Biochimica metabolismo - lezioni

PIROFOSFATASI INORGANICA

Un enzima citosolico che catalizza una reazione di idrolisi dei legami fosfoanidridici nel pirofosfato (PPi), rilasciando due ioni fosfato ed energia. Il legame fosfoanidridico è un legame ad alta energia, con una forte repulsione di carica, per cui la sua idrolisi risulta essere estremamente esoergonica.

A + B → C + PPi

Quando in una qualsiasi reazione A+B avviene il rilascio di PPi, l'enzima pirofosfatasi inorganica porta alla formazione di 2Pi (idrolizza il legame fosfoanidridico) in modo irreversibile, favorendo lo spostamento dell'equilibrio verso i prodotti. Questa reazione ha un ΔG° di -19 kcal/mol.

DA INOSINA MONOFOSFATO SI DIVIDE LA VIA PER VEDERE SE PRODURRE AMP O GMP4

In queste 11 reazioni vengono utilizzate 6 molecole di ATP e prodotte 5 molecole di ADP, 5 fosfati, 1 pirofosfato e 1 AMP. Si producono in base al GTP o in ATP. Vi è quindi un ingente dispendio energetico, motivo per cui la regolazione di questa

via risulta essere di grande importanza. Al termine di questa via metabolica avremo un nucleotide che, come detto in precedenza, non è utilizzato né nel DNA né nell'RNA, ossia l'IMP, il quale può intraprendere due vie differenti: trasformarsi in AMP o GMP:

AMPo abbiamo bisogno di due reazioni: attraverso l'enzima adenilosuccinato sintetasi, il gruppo amminico deve essere spostato da una molecola di aspartato all'IMP in posizione 6, e per farlo abbiamo bisogno di idrolizzare una molecola di GTP. Il prodotto di questa reazione, l'adenilosuccinato, deve essere a sua volta idrolizzato, per darci AMP e fumarato (tramite l'adenilosuccitato liasi).

GMPo abbiamo bisogno di un'ossidazione, aggiungendo un gruppo carbonilico in posizione 2 nella base azotata. Qui c'è bisogno dell'enzima IMP deidrogenasi che, usando una molecola di NAD+ come cofattore ed una molecola d'acqua, ci porta ad avere XMP (xantosina monofosfato),

che ha 2 gruppi carbonilici, e NADH.
XMP può, a questo punto, accettare un gruppo amminico da una molecola di glutammina per dare GMP, glutammato, AMP e PPi, utilizzando una molecola di ATP. Anche in questo caso il pirofosfato viene idrolizzato e sottratto dall'equilibrio. Notiamo la presenza di una reciprocità tra le due reazioni:
1. Per sintetizzare AMP, necessitiamo di GTP e, per ottenere GMP, è necessario l'ATP. Questo ci aiuta a mantenere stabili le quantità di ogni nucleotide.
2. La velocità di sintesi di AMP dipende dalla presenza di GTP, viceversa quella di GMP dipende dalla concentrazione di ATP.
3. GMP inibisce l'enzima IMP deidrogenasi perché se abbiamo grandi quantità di GMP, esso inibisce l'enzima IMP deidrogenasi, portando l'IMP a trasformarsi in AMP.
4. AMP inibisce l'enzima adenilosuccinato sintetasi perché, se abbiamo grandi quantità di AMP, non può trasformare IMP in AMP, ma servirà quantità inibitrice.

1. La formazione dei nucleotidi di fosfato sono reazioni catalizzate da enzimi estremamente specifici- nucleotide monofosfato chinasi specifica.
2. Una volta ottenuti AMP e GMP, otteniamo nucleotidi difosfato tramite successive fosforilazioni: AMP diventa ADP tramite trasferimento di un gruppo fosforico da ATP ad AMP, dando due molecole di ADP; anche GMP diventa GDP tramite trasferimento di un gruppo fosforico da ATP.
3. Gli enzimi coinvolti sono altamente specifici sia per il substrato (per i nucleotidi purinici abbiamo adenilato chinasi e guanilato chinasi) che per il donatore di fosfato (deve essere per forza ATP).
4. AMP + ATP → 2ADP
5. GMP + ATP → GDP + ADP
6. Per quanto riguarda la sintesi dei nucleotidi trifosfato, le cose sono diverse: GDP diventa GTP grazie all'azione dell'ATP, che conseguentemente si trasforma in ADP. L'ATP, invece, qui non si forma, avrebbe bisogno di un'altra molecola di...

