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      • De-novo-Synthese der Purinnucleotide V
        1. Steckbrief
        2. Synthese von Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP)
        3. Synthese des Purinringsystems
        4. Synthese von AMP und GMP
        5. Umwandlung von Nucleotiden zu Desoxynucleotiden
        6. IMPP-Fakten im Überblick
      • De-novo-Synthese der Pyrimidinnucleotide V
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De-novo-Synthese der Purinnucleotide

  •  IMPP-Relevanz
  • Lesezeit: 12 min
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Steckbrief

Die Nucleotidbiosynthese findet im Zytosol aller Zellen statt und kann auf 2 Wegen erfolgen: durch vollständige Neusynthese (De-novo-Synthese) oder durch Wiederverwertung von Nucleotiden. Während beim Recycling der Purinnucleotide ganze Basen wiederverwertet und an eine Ribose gebunden werden, umfasst die De-novo-Synthese sowohl von Purin- als auch von Pyrimidinbasen eine geringe Zahl an grundlegenden Reaktionen, die in ein paar Variationen wiederholt werden, um die unterschiedlichen Nucleotide herzustellen.

Bei der De-novo-Synthese von Purinnucleotiden wird das Nucleotid direkt an einer aus Ribose bestehenden Grundstruktur aufgebaut. Zunächst wird Ribose-5-phosphat zu Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) aktiviert. Anschließend wird das Purinringsystem Schritt für Schritt am PRPP bis zum Inosinmonophosphat (IMP) zusammengesetzt. Ausgehend vom IMP folgt nun die Synthese von Adenosinmonophosphat (AMP) und Guanosinmonophosphat (GMP). Bemerkenswerterweise führt die Synthese des Purinrings nicht zu den freien Basen Adenin und Guanin, sondern direkt zu den Nucleotiden AMP bzw. GMP.

Die für den Ring erforderlichen Stickstoff- und Kohlenstoffatome werden von unterschiedlichen Donatoren bereitgestellt:

  • Stickstoffdonatoren: die Aminosäuren Glutamin (2×), Glycin, Aspartat

  • Kohlenstoffdonatoren: Formyl-Tetrahydrofolat (2×), Glycin, freies CO2

Image description
Kohlenstoff- und Stickstoffdonatoren der Purinnucleotide

(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)
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    Synthese von Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP)

    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).

    Image description
    Aktivierung von Ribose-5-phosphat zu Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP)

    (Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2020)

    Synthese des Purinringsystems

    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.

    Image description
    Synthese von Inosinmonophosphat (IMP)

    Am PRPP wird das Purinringsystem zusammengefügt. (1) Pyrophosphat wird durch eine Amidogruppe aus Glutamin ersetzt. Dabei wird Glutamin in Glutamat umgewandelt und es entsteht 5-Phosphoribosylamin. (2) 5-Phosphoribosylamin wird mit Glycin verknüpft, wobei alle Atome des Glycins zur Bildung des Purinrings genutzt werden. (3) Eine Formylgruppe (C1), die von N10-Formyl-Tetrahydrofolsäure (kurz: N10-Formyl-THF oder Formyl-THF) bereitgestellt wird, wird in den wachsenden Ring eingebaut. (4) Eine Aminogruppe aus Glutamin wird eingebaut. (5) Der Imidazolring der Purine wird geschlossen. (6) CO2 wird angelagert, wodurch eine Carboxygruppe entsteht. (7) Aspartat bindet an die Carboxygruppe. (8) Fumarat wird freigesetzt. (9) N10-Formyl-THF liefert eine weitere C1-Gruppe. (10) Durch einen zweiten Ringschluss entsteht die Purinbase Hypoxanthin und – da die Base mit Ribose-5-phosphat verknüpft ist – das Nucleotid Inosinmonophosphat (IMP). IMP ist das gemeinsame Zwischenprodukt bei der weiteren Synthese von AMP und GMP. THF, Tetrahydrofolsäure.

    (Quelle: Königshoff, Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, Thieme, 2018)
    Lerntipp:
    Stickstoff- und Kohlenstoffdonatoren

    Schau dir genau an, woher die C- und N-Atome für den Aufbau des Purinrings kommen, und merke dir insbesondere die Aminosäuren, die die N-Atome liefern. Dies wird häufig geprüft.

    • Stickstoffdonatoren: die Aminosäuren Glutamin (2 Moleküle), Glycin, Aspartat

    • Kohlenstoffdonatoren: Formyl-Tetrahydrofolat (2 Moleküle), Glycin, freies CO2

    In der Prüfung musste man das N- und die beiden C-Atome des Glycins auch schon einmal in der Strukturformel eines Purinrings erkennen.

    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.

    Synthese von Adenosinmonophosphat (AMP)

    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.

    Synthese von Guanosinmonophosphat (GMP)

    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.

    Blick in die Klinik:
    Enzyminhibitoren als Immunsuppressiva

    T- und B-Lymphozyten proliferieren stark und sind daher auf große Mengen von Nucleotiden angewiesen. Diese werden hauptsächlich durch eine De-novo-Synthese bereitgestellt (offenbar ist die Wiederverwertung von Nucleotiden über entsprechende Wege in diesen Zellen nicht sehr effizient). Der Wirkstoff Mycophenolatmofetil hemmt das Schlüsselenzym der GMP-Synthese, die Inosinmonophosphat-Dehydrogenase, das die Oxidation von Inosinmonophosphat (IMP) zu Xanthosinmonophosphat (XMP) katalysiert. Die intrazelluläre GMP-Konzentration wird gesenkt (die Konzentration von AMP wird nicht reduziert). Während die Proliferation der Lymphozyten beeinträchtigt wird, ist die Wirkung auf andere Zellen, die Purinnucleotide auch über Wiederverwertung gewinnen können, gering.

