Σύνθεση νουκλεοτιδίων

Παρουσίαση με θέμα: "Σύνθεση νουκλεοτιδίων"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Σύνθεση νουκλεοτιδίων

2 Μονομερή νουκλεϊκών οξέων
Τα νουκλεοτίδια Μονομερή νουκλεϊκών οξέων Ενεργειακό νόμισμα – ΑΤΡ και GΤΡ Παράγωγα νουκλεοτιδίων στο μεταβολισμό – UDP-γλυκόζη και UDP-γαλακτόζη Μεταγωγή σήματος – κυκλικό ΑΜΡ/GΜΡ

3 Αζωτούχος βάση Πεντόζη Φωσφορικές ομάδες
Τα νουκλεοτίδια Αζωτούχος βάση Πεντόζη Φωσφορικές ομάδες

4 πυριμιδίνες (pyrimidines)
Αζωτούχες βάσεις Αζωτούχες βάσεις - Nitrogen Bases Δύο είδη πουρίνες (purines) και πυριμιδίνες (pyrimidines)

5 Αζωτούχες βάσεις Πουρίνες Ένας εξαμελής κι ένας πενταμελής δακτύλιος
4 πουρίνες Αδενίνη - Adenine = 6-αμινο-πουρίνη Γουανίνη - Guanine = 2-άμινο-6-οξυ-πουρίνη Υποξανθίνη - Hypoxanthine = 6-οξυ-πουρίνη Χανθίνη - Xanthine = 2,6-δεοξυ-πουρίνη

6 Πουρίνες

7 Αζωτούχες βάσεις Πυριμιδίνες Ένας εξαμελής δακτύλιος 4 πυριμιδίνες
Ουρακίλη - Uracil = 2,4-δεοξυ-πυριμιδίνη Θυμίνη - Thymine = 2,4-δεόξυ-5-μεθυλο-πυριμιδίνη Κυτοσίνη - Cytosine = 2-οξυ-4-αμινο-πυριμιδίνη Οροτικό - Orotic acid = 2,4-δεοξυ-6-καρβοξυ-πυριμιδίνη

8 Πυριμιδίνες

9 Τα νουκλεοσίδια/νουκλεοζίτες
Εάν ένα σάκχαρο (ριβόζη ή δεσοξυριβόζη) ενωθεί με μια αζωτούχα βάση, η ένωση που προκύπτει ονομάζεται νουκλεοσίδιο/νουκλεοζίτης Ο άνθρακας 1 του σακχάρου ενώνεται με το άζωτο 9 μιας πουρίνης ή το άζωτο 1 μιας πυριμιδίνης. Τα νουκλεοσίδια των πουρινών έχουν την κατάληξη -οσίνη και τα νουκλεοσίδια πυριμιδινών την κατάληξη -ιδίνη.

10 Τα νουκλεοσίδια/νουκλεοζίτες

11 Τα νουκλεοσίδια/νουκλεοζίτες
Τα άτομα άνθρακα στο σάκχαρο διαχωρίζονται από αυτά της βάσης με (‘) Το σάκχαρο είναι ριβόζη, εκτός κι αν δηλώνεται κάτι άλλο Η δεοξυριβόζη δείχνεται με ένα d- πριν το όνομα. Αδενίνη  αδενοσίνη Γουανίνη  γουανοσίνη Υποξανθίνη  ινοσίνη Ουρακίλη  ουριδίνη Θυμίνη  θυμιδίνη Κυτοσίνη  κυτιδίνη

12 Τα νουκλεοσίδια Αζωτούχος βάση Άζωτο 1 πυριμιδίνης
Άνθρακας 1 του σακχάρου – 1’ Σάκχαρο - ριβόζη

13 Τα νουκλεοτίδια Προσθήκη ενός ή περισσοτέρων φωσφορικών ομάδων στο σάκχαρο των νουκλεοζιτών δίνει τα νουκλεοτίδια. Εστερικός δεσμός με τον άνθρακα 5’ (του σακχάρου) Περισσότερα φωσφορικά ενώνονται με φωσφοανυδριδικό δεσμό μεταξύ τους ή και σε άλλες θέσεις 3'-5' cAMP: ένα φωσφορικό είναι ενωμένο με την 3’ και 5’ υδροξυλιομάδα της ριβόζης μιας αδενοσίνης και σχηματίζει κυκλική δομή AMP = μονοφωσφορική αδενοσίνη (αδενυλικό) CDP = διφωσφορική κυτιδίνη dGTP = τριφωσφορική δεοξυγουανοσίνη dTTP = τριφωσφορική δεοξυθυμιδίνη cAMP = 3'-5' κυκλική μονοφωσφορική αδενοσίνη

14 Μονοφωσφορική αδενοσίνη – κυκλικό ΑΜΡ

15 Φωσφοδιεστερικός δεσμός
Το φωσφορικό που βρίσκεται σε ένα νουκλεοτίδιο (άνθρακας 5’) σχηματίζει δεσμό με το υδροξύλιο του άνθρακα 3’ του προηγούμενου νουκλεοτιδίου Τριφωσφορικά νουκλεοτίδια Απομάκρυνση πυροφωσφορικού Ενσωμάτωση μονοφωσφορικού νουκλεοτιδίου στο ολιγονουκλεοτίδιο

