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B978-3-437-43690-1.10010-5

10.1016/B978-3-437-43690-1.10010-5

978-3-437-43690-1

Aufbau der Nucleotide. Sie bestehen aus einer Base, einem Zucker und Phosphatgruppen.

Herkunft der einzelnen Atome im Purinring.

Bildung von Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) aus Ribose-5-phosphat und ATP.

Bildung von IMP. Die zehn Schritte der Purinbiosynthese bis zum Inosin-5-monophosphat (IMP).

Bildung von AMP und GMP. Nach der Bildung von IMP trennen sich die Synthesewege von Adenylat und Guanylat. Die Einführung von Aminogruppen in den Purinring ist an die Hydrolyse von GTP bzw. ATP gekoppelt (Abb. 10.6).

Regulation der Purinbiosynthese. Eine Hemmung durch negative Rückkopplung findet im Purinbiosyntheseweg an drei Stellen statt. Eine positive Kontrolle erfolgt durch Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP), das die Bildung von Phosphoribosylamin stimuliert.

Gegenseitige Umwandlung von Purinnucleotiden. IMP wird durch die GMP-Reduktase bzw. die AMP-Desaminase gebildet. Vom IMP aus geht es über die Schritte der De-novo-Synthese (Abb. 10.5) weiter zu AMP bzw. GMP.

Purinnucleotidzyklus.

Wiederverwertung der Purinbasen (Salvage pathway). APRT Adenin-Phosphoribosyl-Transferase, HGPRT Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase.

Abbau der Purinnucleoside zu Harnsäure.

Therapie und klinisches Bild der Gicht. a) Allopurinol hemmt die Xanthin-Oxidase und damit den Purinabbau zu Harnsäure. b) Chronische Gicht mit stark ausgeprägter Knotenbildung (sog. Gichttophi).

Biosynthese des Pyrimidinrings. Die ersten drei Schritte werden von einem Protein mit drei Enzymaktivitäten katalysiert. Dieses Multifunktionsprotein wird nach den Anfangsbuchstaben seiner drei Enzymaktivitäten als CAD bezeichnet. Die Dihydroorotat-Dehydrogenase ist ein mitochondriales Enzym. Die letzten beiden Schritte werden wieder von einem multifunktionellen Protein, der UMP-Synthetase, katalysiert.

Abbau des Pyrimidinrings zu -Alanin bzw. -Aminoisobutyrat.

Schematische Struktur der Ribonucleotid-Reduktase. Ein Tyrosylradikal in der R2-Untereinheit gibt Elektronen an Eisen und weiter an SH-Gruppen von Cysteinen in der R1-Untereinheit ab. Im katalytischen Zentrum werden diese auf die OH-Gruppe des C2-Atoms übertragen, was die Reduktion am C2 einleitet. Dabei werden die SH-Gruppen der Ribonucleotid-Reduktase oxidiert. Das Enzym muss für eine neue Runde regeneriert werden.

Regeneration der Ribonucleotid-Reduktase mithilfe von Thioredoxin oder Glutaredoxin (zwei kleine Proteine mit aktiven Cysteinresten) und der Thioredoxin-Reduktase.

Zusammenhang zwischen ADA-Mangel und Immunschwäche.

Bildung von Desoxythymidin-5-monophosphat (dTMP) durch Methylierung von Desoxyuridin-5-monophosphat (dUMP).

Sulfonamide sind Strukturanaloga der p-Aminobenzoesäure, eines Bausteins der bakteriellen Folsäuresynthese. Sie wirken als kompetitive Hemmstoffe der Folsäurebildung und hemmen damit die Thymidinsynthese einer Vielzahl von Bakterien.

Einige therapeutisch wirksame Agenzien, die sich von Nucleosiden ableiten oder in den Nucleosidstoffwechsel eingreifen.

