Biochimica

Il metabolismo dei nucleotidi

In questo capitolo vedremo la sintesi, la degradazione e il recupero dei nucleotidi. La degradazione degli acidi nucleici è meno importante perché non è una fonte significativa di energia per gli animali. La sintesi è invece importantissima: i nucleotidi sono i mattoni con cui la cellula forma l’RNA e il DNA.

Le basi pirimidiniche e puriniche

Le basi azotate si distinguono in:

• Pirimidiniche: sono formate da un solo anello eterociclico, con due atomi di azoto e quattro di carbonio. Quello in basso è l’azoto 1 e poi si fa il giro il modo che l’altro azoto abbia il numero più basso.
• Puriniche: sono formate da due anelli eterociclici, uno a sei e uno a cinque. In tutto ci sono quattro atomi di azoto e cinque di carbonio. Quello a sinistra dell’anello a sei è l’azoto 1 e poi si fa il giro in modo che l’altro azoto abbia il numero più basso. La numerazione procede poi nell’altro anello dall’alto verso il basso.

Nelle pirimidine lo zucchero è attaccato all’azoto 1, mentre nelle purine all’azoto 9. Lo zucchero che viene attaccato alla base è il ribosio nel caso dei nucleotidi dell’RNA, mentre è il desossiribosio nel caso dei nucleotidi del DNA. La numerazione degli atomi dello zucchero è distinguibile da quella delle basi perché viene usato l’apice (es. 3’). La base è attaccata al carbonio 1’ dello zucchero. L’unione della base e dello zucchero dà il nucleoside, mentre con l’aggiunta anche di uno, due o tre gruppi fosfato si ottiene il nucleotide.

La sintesi delle purine

Le purine e le pirimidine hanno due vie di sintesi separate. Per sintesi delle purine intendiamo la sintesi dell’adenosina fosfato e della guanosina fosfato. La via costruisce prima un precursore comune di queste due purine, che è un nucleotide che non si trova né nell’RNA né nel DNA: il prodotto della sintesi è l’inosina monofosfato (IMP). La sintesi della base avviene direttamente sul ribosio fosfato.

La prima reazione è la produzione di una forma attivata del ribosio fosfato (fosforibosilpirofosfato o PRPP). Glutammina e aspartato sono donatori di gruppi amminici per la costruzione della base. Nel disegno i colori degli atomi della base azotata indicano la loro provenienza: quelli in azzurro derivano dalla glutammina, in verde dall’aspartato e in rosso dalla glicina. Il carbonio carbonilico deriva dal bicarbonato, mentre gli atomi di carbonio restanti sono aggiunti come gruppi formile utilizzando il THF.

L’IMP ha la struttura di base della purina, ma ha come sostituente caratteristico il gruppo carbonile in posizione 6. Le undici reazioni della sintesi non si dovranno sapere nel dettaglio.

La sintesi delle purine: prima tappa

La prima reazione della sintesi delle purine è la formazione della forma attivata dello zucchero: il fosforibosilpirofosfato (PRPP). Questo composto ha un fosfato attaccato al carbonio 5 (non si chiama 5’ perché lo zucchero non è ancora attaccato alla base) e due fosfati (gruppo pirofosfato) attaccati al carbonio 1. L’enzima ribosio fosfato pirofosfochinasi utilizza l’ATP per attaccare il pirofosfato.

La sintesi delle purine: seconda tappa

Sul PRPP si ha subito l’attacco di un gruppo amminico donato dalla glutammina. Questa reazione sfrutta l’idrolisi del pirofosfato. L’azoto che viene aggiunto sarà l’azoto 9 della purina. Il composto che si ottiene è la fosforibosilammina (PRA).

La sintesi delle purine: terza tappa

La sintesi dei nucleotidi è molto costosa in termini di ATP. Un’altra ATP viene utilizzata per inserire la glicina, che contribuisce ai due atomi di carbonio centrali del doppio anello e a un azoto. Questo intermedio si chiama GAR.

La sintesi delle purine: quarta tappa

Sul GAR si aggiunge un gruppo formile (-HC=O) a opera di un enzima che utilizza formil-THF. Il formile viene ceduto all’azoto della catena nascente. Questo intermedio (FGAR) ha un gruppo aldeidico che può facilmente formare un anello con una reazione di condensazione con l’azoto.

La sintesi delle purine: nona tappa

L’anello a cinque si è ormai formato ed è stato aggiunto un altro azoto derivante dalla glutammina. Si aggiunge anche un carbonio carbonilico che deriva dal bicarbonato, mentre l’altro azoto viene ceduto dall’aspartato (c’è un intermedio, chiamato SACAIR, in cui l’aspartato è legato con il suo gruppo amminico al carbonio carbonilico dell’anello a sei della purina). A questo punto, in una reazione simile a un passaggio del ciclo dell’urea, esce il fumarato (esce lo scheletro carbonioso, lasciando il gruppo amminico).

L’enzima è l’adenilosuccinato liasi. L’intermedio che si ottiene (AICAR) è quello che si ha anche nella biosintesi dell’istidina.

La sintesi delle purine: undicesima tappa

Per la chiusura dell’anello a sei avviene una reazione molto simile a quella per la chiusura dell’anello a cinque. Viene aggiunto un gruppo formile (gruppo aldeidico) su quello che sarà l’azoto 1 e si ha infine la chiusura dell’anello da parte della IMP cicloidrolasi. In questo viene formata l’inosina monofosfato, il prodotto finale della sintesi delle purine.

L’origine degli atomi dell’anello purinico

Bisogna saper descrivere questa biosintesi nei passaggi principali (non nel dettaglio) e conoscere la derivazione degli atomi del doppio anello, oltre a saperli numerare.

La conversione dell’IMP in AMP e GMP

L’IMP non è un nucleotide che si trova negli acidi nucleici: infatti, l’IMP viene convertito nei ribonucleotidi AMP e GMP. Per ottenere entrambi i composti, sono necessari due passaggi.

L’AMP ha un gruppo amminico al posto del gruppo carbonilico dell’IMP. Per fare questa sostituzione si utilizza un aspartato, che cede il proprio gruppo amminico. Si forma un intermedio che abbiamo visto simile nella sintesi (adenilosuccinato) e lo stesso enzima (adenilosuccinato liasi) elimina il fumarato per formare l’AMP.

Rispetto all’IMP, la GMP ha in più un gruppo amminico in posizione 2. Prima si ha un’ossidazione, con la formazione di un C=O a opera della IMP deidrogenasi. Infine, una glutammina cede l’azoto della propria catena laterale a opera della GMP sintetasi.

La sintesi dei nucleosidi trifosfato dai nucleosidi monofosfato

Per completare la sintesi è possibile aggiungere dei gruppi fosfato ai nucleosidi monofosfato (NMP) per fare i nucleosidi difosfato (NDP) e trifosfato (NTP). L’aggiunta avviene prima formando il nucleoside difosfato per mezzo di due enzimi separati (adenilato chinasi e guanilato chinasi), che usano l’ATP per donare il fosfato. Infine, un unico enzima (nucleoside difosfato chinasi) prende un nucleoside difosfato e un diverso nucleoside trifosfato per trasferire un gruppo fosfato. Questo nucleoside purinico trifosfato è quello che si usa nella sintesi dell’RNA: si arriva a un nucleotide con il ribosio.

Il controllo della biosintesi delle purine

La sintesi delle basi è strettamente regolata. C’è