico
- 50
25
Destino dell’acido cianurico
H2 O
OH
N
HO
H2O
CO2
NH2
N
N
CO2
NH3
O
NH2
2
OH
acid cianurico
EC 3.5.2.15
Acido cianurico
aminoidrolasi
O
N
H
O
biureto
H2N
EC 3.5.1.84
Biureto
aminoidrolasi
NH2
urea
H2O
H2O
EC 3.5.1.84
Biureto
aminoidrolasi
EC 3.5.1.5
Ureasi
(1EF2 1EJW)
NH3
2NH3
NH2
urea-3-carbossilato
(allofanato)
O
N
H
OH
O
EC 3.5.1.54
Allofanato
aminoidrolasi
CO2
H2 O
V.0.1 © gsartor 2001-2013
2NH3
Metabolismo dei nucleotidi
- 51
Rut (Pyrimidine utilization) pathway
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 52
26
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
- 53
In vitro reactions catalyzed by RutA/F, RutB, and the short-chain dehydrogenase YdfG.
Kim K et al. J. Bacteriol. 2010;192:4089-4102
V.0.1 © gsartor 2001-2013
Metabolismo dei nucleotidi
- 54
27
Interconversione delle pirimidine
NH2
O
O
N
HN
O
O
O
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
O
HO
H
NH2
O
O
O
O
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
N
O
HO
O
Riduzione
O
OH
N
Riduzione
O
O
O
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
OH
Trasferimento
NH2
O
O
O
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
N
O
Metilazione
H
NTP
dCTP
CTP
UTP
dUTP
dTTP
NDP
dCDP
CDP
UDP
dUDP
dTDP
NMP
dCMP
CMP
UMP
dUMP
dTMP
Nucleoside
dCitidina
Citidina
Citosina
H
N
O
HO
O
O
O
O
O
O
P
P
P
O
O
O
O
HO
HN
N
O
HO
BASE
CH3
HN
N
Uridina
dTimidina
Uracile
Timina
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.
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Metabolismo dei nucleotidi
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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 9788808-17030-9] – 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 9788808-06879-8] – 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 Mater
Giorgio Sartor - [email protected]
V.0.1 © gsartor 2001-2013
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