Nomenklatur wichtiger Basen, Nucleoside und Nucleotide

Tab. 10.1
Basen Nucleoside Nucleotide
Adenin Adenosin
Desoxyadenosin
Adenylate: AMP, ADP, ATP
Desoxyadenylate: dAMP, dADP, dATP
Guanin Guanosin
Desoxyguanosin
Guanylate: GMP, GDP, GTP
Desoxyguanylate: dGMP, dGDP, dGTP
Hypoxanthin Inosin
Desoxyinosin
Inosylate: IMP, IDP, ITP
Desoxyinosylate: dIMP, dIDP, dITP
Xanthin Xanthosin
Desoxyxanthosin
Xanthosylate: XMP, XDP, XTP
Desoxyxanthosylate: dXMP, dXDP, dXTP
Uracil Uridin
Desoxyuridin
Uridylate: UMP, UDP, UTP
Desoxyuridylate: dUMP, dUDP, dUTP
Cytosin Cytidin
Desoxycytidin
Cytidylate: CMP, CDP, CTP
Desoxycytidylate: dCMP, dCDP, dCTP
Thymin Desoxythymidin
Ribothymidin
Desoxythymidylate: TMP, TDP, TTP
Ribothymidylate: rTMP, rTDP, rTTP

Struktur und Stoffwechsel der Nucleotide

T. Igo-Kemenes

  • 10.1

    Nomenklatur und Chemie der Nucleotide 288

  • 10.2

    Purinstoffwechsel 289

  • 10.2.1

    Purinbiosynthese289

  • 10.2.2

    Purinwiederverwertung (Salvage pathway)293

  • 10.2.3

    Purinabbau295

  • 10.3

    Pyrimidinstoffwechsel 298

  • 10.3.1

    Pyrimidinbiosynthese298

  • 10.3.2

    Pyrimidinwiederverwertung300

  • 10.3.3

    Pyrimidinabbau300

  • 10.4

    Biosynthese der Desoxyribonucleotide 301

  • 10.4.1

    Ribonucleotid-Reduktase301

  • 10.4.2

    Regulation der Desoxyribonucleotid- synthese302

  • 10.4.3

    Thymidinsynthese302

  • 10.4.4

    Inhibitoren des Nucleotidstoffwechsels303

Praxisfall

Ein 54-jähriger übergewichtiger Patient kommt humpelnd in die Sprechstunde. Er sei nachts mit heftigen Schmerzen im Fuß aufgewacht und habe bemerkt, dass seine Zehe geschwollen sei. Auftreten könne er auch nicht mehr. Auf Befragen gibt er an, bei einem Familienfest reichlich gegessen und Alkohol getrunken zu haben. Bei der Inspektion zeigt sich eine Schwellung über dem Zehengrundgelenk mit allen Zeichen einer akuten Entzündung (Rötung, Schwellung, Berührungsschmerz). Außerdem fällt dem Mann ein, dass auch sein Vater an solchen Schmerzanfällen gelitten habe. Die Laboranalyse ergibt eine auf 11.000 erhöhte Leukozytenzahl; die Harnsäure beträgt 10,8 mg/dl (Normalbereich: 2,5–8,0 mg/dl 0,15–0,45 mmol/L). Unter Behandlung mit einem nichtsteroidalen Antiphlogistikum (z.B. Diclofenac) klingen die Beschwerden rasch ab. Es wird eine Ernährungsberatung durchgeführt und eine Behandlung mit Allopurinol (300 mg/d) eingeleitet.

Was war passiert? Der Patient erlitt einen akuten Gichtanfall. Bei diesem vermutlich genetisch prädisponierten Patienten führte eine üppige, wahrscheinlich purinreiche Mahlzeit (z.B. Fleisch, Innereien), verbunden mit reichlichem Alkoholgenuss, zu einer Erhöhung des Harnsäurespiegels. Purine werden im Körper zu Harnsäure abgebaut; Alkohol führt über eine Erhöhung der Konzentration organischer Säuren (Acetat, Lactat) im Serum zu einer verminderten renalen Harnsäureelimination. Bei Überschreiten der Löslichkeitsgrenze fällt Harnsäure in den Gelenken, Schleimbeuteln oder Sehnenscheiden aus und führt zu lokalen Entzündungen, was unerträgliche Schmerzen verursacht. In der Niere können solche Ablagerungen zur chronischen Niereninsuffizienz führen. Die Aufklärung der einzelnen Schritte des Purinabbaus war die Voraussetzung für die effektive medikamentöse Behandlung mit Allopurinol, einem Hemmstoff der Xanthin-Oxidase.

