Biochimica 9: metabolismo delle basi azotate e dei nucleotidi

BIOSINTESI DELLE BASI AZOTATE E DEI NUCLEOTIDI

Il nucleotide è fatto da una base azotata, purinica o pirimidinica, legata ad uno zucchero pentoso (ribosio

o deossiribosio) mediante un legame β-glicosidico in posizione 1’. Inoltre, vi è la presenza di uno, due o tre

gruppi fosfato denominati, rispettivamente, α, β e γ.

La biosintesi di purine, pirimidine e nucleotidi stessi è un processo regolato in maniera molto complessa.

Questa precisa regolazione è molto importante, poiché tende a bilanciare la produzione dei vari tipi di

nucleotidi, per generare un numero pressoché uguale di nucleotidi purinici e nucleotidi pirimidinici. La

regolazione, dunque, è soprattutto un’inibizione di tipo feedback in cui il prodotto della biosintesi di un

nucleotide, che sia purinico o pirimidinico, o di una base, inibisce l’intera via che porta alla sua

produzione.

La biosintesi dei nucleotidi può avvenite in due diverse vie: vi è la biosintesi de novo, in cui le basi vengono

sintetizzate a partire da precursori molto piccoli, e la biosintesi di salvataggio, in cui le basi azotate sono

recuperate mediante la dieta o biosintetizzate attraverso altri pathways derivanti dalla degradazione degli

acidi nucleici. Quasi tutti gli organismi sono in grado di sintetizzare le basi azotate de novo, ma non tutti

possono anche recuperarle.

Il processo di biosintesi delle basi azotate è, in generale, un meccanismo molto dispendioso

energeticamente. In più, la degradazione delle basi azotate non fornisce energia, al contrario, invece, di

quella del ribosio o del deossiribosio.

BIOSINTESI DE NOVO DELLE PURINE

La biosintesi de novo delle purine avviene a partire dal 5-fosforibosil-1-pirofosfato, da cui si ottengono

direttamente i ribonucleotidi-monofosfato (AMP o GMP). Per la sintesi si utilizzano amminoacidi, CO₂ e

tetraidrofolato. Le tappe della biosintesi de novo delle purine portano alla formazione di un prodotto

comune, detto IMP (inositato). L’IMP, poi, può prendere due vie metaboliche diverse per produrre o AMP

o GMP. La biosintesi de novo delle purine richiede ATP o GTP: per produrre l’inosinato, infatti, sono

richieste 7 molecole di ATP.

5-fosforibosil-1-pirofosfato - Il 5-

fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP) è la

forma attivata del ribosio e partecipa

alla biosintesi, sia de novo che di

recupero, dei nucleotidi purinici. Il

PRPP si ottiene mediante una reazione

catalizzata dalla PRPP-sintasi, che

trasforma il ribosio-5-fosfato

proveniente dalla via del pentoso

fosfato in PRPP, utilizzando due

molecole di ATP per aggiungere il

pirofosfato sul substrato (dunque,

rilasciando AMP).

Basi puriniche - Ad oggi si sa da dove derivano tutti gli atomi delle basi puriniche.

• Le fonti di azoto (N) sono acido aspartico, glutammina e glicina;

• Le fonti di carbonio (C) sono glicina, CO₂ e tetraidrofolato.

Tappe della biosintesi de novo delle basi puriniche - Dopo che il ribosio-5-fosfato viene convertito in 5-

fosforibosil-1-pirofosfato dalla PRPP-sintasi, esso viene incanalato nelle diverse tappe della biosintesi de

novo delle basi puriniche.

• Nella prima fase, l’enzima glutamin-PRPP-ammidotrasferasi trasferisce il gruppo ammidico di una

molecola di glutammina (che diventa glutammato) in posizione 1’ del PRPP, che però perde il

pirofosfato e diventa, dunque, 5-fosfo-β-D-ribosilammina.

• Nella seconda fase, l’enzima GAR-sintetasi catalizza il legame di una molecola di glicina a livello del

gruppo amminico della 5-fosfo-β-D-ribosilammina, formando glicinammide-ribonucleotide (GAR)

e spendendo una molecola di ATP.

