Metabolismo nucleotidi

Metabolismo basi azotate

Funzioni metaboliche dei nucleotidi

• Unità monomeriche degli acidi nucleici
• Metabolismo energetico (ATP)
• Mediatori fisiologici (cAMP, proteine G)
• Intermedi attivati (UDP-glucidi, SAM, CDP-derivati)

Basi pirimidiniche

- Citosina o 2-ossi-4-ammino pirimidina: presente solo nella forma chetonica (lattamica)
- Uracile o 2,4-diossi pirimidina: presente solo nella forma chetonica (lattamica)
- Timina o 2,4-diossi-5-metil pirimidina: presente solo nella forma chetonica (lattamica)

Basi puriniche

- Adenina o 6-aminopurina: presente nella forma enolica o lattimica
- Guanina o 2-ammino-6-ossi purina: presente solo nella forma chetonica (lattamica)

Vi sono due basi puriniche che non fanno parte della struttura dei nucleotidi ma sono intermedi della via di degradazione delle purine stesse. Sono:
- Ipoxantina
- Xantina o 2,6-diossi purina

Xantina + ribosio: xantosina
Xantosina + P: xantosina monofosfato (XMP)

Digestione degli acidi nucleici

Gli acidi nucleici ingeriti con la dieta vengono scissi da diversi enzimi:

• Nucleasi: enzimi che scindono le catene nucleotidiche formando oligonucleotidi. Sono endonucleasi perché agiscono all'interno della catena e si dividono in ribonucleasi e desossiribonucleasi.
• Fosfodiesterasi: enzimi che scindono i legami fosfodiesterici, formando nucleosidi monofosfato.
• Nucleotidasi: enzimi che scindono il nucleoside dal fosfato. I nucleosidi sono la principale forma assorbita.
• Nucleosidasi: enzimi che separano lo zucchero dalla base.

La specificità degli enzimi pancreatici dà come risultato i 3’-nucleotidi e quella degli enzimi lisosomiali dà i 5’-nucleotidi. La scissione da parte delle nucleosidasi produce ribosio-1-fosfato (o deossiribosio-1-fosfato), in equilibrio con il ribosio 5-fosfato che può essere utilizzato nella formazione di nucleotidi o nella via degli esosi fosfato. Mentre c’è un significativo turn-over di tutti i tipi di RNA, non vi è del DNA, che viene mantenuto più stabile. Porzioni di DNA possono essere tagliate per meccanismi di riparo.

Tracciando le basi con traccianti radioattivi si è visto che:

• La maggior parte delle basi assorbite viene escreta.
• In piccola parte viene assorbita per formare nuovi nucleotidi, tramite la “via di salvataggio”.

Sintesi dei nucleotidi purinici

La sintesi dei nucleotidi può avvenire per:

• Sintesi de novo: sintesi che avviene utilizzando i precursori quali amminoacidi, ribosio 5-fosfato, CO e NH₂.
• Via di salvataggio: sintesi che ricicla le basi libere e i nucleotidi che derivano dalla demolizione degli acidi nucleici.

Sintesi de novo

Alla sintesi de novo dei nucleotidi prendono parte:

• 3 amminoacidi:
  • Glicina, per la sintesi delle purine
  • Aspartato, per la sintesi di purine e pirimidine
  • Glutammina, per la sintesi di purine e pirimidine
• Carbamil fosfato, per la sintesi delle pirimidine
• CO₂, per la sintesi delle purine
• Fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP), sintetizzato a partire dal ribosio 5-fosfato, per la sintesi di purine e pirimidine.

Formazione del Fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP)

La forma attivata del ribosio-5-fosfato è il fosforibosil-1-pirofosfato o PRPP. Questo si forma tramite l'enzima ribosio-5-fosfato pirofosfochinasi o PRPP sintasi, che trasferisce un pirofosfato al C1 del ribosio, convertendo 1 ATP in 1 AMP. Il PRPP è un intermedio chiave di molte vie metaboliche, compresa la sintesi di NAD/NADP.