Zur Orientierung

Nucleotide sind Bausteine der Nucleinsäuren, einiger Coenzyme (z.B. CoA, NADH, FADH2, SAM, Adenosylcobalamin), von aktivierten Zuckern (z.B. UDP-Glucose) und Lipiden (z.B. CDP-Cholin, CDP-Diacylglycerin). Sie sind wichtige Energieträger der Zelle (ATP), dienen als Regulatoren von Enzymaktivitäten (AMP, ADP, ATP, GTP etc.), Proteinbiosynthese (GTP/GDP) und von Signaltransduktionswegen (z.B. cAMP oder cGMP als Second messenger).

In allen kernhaltigen Zellen des Organismus findet ein hoher Umsatz an Nucleotiden statt. Zur Aufrechterhaltung einer adäquaten intrazellulären Nucleotidkonzentration dienen die genau aufeinander abgestimmten De-novo-Biosynthese und Wiederverwertungsreaktionen (Salvage pathways). Genetisch bedingte Defekte führen zu Krankheiten wie Gicht, Lesch-Nyhan-Syndrom und bestimmten Formen der Immundefizienz. Chemisch veränderte Nucleotide können therapeutisch für die Bekämpfung von Viren oder maligne entarteten Zellen sowie zur Immunsuppression bei Autoimmunerkrankungen eingesetzt werden.

Der Bedarf an Nucleotiden wird zu großen Teilen durch die Purin- und die Pyrimidinbiosynthese gedeckt. Die Enzyme für die De-novo-Purinbiosynthese sind im Zytosol aller kernhaltigen Zellen lokalisiert. Erythrozyten können den Purinring nicht aufbauen und sind deshalb auf die Wiederverwertung besonders angewiesen. Pyrimidinnucleotide werden ebenso wie Purinnucleotide v.a. für die Zellproliferation und Genexpression in größeren Mengen benötigt. Die Ringatome der Pyrimidine stammen aus Carbamoylphosphat und Aspartat.

Zu den wichtigen Nucleotiden gehören die Desoxyribonucleotidtriphosphate, denn sie sind die aktiven Vorstufen bei der DNA-Synthese und -Reparatur. Sie werden in größeren Mengen während der S-Phase des Zellzyklus für die Replikation der DNA benötigt. Menschliche Zellen besitzen normalerweise keinen großen Vorrat an Desoxyribonucleotiden; diese werden vielmehr vor Eintritt der Zelle in die S-Phase des Zellzyklus gebildet. Geringere Mengen an Desoxyribonucleotiden werden in allen Phasen des Zellzyklus für die Reparatur beschädigter DNA benötigt. Besteht während der Replikation ein Mangel an aktiven Vorstufen, kann es zum programmierten Zelltod (Apoptose) kommen. Zahlreiche Strategien zur Bekämpfung maligne entarteter Zellen zielen auf eine Beeinträchtigung der Replikation durch gezielte Verarmung an Desoxyribonucleotiden.