• Nella terza fase, l’enzima GAR-transformilasi catalizza l’aggiunta di un gruppo formilico a livello

dell’azoto della glicinammide-ribonucleotide formando formil-glicinammide-ribonucleotide

(FGAR). Il gruppo formilico viene donato dal coenzima della GAR-transformilasi, ossia il

tetraidrofolato, che passa da N¹⁰-formil-tetraidrofolato a tetraidrofolato.

• Nella quarta fase, l’enzima FGAM-sintetasi catalizza l’aggiunta di un gruppo amminico alla formil-

glicinammide-ribonucleotide, che diventa formil-glicinamidina-ribonucleotide (FGAM). Anche

questa reazione richiede una molecola di ATP.

• Nella quinta fase, l’enzima AIR-sintetasi catalizza una reazione di deidratazione che fa chiudere

l’anello, formando dunque 5-amminoimidazolo-ribonucleotide e spendendo un’ulteriore molecola

di ATP.

• Nella sesta fase, l’enzima AIR-carbossilasi catalizza una reazione di carbossilazione del 5-

amminoimidazolo-ribonucleotide che non richiede biotina, formando N⁵-carbossi-

amminoimidazolo-ribonucleotide (CAIR).

• Nella settima fase, l’enzima N⁵-CAIR-mutasi catalizza lo spostamento del gruppo carbossilico

nell’ambito dello stesso substrato, formando 5-ammino-4-carbossi-amminoimidazolo-

ribonucleotide (ACAIR).

• Nell’ottava fase, l’enzima SAICAR-sintetasi catalizza il legame di una molecola di aspartato al 5-

ammino-4-carbossi-amminoimidazolo-ribonucleotide formando N-succinil-5-amminoimidazolo-4-

carbossiammide-ribonucleotide (SAICAR). Questa reazione vede la spesa di una molecola di ATP.

• Nella nona fase, l’enzima adenilo-succinato-liasi catalizza la liberazione di una molecola di

fumarato dal SAICAR, formando 5-amminoimidazolo-4-carbossiammide-ribonucleotide (AICAR).

• Nella decima fase, l’enzima AICAR-transformilasi catalizza l’aggiunta di un gruppo formilico

all’AICAR formando N-formil-amminoimidazolo-4-carbossiammide-ribonucleotide (FAICAR).

Anche in questo caso, il coenzima è il tetraidrofolato.

• L’undicesima e ultima fase forma l’inosinato (IMP). L’IMP-sintasi catalizza la ciclizzazione del

FAICAR attraverso una reazione di idratazione, formando dunque inosinato.

Destini dell’inosinato - L’inosinato (IMP) formato dalla biosintesi purinica può trasformarsi in AMP o in

GMP.

• Per formare AMP, l’inosinato viene sottoposto a due reazioni. Nella prima esso viene legato al

succinato dall’adenilo-succinato-sintetasi con dispendio di una molecola di GTP e si forma

adenilo-succinato. In seguito, l’adenilo-succinato viene scisso dall’adenilo-succinato-liasi ad AMP

+ fumarato.

• Per formare GMP, l’inosinato viene sottoposto a due reazioni. Nella prima esso viene

deidrogenato dall’IMP-deidrogenasi, e si forma xantosina-monofosfato. Nella seconda la GMP-

sintetasi scinde una molecola di ATP per aggiungere un gruppo ammidico alla xantosina-

monofosfato formando GMP.

BIOSINTESI DI RECUPERO DELLE PURINE

La biosintesi di recupero delle basi puriniche è detta via di salvataggio delle purine e consiste nella sintesi

di nucleotidi purinici monofosfato a partire da precursori più complessi provenienti dal catabolismo degli

acidi nucleici.

Ad esempio, se si ha la disponibilità di adenina, essa viene dapprima legata al 5-fosforibosil-1-pirofosfato,

formando l’adenilato (AMP): la formazione di AMP a partire da adenina avviene, dunque, mediante una

sola reazione e ciò evita l’eccessivo dispendio energetico (di 7 molecole di ATP) che comporterebbe la

sintesi de novo.