ATP per formarsi, e ciò sarebbe inutile. In questa reazione, gli enzimi nucleoside difosfato chinasi sono aspecifici. Qualunque NDP o dNDP può essere l'accettore del gruppo fosfato. Il donatore di fosfato può essere NTP (nucleoside trifosfato) o dNTP (deossinucleoside trifosfato).

GDP + ATP → GTP + ADP

Al posto dell'ATP si potrebbe usare dATP, UTP o dUTP. Chiaramente, ATP non si forma così. Le sorgenti principali di ATP sono glicolisi e fosforilazione ossidativa. Le stesse reazioni vengono utilizzate per le interconversioni tra nucleotidi pirimidinici.

INIBIZIONE E ATTIVAZIONE

• La glutammina amidofosforibosiltransferasi (tappa di comando della via) è attivato in modo allosterico dal substrato PRPP o inibito da nucleotidi mono-, bi- o trifosfatici adeninici e guaninici (AMP, ADP, ATP, GMP, GDP, GTP).
• AMP inibisce l'adenilosuccinato sintetasi, che fa passare l'IMP ad AMP.
• GMP inibisce l'IMP deidrogenasi, che fa passare

l'IMP a GMP.

L'ATP è un reagente nella reazione che produce GMP

GTP è un reagente in quella che produce AMP.

Questa reciprocità serve a bilanciare la produzione di AMP e GMP.

SINTESI NUCLEOTIDI PIRIMIDINICI

La base pirimidinica viene sintetizzata indipendentemente partendo da aspartato, bicarbonato e un azoto derivante dal gruppo amminico della glutammina. Inoltre, soltanto in seguito alla sua formazione essa può essere unita al ribosio 5-fosfato attivato.

Gli atomi della base derivano da acido aspartico, bicarbonato e glutammina.

Si parte dai composti a basso peso molecolare che reagiscono tra loro a formare una nucleobase, la quale sarà il precursore dei nucleotidi e va sotto il nome di "orotato" (intermedio che non ha funzioni nel RNA o nel DNA). Essa è la prima base azotata che riusciamo a sintetizzare e che verrà condensata, formando un legame β-N-glicosidico, con una forma attivata del ribosio.

1. Dalla condensazione dei due otteniamo l'orotidina monofosfato (OMP), poi convertito in uridina monofosfato (UMP).
2. UMP viene fosforilato in uridina difosfato (UDP) grazie all'enzima specifico uridilato chinasi con l'aiuto di ATP, e ancora fosforilato in uridina trifosfato (UTP) grazie ad un enzima aspecifico nucleoside difosfato chinasi, dove, solo qui, avviene la modificazione della base azotata, ottenendo citidintrifosfato (CTP) con il trasferimento di un gruppo amminico (derivato dalla glutammina) in posizione 4 catalizzato dal CTP sintetasi.
3. Via diretta, quindi sufficiente prodotto finale. È SOLO CITOSOL, TRANNE UNA CHE AVVIENE NELLO SPAZIO INTERMEMBRANA MITOCONDRIALE.
4. PASSAGGI LINEARI
1. 2 ATP reagiscono con 1 molecola di bicarbonato, 1 glutammina e 1 molecola di acqua per formare carbammilfosfato (presente nel ciclo dell'urea).
2. Abbiamo la deaminazione della glutammina per formare il glutammato, 2 ATP vengono usate, la prima attiva il fosfato e per

formare carbossifosfato in cui avviene un attacco nucleofilo dell’ammina (che deriva dallaglutammina) sul carbossifosfato a dare carbanile, il quale viene fosforilato con la seconda molecola di ATPformando il carbammilfosfato con l’enzima carbammilfosfato sintetasi II (anch’esso si trova nel ciclodell’urea). Questa è l’unica reazione che avviene nel mitocondrio.