16 Φωσφοδιεστερικός δεσμός

17 Σύνθεση νουκλεοτιδίων
Οι απαιτήσεις ενός οργανισμού σε νουκλεοτίδια μπορούν να καλυφθούν χωρίς αυτά να είναι απαραίτητα στη διατροφή Διαφορά με τα αμινοξέα 2 μηχανισμοί – σύνθεση εκ νέου (de novo) και πορεία περίσωσης Εκ νέου – σύνθεση βάσεων από μικροτερες ενώσεις Περίσωση – ανάκτηση βάσεων από μεταβολισμό / επανασύνδεση με ριβόζη

18 Μεταβολισμός νουκλεοτιδίων
Υδρόλυση προσλαμβανόμενων νουκλεϊκών οξέων από Ενδονουκλεάσες  ολιγονουκλεοτίδια Φωσφοδιεστεράσες  νουκλεοτίδια Φωσφορυλάσες  βάσεις και 1-φωσφοριβόζη Πορεία περίσωσης ή περαιτέρω μεταβολισμός σε ουρικό οξύ (για τις πουρίνες) και β-αμινο-ισο-βουτυρικό, NH3 και CO2.

19 Σύνθεση νουκλεοτιδίων
Και οι δύο αυτές πορείες (περίσωσης και de novo) καταλήγουν στο σχηματισμό 5-φωσφο-νουκλεοσιδίων μέσω ενός ενεργοποιημένου ενδιαμέσου σακχάρου (activated sugar intermediate) και των ενζύμων φωσφοριβοσυλομεταφοράσες (phosphoribosyltransferases)

20 Σύνθεση νουκλεοτιδίων
Το ενεργοποιημένο ενδιάμεσο είναι το 5-φωσφοριβοζυλο-1-πυροφωσφορικό (PRPP) Το PRPP συντίθεται από 5-φωσφοριβόζη και ΑΤΡ ribose-5-phosphate + ATP  PRPP + AMP Το υπεύθυνο ένζυμο είναι η συνθετάση του PRPP

21 Σύνθεση νουκλεοτιδίων

22 Πουρίνες: Σύνθεση De Novo
Όλα τα ένζυμα που χρειάζονται βρίσκονται σε ένα μακρομοριακό σύμπλοκο. Το πρώτο βήμα μετά τη σύνθεση του PRPP είναι η αντικατάσταση της πυροφωσφορικής ομάδας του PRPP από την αμιδομάδα της γλουταμίνης προς 5-φωσφοριβοσυλαμίνη Η νεα αμινομάδα που προστέθηκε στον άνθρακα 1 του σακχάρου γίνεται το άζωτο 9 του δακτυλίου της πουρίνης

23 Πουρίνες: Σύνθεση De Novo

24 Σχηματισμός ΙΜΡ Από την 5-φωσφοριβοσυλαμίνη, το υπόλοιπο μόριο συντίθεται με προσθήκες για να σχηματιστεί πρώτα ο πενταμελής κι έπειτα ο εξαμελής δακτύλιος Το άζωτο του 5-μελούς δακτυλίου προέρχεται από την αμινομάδα της φωσφοριβοσυλαμίνης Ολόκληρο το μόριο της γλυκίνης συνεισφέρει τα άτομα 4, 5 στον εξαμελή και 7 στον πενταμελή δακτύλιο με ενεργειακή απαίτηση ενός ΑΤΡ Ο πενταμελής δακτύλιος συμπληρώνεται με την προσθήκη ενός ατόμου άνθρακα που μεταφέρεται από το 5,10-μεθένυλο-τετραϋδροφυλλικό.

25 Σχηματισμός ΙΜΡ Πριν κλείσει ο 5-μελής δακτύλιος, η γλουταμίνη συνεισφέρει το αμίδιο στον άνθρακα 4, ξεκινώντας το σχηματισμό του 6-μελούς δακτυλίου (άζωτο 3) σε μια αντίδραση που απαιτεί ένα μοριο ΑΤΡ. Άλλο ένα μόριο ΑΤΡ χρειάζεται για να κλείσει ο πενταμελής δακτύλιος στον άνθρακα 8 και άζωτο 9 Προσθήκη CO2 σχηματίζει τον άνθρακα 6 ο οποίος ενώνεται με την αμινομάδα του ασπαρτικού, η οποία γίνεται το άζωτο 1 του τελικού μορίου (+ ΑΤΡ) Τέλος, το 10-φορμυλο-ΤΗF παρέχει τον άνθρακα 2 του 6-μελούς δακτυλίου, ο οποίος κλείνει παράγοντας IMP

26 Πουρίνες: Σύνθεση De Novo

27 Πουρίνες: Σύνθεση De Novo
Διακλάδωση Το ΙΜΡ μετατρέπεται σε AMP ή GMP 2 διαφορετικές μεταβολικες πορείες Τρόπος ρύθμισης της πορείας ενεργειακά

