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.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi N01 - Versione 0.2 – may 2013 -1 All rights reserved. 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 • … V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi -2 1 Le basi azotate • PURINE • PIRIMIDINE – Adenina – Guanina – Uridina – Ciditina – Timidina – Inosina – Xantina – Orotidina N N N N N H V.0.2 © gsartor 2001-2013 N Metabolismo dei nucleotidi -3 Le basi azotate • PURINE • PIRIMIDINE – Adenina – Guanina – Uridina – Ciditina – Timidina – Inosina – Xantina – Orotidina N N N V.0.2 © gsartor 2001-2013 N N H N Metabolismo dei nucleotidi -4 2 Nucleotidi purinici NH2 • Adenosinmonofosfato (AMP) • Guanosinmonofostato (GMP) N N N OPO3-O • Inosinmonofosfato (IMP) • Xantinamonofosfato (XMP) HN HN N N O N H OPO3-O OPO3-O HO O O N OH HO IMP AMP OH HO O N N N HN N H2 N N OPO3-O HO OH N GMP OH XMP V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi -5 Nucleotidi pirimidinici O O UMP O OPO3-O HO CH3 HN HN O OPO3-O N OH HO N TMP OH • Uridinmonofosfato (UMP) • Timidinmonofosfato (TMP) • Ciditinmonofosfato (CMP) • Orotidinmonofosfato (OMP) NH2 O CMP O OPO3O HO N OMP N O OPO3-O O N O OH HO V.0.2 © gsartor 2001-2013 HN Metabolismo dei nucleotidi OH -6 3 Metabolismo delle Purine V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi -7 Metabolismo delle Pirimidine V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi -8 4 Sintesi de-novo • Quasi tutti gli organismi sintetizzano nucleotidi da zero: Aminoacidi, CO2, N10-formil-THF, ATP, Ribosio BIOSINTESI NUCLEOTIDI Acidi Nucleici Coenzimi DEGRADAZIONE V.0.2 © gsartor 2001-2013 Basi azotate Ribosio ENERGIA Metabolismo dei nucleotidi -9 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. V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 10 5 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) V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 11 α-riboso-5-fosfato O O O OH P O O V.0.2 © gsartor 2001-2013 HO Metabolismo dei nucleotidi OH - 12 6 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, V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 13 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 14 7 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi Sintesi di riboso-5-P e NADPH - 15 β-D-Glucoso-6-fosfato α-D-Glucoso-6-fosfato O O O P P O O O O HO OH HO O O O OH 6-fosfo-D-glucono-1,5-lattone NADPH HO • Duplicazione cellulare. P O OH O O P O O OH HO 6-fosfo-D-gluconato D-ribuloso-5-fosfato O O Ribuloso-fosfato 3-epimerasi (EC 5.1.3.1) P O NADP+ O OH O O OH HO HO Riboso-5-fosfato isomerasi (EC 5.3.1.6) O O O P O O OH OH OH Transchetolasi (EC 2.2.1.1) O O + OH HO OH O – Viene anche prodotto del NADPH. HO D-riboso-5-fosfato OH OH H O CO2 NADPH O O OH OH Fosfogluconato deidrogenasi (EC 1.1.1.44) – Il ribuloso-5-fosfato viene convertito in riboso-5-fosfato, necessario per la sintesi di nucleotidi e acidi nucleici. O 6-fosfogluconolattonasi (EC 3.1.1.31) O P O O O D-xiluloso-5-fosfato O HO OH Glucoso-6-fosfato deidrogenasi HO OH (EC 1.1.1.49) HO Glucoso-6-fosfato isomerasi (EC 5.3.1.9) O O NADP+ O D-sedoeptuloso-7-fosfato OH P O O OH O D-gliceraldeide-3-fosfato O P O O Transaldolasi (EC 2.2.1.2) O H Transchetolasi (EC 2.2.1.1) OH O O P O O + OH O D-gliceraldeide3-fosfato O O O O OH O P O OH OH O D-fruttoso-6-fosfato HO OH P O O D-eritroso-4-fosfato V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 16 8 Prof. Giorgio Sartor Metabolismo dei nucleotidi 2: biosintesi de-novo delle purine V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 17 BIOSINTESI delle PURINE NH2 N N O P O O N O N O O H N 2 P O O N O N O O OH HO AMP V.0.2 © gsartor 2001-2013 N HN OH HO GMP Metabolismo dei nucleotidi - 18 9 Purine V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 19 Purine V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 20 10 Metabolismo purinico • I nucleotidi purinici sono sintetizzati sia a partire da precursori più semplici attraverso la biosintesi denovo, 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. V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 21 Metabolismo purinico • La biosintesi de-novo delle purine avviene principalmente nel fegato; • altri tessuti, nei quali la biosintesi de-novo è meno 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. V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 22 11 Biosintesi dei nucleotidi purinici • La sintesi dei nucleotidi purinici (AMP e GMP) avviene attraverso la sintesi dell’intermedio comune • IMP – inosinmonofosfato O OH N HN P O N N O N N N O O O O O P O N O O OH HO V.0.2 © gsartor 2001-2013 OH HO Metabolismo dei nucleotidi - 23 Biosintesi dei nucleotidi purinici IMP O N HN O P O N O N O O HO OH NH2 N N O AMP P O O N O N O H N 2 O P O O N O N GMP O O HO V.0.2 © gsartor 2001-2013 N HN OH HO Metabolismo dei nucleotidi OH - 24 12 Biosintesi del nucleo purinico H CO2 H O O O NH2 O OH Glicina NH2 Aspartato 6 1 N7 5 N 8 N10-Formil-THF O H 2 4 N N10-Formil-THF N 9 3 R5P O H O H2N O Glutamina NH2 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 25 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, 10NFormil-THF e una molecola di ATP per usare Asp. • Si consumano sette legami P~O~P V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 26 13 Tetraidrofolato (THF) • La sintesi avviene attraverso la cessione di unità monocarboniose veicolate dal tetraidrofolato (THF). H N H 2N N H N R" 10 N 5 N O O H N R' O V.0.2 © gsartor 2001-2013 OH O OH n Metabolismo dei nucleotidi - 27 Tetraidrofolato (THF) • La sintesi avviene attraverso la cessione di unità monocarboniose veicolate dal tetraidrofolato (THF). H N H2N N H N R" 10 N 5 N O R' O H N R= O V.0.2 © gsartor 2001-2013 R Metabolismo dei nucleotidi O OH OH - 28 n 14 Sintesi del THF Folato H N H2N N Diidrofolato NADPH + H H NADP+ H+ H2N H N N N H H N N H H N N R N O R O NADPH + H+ EC 1.5.1.3 Diidrofolato reduttasi NADP+ H H H N H2N N H H N N N O R H H Tetraidrofolato THF V.0.2 © gsartor 2001-2013 H2N H N H H N H O N H CH3 N NAPD+ Omocys H N Met H2N H N H H N H H N Ser H H N H O N H - 29 H N H R Formiato + ATP His Formil Glu Gly + NAD+ ADP + Pi Formimmino Glu NADH + H+ CO2 + NH4+ Glu N O H N N R Gly NADPH + H+ H2N Metabolismo dei nucleotidi Glu N R H H N H H N H2N N N O H N H R N N O HN NAPD+ H H N H H N H2N ATP O H2N H N H R H N H H N H O N H N H R N H2O O NH4+ NADPH + H+ H N H 2N ADP + Pi H N N O V.0.2 © gsartor 2001-2013 H H N H N R Metabolismo dei nucleotidi - 30 15 H2N H N H H N H O N H CH3 H N H H N H N H2N H N H 2N H N H H N H O N