La reazione è analoga a quanto visto nel ciclo dell’urea, con le seguenti differenze:

1. CPS-I è un enzima mitocondriale, CPS-II è citosolico;
2. CPS-I utilizza come substrato lo ione NH4+ derivante dalla reazione di deamminazione ossidativacatalizzata dall’enzima glutammato deidrogenasi, CPS-II la glutammina che viene deammidata aglutammato;
3. CPS-II è parte di un enzima polifunzionale, ed è inibito da UDP, UTP, dUDP e CTP.

2. il carbammilfosfato condensa con l’aspartato rilasciando fosfato attraverso una reazione

catalizzata dall'enzima aspartato transcarbamilasi (ATC)asi ottenendo il carbammil aspartato.

L'enzima diidrorotasi promuove la ciclizzazione formando diidroorotato (diidro vuol dire che ha uno stato diossidazione particolare).

Questo può diventare orotato (passiamo da un legame singolo a un doppio legame, quindi è una reazione diossidazione). Il cofattore usato dalla diidroorotato diidrogenasi è il quinone che viene ridotto. L'orotato è una base pirimidinica (in sostanza è un uracile ma con un gruppo carbossilico derivante dall'aspartato in posizione 6) che non viene utilizzata negli acidi nucleici.

Orotato può condensare con il PRPP rilasciando il pirofosfato (che ancora una volta viene idrolizzato e tolto dall'equilibrio) e formando l'orotidina monofosfato (OMP); questa reazione è catalizzata dall'orotatofosforibosil transferasi.

Avviene infine la decarbossilazione dell'orotidina.

monofosfato con l'uso dell'enzima OMP decarbossilasi, rilasciando un CO2 e formando l'uridina monofosfato (UMP). UMP è il primo prodotto nucleotidico funzionale della biosintesi.

UTP deriva da due fosforilazioni successive ad opera prima di un enzima nucleotide monofosfato chinasi (uridilato7chinasi, specifico) e poi dell'enzima nucleoside difosfato chinasi (aspecifico).

Adesso bisogna sintetizzare la base: si aggiunge un gruppo amminico all'uracile (UTP) per ottenere citosina (CTP) e viene catalizzato dall'enzima CTPsintetasi. Il substrato è UTP, la glutammina è il donatore del gruppo amminico e si usa una molecola di ATP. In questo modo abbiamo il trasferimento del gruppo amminico dalla glutammina all'UTP, la glutammina viene deaminata e forma glutammato e l'ATP viene idrolizzato ad ADP e fosfato. È una reazione che viene attivata da nucleotidi trifosfato, in particolare GTP.

L'amminogruppo deriva dalla

glutammina nei mammiferi e dall'ammoniaca nei batteri. Reazione enzimatica attivata da GTP e inibita da CTP (prodotto) UTP + Gln + ATP → CTP + Glu + ADP + Pi REGOLAZIONE il flusso è regolato dall'enzima aspartato transcarbamilasi, enzima della seconda reazione, attivato da ATP e inibito da CTP con inibizione a feedback. I primi tre enzimi della via metabolica (CPS-II, ATCase, diidroorotasi) sono codificati da un unico polipeptide multifunzionale. Nei mammiferi c'è un ulteriore controllo tramite l'enzima OMP decarbossilasi, inibito dalle concentrazioni di UMP e CMP (quest'ultimo è prodotto dall'uso del CTP nelle reazioni metaboliche). SINTESI DEI DESOSSINUCLEOTIDI Ma perché si ha una via così specializzata per i ribonucleotidi e non per i desossinucleotidi? Ciò accade perché vi è molto più bisogno di RNA, infatti, la quantità di RNA di cui ha bisogno una cellula rispetto al DNA è dicirca 5/10 volte superiore.