28 4 ΑΤΡ χρειάζονται για τη σύνθεση ΙΜΡ Δεν καταλήγει σε ελεύθερη βάση
Σχηματισμός ΙΜΡ 4 ΑΤΡ χρειάζονται για τη σύνθεση ΙΜΡ Δεν καταλήγει σε ελεύθερη βάση Δεν καταλήγει σε νουκλεοτίδιο για ενσωμάτωση σε νουκλεϊκό οξύ

29 de novo σύνθεση πουρινών

30 Για τη σύνθεση των πουρινών χρησιμοποιείται:
Πουρίνες: Σύνθεση De Novo Για τη σύνθεση των πουρινών χρησιμοποιείται: Ολόκληρο το μόριο της γλυκίνης (άτομα 4, 5,7), Η αμινομάδα του ασπαρτικού (άτομο 1), Τα αμιδικά άζωτα 2 γλουταμίνων (άτομα 3, 9), 2 μόρια φορμικού μέσω τετραϋδροφυλλικού (άτομα 2, 8) Διοξείδιο του άνθρακα 5-φωσφο-ριβόζη (από γλυκόζη) Και πολλή ενέργεια με τη μορφή 5 μορίων ΑΤΡ Αμιδομεταφοράσες και τρανσφορμυλάσες Το πρώτο νουκλεοτίδιο είναι το ΙΜΡ (μονοφωσφορικη ινοσίνη) (βάση: υποξανθίνη)

31 Σχηματισμός AMP και GMP
Το IMP μπορει μετέπειτα να μετατραπεί σε AMP ή GMP. Η σύνθεση του GMP ξεκινά με οξείδωση του ΙΜΡ σε ΧΜΡ από το NAD και μετά σε GMP αντικαθιστώντας το οξυγόνο στη θέση 2 με το άζωτο από την αμιδομάδα της γλουταμίνης (+ΑΤΡ) Με τον ίδιο τρόπο η GTP παρέχει την ενέργεια που χρειάζεται για τη μετατροπή του ΙΜΡ σε αδενυλοηλεκτρικό και μετά σε AMP. Εδώ η αμιδομάδα προέρχεται από το ασπαρτικό. Η ανθρακική αλυσίδα του ασπαρτικού αποσπάται ως φουμαρικό και δημιουργείται η ΑΜΡ Τα μονοφωσφορικά μετατρέπονται μετά σε διφωσφορικά και τριφωσφορικά

32 Σχηματισμός AMP και GMP

33 Πουρίνες: Σύνθεση De Novo
Η πορεία προς ΑΜΡ απαιτεί ενέργεια με τη μορφή GTP ενώ η πορεία προς GMP απαιτεί ενέργεια με τη μορφή ΑΤΡ Αυτό επιτρέπει στο κύτταρο να παράγει περίπου ίσες ποσότητες των AMP και GMP Περίσσεια GTP οδηγεί σε σύνθεση AMP από ΙΜΡ εις βάρος της σύνθεσης του GMP Περίσσεια ATP έχει ώς αποτέλεσμα τη σύνθεση περισσότερου GMP από ότι ΑΜΡ

34 Ένα πρώτο σημείο ρύθμισης κι ελέγχου είναι στο ένζυμο
Πρώτο σημείο ρύθμισης Ένα πρώτο σημείο ρύθμισης κι ελέγχου είναι στο ένζυμο συνθετάση του PRPP Η σύνθεση του ενζύμου αναστέλλεται από τα τελικά προϊόντα και κυρίως από το AMP και το GMP Η αναστολή είναι μέγιστη όταν υπάρχει η κατάλληλη συγκέντρωση και από τα δύο αυτά νουκλεοτίδια.

35 Πρώτο σημείο ρύθμισης

36 Δεύτερο σημείο ρύθμισης
Αυτό το βήμα καθορίζει την ταχύτητα της όλης πορείας (commitment & rate-limiting step)

37 Δεύτερο σημείο ρύθμισης
Η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο γλουταμινο-PRPP αμιδοτρανσφεράση Το ένζυμο ελέγχεται αλλοστερικά από επανατροφοδοτική αναστολή Το AMP/ADP/ATP, το GMP/GDP/GTP ή το IMP αναστέλλουν τη δράση του ενζύμου Διαφορετικά σημεία πρόσδεσης Το AMP + GMP ή AMP + IMP μαζί δρουν συνεργιστικά Πολύ λεπτός έλεγχος – τα νουκλεοτίδια αναστέλλουν το ένζυμο προκαλώντας τα δραστικά μονομερή να συσσωματωνονται σε αδρανή συμπλέγματα

38 Δεύτερο σημείο ρύθμισης
Η συγκέντρωση PRPP ρυθμίζει την ταχύτητα της αντίδρασης Οι ενδοκυτταρικές συγκεντρώσεις του PRPP είναι μικρότερες από την Km του ενζύμου  Αύξηση της συγκέντρωσης συνεπάγεται και αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης Πολύ υψηλές συγκεντρώσεις PRPP υπερνικούν την επανατροφοδοτική αναστολή από τα τελικά προϊόντα προκαλώντας τα αδρανή συμπλέγματα να διαχωριστούν σε ενεργά ενζυμικά μόρια

