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Synthese von Uridinmonophosphat (UMP)
Die Synthese der Pyrimidinnucleotide beginnt mit der Bildung des Pyrimidinrings. Dieser entsteht aus Carbamoylphosphat und der Aminosäure Aspartat, die beide Kohlenstoffatome (C) und Stickstoffatome (N) für den Ring liefern, wobei Aspartat zunächst vollständig eingebaut und später vom Orotidinmonophosphat (OMP) ein CO2 abgespalten wird (siehe Schritt 6).
Carbamoylphosphat wird von der Carbamoylphosphatsynthetase II (CPS II) aus Glutamin, ATP und HCO3– gebildet. Dabei wird nur Ammoniak aus der Amidogruppe des Glutamins benötigt und es werden Glutamat, 2 ADP und 1 Pi freigesetzt. Die Carbamoylphosphatsynthetase II wird allosterisch von Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) aktiviert, vom Endprodukt des Reaktionswegs, UTP, dagegen gehemmt.
Es gibt auch eine Carbamoylphosphatsynthetase I (CPS I). Sie befindet sich in der mitochondrialen Matrix und katalysiert die erste Reaktion des Harnstoffzyklus.Aus Carbamoylphosphat und Aspartat, das aus dem Aspartatzyklus stammt, entsteht – katalysiert von der Aspartatcarbamoyltransferase (Aspartattranscarbamoylase) – zunächst N-Carbamoylaspartat, wobei Pi frei wird.
Es folgt der Ringschluss, indem N-Carbamoylaspartat unter Abspaltung von Wasser von der Dihydroorotase in Dihydroorotat umgewandelt wird. Die Reaktion findet im Zytosol statt.
Das Reaktionsprodukt Dihydroorotsäure wird anschließend von der Dihydroorotatdehydrogenase (DHODH) zu Orotsäure (Orotat) dehydrogeniert. Die Dihydroorotatdehydrogenase ist in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Die Elektronen werden in dieser Reaktion auf FMN und dann weiter auf Ubichinon übertragen. Ubichinon gibt die Elektronen an den Komplex III der Atmungskette ab, sodass die Elektronen direkt zur oxidativen Phosphorylierung beitragen. Auf dieser Ebene lässt sich die Biosynthese von Pyrimidinbasen therapeutisch (z.B. mit dem Wirkstoff Teriflunomid) hemmen. Ein Wirkstoff, der als Immunsuppressivum und zur Therapie einer rheumatoiden Arthritis eingesetzt wird, ist Leflunomid.
Der Pyrimidinring der Orotsäure wird über eine N-glykosidische Bindung mit Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) verknüpft. Durch die Abspaltung von Pyrophosphat entsteht das Nucleotid Orotidinmonophosphat (OMP). Diese Reaktion wird von der Orotat-Phosphoribosyltransferase katalysiert, die Teil des bifunktionellen Enzyms UMP-Synthase ist. PRPP, das auch für die Purinnucleotidsynthese von Bedeutung ist (siehe hier), wird von der Phosphoribosylpyrophosphat-Synthetase gebildet, die eine Pyrophosphatgruppe aus ATP an Ribose-5-phosphat anfügt (Reaktion siehe Bild). Ribose-5-phosphat stammt aus dem Pentosephosphatweg. Die weiteren Syntheseschritte betreffen nur noch die Pyrimidinbase.
Durch Abspaltung von CO2 durch die OMP-Decarboxylase, dem zweiten Teil der UMP-Synthase, entsteht die erste Pyrimidinbase, die in der RNA vorkommt: Uracil. Da diese Base bereits mit der Ribose und diese wiederum mit dem Phosphatrest verknüpft ist, handelt es sich bei dem entstandenen Molekül um Uridinmonophosphat (UMP). Es ist Ausgangspunkt für die Synthese der anderen beiden Pyrimidinnucleotide (CTP und dTMP).
Synthese von Uridinmonophosphat (UMP)
(1) Von der Carbamoylphosphatsynthetase II wird aus Glutamin, ATP und HCO3– Carbamoylphosphat gebildet. (2) Aus Carbamoylphosphat und Aspartat entsteht N-Carbamoylaspartat. Katalysiert wird die Reaktion von der Aspartatcarbamoyltransferase. Dabei wird Phosphat frei. (3) N-Carbamoylaspartat wird unter Abspaltung von Wasser von der Dihydroorotase in Dihydrooratat umgewandelt (Ringschluss). (4) Das Dihydrooratat wird von der Dihydroorotatdehydrogenase zu Orotsäure dehydrogeniert. (5) Der Pyrimidinring der Orotsäure wird über eine N-glykosidische Bindung mit Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) verknüpft. Durch die Abspaltung von Pyrophosphat entsteht das Nucleotid Orotidinmonophosphat (OMP). Diese Reaktion wird von der Orotat-Phosphoribosyltransferase katalysiert. (6) Durch Abspaltung von CO2 durch die OMP-Decarboxylase entsteht Uridinmonophosphat (UMP).