H N R H N H R H N N O N R H H N H H N H2N N N O H N H H H N H H N H2N N R N O HN H 2N H N H H N H H N H O N H N R O R H N O H H N H H N H 2N H N N O N R V.0.2 © gsartor 2001-2013 H N H2N Metabolismo dei nucleotidi H H N H 5-metil-THFH NN N H2N O N H CH3 H N H H N H N R H H N H H N H 2N - 31 THF N O H N H H Metanolo N.O. -2 R Formaldeide N.O. 0 H N5,N10-metilene-THF N N O N R H2N H H N H H N H2N H N5-formimmino-THF N N N O H HN R H H N H H N H NN5-formil-THF N N O O H H 2N R H N H H N H N10N-formil-THF O N H H R N O H 2N H N H H N H Formiato N.O. +2 H N5,N10N-metenil-THF N O V.0.2 © gsartor 2001-2013 N R Metabolismo dei nucleotidi - 32 16 N10-formil-THF H N H2 N N H N 5 O N H H O 10 N O V.0.2 © gsartor 2001-2013 O H N O OH OH n Metabolismo dei nucleotidi - 33 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 inbitori della sintesi del folato (Sulfonamidi); V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 34 17 Biosintesi del folato http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?ko00790 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 35 Pool del folato http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?ko00670 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 36 18 Costruzione dell’IMP Fosforibosilamina GAR FGAR FGAM H N NH2 AIR H N N O NH2 NH O R5P O NH O N O N CAIR O AICAR V.0.2 © gsartor 2001-2013 N NH N N H R5 P R5 P O N NH2 N H2N R5P N H2N R5P O NH2 N H2N NH HN R5P R5P O O N N R5P R5P FAICAR IMP Metabolismo dei nucleotidi - 37 Tre reazioni per convertire il Riboso-5-P a fosforibosilglicinamide (GAR) EC 2.7.6.1 Riboso-fosfato difosfokinasi AMP ATP OPO3- OPO3O 1 OH OH HO O O O O H2N O HO O O HO NH2 NH EC 6.3.4.13 Fosforibosilamina -glicina ligasi OH Fosforibosilglicinamide (GAR) P O O Fosforibosilpirofosfato (α αPRPP) OH EC 2.4.2.14 amidofosforibosiltransferasi O O 2 3 O O O NH3+ Gln + H2O OPO3- O P O HO O O OPO3- O NH3+ NH2 Glu + PPi OH NH2 Fosforibosil-ββ -amina ADP + Pi O Gly + ATP V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 38 19 Tre reazioni per convertire il Riboso-5-P a fosforibosilglicinamide (GAR) EC 2.7.6.1 Riboso-fosfato difosfochinasi AMP ATP OPO3- OPO3O 1 OH O OH HO O O O H2N O HO O O HO NH2 NH O O LIMITANTE NH3+ EC 6.3.4.13 Fosforibosilamina -glicina ligasi OH Fosforibosilglicinamide (GAR) P Fosforibosilpirofosfato (α αPRPP) OH EC 2.4.2.14 amidofosforibosiltransferasi O O 2 3 O O O Gln + H2O OPO3- O P O HO O O OPO3- O NH3+ NH2 Glu + PPi OH NH2 Fosforibosil-ββ -amina ADP + Pi O Gly + ATP V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 39 Controllo • Il prodotto fosforibolipirofosfato (αPRPP) è il prodotto limitante; • Il pirofosfato che si forma viene convertito in due ioni fosfato; • Nella formazione della ribosilamina vi è inversione della configurazione di C1 del ribosio che passa da α a β; • La configurazione β di C1 viene mantenuta in tutti i nucleotidi. V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 40 20 1. Riboso-fosfato difosfochinasi (EC 2.7.6.1) OPO3O HO ATP AMP OH O OPO3- OH O HO O OH P O O O P O O Fosforibosilpirofosfato (α αPRPP) • È presente sia come esamero (B. subtilis) che come tetramero (Methanocaldococcus jannaschii, 1U9Z) V.0.2 © gsartor 2001-2013 1U9Z Metabolismo dei nucleotidi - 41 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 