39 Παροχή ενέργειας από ΑΜΡ για τη σύνθεση του GMP
Τρίτο σημείο ρύθμισης Ενα τρίτο σημείο ελέγχου και ρύθμισης είναι στη διακλάδωση από ΙΜΡ προς ΑΜΡ και GMP Παροχή ενέργειας από ΑΜΡ για τη σύνθεση του GMP Παροχή ενέργειας από GMP για τη σύνθεση του ΑΜΡ

40 Τέταρτο σημείο ρύθμισης
Τροφοδοτική αναστολή από τα προϊόντα μετά τη διακλάδωση (ΑΜΡ, GMP, ΧΜΡ αδενυλοηλεκτρικό) Στα ένζυμα που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή τους

41 4 σημεία ρύθμισης de novo σύνθεσης
Σύνθεση PRPP από τη συνθετάση Αμιδοτρανσφεράση επανατροφοδοτική αναστολή από νουκλεοτίδια και/ή PRPP (έλεγχος ολικής πορείας) Ρύθμιση από ATP και GTP όπου το ένα παρέχει την ενέργεια για τη σύνθεση του άλλου (έλεγχος αναλογίας μεταξύ των δύο αυτών νουκλεοτιδίων) Το πρώτο προϊόν μετά τη διακλάδωση αναστέλλει το ανάλογο ένζυμο Το GMP αναστέλλει τη μετατροπή του IMP σε XMP Το AMP αναστέλλει τη μετατροπή του IMP σε αδενυλοηλεκτρικό.

42 Ρύθμιση de novo σύνθεσης

43 Ρύθμιση de novo σύνθεσης
Πιθανό σενάριο Εαν υπάρχει έλλειψη σε ένα από τα νουκλεοτίδια Μερική αναστολή της de novo σύνθεσης από το νουκλεοτίδιο που βρίσκεται σε περίσσεια Το ΙΜΡ που θα συντεθεί θα κατευθυνθεί προς τη σύνθεση του νουκλεοτιδίου που λείπει Ύπαρξη και των δύο νουκλεοτιδίων σε υψηλές ποσότητες Συνεργειακότητα (synergistic effect) στην αμιδοτρανφεράση Σχεδόν 100% αναστολή της de novo σύνθεσης

44 Πορεία περίσωσης πουρινών
Η αποσύνθεση των πουρινονουκλεοτιδίων έχει ως τελικό προϊόν ουρικό οξύ το οποίο είναι αδιάλυτο κι εκκρίνεται με τα ούρα με τη μορφή κρυστάλλων ουρικού νατρίου Κατα τον καταβολισμό, τα πουρινονουκλεοτίδια διασπώνται σε πουρίνες, σε νουκλεοζίτες κτλ Η σύνθεση πουρινονουκλεοτιδίων από τις ελεύθερες βάσεις και νουκλεοζίτες πουρινών συμβαίνει σε μια σειρά αντιδράσεων γνωστων και ως «πορείες περίσωσης» (salvage pathways). Οι ελεύθερες βάσεις πουρινών (αδενίνη, γουανίνη, & υποξανθίνη) μπορούν να μετατραπούν σε νουκλεοτίδια με φωσφο-ριβοζυλίωση

45 Πορεία περίσωσης πουρινών
2 ένζυμα - μεταφοράσες Φωσφοριβοζυλο-τρανσφεράση της αδενίνης adenine phosphoribosyltransferase (APRT) Που καταλύει την αντίδραση αδενίνη + PRPP  AMP + PPi και Φωσφοριβοζυλο-τρανσφεράση της υποξανθίνης-γουανίνης hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (HGPRT) Που καταλύει τις αντιδράσεις hypoxanthine + PRPP  IMP + PPi guannine + PRPP  GMP + PPi

46 Καταβολισμός και πορεία περίσωσης πουρινών
Οι φωσφορυλάσες των πουρινονουκλεοτιδίων συνεισφέρουν στην πορεία περίσωσης πουρινών με μια σχεδόν αντίστροφη διαδικασία από αυτήν του καταβολισμού τους Λιγότερο σημαντική πορεία από την πορεία των φωσφοριβοζυλοτρανφερασών Η σύνθεση του AMP από IMP και η περίσωση του IMP από τον καταβολισμό του AMP αποαμιδιώνουν το ασπαρτικό σε φουμαρικό Κύκλος πουρινονουκλεοτιδίων Υψίστης σημασίας στα μυοκύτταρα Αυξημένη δράση στους μύες συνεπάγεται αυξημένες ενεργειακές ανάγκες κι επομένως αυξημένη δράση του κύκλου του Κrebs Αναπληρώνονται τα ενδιάμεσα του κύκλου του Κrebs με το να παρέχεται φουμαρικό

