Inhoud
Lees meer voorbeelden op Purines en ook Lees meer over Biosynthese
Nucleotide-biosynthese
De routes voor de biosynthese worden geclassificeerd in twee verschillende typen: de novo route en bergingsroute. In de de novo trajecten; nucleotidebasen worden gesynthetiseerd uit enkele eenvoudige verbindingen. De basisstructuur van de pyrimidinebase wordt eerst gesynthetiseerd en vervolgens gehecht aan de ribosesuiker. De raamwerkstructuur van de purinebase wordt echter in delen rechtstreeks op een op ribosesuiker gebaseerde structuur gesynthetiseerd.
5-fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) + aminozuren + ATP + CO2 -> nucleotide
In de bergingspaden worden voorgevormde basen verkregen, herschikt en herschikt op een ribosesuikereenheid.
5-fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) + Base -> Nucleotide
Zowel de bergingsroutes als de de novo-routes werken om ribonucleotiden te synthetiseren. Alle deoxyribonucleotiden worden geproduceerd uit hun overeenkomstige ribonucleotiden. De deoxyribosesuikers worden geproduceerd door het proces van reductie van de ribosesuiker die aanwezig is in een volledig gevormd nucleotide. Bovendien wordt een methylgroep die de thymine onderscheidt van de uracil (aanwezig in respectievelijk DNA en RNA) geïntroduceerd in de laatste stap van de route.
de novo synthese van pyrimidine ribonucleotide
Bij de novo synthese voor pyrimidines is het ontstaan van de structurele basiskaderring de eerste stap. Hierna wordt de ring gehecht aan een ribosesuiker om een pyrimidinenucleotide te produceren.
De ring van pyrimidine wordt gesynthetiseerd uit aspartaat en carbamoylfosfaat. Bicarbonaat en ammoniak zijn de voorlopers van carbamoylfosfaat. De synthese van carbamoylfosfaat vindt plaats door het gebruik van bicarbonaat en ammoniak in een meerstappenproces, met gebruikmaking van twee ATP-moleculen. Deze reactie wordt cytosolisch vergemakkelijkt carbamoylfosfaatsynthetase II.
Carbamoylfosfaat gedraagt zich met aspartaat om carbamoylaspartaat te synthetiseren. Deze reactie wordt mogelijk gemaakt door aspartaat transcarbamoylase Carbamoylaspartaat ondergaat later cyclisatie om dihydroorotaat te produceren, het wordt vervolgens gecombineerd tot orotaat door het oxidatieproces.
5-fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) + Base -> Nucleotide
Zowel de bergingsroutes als de de novo-routes leiden tot de synthese van ribonucleotiden
Orotaat hecht zich vervolgens aan de ribose, die aanwezig is in de vorm van PRPP. Dit is de geactiveerde vorm van ribose die beschikbaar is voor het accepteren van nucleotidebasen (PRPP wordt gevormd uit het ribose-5-fosfaat door de pentosefosfaatroute te volgen na acceptatie van pyrofosfaat uit het ATP-molecuul). Orotaat combineert met PRPP om een pyrimidine-nucleotide orotidylaat (OMP) te vormen. De hydrolyse van pyrofosfaat drijft deze reactie aan.
Het enzym genaamd orotate phosphoribosyltransferase katalyseert de reactie die de productie van orotidylaat vereist. De functie van dit enzym is vergelijkbaar met de andere fosforibosyltransferases die verschillende groepen aan PRPP toevoegen voor de vorming van andere nucleotiden. Dit orotidylaat decarboxyleert later om uridylaat (UMP) te produceren. UMP is een belangrijk pyrimidinenucleotide en een voorloper van RNA. Deze reactie vindt plaats in aanwezigheid van het enzym orotidylaat decarboxylase.
Synthese van Cytidine (pyrimidine ribonucleotide)
Cytidine wordt gesynthetiseerd uit de uracilbasis van de UMP. Voorafgaand aan de cytidinevorming wordt UMP omgezet in UTP. Nucleoside monofosfaten (NMP) worden omgezet in nucleoside trifosfaten (NTP) in de volgende reactiestappen:
- Nucleoside monofosfaten (UMP) worden omgezet in nucleoside difosfaten (UDP) en vervolgens nucleoside trifosfaten (UTP).