Hereditäre Orotazidurie
Die UMP-Synthase ist ein bifunktionelles Enzym mit 2 Aktivitäten: die einer Orotat-Phosphoribosyltransferase und die einer OMP-Decarboxylase. Bei der sehr seltenen hereditären Orotazidurie, die autosomal rezessiv vererbt wird, ist das Enzym defekt. Als Folge reichern sich die Vorstufen, insbesondere Orotsäure, intrazellulär an und werden vermehrt ausgeschieden. Gleichzeitig herrscht ein Mangel an Pyrimidinbasen, wodurch die DNA-Synthese nur eingeschränkt ablaufen kann. Die Folge sind hämatologische Störungen und eine verlangsamte geistige Entwicklung.
Synthese von dTMP und CTP
Ausgehend vom UMP werden nun Desoxythymidinmonophosphat (dTMP) und Cytidintriphosphat (CTP) hergestellt. Im noch gemeinsamen Syntheseschritt wird UMP zu UDP phosphoryliert. Die Phosphorylierung mit ATP als Phosphatgruppendonator wird von der UMP-Kinase katalysiert. Es entstehen UDP und ADP:
Die Ribonucleotidreduktase reduziert die Ribose des UDP zu Desoxyribose, sodass dUDP entsteht. dUDP wird von der unspezifischen Nucleosiddiphosphatkinase zu dUTP phosphoryliert:
Mehr zur Umwandlung von Nucleotiden zu Desoxynucleotiden findest du hier.
Vom dUTP spaltet die dUTP-Diphosphohydrolase Pyrophosphat ab, sodass dUMP entsteht. Im Anschluss fügt die Thymidylatsynthase dem Pyrimidinring des dUMP eine Methylgruppe (-CH3) hinzu: Es entsteht dTMP. Die Methylgruppe wird von N5,N10-Methylen-Tetrahydrofolsäure (kurz: N5,N10-Methylen-THF; Coenzym Tetrahydrofolat, THF) bereitgestellt. Dabei wird THF zu Dihydrofolat (DHF) oxidiert (die verschiedenen Folsäurederivate und ihre Umwandlung ineinander siehe Bild und Bild).
Methylgruppe des dTMP
dTMP enthält eine Methylgruppe von Tetrahydrofolat!
Die Synthese von CTP aus UMP kann erst nach der Umwandlung von UDP in UTP stattfinden. Die unspezifische Nucleosiddiphosphatkinase phosphoryliert UDP zu UTP. Hier liefert meist ATP die Phosphatgruppe, aber auch andere Nucleosidtriphosphate kommen dafür infrage.
Anschließend fügt die Cytidylatsynthetase dem Pyrimidinring eine Aminogruppe, die von Glutamin stammt, hinzu, wobei ebenfalls ATP verbraucht wird. Es entsteht CTP. Außerdem wird Glutamat gebildet.
Synthese von dTMP und CTP ausgehend von UMP
Für die Synthese von dTMP wird UMP zunächst zu UDP phosphoryliert. Anschließend reduziert die Ribonucleotidreduktase die Ribose des UDP zu Desoxyribose, sodass dUDP entsteht. Da nur das Monophosphat methyliert wird, wird dUDP zunächst zu dUTP phosphoryliert und nun ein Pyrophosphat abgespalten, sodass dUMP entsteht. Anschließend fügt die Thymidylatsynthase eine Methylgruppe (-CH3), die von N5,N10-Methylen-THF geliefert wird, an den Pyrimidinring des dUMP. Dabei wird THF zu Dihydrofolat (DHF) oxidiert. Für die Synthese von CTP aus UMP muss UMP zunächst zu UTP phosphoryliert werden. Anschließend wird eine Aminogruppe, die von Glutamin stammt, dem Pyrimidinring hinzugefügt, wobei ebenfalls ATP verbraucht wird. THF, Tetrahydrofolat.
Da die Reaktion der Nucleosiddiphosphatkinase weder für die Base noch für den Zucker spezifisch ist, lässt sich die von ihr katalysierte Reaktion auch allgemeiner formulieren. In der Gleichung stehen X und Y für unterschiedliche Basen:
Pyrimidinnucleotidsynthese
Mithilfe dieses Videos (deutsche Sprache) kannst du die wesentlichen Merkmale der Pyrimidinnucleotidsynthese noch einmal wiederholen. Das Aspartat stammt nicht, wie im Film gesagt wird, direkt aus dem Harnstoffzyklus, sondern aus dem mit diesem eng verbundenen Aspartatzyklus. (Lernvideo zum Endspurt-Biochemieposter).