Analogamente, l’ipoxantina e la guanina possono essere legate al 5-fosforibosil-1-pirofosfato per formare,

rispettivamente, IMP e GMP.

L’adenina-fosforibosil-trasferasi (APRT) catalizza il legame dell’adenina con il PRPP; l’ipoxantina-guanina-

fosforibosil-trasferasi (HGPRT) catalizza, invece, il legame di ipoxantina o guanina con il PRPP.

Sindrome di Lesch-Nyhan - Nel tessuto nervoso la biosintesi de novo delle purine non è particolarmente

efficiente, dunque la biosintesi di recupero assume un’importanza fondamentale.

In virtù di ciò, malfunzionamenti di questa via di salvataggio delle purine porta ad una patologia detta

sindrome di Lesch-Nyhan. La sindrome di Lesch-Nyhan è dovuta, di fatto, alla mancanza dell’enzima

HGPRT, che porta ad una produzione di acido urico destinato all’eliminazione; tuttavia, l’acido urico, nei

mammiferi, può anche andare incontro ad accumulo sotto forma di cristalli e portare ai sintomi della

sindrome di Lesch-Nyhan: automutilazione, ritardo mentale e mancanza di coordinazione nei movimenti.

REGOLAZIONE DELLA BIOSINTESI DE NOVO DELLE PURINE

La biosintesi de novo delle purine viene regolata tramite meccanismi di inibizione di tipo feedback. Gli

inibitori sono i prodotti stessi dell’intera via metabolica, ossia i nucleotidi purinici, e l’enzima bersaglio è

la glutamin-PRPP-ammidotrasferasi, ossia l’enzima che catalizza la tappa regolata, la prima, di

conversione del 5-fosforibosio-1-pirofosfato a 5-fosfo-β-D-ribosilammina.

IMP, GMP e AMP inibiscono l’azione della glutamin-PRPP-ammidotrasferasi in maniera cumulativa,

mentre la sua azione è stimolata da alti livelli di substrato, ossia di 5-fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP).

Un altro inibitore, questa volta competitivo, della glutamin-PRPP-ammidotrasferasi è la azoserina,

composto analogo della glutammina.

Un altro livello di regolazione della biosintesi de novo delle purine è la conversione di inositato (IMP) a

guanilato (GMP) o adenilato (AMP). Dunque, gli enzimi regolati sono l’IMP-deidrogenasi, la GMP-

sintetasi, l’adenilo-succinato-sintetati e l’adenilo-succinato-liasi, inibiti dai prodotti delle vie metaboliche:

AMP e GMP stessi.

Interconversione dei nucleotidi purinici - Un altro metodo di regolazione della produzione di AMP e GMP è

la via di interconversione dei nucleotidi purinici, che converte AMP a GMP e viceversa al fine di bilanciare

i livelli di questi ultimi. L’interconversione purinica è un processo indiretto: sia AMP che GMP, per essere

interconvertiti, devono essere ritrasformati in IMP; il GMP viene ridotto e deaminato ad IMP dall’enzima

NADPH-dipendente GMP-reduttasi; l’AMP viene, invece, deaminato a IMP dall’AMP-deaminasi che

rilascia ammoniaca.

Dato che AMP e GMP devono essere bilanciati, logicamente, alti livelli di GTP stimolano la GMP-reduttasi

(inibita, invece, da xantosina-monofosfato, substrato della conversione opposta IMP -> GMP), mentre alti

livelli di ATP stimolano la AMP-deaminasi (inibita, invece, da GDP e GTP)

BIOSINTESI DE NOVO DELLE PIRIMIDINE

La differenza sostanziale fra la biosintesi de novo delle purine e la biosintesi de novo delle pirimidine è

che quest’ultima non avviene a partire da PRPP; al contrario, si ha la sintesi della base azotata con

successiva aggiunta del ribosio.

La via biosintetica de novo delle pirimidine porta, dapprima, alla formazione di orotato, il quale contiene la

struttura completa a 6 atomi dell’anello pirimidinico; successivamente, l’orotato viene legato al 5-

fosforibosil-1-pirofosfato, formando orotidilato (OMP), da cui deriva, infine, l&