47 Κύκλος πουρινονουκλεοτιδίων

48 Κλινική σημασία μεταβολισμού πουρινών
Kλινικά προβλήματα προκύπτουν κυρίως από τα προϊόντα του καταβολισμού των πουρινών Ποικίλουν από ελαφρές έως σοβαρές ή ακόμα & θανατηφόρες καταστάσεις Η αιτία είναι το αδιάλυτο προϊόν του καταβολισμού – το ουρικό οξύ Ουρική αρθρίτιδα (Gout - ποδάγρα): συσσώρευση ουρικού με τη μορφή κρυστάλλων ουρικού μονονατρίου (MSU) ή διένυδρου πυροφωσφορικού ασβεστίου (CPPD) στις αρθρώσεις Υπερβολική παραγωγή πουρινών με αποτέλερμα υπερβολική ποσότητα μεταβολικών προϊόντων είναι η κυριότερη αιτία ουρικής αρθρίτιδας ή λόγω μερικής απουσίας του ενζύμου HGPRT. Ο αντιμεταβολίτης αλλοπουρινόλη είναι δομικό ανάλογο της υποξανθίνης και αναστέλλει την οξειδάση της ξανθίνης

49 Κλινική σημασία μεταβολισμού πουρινών
Ουρικό οξύ υποξανθίνη + O2 + H2O ↔ ξανθίνη + H2O2 xanthine + O2 + H2O ↔ uric acid + H2O2

50 severe combined immunodeficiency disease (SCID)
Κλινική σημασία μεταβολισμού πουρινών 2 σοβαρές ανωμαλίες Σύνδρομο Lesch-Nyhan & severe combined immunodeficiency disease (SCID)

51 Κατάληξη του ατόμου πριν το 20ο έτος της ηλικίας
Σύνδρομο Lesch-Nyhan Το σύνδρομο Lesch-Nyhan είναι αποτέλεσμα απουσίας του γονιδίου που κωδικοποιεί το ένζυμο HGPRT. Η ανωμαλία κληρονομείται ως φυλοσύνδετο χαρακτηριστικό λόγω του ότι το γονίδιο βρίσκεται στο Χ χρωμόσωμα (Xq26-q27.2). Σοβαρή περίπτωση ουρικής αρθρίτιδας και δυσλειτουργία νευρικού συστήματος – τάσεις αυτοτραυματισμού Κατάληξη του ατόμου πριν το 20ο έτος της ηλικίας

52 SCID Ανεπάρκεια απαμινάσης της αδενοσίνης [adenosine deaminase (ADA)]
Αδενοσίνη  ινοσίνη στον καταβολισμό Υψηλά επίπεδα dATP λόγω υπερφωσφορυλίωσης της δεοξυ-αδενίνης (50πλάσιες ποσότητες) Αναστολή αναγωγάσης των ριβονουκλεοτιδίων και παραγωγής άλλων δεοξυ-νουκλεοτιδίων Καταστροφή Β και Τ λεμφοκυττάρων Αναστολή σύνθεσης DNA Ανικανότητα πολλαπλασιασμού λεμφοκυττάρων "bubble boy disease"

53 Πυριμιδίνες – σύνθεση de novo
Ο πυριμιδινικός δακτύλιος είναι πολυ απλούστερος από τον πουρινικό Η σύνθεση των πυριμιδινών είναι πολυ απλούστερη από εκείνη των πουρινών Το αμιδικό άζωτο της γλουταμίνης και το διοξείδιο του άνθρακα σχηματίζουν τα άτομα 2 και 3 του δακτυλίου αφού πρώτα μετατραπούν σε φωσφορικό καρβαμοΰλιο Τα υπόλοιπα 4 άτομα του δακτυλίου προέρχονται από το ασπαρτικό Κι εδώ, η ομάδα σακχάρου-φωσφορικού παρέχεται από το PRPP.

54 Πυριμιδίνες – σύνθεση de novo

55 Φωσφορικό καρβαμοΰλιο
Η σύνθεση των πυριμιδινών ξεκινά με τη σύνθεση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου στο κυτταρόπλασμα Σπλήνας, θύμος αδένας, γαστρεντερικός σωλήνας, όρχεις Συνθετάση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου II (CPS II)

56 Φωσφορικό καρβαμοΰλιο
Το φωσφορικό καρβαμοΰλιο που χρησιμοποιείται στη σύνθεση των πυριμιδινών προέρχεται από γλουταμίνη και όξινο ανθρακικό Συντίθεται στο κυτταρόπλασμα Σε αντίθεση με το φωσφορικό καρβαμοΰλιο που παράγεται κατά τον κύκλο της ουρίας Το οποίο προέρχεται από αμμωνία και διττανθρακικό Και συντίθεται στο μιτοχόνδριο Η αντίδραση στον κύκλο της ουρίας καταλύεται από τη συνθεταση Ι του φωσφορικού καρβαμοϋλίου (CPS-I) Η αντίδραση στη σύνθεση των πυριμιδινών καταλύεται από την συνθεταση ΙΙ (CPS-II)

57 Ασπαρτική τρανσκαρβαμοϋλάση (aspartate transcarbamοylase)
Σχηματισμός Οροτικού Το φωσφορικό καρβαμοΰλιο ενώνεται με το ασπαρτικό προς Ν-καρβαμοϋλοασπαρτικό κι έπειτα προς διυδρο-οροτικό και οροτικό με αφυδρογόνωση Ασπαρτική τρανσκαρβαμοϋλάση (aspartate transcarbamοylase) Διυδρο-οροτάση