Nomenklatur und Chemie der Nucleotide

Nucleotide bestehen aus drei Komponenten: einer Base, einem Zucker und Phosphatgruppen. Die C-Atome der Zucker werden mit Nummern und einem Strich (z.B. 5), die Ringatome der Basen ohne Strich durchnummeriert. Nucleoside heißen die Bausteine, wenn ihnen die Phosphatgruppe fehlt (Abb. 10.1). Die Basen der Nucleinsäurebausteine sind entweder Purine oder Pyrimidine. Die häufigsten Purine sind Adenin (A) und Guanin (G), die häufigsten Pyrimidine Cytosin (C), Uracil (U) oder Thymin (T). Als Zucker dienen immer Pentosen: Ribose bei den Ribonucleotiden, Desoxyribose bei den Desoxyribonucleotiden. Das 5-Atom des Zuckers der Nucleotide trägt Phosphatgruppen: entweder ein Monophosphat (z.B. AMP), ein Diphosphat (z.B. ADP) oder ein Triphosphat (z.B. ATP).
Die Nomenklatur der Basen, Nucleoside und Nucleotide (Tab. 10.1) ist historisch bedingt verwirrend. Meist werden jedoch die Abkürzungen (z.B. AMP, GMP, UMP, CMP, TMP) benutzt, da diese eindeutiger sind. Nucleotide enthalten Phosphatgruppen, die sie zu starken Säuren machen. In der Zelle liegen sie deshalb in dissoziierter Form als Salze dieser Säuren vor. Die Endung der Nucleotide auf -at (z.B. Adenylat, Guanylat) kennzeichnet die Bausteine der Nucleinsäuren als Anionen starker Säuren.
Der Zucker ist mit der Base über eine -N-glykosidische Bindung verknüpft. Diese Bindung wird durch Laugen nicht gespalten. Die N-glykosidische Bindung der Pyrimidine ist auch gegen Säuren stabil, die der Purine dagegen nicht.
Nucleotide sind Bausteine der Nucleinsäuren Desoxyribonucleinsäure (engl. deoxyribonucleic acid DNA) und Ribonucleinsäure (ribonucleic acid RNA). Sie enthalten dieselben Purinbasen (Adenin, Guanin), unterscheiden sich jedoch in der Zusammensetzung der Pyrimidine: In der DNA findet man Thymin und Cytosin, in der RNA Uracil und Cytosin.
In Transfer-Ribonucleinsäuren (tRNA) kommen auch seltene Basen wie Ribothymidin (rT), Pseudouridin (), Dihydrouridin (D), Inosin (I), methylierte oder substituierte Purine und Pyrimidine vor. Die menschliche DNA enthält 5-Methyl-Cytosin als seltene Base. Das Thyminnucleotid in der tRNA wird als rTMP abgekürzt. Das Kürzel r vor TMP macht deutlich, dass es sich um ein Ribonucleotid und nicht um ein Desoxyribonucleotid handelt. Umgekehrt setzt man das Kürzel d vor die Nucleotide (z.B. dAMP, dGMP, dIMP, dXMP, dCMP), wenn man hervorheben will, dass es sich um Desoxyribonucleotide handelt. Häufig wird aber auf diese Betonung verzichtet, wenn aus dem Kontext klar hervorgeht, dass es sich um Ribonucleotide oder Desoxyribonucleotide handelt.

Blick ins Labor

Quantifizierung von Nucleinsäuren

Purin- und Pyrimidinnucleotide lassen sich aufgrund ihrer hohen Absorption in ultraviolettem Licht (Absorptionsmaximum bei einer Wellenlänge von ca. 260 nm) photometrisch quantifizieren. Das Lambert-Beer-Gesetz besagt, dass die Extinktion (E) einer Lösung proportional der Konzentration (c) der darin gelösten lichtabsorbierenden Substanz, ihrem molaren Extinktionskoeffizienten () und der Schichtdicke (d) der Lösung ist: E c d. Bestimmt man photometrisch die Extinktion, lässt sich die Konzentration des Stoffes errechnen. Bei Nucleinsäuren gilt die Faustregel: Eine Lösung mit 50 g/ml ergibt bei Messung der Lichtabsorption in einer Küvette mit der Schichtdicke von 1 cm bei 260 nm Wellenlänge den Wert E 1. Die Photometrie ist die einfachste Methode zur Bestimmung der Konzentration von Nucleinsäuren.

MERKE

Nucleotide bestehen aus drei Elementen: einer Pentose (Ribose oder Desoxyribose), einer Base (Purin oder Pyrimidin) und mindestens einer Phosphatgruppe. Die häufigsten Purinnucleotide sind AMP und GMP, die häufigsten Pyrimidinnucleotide CMP, UMP und TMP. Durch Dephosphorylierung erhält man Nucleoside, durch Abspaltung der Pentose die freien Basen. Die verschiedenen Nucleinsäuren der Zelle haben unterschiedliche Basenzusammensetzungen: DNA enthält Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, RNA Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil. In tRNA kommen diverse seltene Nucleotide wie Ribothymidin (rT), Dihydrouridin (D) Pseudouridin (), Inosin (I) sowie diverse substituierte Purine und Pyrimidine vor.