Sintesi delle purine

La sintesi delle purine ex novo avviene principalmente nel fegato, mentre negli altri organi si predilige il riciclo degli acidi nucleici. Esse non vengono sintetizzate separatamente, ma direttamente come nucleosidi monofosfato, a partire dal PRPP. Sul PRPP si legano in successione atomi ceduti da diversi donatori, fino ad ottenere un derivato purinico, l'inosina 5’monofosfato o IMP. Dall’IMP si formano poi sia adenosina 5’-monofosfato (AMP) che guanosina 5’-monofosfato (GMP).

PRPP → aggiunta di atomi → inosina 5’monofosfato (IMP) → AMP e GMP

Nella sintesi dei nucleotidi si procede quindi sintetizzando prima i ribonucleotidi e poi, tramite la loro modificazione, i desossiribonucleotidi.

Fasi della sintesi

I tappa: Fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP) → 5-fosforibosilammina

Enzima: glutammina PRPP transferasi

In questa tappa viene utilizzata l'energia derivante dalla liberazione del pirofosfato per trasferire all'atomo di carbonio 1 del PRPP un gruppo amminico proveniente dalla glutammina, formando la 5-fosforibosilammina. La glutammina viene convertita quindi in glutammato.

II tappa: 5-fosforibosilammina + glicina → 5’-fosforibosilglicinamide (GAR)

Enzima: GAR sintasi

Questa reazione prevede la formazione di un legame ammidico tra il gruppo carbossilico della glicina e il gruppo amminico presente sul 5-fosforibosilammina. L’amminoacido glicina viene trasferito interamente sul precursore andando a formare, tramite l’enzima GAR sintasi, la 5’-fosforibosilglicinamide (GAR). Questa reazione avviene tramite idrolisi di 1 ATP in ADP + Pi.

III tappa: 5’-fosforibosilglicinamide (GAR) → 5’-fosforibosil-formil-glicinamide (FGAR)

Enzima: GAR transformilasi

In questa reazione viene aggiunto un gruppo formilico preso dal N₁₀-formil-tetraidrofolato che si converte in tetraidrofolato. Queste sono le prime reazioni che portano poi alla sintesi dell’inosinato o IMP. Dall’inosinato si formano sia AMP che GMP. La concentrazione cellulare di inosinato è solitamente bassa proprio perché usato massivamente nella formazione dei nucleosidi monofosfato.

Sintesi di adenosina mono fosfato (AMP)

I tappa: IMP + aspartato → adenilsuccinato

Enzima: adenilsuccinato sintetasi

Questa prima reazione prevede il trasferimento del gruppo amminico dell’aspartato sul C6 dell’IMP. La reazione utilizza GTP che viene idrolizzato a GMP + Pi. La formazione di AMP necessita quindi di GTP.

II tappa: Adenilsuccinato → fumarato + AMP

Enzima: adenilsuccinato liasi

In questa tappa il gruppo amminico si stacca dall’aspartato e rimane sull’AMP, mentre si libera fumarato.

Sintesi di GTP

Anche la sintesi di GTP inizia a partire dall’IMP.

I tappa: Inosinato (IMP) → Xantilato (XMP)

Enzima: IMP deidrogenasi

Questa reazione avviene tramite l’ossidazione dell’anello da parte della IMP deidrogenasi. Contemporaneamente avviene la riduzione di un NAD a NADH.

II tappa: Xantilato (XMP) → GMP

Enzima: GMP sintasi

Nella seconda tappa una molecola di glutammina fornisce un gruppo amminico al C2 del XMP, convertendosi in glutammato. La reazione necessita di ATP che si scinde in ADP + Pi.

Regolazione della sintesi dei nucleotidi

La strategia che adotta la cellula per mantenere una sintesi equilibrata di nucleotidi è quella di utilizzare:

• GTP nella sintesi di AMP: la disponibilità di GTP aumenta la sintesi di AMP.
• ATP nella sintesi di GMP: la disponibilità di ATP aumenta la sintesi di GMP.