De-novo-Synthese der Purinnucleotide

Ausgangssubstanz für die Synthese der Purinnucleotide Adenosin- und Guanosinmonophosphat ist Ribose-5-phosphat, ein Produkt des Pentosephosphatwegs. Dieses wird zunächst mithilfe von ATP zum energiereichen Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) aktiviert, indem die Phosphoribosylpyrophosphat-Synthetase (PRPP-Synthetase) ein Pyrophosphat eines ATP-Moleküls auf das C1'-Atom von Ribose-5-phosphat überträgt. Beim PRPP trennen sich die Synthesewege von Pyrimidinnucleotiden und Purinnucleotiden (Beteiligung von PRPP an der Pyrimidinnucleotidsynthese siehe hier).

An dem PRPP wird nun das Purinringsystem in insgesamt 10 Reaktionsschritten zusammengefügt.

1. Im ersten Schritt wird Pyrophosphat durch eine Aminogruppe ersetzt, die von Glutamin bereitgestellt wird. Glutamin überträgt seine Amidogruppe auf PRPP und wird hierbei in Glutamat umgewandelt. Über das von Glutamin gelieferte Stickstoffatom ist die Purinbase später N-glykosidisch mit der Ribose verknüpft. Es entsteht 5-Phosphoribosylamin. Dieser Schritt ist der geschwindkeitsbestimmende und regulierte Schritt der Purinnucleotidsynthese. Er wird von der Glutamin-PRPP-Amidotransferase katalysiert, die von allen Purinnucleotiden (z.B. ATP, AMP, GMP und IMP) allosterisch gehemmt wird. Aktiviert wird das Enzym durch sein Substrat PRPP.

2. Als Nächstes erfolgt eine Verknüpfung mit der Aminosäure Glycin, wobei alle Atome des Glycins, 2 C-Atome und 1 N-Atom, zur Bildung des Purinrings genutzt werden. Dazu wird die Carboxygruppe des Glycins durch Phosphorylierung aktiviert und dann mit der Aminogruppe des Phosphoribosylamins verbunden. Es entsteht eine neue Amidbindung, die Aminogruppe des Glycins ist frei.

3. Anschließend wird eine Formylgruppe (C₁) in den wachsenden Ring eingebaut. Sie wird von N¹⁰-Formyl-Tetrahydrofolsäure (kurz: N¹⁰-Formyl-THF; Coenzym Tetrahydrofolat, THF) bereitgestellt. Tetrahydrofolsäure ist die aktivierte Form des Vitamins Folsäure (die verschiedenen Folsäurederivate und ihre Umwandlung ineinander siehe Bild).

4. Nun wird eine Aminogruppe – wiederum aus Glutamin – eingebaut. Dazu wird die innere Carbonylgruppe des Formylglycinamidribonucleotids zunächst durch Phosphorylierung aktiviert, bevor mit der Aminogruppe aus Glutamin ein Formylglycinamidinribonucleotid entsteht (allgemeine Strukturformel eines Amidins ist R-C(=NH)-NH₂).

5. Unter Verbrauch von ATP folgt der Ringschluss zum fünfgliedrigen Imidazolring der Purine. Die äußere Carbonylgruppe wird ebenfalls durch Phosphorylierung aktiviert. Der Phosphatrest wird anschließend von dem Stickstoffatom ersetzt, das mit der Riboseeinheit verknüpft ist. Es entsteht ein 5-Aminoimidazolribonucleotid.

6. Anschließend wird CO₂ angelagert, wodurch eine Carboxygruppe entsteht. Das CO₂ liegt frei als Hydrogencarbonat (HCO₃^–) vor, das sich direkt an die exozyklische Aminogruppe anlagert und dann auf den Imidazolring übertragen wird.

7. Aspartat bindet an die Carboxygruppe. Dazu wird die Carboxygruppe des Imidazolrings zunächst durch Phosphorylierung aktiviert und dann der Phosphatrest durch die Aminogruppe des Aspartats ersetzt.

8. Fumarat wird freigesetzt.

9. N¹⁰-Formyl-THF liefert eine weitere C₁-Gruppe, die auf das Stickstoffatom übertragen wird.

10. Durch einen weiteren Ringschluss entsteht unter Wasserabspaltung die Purinbase Hypoxanthin und – da sie mit Ribose-5-phosphat verknüpft ist – das Nucleotid Inosinmonophosphat (IMP). IMP ist das gemeinsame Zwischenprodukt bei der weiteren Synthese von AMP und GMP.