    Der Wirkstoff eignet sich daher für einen Einsatz als Immunsuppressivum z.B. nach Organtransplantationen zur Prophylaxe von Transplantatabstoßungsreaktionen.

    Image description
    Synthese von AMP und GMP ausgehend von IMP

    AMP wird durch Austausch des Carbonylsauerstoffs am C6'-Atom von IMP gegen eine Aminogruppe synthetisiert. Diese Aminogruppe wird durch die Addition von Aspartat und anschließende Abspaltung von Fumarat gebildet. Die Energie wird durch den Verbrauch von GTP bereitgestellt. GMP entsteht durch Oxidation von IMP zu XMP und anschließende Einführung einer Aminogruppe am C2-Atom. Die dafür notwendige Energie liefert der Verbrauch von ATP.

    (Quelle: Königshoff, Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, Thieme, 2018)
    Lerntipp:
    Herkunft der Aminogruppe

    Du kannst dir die Herkunft der Aminogruppen in Adenin und Guanin leicht mit dieser Eselsbrücke merken:

    • 2 × A: Adenin – Aspartat

    • 2 × G: Guanin – Glutamin

    Purinnucleotidsynthese

    Mithilfe dieses Videos (deutsche Sprache) kannst du die wesentlichen Merkmale der Purinnucleotidsynthese noch einmal wiederholen (Lernvideo zum Endspurt-Biochemieposter).

    Purinnucleotidsynthese: Purer Physikumsstress im Gedächtnispalast

    Den puren Lernstress beim Einprägen der Purinsynthese kannst du dir dank dieses Gedächtnispalastes voller Nervennahrung, Grillglut(amat) und geladener Akkus sparen. Achtung: Die GMP-Synthase heißt hier Xanthylat-Aminase, katalysiert wird aber dieselbe Reaktion von XMP zu GMP unter ATP-Verbrauch.

    – Dir gefällt der Gedächtnispalast zur Purinsynthese von HappyHippocampus und du möchtest beim Lernen mehr solcher Videos sowie Lückentext-Bilder zum Abfragen nutzen? Dann hol' dir jetzt das HappyHippocampus-Paket in via medici!


    (Dauer: 23:55 min, © HappyHippocampus)

    Umwandlung von Nucleotiden zu Desoxynucleotiden

    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:

    Equation

    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.

    Image description
    Umwandlung von Ribose in Desoxyribose

    Desoxyribonucleosiddiphosphate (dNDP) entstehen aus den entsprechenden Ribonucleosiddiphosphaten (NDP). Katalysiert wird die Reaktion von der Ribonucleotidreduktase, die die Hydroxygruppe vom C2'-Atom der Ribose entfernt und durch ein H-Atom ersetzt. Diese Reduktion geschieht mithilfe von Thioredoxin, das selbst oxidiert wird. Die Regeneration des Thioredoxins übernimmt die Thioredoxinreduktase, indem sie 2 Protonen und 2 Elektronen von FADH2 auf Thioredoxin überträgt. Geliefert werden die Protonen und Elektronen vom NADPH + H+.

    (Quelle: Königshoff, Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, Thieme, 2018)

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

    Image description
    Die verschiedenen Folsäurederivate und ihre Umwandlung ineinander

    (Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)
    Image description
    Selenomethionin und Selenocystein

    Anstelle des Schwefelatoms ist Selen als Se2– in die Aminosäuren Methionin bzw. Cystein eingebaut.

    (Quelle: Doenecke et al., Karlsons Biochemie und Pathobiochemie, Thieme, 2005)
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      IMPP-Fakten im Überblick

      ExamenF13Ribose-5-phosphat ist die direkte Vorstufe bei der Bildung von PRPP (Phosphoribosylpyrophosphat).

      ExamenF11Bei der Biosynthese von 5-Phosphoribosylamin stammen die Aminogruppen von Glutamin.

      ExamenH18Aspartat liefert eines der 4 Stickstoffatome für das Purinringsystem.

      ExamenF10Die Anheftung der Aminogruppe an PRPP ist der regulierte Schritt der Purinbiosynthese.

      ExamenF15Die Glutamin-PRPP-Amidotransferase wird durch alle Purinnucleotide (z.B. ATP) gehemmt.

      ExamenF18H14F14H09H08Alle Atome des Glycins, 2 C-Atome und 1 N-Atom, werden zur Bildung des Purinrings genutzt. (Du solltest diese 3 Atome in der Strukturformel des Purinrings erkennen können.)

      ExamenF14IMP ist das gemeinsame Zwischenprodukt bei der Synthese von AMP und GMP.

      ExamenH15N10-Formyl-Tetrahydrofolat (N10-Formyl-THF) liefert bei der De-novo-Synthese der Purinnucleotide 2 C-Atome.

      ExamenH19F17F15Der Aminogruppendonor der Adenylosuccinat-Synthetase-Reaktion ist Aspartat.

      ExamenH19F16Bei der Synthese von AMP aus IMP wird auch Fumarat gebildet.

      ExamenF19F09Wird die Inosinmonophosphat-Dehydrogenase gehemmt, resultiert ein GMP-Mangel, während der ADP-Spiegel nicht beeinträchtigt wird.

      ExamenF17H16H10Die Ribonucleotidreduktase synthetisiert aus Ribonucleosiddiphosphaten Desoxyribonucleosiddiphosphate und benötigt für diese Reaktion Thioredoxin.

      ExamenF20F19Hemmstoffe der Ribonucleotidreduktase halten den Zellzyklus in der S-Phase an, in der die Replikation stattfindet.

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      zuletzt bearbeitet: 17.11.2022
      Fachlicher Beirat: Dr. rer. nat. Roland Netzker, 19.06.2022
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