Purinstoffwechsel

Purinbiosynthese

Herkunft der Atome des Purinrings
Die Herkunft der Atome des Purinrings ist in Abb. 10.2 dargestellt. Monokohlenstoffeinheiten (C1-Einheiten), wie die Formylgruppe, stammen aus dem Abbau von Serin oder Histidin und werden vom Coenzym Tetrahydrofolsäure (Abk.: THF oder FH4) übertragen. Die Aminosäure Glycin wird als Ganzes in den Purinring eingebaut (C4, C5 und N7). C6 stammt aus CO2. Weitere Stickstoffatome stammen von Glutamin (N3 und N9) und Aspartat (N1). Die für die Bildung der N-glykosidischen Bindung aktivierte Ribose ist Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP). PRPP wird in einer ATP-verbrauchenden Reaktion aus Ribose-5-phosphat (entstammt dem Pentosephosphatweg) gebildet (Abb. 10.3).
Phase I der Purinbiosynthese: Bildung von IMP
Die zehn Schritte der ersten Phase der Purinbiosynthese (Abb. 10.4) werden im Folgenden kurz beschrieben:
  • Zuerst wird Phosphoribosylamin aus PRPP und Glutamin gebildet. Die Reaktion wird von der Glutamin-PRPP-Amidotransferase katalysiert. Das dabei entstandene Pyrophosphat wird durch Pyrophosphatasen zu zwei Molekülen Phosphat hydrolysiert und dadurch aus dem Gleichgewicht der Reaktion entfernt. Die Spaltung des Pyrophosphats durch Pyrophosphatasen ist die treibende Kraft bei der Bildung von Phosphoribosylamin.

  • Glycin verbindet sich mit Phosphoribosylamin. Dabei wird, wie bei der Bildung anderer Säureamide, ATP verbraucht.

  • In den nächsten acht Schritten wird der Purinring jeweils immer nur um ein Atom erweitert:

  • Eine Formylgruppe wird von N10-Formyl-FH4 auf die Aminogruppe des Glycins übertragen.

  • Der Sauerstoff des Säureamids wird gegen einen Stickstoff ausgetauscht. Donor ist wieder Glutamin, und die Reaktion läuft unter ATP-Verbrauch ab.

  • Es erfolgt der Ringschluss zum Fünfring unter Wasserabspaltung.

  • Der Fünfring wird carboxyliert. Diese Reaktion benötigt im Gegensatz zu anderen Carboxylierungen kein Biotin.

  • Addition von Aspartat unter ATP-Verbrauch, da ein Säureamid entsteht.

  • Eliminierung von Fumarat unter Verbleib des Stickstoffs.

  • Formylierung durch N10-Formyl-FH4.

  • Ringschluss zu IMP (Inosin-5-monophosphat) unter Wasserabspaltung.

Phase II der Purinbiosynthese: Bildung von AMP und GMP
IMP ist das Produkt der ersten Phase der Purinbiosynthese. Nach der Bildung von IMP verzweigen sich die Wege. AMP und GMP werden beide in jeweils zwei Schritten aus IMP als gemeinsamer Vorstufe gebildet (Abb. 10.5).
Die Synthese von AMP erfolgt durch Austausch des Carbonylsauerstoffs an Position 6 durch eine Aminogruppe und wird durch Addition von Aspartat und Eliminierung von Fumarat bewerkstelligt. Diese Schritte werden durch die beiden Enzyme Adenylosuccinat-Synthetase und Adenylosuccinat-Lyase katalysiert. Die Aminierung wird durch die Hydrolyse einer energiereichen Bindung von GTP angetrieben.
GMP entsteht aus IMP durch Oxidation an Position 2 und anschließende Einführung einer Aminogruppe. Die Oxidation wird von der IMP-Dehydrogenase katalysiert; der Wasserstoffakzeptor ist NAD+. Donor für die Aminogruppe im zweiten Reaktionsschritt ist Glutamin. Die endergone Reaktion wird unter ATP-Hydrolyse von der GMP-Synthetase katalysiert.
Die Synthese von AMP ist an die Hydrolyse von GTP gekoppelt, die GMP-Bildung dagegen an die Hydrolyse von ATP. Daraus ergibt sich eine weitere einfache Möglichkeit, die Wege nach der Verzweigung zu koordinieren.

MERKE

GTP wird für die AMP-Synthese und ATP für die GMP-Bildung benötigt.