OPO3O O HO O P O O P O O Fosforibosilpirofosfato (α αPRPP) OH O O H2N O Gln + H2O O HO O O OPO3O NH3+ O Glu + PPi NH3+ NH2 OH Fosforibosil-β β -amina 1AO0 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 42 21 3-4-6. Fosforibosilamina-glicina ligasi (EC 6.3.4.13) • L’enzima GART umano (108 kDa, 1010 aminoacidi) è trifunzionale e catalizza le reazioni 3, 4 e 6 della via biosintetica denovo delle purine: – Glicinamide ribonucleotide sintetasi (GARS, PurD, E.C. 6.3.4.13), – Glicinamide ribonucleotide transformilasi (GARTfase, PurN, E.C. 2.1.2.2.) e – Aminoimidazolo ribonucleotide sintetasi (AIRS, PurM, E.C. 6.3.3.1). OPO3-O HO EC 6.3.4.13 Fosforibosilamina -gicina ligasi NH2 OH Fosforibosil-β β -amina HO ADP + Pi Gly + ATP O NH2 O NH2 NH OH Fosforibosilglicinamide (GAR) O H N H2N N10-Formil-THF N O O OPO3- HO H N N H O N N2-formil-N1-(5-fosfo-D-ribosil) glicinamide (FGAR) R THF OPO3- NH2 O NH OH O HO O NH O NH O EC 2.1.2.2 GAR transformilasi HO GAR OPO3- HN ATP NH ADP + Pi OPO3- H2N O NH O OH 2-(Formamido)-N1(5'-fosforibosil)acetamidina (FGAM) V.0.2 © gsartor 2001-2013 OPO3-O Metabolismo dei nucleotidi EC 6.3.3.1 AIR sintetasi HO OH N N OH 5-amino-1-(5-fospho-D-ribosil) imidazolo (AIR) - 43 HsGART • L’enzima GART umano (108 kDa, 1010 aminoacidi) è trifunzionale e catalizza le reazioni 3, 4 e 6 della via biosintetica denovo delle purine : – Glicinamide ribonucleotide sintetasi (GARS, PurD, E.C. 6.3.4.13), – Aminoimidazolo ribonucleotide sintetasi (AIRS, PurM, E.C. 6.3.3.1) e – Glicinamide ribonucleotide transformilasi (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. Lehtio Nucleic Acids Res. 2010 November; 38(20): 7308–7319. V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 44 22 Quattro reazioni per la costruzione dell’anello a cinque termini aminoimidazolo carbossilato H N H2N N10-Formil-THF N O O OPO3- H N O N N H THF NH2 O R 4 HO O OPO3- NH NH O OH O Gln + ATP + H2O GAR OH HO O H2 N O EC 6.3.5.3 Fosforibosilformil glicinamidina sintasi NH3+ O Glu + ADP +Pi O OPO3- H2N O HO CO2 N OH O NH3+ 5-amino-1-(5-fospho-D-ribosil) imidazolo (AIR) ADP + Pi O N 5 O O 5-amino-1-(5-fosfo-D-ribosil) imidazolo-4-carbossilato (CAIR) 7 N2-formil-N1-(5-fosfo-D-ribosil) glicinamide (FGAR) NH O EC 2.1.2.2 GAR transformilasi OPO3- H2 N EC 4.1.1.21 AIR carbossilasi HO O N N OPO3- HN ATP O EC 6.3.3.1 AIR sintetasi HO OH V.0.2 © gsartor 2001-2013 6 NH NH O 2-(Formamido)-N1(5'-fosforibosil)acetamidina (FGAM) OH Metabolismo dei nucleotidi - 45 5. FGAM sintasi (EC 6.3.5.3) • Ci sono due tipi di FGAM sintasi: O OPO3- NH O – Il tipo I è presente negli eucarioti e batteri Gram-consiste in unico polipepeptide di 140 kDa chiamato “large PurL” (lgPurL); – Il tipo II, “small PurL” (smPurL), è stato identificato in archaea e batteri Gram+ e consiste in un polipeptide di 80 kDa HO OH O O H2 N Gln + ATP + H2O O NH3+ O O O Glu + ADP +Pi O NH3+ OPO3- HN O HO V.0.2 © gsartor 2001-2013 N2-formil-N1-(5-fosfo-D-ribosil) glicinamide (FGAR) NH O Metabolismo dei nucleotidi NH NH O 2-(Formamido)-N1(5'-fosforibosil)acetamidina (FGAM) OH - 46 23 5. FGAM sintasi (EC 6.3.5.3) ACP (ATP) FGAR • 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 “large PurL” (lgPurL); – Il tipo II, “small PurL” (smPurL), è stato identificato in archæa e batteri