Biochemie der Nukleotide: Struktur und Biosynthese

Nukleotidstruktur und Grundlagen

Nukleotide sind Phosphorsäureester von Nukleosiden (Nukleosid + Phosphat = Veresterung der Pentose an C5'). Nach Abspaltung von Phosphat (Phosphorylierung / Pi) verbleibt das Nukleosid (heterozyklische Stickstoffbase [BN] + Pentose über eine N-glykosidische Bindung).

• Pyrimidine (gebunden über N-1): Cytosin (C), Uracil (U), Thymin (T)
• Purine (gebunden über N-9, Doppelringsystem): Adenin (A), Guanin (G)
• Pentose: Entweder Ribose oder Desoxyribose.

Eigenschaften der Stickstoffbasen (BN): Absorption im UV-Spektrum (260 nm), schwach basischer Charakter, planare Struktur, Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen sowie Keto-Enol- und Amin-Imin-Tautomerie.

De-novo-Biosynthese der Nukleotide

Ursprung der Atome:

• Purine: CO₂, Aspartat (Asp), Glycin (Gly), Glutamin (Gln), Tetrahydrofolsäure (THF).
• Pyrimidine: CO₂, Glutamin (Gln), Aspartat (Asp).

Aktivierung der Ribose

Ribose-5-phosphat (aus dem Pentosephosphatweg) + ATP → PRPP (Phosphoribosylpyrophosphat) via PRPP-Synthetase (Freisetzung von AMP).

De-novo-Synthese der Purine

Erfolgt im Zytosol; energieaufwendiger Syntheseweg, bei dem das Puringerüst schrittweise direkt auf dem Ribose-Gerüst aufgebaut wird:

PRPP + Glutamin → 5-Phosphoribosylamin (PRA) via Glutamin-PRPP-Amidotransferase (Gln → Glu + PPi) → [+ Gly + ATP → ADP] → [+ N-Formyl-THF → THF] → [+ Gln + ATP → Glu + ADP] → [Cyclisierung + ATP → ADP] → [+ CO₂] → [+ Asp + ATP → ADP] → [Fumarat-Abspaltung] → [+ N-Formyl-THF → THF] → [- H₂O] → IMP (Inosinmonophosphat).

Verzweigung von IMP:

1. IMP + Aspartat + GTP → Adenylosuccinat → [- Fumarat via Adenylosuccinat-Lyase] → AMP
2. IMP + H₂O + NAD⁺ → XMP via IMP-Dehydrogenase (IMP-DH); XMP + Glutamin + ATP + H₂O → GMP via GMP-Synthase (Glu + AMP + PPi)

Hinweis: Spezifische Nukleosidmonophosphat-Kinasen phosphorylieren die Basen weiter; die Nukleosiddiphosphat-Kinase (NDP-Kinase) ist unspezifisch.

Regulation der Purinbiosynthese

• Ribose-5-phosphat / PRPP-Synthetase: Partielle Hemmung durch AMP, GMP, IMP.
• Glutamin-PRPP-Amidotransferase: Synergistische Rückkopplungshemmung durch IMP, AMP und GMP.
• Adenylosuccinat-Synthetase: Spezifisch gehemmt durch AMP.
• IMP-Dehydrogenase: Spezifisch gehemmt durch GMP.

Wiederverwertungsweg (Salvage Pathway) der Purine

Nukleinsäuren → [Endonuklease] → Oligonukleotide → [Phosphodiesterase] → Nukleosidmonophosphate (NMP) → [Nukleotidase + H₂O → Pi] → Nukleoside → [Phosphorylase + Pi → Ribose-1-P] → Freie Basen (BN):

1. Adenin: Adenin + PRPP → AMP + PPi (via Adenin-Phosphoribosyltransferase / APRT)
2. Hypoxanthin / Guanin: Hypoxanthin/Guanin + PRPP → IMP / GMP + PPi (via Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase / HGPRT)

De-novo-Biosynthese der Pyrimidine

Erfolgt im Zytosol; der Pyrimidinring wird zunächst vollständig synthetisiert und anschließend an PRPP gekoppelt:

CO₂ + Glutamin + ATP → Carbamoylphosphat via Carbamoylphosphat-Synthetase II (CPS II) [Aktivierung durch ATP und PRPP; Hemmung durch CTP, UTP, UDP].

Carbamoylphosphat + Aspartat → N-Carbamoylaspartat (via Aspartat-Transcarbamylase) → Dihydroorotat → [Oxidation via NAD⁺ → NADH + H⁺] → Orotat (freie Pyrimidinbase) → [+ PRPP → PPi] → OMP → [- CO₂] → UMP (Rückkopplungshemmung durch UMP).

UMP + ATP → UDP (via UMP-Kinase) → [+ ATP] → UTP (via NDP-Kinase) → [+ Glutamin + ATP via CTP-Synthase] → CTP (Allosterische Hemmung durch CTP).

Wiederverwertung der Pyrimidin-Nukleotide

Nukleinsäuren → Hydrolyse → Uridin / Cytidin:

• Synthese von UMP: Uridin + ATP → UMP + ADP (via Uridin-Kinase)
• Synthese von CMP: Cytidin + ATP → CMP + ADP (via Cytidin-Kinase)

Bildung von Desoxyribonukleotiden

Die Reduktion der Ribonukleotide zu Desoxyribonukleotiden erfolgt durch:

1. Reaktion der Ribonukleotidreduktase (RNR) unter Verbrauch von NADPH + H⁺ → NADP⁺
2. Elektronentransportkette 1: Thioredoxin / Thioredoxin-Reduktase
3. Elektronentransportkette 2: Glutathion / Glutathion-Reduktase (Glutaredoxin)

Regulation der Ribonukleotidreduktase

• Globale Aktivitätsregulation: Allosterisch aktiviert durch ATP; allosterisch gehemmt durch dATP.
• Substratspezifische Regulation: Feinabstimmung der relativen Konzentrationen der einzelnen Desoxyribonukleotide über spezifische Effektor-Bindungsstellen.