Eingriffe in die Nucleotidsynthese als Therapieansatz
Die Synthese der Nucleotide ist ein sehr wichtiger Angriffspunkt für Medikamente. Viele der bei einer Krebserkrankung zur Chemotherapie eingesetzten Zytostatika hemmen Reaktionen der Nucleotidsynthese, insbesondere die Herstellung der DNA-Vorstufen.
Tumortherapie mit Folsäureanaloga
Die aktive Form des Vitamins Folsäure, Tetrahydrofolat (THF), spielt als Überträger von C1-Gruppen eine wichtige Rolle bei der Synthese der Nucleotide und damit bei der DNA-Synthese. Mithilfe von NADPH + H+ wird Folsäure zu Dihydrofolsäure und diese schließlich weiter zu Tetrahydrofolsäure reduziert (Synthese siehe Bild). Katalysiert wird die Reaktion von der Folat- bzw. der Dihydrofolatreduktase.
Folsäureanaloga wie Methotrexat (Amethopterin) und Aminopterin hemmen die Dihydrofolatreduktase und damit die Synthese von dTMP, also letztlich Zellvermehrung und -wachstum (Strukturformel von Methotrexat siehe Bild). Mehr zur Wirkung der Folsäureanaloga findest du hier.
Tumortherapie mit 5-Fluoruracil
Das Enzym Thymidylatsynthase lässt sich durch das Pyrimidinanalogon 5-Fluoruracil hemmen, eine Wirkung, die ebenfalls in der Tumortherapie ausgenutzt wird: 5-Fluoruracil reduziert die Zahl der Thyminnucleotide und hemmt so die DNA-Synthese insbesondere sich schnell teilender Zellen (z.B. Tumorzellen). 5-Fluoruracil wirkt aber nicht direkt auf das Enzym, sondern es wird im Organismus über Wiederverwertungswege in Fluordesoxyuridinmonosphosphat (F-dUMP) umgewandelt, das irreversibel an das Enzym bindet und es inhibiert.
Antibiotikatherapie mit Folsäuresynthesehemmern (Sulfonamiden)
Ein wichtiger Folsäurebaustein ist p-Aminobenzoesäure. Sulfonamide sind Substratanaloga der p-Aminobenzoesäure (siehe Bild) und konkurrieren mit dieser um den Einbau in Folsäure, wodurch die Folsäuresynthese gehemmt wird. Da Bakterien Folsäure selber synthetisieren und sie die aktivierte Form Tetrahydrofolsäure (THF) für die Nucleinsäuresynthese benötigen, hemmen Sulfonamide die bakterielle Vermehrung.
Tumorlysesyndrom
Im Verlauf einer Chemotherapie kann es zu einem Tumorlysesyndrom kommen. Durch die Wirkung der Therapie werden in kurzer Zeit verhältnismäßig viele Tumorzellen zerstört, wodurch insbesondere die K+-Konzentration im Serum des Patienten stark steigen kann (Hyperkaliämie), während die Ca2+-Konzentration abnimmt. Die Folge können Stoffwechselentgleisungen sein, die zu akuter Niereninsuffizienz, Arrhythmien und Muskelkrämpfen führen.
Aktivierung von Ribose-5-phosphat zu Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP)
(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2020)
Umwandlung von Folat in Tetrahydrofolat
Folat wird in 2 Schritten zu seiner aktiven Form reduziert. Katalysiert werden die Reaktionen von der Folatreduktase (Reduktion von Folat zu Dihydrofolat) bzw. der Dihydrofolatreduktase (Reduktion von Dihydrofolat zu Tetrahydrofolat). Als Coenzym dient jeweils ein Molekül NADPH + H+.
(Quelle: Königshoff, Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, Thieme, 2018)
Die verschiedenen Folsäurederivate und ihre Umwandlung ineinander
(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)
Methotrexat und Folsäure
Methotrexat (Amethopterin) ist ein Analogon der Folsäure. Es hemmt die Folsäuresynthese, da es die Dihydrofolatreduktase reversibel und kompetitiv inhibiert.
(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)
p-Aminobenzoesäure und Sulfanilamid
Sulfanilamid ist ein Analogon der p-Aminobenzoesäure. Es hemmt die Folsäuresynthese, da es statt der p-Aminobenzoesäure in das Molekül eingebaut wird. Das Produkt ist mehr funktionell.
(Quelle: Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, Thieme, 2022)