Regulation der Purinbiosynthese
Die Endprodukte der Biosynthese, IMP, GMP und AMP, hemmen die Purinbiosynthese (negative Rückkopplung), PRPP dagegen stimuliert sie (positive Kontrolle).
Der erste Schritt der Purinbiosynthese wird durch die Glutamin-PRPP-Amidotransferase katalysiert. Die Aktivität dieses Enzyms bestimmt die Geschwindigkeit des Stoffwechselwegs bis zum IMP und wird entsprechend genau reguliert (Abb. 10.6). Die weiteren neun Enzyme, die die Schritte bis zur Bildung von IMP katalysieren, unterliegen keiner Regulation.
Ausschlaggebend für die Gesamtgeschwindigkeit der Purinbiosynthese sind die Verfügbarkeit von PRPP und der Bedarf an Nucleotiden. IMP, AMP und GMP entstehen nicht nur bei der De-novo-Synthese der Purine, sondern auch bei der Wiederverwertung (Abb. 10.9). Der PRPP-Spiegel ist niedrig, wenn die Wiederverwertung effektiv läuft, und hoch, wenn sie aus mehreren möglichen Gründen beeinträchtigt ist. Umgekehrt ist der Spiegel an Nucleotiden hoch, wenn die Wiederverwertung effektiv ist, und niedrig, wenn sie nicht ausreicht, um den Purinbedarf der Zelle zu decken. Damit ist gewährleistet, dass die Biosynthese nur dann angekurbelt wird, wenn über die Wiederverwertung nicht genügend Purinnucleotide bereitgestellt werden können.
Negative Rückkopplung
Die Regulation der Aktivität der Glutamin-PRPP-Amidotransferase erfolgt unter Beteiligung mehrerer allosterischer Bindungsstellen. Bei der negativen Kontrolle wirken die Endprodukte der ersten (IMP) und zweiten Phase der Purinbiosynthese (Adenosin- und Guanosin-Nucleotide in allen drei Phosphorylierungsstufen) hemmend auf die Glutamin-PRPP-Amidotransferase. Je zwei Nucleotide (am effektivsten GMP und ADP) arbeiten synergistisch zusammen. Sie setzen die Affinität für PRPP im aktiven Zentrum leicht, für Glutamin stark herab, sodass die Reaktionsgeschwindigkeit verringert wird (Abb. 10.6). Die Adenylosuccinat-Synthetase wird von AMP gehemmt. Die IMP-Dehydrogenase ist für die GMP-Bildung geschwindigkeitsbestimmend und wird von GMP gehemmt.
Positive Kontrolle
Bei der positiven Kontrolle bewirkt der Anstieg des PRPP-Spiegels, dass sich die Affinität zu Glutamin 20fach erhöht (Km sinkt um den Faktor 20) und damit die Reaktionsgeschwindigkeit der Glutamin-PRPP-Amidotransferase, des Schrittmachers der Purinbiosynthese, stark beschleunigt.
Gegenseitige Umwandlung von Purinnucleotiden
Im Metabolismus der Purine existieren zwei weitere Enzyme, deren Funktion wahrscheinlich in der Aufrechterhaltung eines angemessenen Verhältnisses der Adenin- und Guaninnucleotide zueinander in der Zelle besteht (Abb. 10.7). Eine Umwandlung von AMP in GMP und umgekehrt ist möglich und erfolgt in zwei Reaktionsschritten mit IMP als Zwischenstufe.
Die GMP-Reduktase wandelt über eine reduktive Desaminierung GMP in IMP um. GTP ist ein starker Aktivator, während Xanthosinmonophosphat (XMP, Abb. 10.5) ein Inhibitor des Enzyms ist. Die AMP-Desaminase (5-AMP-Aminohydrolase) katalysiert die Desaminierung von AMP zu IMP und wird von ATP aktiviert, von GDP gehemmt. Die Modulatoren der Enzyme lassen vermuten, dass ihre Funktion darin liegt, Purinnucleotide ineinander umzuwandeln. Von IMP aus geht es über den bereits besprochenen normalen Biosyntheseweg (Abb. 10.5) weiter, je nach Bedarf zu AMP oder GMP. Als Folge dieser Umwandlungen kann die Zelle das richtige zellspezifische Verhältnis von Adenin- und Guaninnucleotiden einstellen.

