Nukleotide können sowohl in vitro als auch in vivo mit verschiedenen Mitteln synthetisiert werden.
In vitro können Schutzgruppen während der Laborproduktion von Nukleotiden verwendet werden. Ein gereinigtes Nukleosid wird geschützt, um einen Phosphoramidit zu erzeugen, der dann verwendet werden kann, um Analoga zu erhalten, die nicht in der Natur gefunden werden, und/oder um ein Oligonukleotid zu synthetisieren.
In vivo können Nukleotide de novo synthetisiert oder über Bergungswege recycelt werden., Die in der De-Novo-Nukleotidsynthese verwendeten Komponenten stammen aus biosynthetischen Vorläufern des Kohlenhydrat-und Aminosäurestoffwechsels sowie aus Ammoniak und Kohlendioxid. Die Leber ist das Hauptorgan der De-Novo-Synthese aller vier Nukleotide. De novo Synthese von Pyrimidinen und Purinen folgt zwei verschiedenen Wegen. Pyrimidine werden zuerst aus Aspartat und Carbamoylphosphat im Zytoplasma zu der gemeinsamen Vorläuferringstruktur oder Aminosäure synthetisiert, an die eine phosphorylierte Ribosyleinheit kovalent gebunden ist., Purine werden jedoch zunächst aus der Zuckerschablone synthetisiert, auf die die Ringsynthese erfolgt. Als Referenz werden die Synthesen der Purin-und Pyrimidin-Nukleotide von mehreren Enzymen im Zytoplasma der Zelle durchgeführt, nicht innerhalb einer bestimmten Organelle. Nukleotide werden so zerlegt, dass nützliche Teile in Synthesereaktionen wiederverwendet werden können, um neue Nukleotide zu erzeugen.
Pyrimidin-Ribonukleotidsynthesedit
Das Farbschema ist wie folgt: Enzyme, Coenzyme, Substratnamen, anorganische Moleküle
Die Synthese der Pyrimidine CTP und UTP erfolgt im Zytoplasma und beginnt mit der Bildung von Carbamoylphosphat aus Glutamin und CO2. Als nächstes katalysiert Aspartatcarbamoyltransferase eine Kondensationsreaktion zwischen Aspartat und Carbamoylphosphat zu Carbamoylasparaginsäure, die durch Dihydroorotase zu 4,5-Dihydroorotinsäure zyklisiert wird. Letzteres wird durch Dihydroorotatoxidase in Orotat umgewandelt., Die Nettoreaktion ist:
(S) – Dihydroorotat + O2 → Orotat + H2O2
Orotat ist kovalent mit einer phosphorylierten Ribosyleinheit verbunden. Die kovalente Verknüpfung zwischen Ribose und Pyrimidin erfolgt an Position C1 der Riboseeinheit, die ein Pyrophosphat enthält, und N1 des Pyrimidinrings., Orotatphosphoribosyltransferase (PRPP-Transferase) katalysiert die Nettoreaktion, die Orotidinmonophosphat (OMP) ergibt:
Orotat + 5-Phospho-α-D-Ribose 1-Diphosphat (PRPP) → Orotidin 5′-Phosphat + Pyrophosphat
Orotidin 5′-Monophosphat wird durch Orotidin-5′ – Phosphat-Decarboxylase zu Uridinmonophosphat (UMP) decarboxyliert. PRPP-Transferase katalysiert sowohl die Ribosylierungs-als auch die Decarboxylierungsreaktionen und bildet in Gegenwart von PRPP UMP aus Orotsäure. Von UMP werden andere Pyrimidin-Nukleotide abgeleitet., UMP wird durch zwei Kinasen zu Uridintriphosphat (UTP) über zwei sequentielle Reaktionen mit ATP phosphoryliert. Zunächst wird das Diphosphat aus UDP hergestellt, das wiederum zu UTP phosphoryliert wird. Beide Schritte werden durch ATP-Hydrolyse angetrieben:
ATP + UMP → ADP + UDP UDP + ATP → UTP + ADP
CTP wird anschließend durch die Aminierung von UTP durch die katalytische Aktivität der CTP-Synthetase gebildet., Glutamin ist der NH3-Donor und die Reaktion wird auch durch ATP-Hydrolyse angetrieben:
UTP + Glutamin + ATP + H2O → CTP + ADP + Pi
Cytidinmonophosphat (CMP) wird aus Cytidintriphosphat (CTP) mit anschließendem Verlust von zwei Phosphaten gewonnen.
Purinribonukleotidsyntheseedit
Die Atome, die zum Aufbau der Purinnukleotide verwendet werden, stammen aus einer Vielzahl von Quellen:
Die Synthese von IMP., id=“61600a4286″>
N1 stammen aus der Amingruppe von Asp
C2 und C8 stammen aus Formaten
N3 und N9 werden von der Amidgruppe von Gln
C4, C5 und N7 abgeleitet von Gly
C6 stammt aus HCO3− (CO2)
Die De-novo-Synthese von Purinnukleotiden, durch die diese Vorläufer in den Purinring eingebaut werden, verläuft über einen 10-stufigen Weg zum Verzweigungspunkt-Intermediär IMP, dem Nukleotid der Basis-Hypoxanthin., AMP und GMP werden anschließend aus diesem Zwischenprodukt über separate, zweistufige Wege synthetisiert. Somit werden Purinmoieties zunächst als Teil der Ribonukleotide und nicht als freie Basen gebildet.