Gram+ e consiste in un polipeptide di 80 kDa. V.0.2 © gsartor 2001-2013 2HS4 Metabolismo dei nucleotidi - 47 5. FGAM sintasi (EC 6.3.5.3) FGAR V.0.2 © gsartor 2001-2013 ACP (ATP) Metabolismo dei nucleotidi - 48 24 7. AIR carbossilasi (EC 4.1.1.21) • Diversa dalle solite carbossilasi: non sono necessari né ATP né biotina O OPO3- H2 N N OPO3- N O HO O O OH + H2N H+ N OH HO 5-amino-1-(5-fosfo-D-ribosil) imidazolo-4-carbossilato (CAIR) 5-amino-1-(5-fospho-D-ribosil) imidazolo (AIR) V.0.2 © gsartor 2001-2013 N N O OH O H2N OPO3- N O HO O O H Metabolismo dei nucleotidi - 49 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 5Carbossiamino-1-(5-fosfo-Dribosil)imidazolo – 5-(carbossiamino)imidazolo ribonucleotide mutasi (EC 5.4.99.18) che sposta il gruppo carbossilico sulla posizione 4 dell’anello imidazolico. V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi O N P O O O O 4 O N N H HO OH OH - 50 25 Quattro reazioni per la chiusura dell’anello purinico dell’IMP 1-(5'-fosforibosil)-5-amino-4(N-succinocarbossamide)-imidazolo (SAICAR) O CAIR O O O N H2N N O O Asp + ATP O O NH3+ O Ribosio H N N10-Formil-THF O O O N O N O H2O O 11 HO OH V.0.2 © gsartor 2001-2013 N H N 10 THF N O N H EC 4.3.2.2 Adenilosuccinato liasi O H N H2N H2N N N Ribosio R 1-(5'fosforibosil)-5-amino4-imidazolocarbossamide (AICAR) EC 2.1.2.3 AICAR transformilasi N H2N EC 3.5.4.10 IMP cicloidrolasi O P O O N N Ribosio Fumarato H2N N H2N 9 8 HN O O EC 6.3.2.6 SAICAR sintasi Inosina monofosfato (IMP) N N H ADP + Pi 5-formamido-1-(5-fosfo-D-ribosil) imidazolo-4-carbossamide (FAICAR) Ribosio Metabolismo dei nucleotidi - 51 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-Asp sembra esser la forma dominante in vivo • IMP è un inibitore competitivo di CAIR, suggerendo la possibilità della 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 Synthetase Biochemistry, Vol. 44, No. 2, 2005 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 52 26 8. SAICAR sintasi (EC 6.3.2.6) V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 53 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 βeliminazioni • È un omotetramero con tre domini in ogni monomero e quattro siti attivi per tetramero. V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi 2VD6 - 54 27 AMP O O • Nel muscolo scheletrico serve per rifornire il ciclo di Krebs di fumarato GDP O Asp GTP NH2 O O O EC 6.3.4.4 Adenilosuccinato sintasi O O P O O N O H N N O O N O O IMP O O P O N OH N HN O N HN HO HO OH EC 4.3.2.2 Adenilosuccinato liasi NH3 O EC 3.5.4.6 AMP deaminasi O P O O O N O O HO NH2 N OH O O Fumarato N HN AMP V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 55 9. Adenilosuccinato liasi (EC 4.3.2.2 ) O O Asp GDP O O GTP O NH2 O O EC 6.3.4.4 Adenilosuccinato sintasi O O O P O O N O O H N N N O O O N OH N O O HO OH NH2 O N O O O N H N N HN HO HO HN P O O O IMP P O O O OH 1-(5'-fosforibosil)-5-amino-4(N-succinocarbossamide)-imidazolo (SAICAR) EC 4.3.2.2 Adenilosuccinato liasi NH3 O O EC 3.5.4.6 AMP deaminasi P O O O O N O O HO NH2 N OH HN O O O Fumarato P O N N O NH2 NH2 O O N HO AMP OH 1-(5'fosforibosil)-5-amino4-imidazolocarbossamide (AICAR) V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 56 28 Quattro reazioni per la chiusura dell’anello purinico dell’IMP Enzima bifunzionale 