Klinik

AMP-Desaminase-I-Mangel (Myoadenylat-Desaminase-Mangel)

In der Muskulatur kommt eine Isoform des Enzyms AMP-Desaminase, die AMP-Desaminase-I, in hoher Konzentration vor. Ein genetisch bedingter Ausfall des Enzyms führt zur Blockade des sog. Purinnucleotidzyklus (Abb. 10.8). Beim Gesunden katalysiert AMP-Desaminase-I die Umwandlung von AMP in IMP. Das entstandene IMP kann mithilfe von Aspartat wieder in AMP zurückverwandelt werden. Dabei werden Aspartat und GTP verbraucht sowie Ammoniak, GDP und Fumarat gebildet.
Als Folge dieser Blockade im Purinnucleotidzyklus kann die Skelettmuskulatur ihre Energieproduktion nicht dem erhöhten Bedarf bei Muskelarbeit anpassen. Es kommt rasch zur Ermüdung der Muskulatur, bei forcierter Belastung treten Schmerzen und Krämpfe auf.
Es ist nicht völlig klar, warum das Fehlen der AMP-Desaminase zu Muskelschwäche führt. Bei Ausfall des Enzyms wird AMP nicht aus dem Gleichgewicht der Adenylatkinase-Reaktion
ADP + ADP ATP + AMP
entfernt, womit die Möglichkeit der ATP-Regeneration im Muskel aus zwei Molekülen ADP gestört wäre. Außerdem kann durch den Purinnucleotidzyklus Fumarat (und Malat) gewonnen und in den Citratzyklus geschleust werden (Kap. 5.2.5). Der Energiemangel bei Ausfall der AMP-Desaminase-I im Muskel kann auch auf das Fehlen dieser anaplerotischen Reaktion des Citratzyklus zurückgeführt werden.

MERKE

Die Biosynthese der Purinnucleotide beginnt mit einer aktivierten Ribose, dem Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP). An der Ribose wird der Purinring in einem energieverbrauchenden Prozess, Atom für Atom, in zehn Schritten aufgebaut. Schrittmacherenzym bei der Purinbiosynthese ist die Glutamin-PRPP-Amidotransferase. Die erste Phase der Purinbiosynthese endet beim IMP. Danach verzweigt sich der Weg: AMP und GMP entstehen in je zwei weiteren Schritten. Die Purinbiosynthese wird durch PRPP stark stimuliert (positive Kontrolle) und durch IMP, Adenylate und Guanylate gehemmt (negative Rückkopplungshemmung). Für die gegenseitige Umwandlung von AMP zu GMP und umgekehrt stehen zwei Enzyme zur Verfügung: die AMP-Desaminase und die GMP-Reduktase. Für AMP-Desaminase existieren mehrere Isoenzyme. AMP-Desaminase-I-Mangel führt zu einer Beeinträchtigung des Purinnucleotidzyklus mit erheblicher Muskelschwäche.

Purinwiederverwertung (Salvage pathway)

In allen kernhaltigen Zellen des Organismus findet ein hoher Umsatz an Nucleotiden statt. Nucleosidtriphosphate werden bei der RNA-Synthese in beträchtlichen Mengen verbraucht. Ein großer Teil wird jedoch durch den Abbau von Nucleinsäuren rasch wieder in die Bausteine zerlegt, wobei Nucleosidmonophosphate entstehen. Nucleotide befinden sich also in einem permanenten Recyclingprozess. Durch die Anwesenheit von Nucleotidasen oder unspezifischen Phosphatasen (z.B. alkalische Phosphatase) wird allerdings ein Teil der Nucleotide zu Nucleosiden dephosphoryliert. Nucleoside können weiter zu den Basen und Ribosephosphat abgebaut werden.
Wiederverwertung der Purinbasen
Um die freien Purinbasen vor dem Abbau zu Harnsäure zu retten, müssen sie zuerst mithilfe von Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP), der aktivierten Form der Ribose, zu Nucleotiden verknüpft werden, bevor sie weiter zu Di- und Triphosphaten phosphoryliert werden können. Der Stoffwechselweg zur Ausbildung der N-glykosidischen Bindung zwischen Base und Zucker wird als Wiederverwertung oder Salvage pathway (engl. salvage: Rettung, Bergung) bezeichnet. Die Bergung der Purinbasen erfolgt mithilfe zweier Phosphoribosyltransferasen (Abb. 10.9), der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase (HGPRT) und der Adenin-Phosphoribosyl-Transferase (APRT).
Die HGPRT katalysiert zwei Reaktionen:
Hypoxanthin + PRPP IMP + PPi
Guanin + PRPP GMP + PPi
Die APRT katalysiert die Reaktion:
Adenin + PRPP AMP + PPi
Die Regulation der Purinwiederverwertung erfolgt hauptsächlich durch Endprodukthemmung. IMP und GMP wirken hemmend auf die HGPRT, AMP hemmt die APRT.