An der IMP-Synthese nehmen sechs Enzyme teil. Drei von Ihnen sind multifunktional:
- GART (Reaktionen 2, 3 und 5)
- PAICS (Reaktionen 6 und 7),
- ATIC (Reaktionen 9 und 10)
Der Weg beginnt mit der Bildung von PRPP. PRPS1 ist das Enzym, das R5P, das hauptsächlich durch den Pentosephosphatweg gebildet wird, zu PRPP aktiviert, indem es mit ATP reagiert., Die Reaktion ist insofern ungewöhnlich, als eine Pyrophosphorylgruppe direkt von ATP auf C1 von R5P übertragen wird und das Produkt die α-Konfiguration über C1 aufweist. Diese Reaktion wird auch mit den Wegen für die Synthese von Trp, His und den Pyrimidin-Nukleotiden geteilt. Da diese Reaktion auf einer wichtigen metabolischen Kreuzung liegt und viel Energie erfordert, ist sie stark reguliert.,
In der ersten Reaktion, die für die Purinnukleotidbiosynthese einzigartig ist, katalysiert PPAT die Verdrängung der PRPP-Pyrophosphatgruppe (PPi) durch einen Amidstickstoff, der entweder aus Glutamin (N), Glycin (N) gespendet wird&C), Aspartat (N), Folsäure (C1) oder CO2. Dies ist der erste Schritt in der Purinsynthese. Die Reaktion erfolgt mit der Inversion der Konfiguration über Ribose C1, wodurch β-5-Phosphorybosylamin (5-PRA) gebildet wird und die anomere Form des zukünftigen Nukleotids hergestellt wird.,
Als nächstes wird ein Glycin eingearbeitet, das durch ATP-Hydrolyse angeheizt wird, und die Carboxylgruppe bildet eine Aminbindung an das zuvor eingeführte NH2. Eine Ein-Kohlenstoff-Einheit aus Folsäure-Coenzym N10-Formyl-THF wird dann der Aminogruppe des substituierten Glycins zugesetzt, gefolgt vom Verschluss des Imidazolrings. Als nächstes wird eine zweite NH2-Gruppe von Glutamin auf den ersten Kohlenstoff der Glycineinheit übertragen. Eine Carboxylierung des zweiten Kohlenstoffs der Glycineinheit wird gleichzeitig zugegeben. Dieser neue Kohlenstoff wird durch Zugabe einer dritten NH2-Einheit modifiziert, die diesmal von einem Aspartatrückstand übertragen wird., Schließlich wird der Stickstoffgruppe eine zweite Ein-Kohlenstoff-Einheit aus Formyl-THF zugesetzt und der Ring kovalent verschlossen, um den gemeinsamen Purinvorläufer Inosinmonophosphat (IMP) zu bilden.
Inosinmonophosphat wird in zwei Schritten in Adenosinmonophosphat umgewandelt. Zunächst treibt die GTP-Hydrolyse die Zugabe von Aspartat zu IMP durch Adenylosuccinatsynthase an, wobei der Carbonylsauerstoff durch einen Stickstoff ersetzt und das Zwischenadenylosuccinat gebildet wird. Fumarat wird dann abgespalten und bildet Adenosinmonophosphat. Dieser Schritt wird durch Adenylosuccinat-Lyase katalysiert.,
Inosinmonophosphat wird durch Oxidation von IMP-bildendem Xanthylat in Guanosinmonophosphat umgewandelt, gefolgt von der Insertion einer Aminogruppe bei C2. NAD+ ist der Elektronenakzeptor in der Oxidationsreaktion. Der Amidgruppentransfer von Glutamin wird durch ATP-Hydrolyse angeheizt.
Pyrimidin – und Purinabbauedit
Beim Menschen können Pyrimidinringe (C, T, U) vollständig zu CO2 und NH3 (Harnstoffausscheidung) abgebaut werden. Davon abgesehen können Purinringe (G, A) nicht. Stattdessen werden sie zu der metabolisch inerten Harnsäure abgebaut, die dann aus dem Körper ausgeschieden wird., Harnsäure entsteht, wenn GMP in die Base Guanin und Ribose gespalten wird. Guanin wird zu Xanthin desaminiert, das wiederum zu Harnsäure oxidiert wird. Diese letzte Reaktion ist irreversibel. In ähnlicher Weise kann Harnsäure gebildet werden, wenn AMP zu IMP desaminiert wird, aus dem die Riboseeinheit entfernt wird, um Hypoxanthin zu bilden. Hypoxanthin wird zu Xanthin und schließlich zu Harnsäure oxidiert. Anstelle der Harnsäuresekretion können Guanin und IMP zu Recyclingzwecken und zur Nukleinsäuresynthese in Gegenwart von PRPP und Aspartat (NH3-Donor) verwendet werden.