1-(5'-fosforibosil)-5-amino-4AICAR transformilasi (EC2.1.2.3) (N-succinocarbossamide)-imidazolo (SAICAR) IMP cicloidrolasi (EC 3.5.4.10) O CAIR O O O H 2N O N O N Asp + ATP O O NH3+ O Ribosio EC 4.3.2.2 adenilosuccinao liasi Fumarato O 10 1M9N H N H2N N10-Formil-THF Inosina monofosfato (IMP) O EC 3.5.4.10 IMP cicloidrolasi O P O V.0.2 © gsartor 2001-2013 EC 2.1.2.3 AICAR transformilasi N N H OH HO Ribosio 1-(5'fosforibosil)-5-amino4-imidazolocarbossamide (AICAR) N H2N N H2N R THF O 11 N N N H2 N O N H O H2O N HN N H N N O O Ribosio 9 8 O N H 2N O O EC 6.3.2.6 SAICAR sintasi O N N H ADP + Pi 5-formamido-1-(5-fosfo-D-ribosil) imidazolo-4-carbossamide (FAICAR) Ribosio Metabolismo dei nucleotidi - 57 Sintesi dell’IMP Fosforibosilamina GAR FGAR NH2 ATP Glu H N FGAM AIR H N ATP NH2 R5P Gln O 3 NH CAIR O O 7 H2N N R5P 5 R5P 8 9 H2N NH HN 6 R5P FAICAR O N R5P R5P 10 IMP H2O N NH2 O N N H2N Gln O ATP NH 2 Asp V.0.2 © gsartor 2001-2013 NH O AICAR Fum N O N10-formil-THF Gly αPRPP 4 R5P N ATP O N H N R5P O N NH 11 N N R5P N10-formil-THF Metabolismo dei nucleotidi - 58 29 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 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 59 Inibizione • Antagonisti dell’acido folico H2 N N N OH H2 N N N NH 2 H2 N N N NH 2 H N N H H N N H CH3 N O CH3 O Metopteridina O O N O H N O H N N H O H N O O Metotrexato O H 2N H N O H N O Amminopteridina N N O OH O H N (Glu)n; n < 8 H N N H O H N O O O Pteridina O O PABA • Sulfonamidi che competono con l’acido paraminobenzoico H2N PABA V.0.2 © gsartor 2001-2013 H2N OH Metabolismo dei nucleotidi O Sulfonamidi O S NHR O - 60 30 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 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 61 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 V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 62 31 AMP EC 6.3.4.4 Adenilosuccinato sintasi Asp O P O O O O N O O O O P O O N O O H N N O N HN HO NH2 O N O O O OH HO GTP OH N HN O GDP IMP EC 4.3.2.2 Adenilosuccinato liasi O P O AMP O N O O O NH2 N O HO O N HN OH O V.0.2 © gsartor 2001-2013 Fumarato Metabolismo dei nucleotidi - 63 GMP O P O EC 1.1.1.205 IMP deidrogenasi IMP O N O O O N O O OH HO NAD+ + H2O NADH + H+ O HO GMP V.0.2 © gsartor 2001-2013 HN O O H2N NH2 O N OH O O N O O NH HN XMP Gln + ATP P O OH EC 6.3.4.1 GMP sintasi O O N N HN HO P O O N O O Glu + AMP + PPi N O O O NH2 NH2 Metabolismo dei nucleotidi - 64 32 Energia • Per sintetizzare NTP da ribosio5fosfato vengono consumati: – Sette ATP (6 ATP + 1 GTP) per AMP – Otto ATP per GMP V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 65 Regolazione Ribosio-5-P ATP AMP EC 2.7.6.1 Riboso-fosfato difosfochinasi αPRPP Gln + H2O Glu + PPi EC 2.4.2.14 amidofosforibosiltransferasi 5-fosforibosil-β β-ammina EC 6.3.4.4 Adenilosuccinato sintasi IMP EC 1.1.1.205 IMP deidrogenasi Adenilosuccinato XMP AMP GMP ADP GDP ATP V.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi GTP - 66 33 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.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 67 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.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 68 34 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.0.2 © gsartor 2001-2013 Metabolismo dei nucleotidi - 69 35