Metabolismo nucleotidi

Gli organismi possono sintetizzare i nucleotidi de novo, ma possono anche recuperarli assimilandoli dalla dieta, oppure riciclati dai dalle vie di degradazione. Gli studi hanno determinato che lo scheletro delle purine proviene da diverse strutture:

• N proveniente da aspartato ed ammide della glutammica
• C proveniente da fumarato, bicarbonato e glicina

Contrariamente alle aspettative, che vedono le basi azotate sintetizzate “a parte” e poi legate allo scheletro di ribosio, l’anello purinico viene creato per aggiunte di atomi attraverso un meccanismo a più tappe e che spesso coinvolge complessi multienzimatici. L’anello pirimidinico viene formato a partire dall’orotato.

Meccanismo di sintesi di AMP e GMP

Adenosina e guanina - 5-monofosfato sono sintetizzati da un precursore comune, IMP. La sintesi de novo parte da un intermedio importante, il 5-fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP).

1. La glutammina dona un gruppo amminico e si forma 5-fosforibosilammina, un intermedio instabile. È la tappa di controllo
2. La glutammina aggiunge un CO-CH2-NH3+, consumando ATP
3. N10-feniltetraidrofolato fenila il gruppo glicinamminico
4. La glutammina fornisce un gruppo amminico su CO, consumando ATP
5. Consumando ATP, si chiude l’anello imidazolico
6. La reazione procede con un risultati analoghi, ma con meccanismo leggermente diverso tra eucarioti e batteri + funghi
   1. Batteri e funghi utilizzano ATP e bicarbonato per aggiungere un gruppo carbossilico. Un enzima mutasi riarrangia il carbossilato dal gruppo amminico esociclico alla posizione 4 dell’anello imidazolico
   2. Gli eucarioti reagiscono producendo direttamente il prodotto interessato, grazie all’enzima AIR-carbossilasi
7. L’aspartato dona il gruppo amminico all’anello imidazolo, consumando ATP
8. Lo scheletro carbonioso dell’aspartarto (che si era legato nel passaggio precedente) esce come molecola di fumarato
9. N10-feniltetraidrofolato fenila su NH2
10. Si forma il secondo ciclo, con uscita di H2O

Il prodotto finale è inosinato (IMP).Questo può ora percorrere due percorsi, a seconda che vada formandosi AMP o GMP. La formazione di AMP avviene attraverso l’inserimento di un gruppo amminico con un meccanismo analogo osservato durante il meccanismo della sintesi di IMP, con l’ingresso di aspartato ed uscita di fumarato (la differenze consiste nell’impiego di GTP invece che ATP). Il GMP deriva dall’ossidazione ad opera dell’enzima IMP deidrogenasi che porta all’aggiunta di un gruppo amminico dovuto alla glutammina. Il trasportatore di unità caroboniose è il tetraidrofolato (nella dieta, assimilato come acido folico), ed alcuni suoi analoghi sono impiegati per lo studio di antitumorali (es. metotrexate) perché, essendo le cellule tumorali ad alta attività proliferativa, attaccando il meccanismo del tetridrofolato si tende a colpire con maggior frequenza queste. Il meccanismo di sintesi è controllato: la sintesi di ADP, che parte ATP, regola la produzione di GMP, che è necessario per la produzione di GTP, e viceversa. Allo stesso modo, GMP/AMP (e derivati) sono importanti per il controllo della tappe per la sintesi di IMP (in particolare, controllano l’attivazione di PRPP).

Oltre al meccanismo di sintesi, la cellula attua una serie di strategie volte a riciclare le basi azotate. Le vie cataboliche procedono fino alla formazione di un fattore comune, le xantine, che con l’enzima xantine ossidasi vengono convertite in acido unico. La demolizione di AMP fornisce IMP per il ciclo dei nucleotidi purinici e la produzione di fumarato (che viene impiegato nel ciclo dell’acido citrico) con NH4+. L’acido urico viene infine eliminato nelle urine come urea.