58 Σχηματισμός Οροτικού Η πυριμιδίνη οροτικό παράγεται με αφυδρογόνωση του δακτυλίου Το ένζυμο που είναι υπεύθυνο δεν έχει μελετηθεί πλήρως Εντοπίζεται στην εξωτερική επιφάνεια της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης, σε αντίθεση με τα άλλα κυτταροπλασματικά ένζυμα Διαφορά με πουρίνες όπου πουθενά δεν έχουμε ελεύθερη βάση κατά τη σύνθεση Οι πυριμιδίνες συντίθενται ως ελεύθερες βάσεις

59 Σχηματισμός UMP, UTP και CTP
Το οροτικό μετατρέπεται σε νουκλεοτίδιο (οροτιδυλικό - ΟΜΡ) με προσθήκη PRPP (ένζυμο: οροτιδο-φωσφοριβοσυλοτρανσφεράση - O-PRT). Το OMP μετατρέπεται σε UMP με αποκαρβοξυλίωση Τα ένζυμα O-PRT και αποκαρβοξυλάση του OMP είναι επίσης τμήματα ενός μεγαλύτερου πολυλειτουργικού συμπλόκου Μετά τη μετατροπή του UMP σε UΤP (κινάση του ουρυδιλικού + κινάση διφωσφονουκλεοτιδίων) προστίθεται το αμίδιο της γλουταμίνης προς παραγωγή CTP (+ATP) Tα νουκλεοτίδια της ουριδίνης είναι επίσης πρόδρομα μόρια για τη de novo σύνθεση ΤΜΡ

60 Σχηματισμός UMP, UTP και CTP

61 Σύνθεση UMP

62 ουριδίνη + ATP  UMP + ADP
Πορεία περίσωσης πυριμιδινών Η πορεία περίσωσης των πυριμιδινών είναι μικρότερης κλινικής σημασίας από αυτήν των πουρινών Όλα τα προϊόντα του καταβολισμού τους είναι διαλυτά Η πορεία περίσωσης προς θυμίνη που θα δουμε παρακάτω είναι ιδιαίτερα σημαντική για την κυτταρική διαίρεση Η ουρακίλη μπορεί να περισωθεί προς σχηματισμό UMP μέσω της δράσης των ενζύμων φωσφορυλάση και κινάση της ουριδίνης: ουρακίλη + 1-φωσφοριβόζη  ουριδίνη + Pi ουριδίνη + ATP  UMP + ADP Η δεοξυουριδίνη είναι επίσης υπόστρωμα για την φωσφορυλάση της ουριδίνης

63 θυμιδίνη + ATP  dTMP + ADP κυτιδίνη + ATP  CMP + ADP
Πορεία περίσωσης πυριμιδινών Ο σχηματισμός του dTMP με περίσωση απαιτεί τη φωσφορυλάση και την κινάση της θυμίνης θυμίνη + 1-φωσφο-δεοξυριβόζη  θυμιδίνη + Pi θυμιδίνη + ATP  dTMP + ADP Η περίσωση της κυτιδίνης καταλύεται από την κινάση της κυτιδίνης: κυτιδίνη + ATP  CMP + ADP Η αδενοσίνη και η γουανοσίνη είναι επίσης υποστρώματα για την κινάση της κυτιδίνης, με μεγαλύτερο Km από αυτό για την κυτιδίνη

64 H δεοξυ-TMP (dTΜP) είναι απαράιτητη κατα τη σύνθεση του DNA
Σύνθεση dTMP H δεοξυ-TMP (dTΜP) είναι απαράιτητη κατα τη σύνθεση του DNA Δε συντίθεται απευθείας κατά τη de novo πορεία Η πορεία περίσωσης δε συνθέτει επαρκείς ποσότητες Η θυμινη είναι 5-μεθυλο-ουρακίλη Η dTMP παράγεται από τη dUMP με τη χρήση φυλλικού

65 Σύνθεση dTMP Η αναγωγάση (nucleoside diphosphate reductase) έχει μικρή δραστικότητα για το UDP Μετατροπή του UDP σε CDP Το CDP ανάγεται σε dCDP το οποίο μετατρέπεται σε dCMP. Αυτό υφίσταται απαμίνωση προς dUMP Παρουσία του 5,10-Mεθυλενο-τετραϋδροφυλλικού και του ενζύμου συνθετάση του θυμιδυλικού, η μεθυλενομάδα μεταφέρεται στο δακτύλιο της πυριμιδίνης και ανάγεται σε μεθυλομάδα Παράγεται επίσης διυδροφυλλικό το οποίο ανάγεται σε τετραϋδροφυλλικό απο το ένζυμο dihydrofolate reductase.

66 Σύνθεση dTMP UMP  UDP  CDP

67 deoxyuridine + ATP  dUMP + ADP
Σύνθεση θυμίδυλονουκλεοτιδίων Η πορεία περίσωσης προς dTTP περιλαμβάνει το ένζυμο κινάση της θυμιδίνης το οποίο μπορεί να χρησιμοποιήσει είτε θυμιδίνη είτε δεοξυ-ουριδίνη ως υπόστρωμα thymidine + ATP  TMP + ADP deoxyuridine + ATP  dUMP + ADP Η κινάση της θυμιδίνης βρίσκεται στην μέγιστη δραστικότητά της κατα την S φάση του κυτταρικού κύκλου όπου γίνεται η σύνθεση του DNA Αναστέλλεται από το dTTP.