- Het gevormde UTP kan worden omgezet in cytidinetrifosfaat (CTP) door de carbonylgroep te vervangen door de aminogroep.
Vermindering van ribonucleotiden om deoxyribonucleotiden te vormen
De voorlopers van deoxyribonucleïnezuur (DNA) zijn deoxyribonucleotiden; de reductie van ribonucleosidedifosfaat vormt deze. Deze omzetting wordt gekatalyseerd door ribonucleotide-reductase. De elektronen worden later overgebracht van NADPH naar sulfhydrylgroepen of thiolgroepen die aanwezig zijn op de actieve plaats van het enzym. Deze elektronenoverdracht wordt gemedieerd door de hulp van eiwitten zoals thioredoxine en glutaredoxine. De dUMP wordt omgezet in dTMP door toevoeging van een methylgroep. De methyleengroep en een hydride in deze reactie wordt geleverd door N5, N10-methyleentetrahydrofolaat. Later deze N5, N10-methyleentetrahydrofolaat wordt omgezet in dihydrofolaat. Bovendien ondergaat dit dihydrofolaat reductie in aanwezigheid van NADPH om tetrahydrofolaat te produceren. Deze reactie wordt mogelijk gemaakt door een enzym dat bekend staat als dihydrofolaatreductase.
Chemotherapeutische middelen zoals methotrexaat (amethopterine) en aminopterine remmen de activiteit van dihydrofolaatreductase. Deze folaatanaloog werkte als een competitieve remmer.
Purine-ribonucleotide
De purinering is samengesteld uit verschillende voorlopers:
- Glutamine (N3 en N9)
- Glycine (C4, C5 en N7)
- aspartaat (N1)
- N10-formyltetrahydrofolaat (C2 en C8)
- CO2 (C6)
Afbeelding tegoed:NEUROtiker, Purin nummer2, gemarkeerd als openbaar domein, meer informatie over Wikimedia Commons
de novo synthese van purine (biosynthese van purines)
De novo synthese van purine (Biosynthese van purines) begint met eenvoudige stoffen zoals bicarbonaat en aminozuren. De purinebasen zijn in tegenstelling tot pyrimidinen op een ribose-ring gemonteerd
Net als pyrimidinebiosynthese vereist de novo purinebiosynthese PRPP. In het geval van purines biedt PRPP echter het platform waarop de stikstofbasen in meerdere stappen worden gesynthetiseerd. In de eerste stap vindt verdringing van pyrofosfaat plaats door ammoniak in plaats van een voorgemonteerde basis voor het produceren van 5-fosforibosyl-1-amine.
Glutamine PRPP-amidotransferase katalyseert deze reactie, die verkwistende hydrolyse van beide substraten voorkomt. Het enzym amidotransferase beschouwt de conformatie van de actieve stof alleen voor binding van PRPP en glutamine. De activiteit van dit enzym wordt geremd door glutamine-analoog azaserine, die daardoor de angiogenese en maligniteit onderdrukken.
Later vindt de toevoeging van glycine, een reeks formylering, aminering en ringsluiting plaats. Deze reeks reacties resulteert in de vorming van 5-aminoimidazol-ribonucleotide. Dit 5-aminoimidazol-ribonucleotide heeft de voltooide vijfledige ring van het purinekader. De toevoeging van kooldioxide en een stikstofatoom uit aspartaat samen met een formylgroep neemt deel aan ringsluiting of cyclisatie. Dit vormt uiteindelijk inosinaat (IMP) dat een purineribonucleotide is.
Afbeelding tegoed: BorisTM at Engelse Wikipedia, Nucleotiden syn1, gemarkeerd als openbaar domein, meer informatie over Wikimedia Commons
De novo purine biosynthese verloopt zoals vermeld in de volgende stappen:
- Het fosforyleringsproces activeert de carboxylaatgroep van een glycine. Glycine koppelt later met de aminogroep van 5-fosforibosyl-1-amine. Als gevolg hiervan ontstaat een nieuwe amidebinding en gedraagt de glycine (aminogroep) zich als een nucleofiel in de volgende reactiestappen.