Ausgehend vom IMP werden nun Adenosinmonophosphat (AMP) und Guanosinmonophosphat (GMP) hergestellt. Insgesamt ist der Energieaufwand für die Synthese erheblich: Für die vollständige Synthese von AMP werden 7 energiereiche Bindungen benötigt, für die Synthese von GMP sind es 8.

Für die Synthese der Base Adenin wird das Sauerstoffatom des Hypoxanthins durch eine Aminogruppe ersetzt, die von Aspartat stammt. Die Reaktion wird von der Adenylosuccinat-Synthetase katalysiert. Die dafür nötige Energie liefert der Verbrauch von GTP. Es entsteht Adenylosuccinat, die unmittelbare Vorstufe von AMP. Eine Lyase spaltet Adenylosuccinat in AMP und Fumarat. Bei der Synthese von AMP aus IMP wird also auch Fumarat freigesetzt.

Zunächst wird Hypoxanthin mithilfe der Inosinmonophosphat-Dehydrogenase durch Einführen eines zweiten Sauerstoffatoms zu Xanthin oxidiert, sodass das Nucleotid Xanthosinmonophosphat (XMP) entsteht. Dabei handelt es sich um den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der GMP-Synthese. Anschließend wird das neu hinzugekommene Sauerstoffatom durch eine von Glutamin stammende Aminogruppe ersetzt. In diesem von der GMP-Synthetase katalysierten Schritt wird XMP zunächst durch den Transfer einer AMP-Gruppe (statt einer Phosphatgruppe) aus dem ATP auf das Sauerstoffatom der neuen Carbonylgruppe aktiviert. Diese AMP-Gruppe wird anschließend durch eine Aminogruppe des Glutamins ersetzt. Das Glutamin geht dabei in Glutamat über und GMP wie auch Pyrophosphat werden freigesetzt. Nach hydrolytischer Spaltung dieses Pyrophosphats wurden also 2 energiereiche Säureanhydridbindungen für diese Reaktion benötigt.

In der Riboseeinheit der Ribonucleotide wird in einer von der unspezifischen Ribonucleotidreduktase katalysierten Reduktion die 2'-Hydroxygruppe durch ein Wasserstoffatom ersetzt. Die Ribonucleotidreduktase setzt Ribose nur dann in Desoxyribose um, wenn am betroffenen Nucleosid 2 Phosphatreste vorhanden sind, d.h., ein Ribonucleosiddiphosphat (ADP, CDP, GDP oder UDP; in der Gleichung unten NDP) wird in ein Desoxyribonucleosiddiphosphat (dADP, dCDP, dGDP oder dUDP; unten dNDP) umgewandelt. Das Enzym reduziert alle 4 Ribonucleotide:

Die für diese Reaktion erforderlichen Elektronen werden primär von 2 SH-Gruppen im aktiven Zentrum des Enzyms bereitgestellt, die dabei oxidiert werden und eine Disulfidbrücke ausbilden. Bei der Reaktion werden das H-Atom am C3'-Atom und die Hydroxygruppe am C2'-Atom entfernt und als Wasser freigesetzt. Als Zwischenprodukt entsteht ein Radikalkation. Die Ribonucleotidreduktase überträgt nun ein H-Atom wieder auf das C3'-Atom und ein Hydridion (H^–) auf das C2'-Atom. Das fertige Desoxyribonucleosiddiphosphat (dNDP) verlässt das Enzym. Die SH-Gruppen werden mithilfe von Thioredoxin regeneriert. Zum Abschluss muss das oxidierte Thioredoxin noch mithilfe der Thioredoxinreduktase, die Selenocystein (Struktur siehe Bild) enthält, wieder reduziert werden. Sie überträgt 2 Protonen und 2 Elektronen (2 Wasserstoffatome) von FADH₂ auf Thioredoxin. Geliefert werden die Protonen und Elektronen vom NADPH + H⁺, das aus dem Pentosephosphatweg stammt. Letztendlich wird so für die Umwandlung von Ribose in Desoxyribose ein NADPH + H⁺ verbraucht.

Hemmstoffe der Ribonucleotidreduktase halten den Zellzyklus in der S-Phase an, in der die Replikation der DNA stattfindet, und wirken auf diese Weise zytostatisch und immunsuppressiv. Einer dieser Hemmstoffe ist Hydroxyharnstoff, der z.B. zur Behandlung von myeloproliferativen Erkrankungen wie der chronischen myeloischen Leukämie genutzt wird.

Die Synthese von Desoxythymidinmonophosphat (dTMP) ist komplizierter und läuft auf der Ebene der Monophosphate ab.