Sintesi delle pirimidine

Nella sintesi delle pirimidine, l’anello è prodotto dalla condensazione di carbamil-fosfato ed aspartato. Il carbamil-fosfato è prodotto dalla carbamil fosfato sintetasi (CBS II), presente nel citoplasma, ed i substrati ione bicarbonato, glutammina e due ATP.

Meccanismo

1. Il carbamil fosfato reagisce con l’aspartato, formando N-carbamil aspartato. L’enzima catalizzatore è aspartato transcarbamilasi
2. La diidrorotasi catalizza la chiusura dell’anello, con la perdita dì acqua
3. La diidrorotato deidrogenasi ossida il substrato ad orotato
4. Il ribosio-5-fosfato formato da PRPP viene legato a formare orotidilato
5. L’orotidilato viene decarbossilato a uritidilato
6. L’uritidilato è fosforilato a UTP

Dall’UTP si forma CTP per mezzo dell’enzima citidilato sintetasi. La sintesi è facilitata dalla presenza di complessi multienzimatici.

Regolazione

I meccanismi di regolazione si basano su feedback retroattivi di UMP, UDP e UTP. Una loro concentrazione elevata permette di inibire la prima tappa del meccanismo (in E. Coli, questo meccanismo avviene attraverso CTP). Le pirimidine sono degradate in beta-alanina (o acido betammminico butirrico nel caso di timina), ione ammonio ed anidride carbonica. La sintesi dei deossiribonucleotidi avviene attraverso la ribonucleotide riduttasi, che converte i ribonucleotidi in deossiribonucleotidi attraverso l’utilizzo di radicali liberi. La formazione di timina coinvolge la timidilato sintasi, che aggiunge un gruppo metilico al dUMP. L’enzima è composto da subunità organizzate in un dimero alfa2beta2:

• Le subunità alfa fungono da catalizzatori attraverso i gruppi tiolici forniti
• Le subunità beta hanno il compito di produrre un radicale tiosilico stabilizzato. Possiedono anche un cofattore binucleare contenente gli ioni Fe3+, impiegati per stabilizzare il radicale.

Tutte le subunità possiedono due siti modulatori. La ribonucletide reduttasi converte i NDP in dNDP, attraverso la rimozione di un OH in posizione C2. Le RNR si distinguono in 3 classi:

• ​RNR classe I, che attiva la riduzione radicalica
• RNR classe II, generano i radicali usando la vitamina B12
• RNR classe III, usano S-adenosilmetionina per creare uno specifico radicale della glicina (questa classe è stata trovata solo negli organismi anaerobi ed usano come substrato ribonucleotidi trifosfato)

RNR classe I è la più studiata e sono state evidenziate alcuni meccanismi:

• ​Durante il suo operato, la RNR rompe il legame C3-H
• La reazione mantiene la configurazione di C2
• Il radicale di RNR di E. Coli è essenziale per la catalisi, ma si trova ad una grande distanza dal sito catalitico. Si suppone ci sia un meccanismo di trasporto degli elettroni al sito attivo. Le regolazioni dell’enzima avvengono direttamente dalle basi legate sull’enzima. La struttura dell’enzima è organizzata secondo 3 siti funzionali:
• I siti catalitici, che hanno il compito di spingere l’informazione
• I siti specifici, che devono ricevere l’informazione dai siti catalitici attraverso i loop2
• I siti di attività, contenuti alle estremità (cono di ATP)

Il nucleotide contenente timina è l’unico che viene sintetizzato dagli altri (dUDP e dCDP) dalla timidilato sintasi. Anche dUDP è il substrato della deossiribonucleotidi defosfato chinasi. La timidilato sintasi metila il dUMP in posizione 5 formando dTMP. LA reazione di metilazione riduce il metilene a metile, mentre il folato è ossidato a diidrofolato. L’enzima DHFR lo riduce a tetraidrofolato. Il gruppo metilenico verrà quindi acquisito dalla semina.