- Het geactiveerde formiaat wordt vervolgens toegevoegd aan de aminogroep van glycine om formylglycinamide ribonucleotide te produceren. Bij weinig organismen zijn twee verschillende enzymen betrokken bij de katalyse van deze stap. Eén enzym is betrokken bij de overdracht van de formylgroep, terwijl een ander enzym formiaat initieert om formylfosfaat te vormen. Formylfosfaat wordt vervolgens toegevoegd aan de aminogroep van glycine (bron van formylgroep is N10-formyltetrahydrofolaat)
- Amidegroep wordt vervolgens geactiveerd en omgezet in een amidine door toevoeging van ammoniak (bron van ammoniak in deze stap is glutamine).
- De cyclisatie van formylglycinamide ribonucleotide vindt plaats om een vijfledige imidazoolring te vormen. Deze imidazoolring is kenmerkend voor purines. Dit cyclisatieproces is thermodynamisch gunstig en uitvoerbaar.
- De onomkeerbaarheid van deze reactie wordt verzekerd door de consumptie van één ATP-molecuul.
- Bicarbonaat ondergaat fosforylering en reageert vervolgens met een exocyclische aminogroep. Het product gevormd in de vorige reactie herschikt vervolgens en draagt zijn carboxylaatgroep over aan de imidazoolring. Bovendien hebben zoogdieren voor deze stap geen ATP nodig. Bicarbonaat hecht zich aan de exocyclische aminogroep en wordt later overgebracht naar de imidazoolring.
- De imidazoolcarboxylaatgroep wordt verder gefosforyleerd en de aminogroep van aspartaat vervangt het fosfaat. Dit, een zesstaps reactiecascade, verbindt glycine, formiaat, ammoniak, bicarbonaat en aspartaat om een reactietussenproduct te produceren dat op twee na alle atomen bevat die nodig zijn voor de vorming van de purinering.
Nog drie stappen voltooien de ringsynthese. Fumaraat, dat een tussenproduct is in de Kreb-cyclus, wordt vervolgens verwijderd, wat als resultaat de verbinding van het stikstofatoom van aspartaat met de imidazoolring vergemakkelijkt. De door het aspartaat gedoneerde aminogroep en de gelijktijdige verwijdering van het fumaraat stimuleren de transformatie van citrulline in arginine. Er zijn homologe enzymen nodig om deze stappen in de twee routes te katalyseren. Een formylgroep wordt aan het stikstofatoom toegevoegd (de bron van de formylgroep is N10-formyltetrahydrofolaat) om een terminaal tussenproduct te vormen dat het cyclisatieproces op gang brengt met de eliminatie van watermoleculen om inosinaat te vormen.
Vorming van AMP en GMP
Deze IMP wordt omgezet in AMP of GMP in een tweestaps traject dat ten koste gaat van energie. (De synthese van AMP vereist GTP als hun energiebron, terwijl GMP-synthese ATP vereist).
IMP -> XMP -> GMP
IMP wordt omgezet in XMP (xanthosine monofosfaat) door de werking van IMP dehydrogenase (gebruik NAD als co-factor)
XMP wordt verder omgezet in GMP (guanosinemonofosfaat) door de werking van XMP-glutamine amidotransferase.
IMP -> Adenylosuccinaat -> AMP
IMP wordt omgezet in adenylosuccinaat door de werking van het enzym adenylosuccinaatsynthetase. Adenylosuccinaat wordt verder omgezet in AMP (adenosinemonofosfaat) door de werking van enzym Adenylosuccinaat Lyase.
Omzetting van (NMP) nucleoside monofosfaten naar (NDP) nucleoside difosfaten en trifosfaten (NTP).
Nucleosidedifosfaten (NDP) worden gesynthetiseerd uit hun overeenkomstige nucleosidemonofosfaten (NMP) met behulp van een basespecifiek enzym zoals nucleosidemonofosfaatkinasen. Maar deze kinasen maken geen onderscheid tussen ribose en deoxyribose in de substraten. Over het algemeen is ATP de belangrijkste bron van overgedragen fosfaat, omdat het in hogere concentraties in de cellen beschikbaar is in vergelijking met de andere nucleosidetrifosfaten.
