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1 V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi -1 V.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 V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi -2 V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi Metabolismo dei nucleotidi 4: catabolismo delle purine Prof. Giorgio Sartor

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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

V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 2V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

Metabolismo dei nucleotidi

4: catabolismo delle purine

Prof. Giorgio Sartor

2

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Catabolismo delle purine

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Catabolismo delle purine

3

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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.

V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 6V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

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.

5

V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 9V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

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.

7

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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+

V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 14V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

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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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

9

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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.

11

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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V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 23V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

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.

13

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

V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 36V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

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).

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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

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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

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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

V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 56V.0.1 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi

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 Mater

Giorgio Sartor - [email protected]