68 Ρύθμιση σύνθεσης πυριμιδινών
Στον άνθρωπο η συνθετάση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου (CPSII) η ασπαρτική τρανσκαρβαμοϋλάση και η διυδρο-οροτάση είναι τμήματα μιας μεγαλύτερης πολυλειτουργικής πρωτεΐνης

69 Το ένζυμο αναστέλλεται από CTP και ενεργοποιείται από ATP
Ρύθμιση σύνθεσης πυριμιδινών Η σύνθεση των πυριμιδινών ρυθμίζεται κατά κύριο λόγο στο βήμα που καταλύεται από την ασπαρτική τρανσκαρβαμοϋλάση (ATCase). Το ένζυμο αναστέλλεται από CTP και ενεργοποιείται από ATP Η ATCase είναι δραστικότητα μιας πολυλειτουργικής πρωτεΐνης στα κύτταρα των θηλαστικών Καταλύει τη σύνθεση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου, του ασπαρτικού καρβαμοϋλίου και του διυδρο-οροτικού Η γλυκίνη παίζει επίσης κάποιο ρυθμιστικό ρόλο ως ανταγωνιστικός αναστολέας που προσδένεται στη θέση πρόσδεσης της γλουταμίνης

70 Ρύθμιση σύνθεσης πυριμιδινών
Η ρύθμιση της σύνθεσης των πυριμιδινών εξαρτάται και από τα κυτταροπλασματικά επίπεδα της συνθάσης του φωσφορικού καρβαμοϋλίου (CPS II) Το ένζυμο αναστέλλεται από το UTP, UDP, dUTP και CTP και ενεργοποιείται από το PRPP και ΑΤΡ (επανατροφοδοτική αναστολή)

71 Ρύθμιση σύνθεσης πυριμιδινών
Δευτερεύοντα σημεία ρύθμισης είναι στο ένζυμο αποκαρβοξυλάση του OMP Το ένζυμο αναστέλλεται από το UMP και το CMP Επίσης, η συνθάση του CTP αναστέλλεται ανατροφοδοτικά από το CTP και ενεργοποιείται από το GTP.

72 Τα βακτήρια επίσης έχουν μόνο μια συνθετάση του carbamoyl phosphate
Ρύθμιση σύνθεσης πυριμιδινών Στα βακτήρια το κύριο σημείο ρύθμισης είναι στο ένζυμο ασπαρτική τρανσκαρβαμοϋλάση Τα βακτήρια επίσης έχουν μόνο μια συνθετάση του carbamoyl phosphate Αυτό το ένζυμο συμμετέχει σε μια διακλαδιζόμενη πορεία η οποία οδηγεί στη σύνθεση είτε πυριμιδινων είτε αργινίνης

73 Αυτή η αντίδραση καθορίζει την ταχύτητα της σύνθεσης των πυριμιδινών
Σύνθεση πυριμιδινών Η ασπαρτική τρανσκαρβαμοϋλάση είναι το ένζυμο που καταλύει τη σύνδεση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου με το ασπαρτικό Αυτή η αντίδραση καθορίζει την ταχύτητα της σύνθεσης των πυριμιδινών Η σύνθεση των πυριμιδινών διαφέρει από τη σύνθεση των πουρινών σε δύο σημεία

74 1. Στις πουρίνες ο δακτύλιος συναρμολογείται πάνω στο PRPP και δεν υπάρχει σύνθεση ελεύθερης βάσης Στις πυριμιδίνες έχουμε σχηματισμό του δακτυλίου κι έπειτα προσθήκη του PRPP πάνω στο δακτύλιο Έχουμε δηλαδή το σχηματισμό μιας αζωτούχας βάσης (οροτικό) η οποία ενώνεται με το PRPP

75 Στις πουρίνες η πορεία διακλαδίζεται στο ΙΜΡ για να παράγει ΑΜΡ ή GΜΡ.
2. Στις πουρίνες η πορεία διακλαδίζεται στο ΙΜΡ για να παράγει ΑΜΡ ή GΜΡ. Στις πυριμιδίνες έχουμε πρώτα την παραγωγή UMP το οποίο μετατρέπεται σε τριφωσφορικό UTP (+ΑΤΡ) Σε μια διαδοχική αντίδραση αμίνωσης, το UTP μετατρέπεται σε CTP από τη συνθάση CTP Τα θυμιδυλο-νουκλεοτίδια σχηματίζονται με de novo σύνθεση από το dUMP ή με πορείες περίσωσης από δεοξυ-ουριδίνη ή δεόξυ-θυμιδίνη

76 Σχηματισμός δεοξυριβονουκλεοτιδίων
Η de novo σύνθεση και οι πορείες περίσωσης αφορούν τα ριβονουκλεοτίδια Εξαίρεση αποτελεί η θυμίνη της οποίας τη σύνθεση περιγράψαμε Τα δεοξυριβονουκλεοτίδια που είναι απαραίτητα για τη σύνθεση του DNA σχηματίζονται από τα αντίστοιχα διφωσφο-νουκλεοτίδια (BDP - base diphosphate) Ένα BDP ανάγεται στη θέση 2’ της ριβόζης με τη βοήθεια της πρωτεΐνης θειορεδοξίνης (thioredoxin) και του ενζύμου αναγωγάση διφωσφο-νουκλεοτιδίων