Bijvoorbeeld
Adenylaatkinase
AMP + ATP -> 2 ADP
Guanylaat Kinase
GMP + ATP -> GDP + ADP
Nucleosidedifosfaten (NDP) worden omgezet in nucleosidetrifosfaten (NTP) door de werking van nucleosidedifosfaatkinase, dit enzym heeft een brede specificiteit. In tegenstelling tot het nucleoside monofosfaatkinase (dat een smalle specificiteit heeft).
nucleosidedifosfaatkinase helpt bij het katalyseren van beide volgende reacties:
BBP + ATP -> GTP + ATP
CDP + ATP -> CTP + ADP
Bergingsroutes voor biosynthese van purines
Purines die worden geproduceerd als gevolg van de afbraak van nucleïnezuren in de cel of die worden verkregen uit de normale voeding, maar deze purines kunnen weer worden omgezet in (NTP) nucleoside-trifosfaten voor hergebruik door het lichaam. Dit proces staat bekend als de bergingsroute voor de synthese van purines. Bij deze route zijn twee belangrijke enzymen betrokken: (APRT) adeninefosforibosyltransferase en (HGPRT) hypoxanthine-guaninefosforibosyltransferase. Beide enzymen gebruiken PRPP (die fungeren als hun belangrijkste bron van ribose-5-fosfaat).
APRT katalyseren de reactie waarbij adenylaat wordt gevormd:
Adenine + PRPP -> Adenylaat + PPi
HGPRT katalyseert de reactie waarbij inosinaat (inosinemonofosfaat, IMP) wordt gevormd. Het is een voorlopermolecuul voor de synthese van guanylaat en adenylaat.
Guanine + PRPP -> Guanylaat + PPi
Hypoxanthine + PRPP -> inosinaat + PPi
Vergelijkbare bergingsroutes bestaan voor pyrimidines. Pyrimidinefosforibosyltransferase zal opnieuw verbinding maken met uracil, maar het verbindt cytosine niet met PRPP.
Conclusies
Nucleotide-biosynthese die gewoonlijk zowel de biosynthese van purines als pyrimidines omvat, vindt plaats in de cel, zoals besproken in het artikel.
Als je meer wilt weten over biosynthese en biotechnologie klik hier
Veelgestelde vragen
V1. Purine versus pyrimidine (markeer enkele verschillen tussen purines en pyrimidines)
Antwoord: Stikstofbasen worden grofweg ingedeeld in twee families; namelijk purines en pyrimidines. Het zijn de bouwstenen of monomere eenheden van deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA).
- Purines zijn dubbelringige structuren, terwijl pyrimidines een enkele ring bevatten. Zowel purines als pyrimidines zijn heterocyclische structuren (ring bevat meer dan één type samenstellende atomen).
- Purines zijn van twee basistypen, namelijk Adenine en Guanine. Terwijl pyrimidines uit drie basistypen bestaan: Thymine, Cytosine en Uracil (het is alleen aanwezig in RNA in plaats van Thymine).
- Purine wordt afgebroken tot urinezuur, terwijl pyrimidines worden afgebroken om carbondi-oxide, ammoniak en bèta-aminozuren te produceren.
Q2. Waarom purine altijd basenpaar met pyrimidine
Antwoord: Vanwege de structurele eigenschappen van de stikstofhoudende basen, purines en pyrimidines paren met specificiteit. Adenine (A) paren altijd met Thymine (T), terwijl Guanine (G) altijd paren met Cytosine (C).
Deze combinaties van stikstofbasen hebben de neiging om onderling waterstofbruggen te vormen.
(A) Adenine vormt twee waterstofbruggen met (T) Thymine. Terwijl (G) Guanine drie waterstofbruggen vormt met (C) Cytosine.
Lees ook:
- Voorbeelden van bio-indicatoren
- Is adenine een nucleotide
- Verlaat DNA de kern?
- Fotosynthese reactie
- Uracil in DNA-replicatie
- Hebben bacteriën flagella?
- Chromatine versus chromatide
- Monogenea-kenmerken
- Wat slaat chloroplast op?
- Mitochondria en endoplasmatisch reticulum
Ik ben Abdullah Arsalan, heb mijn doctoraat in de biotechnologie afgerond. Ik heb 7 jaar onderzoekservaring. Ik heb tot nu toe zes artikelen gepubliceerd in tijdschriften met een internationale reputatie met een gemiddelde impactfactor van 6, en er zijn er nog een paar in behandeling. Ik heb onderzoekspapers gepresenteerd op verschillende nationale en internationale conferenties. Mijn interessegebied is biotechnologie en biochemie met speciale nadruk op eiwitchemie, enzymologie, immunologie, biofysische technieken en moleculaire biologie.