77 Σχηματισμός δεοξυριβονουκλεοτιδίων
Η θειορεδοξίνη έχει δύο σουλφυδρυλομάδες (-SH) οι οποίες οξειδώνονται προς σχηματισμό δισουλφιδικού δεσμού κατά τη διάρκεια της αντίδρασης Η επαναφορά της θειορεδοξίνης στην αρχική ανηγμένη της μορφή γίνεται από το ένζυμο αναγωγάση της θειορεδοξίνης με τη βοήθεια NADPH Το όλο σύστημα βρίσκεται υπό στενό αλλοστερικό έλεγχο Το dATP είναι γενικός αναστολέας ενώ το ATP ενεργοποιητής Το κάθε υπόστρωμα έχει έναν ειδικό ενεργοποιητή (BTP ή dBTP) Το αποτέλεσμα είναι η διατήρηση της ισορροπίας στα δεοξυριβονουκλεοτίδια για τη σύνθεση του DNA

78 Σχηματισμός δεοξυριβονουκλεοτιδίων

79 Μονοφωσφορικό νουκλεοσίδιο + ATP   Διφωσφορικό νουκλεοσίδιο + ADP
Αλληλομετατροπές μεταξύ νουκλεοτιδίων Η de novo σύνθεση παράγει τα μονοφωσφορικά νουκλεοτίδια Οι πιο χρήσιμες μορφές είναι τα τριφωσφορικά ΟΙ τρεις μορφές (μονο- δι- και τρι-φωσφορικά) βρίσκονται σε ισορροπία Τα ένζυμα κινάσες των μονοφωσφο-νουκλεοσιδίων (ΝΜΡ kinase) καταλύουν τη γενική αντίδραση Μονοφωσφορικό νουκλεοσίδιο + ATP   Διφωσφορικό νουκλεοσίδιο + ADP Υπάρχει διαφορετικό ένζυμο για το GMP Διαφορετικό για τις πυριμιδίνες Και διαφορετικό για τα δεοξυ-νουκλεοτίδια

80 Υπάρχουν 4 κατηγορίες ΝΜΡ κινασών που καταλύουν τη φωσφορυλίωση των:
Αλληλομετατροπές μεταξύ νουκλεοτιδίων Υπάρχουν 4 κατηγορίες ΝΜΡ κινασών που καταλύουν τη φωσφορυλίωση των: 1. AMP και dAMP, Κινάση του αδενυλικου 2. GMP και dGMP 3. CMP, UMP και dCMP. 4. dTMP Η κινάση του αδενυλικού είναι σημαντική μια και παρέχει στο κύτταρο επαρκεις ποσότητες ενέργειας 2ADP  AMP + ATP

81 Αλληλομετατροπές μεταξύ νουκλεοτιδίων
Με παρόμοιο τρόπο, τα διφωσφορικά μετατρέπονται σε τριφωσφορικά από το ένζυμο κινάση των διφωσφονουκλεοτιδίων (ΝDP kinase) nucleoside diphosphate kinase BDP + ATP  BTP + ADP φορές πιο δραστικά ένζυμα από τις ΝΜP κινάσες Αντίθετα με την εξειδίκευση των ΝΜΡ κινασών, οι ΝDΡ κινάσες αναγνωρίζουν ένα ευρύ φάσμα (d)NDPs και (d)NTPs «a pool of nucleotides in equilibrium with each other»

82 Χημειοθεραπευτικοί παράγοντες
Τα καρκινικά κύτταρα είναι κύτταρα που διαιρουνται απεριόριστα και ταχύτατα Υψηλές ανάγκες σε ΤΜΡ ή θυμιδυλικο για τη σύνθεση του DNA Πολλά αντικαρκινικά χημειοθεραπευτικά φάρμακα σταματούν αυτήν τη διαδικασία επεμβαίνοντας είτε στη συνθάση του θυμιδυλικού είτε στην αναγωγάση του διυδροφυλλικού 5-Φθορο-ουρακίλη Μεθοτρεξάτη (4-amino, 10-methyl folic acid) Αμινοπτερίνη (4-amino, folic acid)

83 Φθορο-ουρακίλη Η φθορο-ουρακίλη λειτουργεί σαν ανάλογο της ουρακίλης
Μετατρέπεται σε φθορο-δεοξυ-ουριδυλικό Αλλα λόγω του φθορίου στο C5 δεν μπορεί να μετατραπεί σε θυμιδυλικό

84 Μεθοτρεξάτη και Αμινοπτερίνη
Δομικά ανάλογα του φυλλικού Αναστέλλουν τη δράση της dihydrofolate reductase που είναι υπεύθυνη για την αναγέννηση του τετραϋδροφυλλικού Πάυση της de novo σύνθεσης των πουρινών και του dTMP. Εξαιρετικά τοξικοί παράγοντες