Klinik

Störungen der Purinwiederverwertung

Eine genetisch bedingte verminderte Aktivität der HGPRT führt, je nach Schwere des Mangels, zu einem erhöhten Harnsäurespiegel (Hyperurikämie) und Gicht, mentaler Retardation und als Folge der neurologischen Schäden zur Selbstverstümmelung. Mentale Retardation tritt nach neueren Erkenntnissen erst auf, wenn die Enzymaktivität auf etwa 2% des normalen Werts sinkt. Reduziert sie sich noch weiter auf etwa 0,2%, tritt das Phänomen der Selbstverstümmelung (Lesch-Nyhan-Syndrom) in den Vordergrund. Da das Gen auf dem X-Chromosom liegt, sind im Wesentlichen Knaben betroffen. Es wurden zahlreiche Mutationen beschrieben, die entweder zum vollständigen Fehlen des Proteins führen, eine erniedrigte Lebensdauer des Enzyms bewirken, die Aktivität des Enzyms herabsetzen oder die Affinität des Enzyms für die Substrate vermindern (sog. Km-Mutanten).
Bei den milderen Formen steht die exzessive Harnsäureproduktion im Vordergrund. Dieses Symptom lässt sich durch die erniedrigte Aktivität der HGPRT erklären: Bei erniedrigter Enzymaktivität sinken die Spiegel von IMP und GMP, den beiden Produkten der HGPRT-katalysierten Reaktion. Dadurch entfällt die Rückkopplungshemmung der De-novo-Purinbiosynthese. Hinzu kommt, dass sich nicht verbrauchtes PRPP anreichert. Ein erhöhter PRPP-Spiegel führt, über die allosterische Aktivierung der Glutamin-PRPP-Amidotransferase, dem Schrittmacher der Purinbiosynthese, zu einer Intensivierung der De-novo-Purinbiosynthese (Abb. 10.6). Die resultierende erhöhte Purinproduktion führt schließlich zu verstärkter Harnsäurebildung. Wird die Löslichkeitsgrenze der Harnsäure überschritten, fallen Harnsäurekristalle aus, die dann sehr schmerzhafte Entzündungen hervorrufen können. Besonders betroffen sind Gelenke und Nieren.
Warum es jedoch bei einer HGPRT-Aktivität unter 2% zu neurologischen Symptomen kommt, ist nicht vollständig verstanden. Es wurde beobachtet, dass gewisse Hirnareale (Frontallappen, Basalganglien, Kleinhirn) eine zehn- bis 20fach höhere HGPRT-Aktivität besitzen als Leber, Milz oder Nieren und die vier- bis achtfache Aktivität von Erythrozyten. Daher wird angenommen, dass diese Zellen die Wiederverwertung besonders benötigen und ein Fehlen der HGPRT-Aktivität nicht angemessen durch De-novo-Biosynthese kompensieren können.
Phosphorylierung der Nucleoside und Nucleotide in der Zelle
Purin- wie auch Pyrimidinnucleotide werden mithilfe von Nucleosid-Kinasen und ATP zu Nucleotiden phosphoryliert. Diese sind substratspezifisch: Es gibt Uridin-, Cytidin- und Thymidin-Kinasen sowie Adenosin- und Desoxyguanosin-Kinasen. Für die Nucleoside Inosin, Desoxyinosin und Guanosin existieren jedoch keine Kinasen. Um diese in eine phosphorylierte Form und damit wieder in den intrazellulären Kreislauf zurückzuführen, müssen sie mithilfe der Purinnucleosid-Phosphorylase, eines Enzyms des Purinabbaus (Kap. 10.2.3), zunächst zur freien Base abgebaut und anschließend über die Wiederverwertung in die Nucleotide zurückverwandelt werden.
Nucleosidmonophosphate werden durch spezifische Nucleosidmonophosphat-Kinasen in Diphosphate überführt, die ATP als Phosphatgruppendonor verwenden. So wird beispielsweise UMP durch die UMP-Kinase phosphoryliert:
UMP + ATP UDP + ADP
AMP, ADP und ATP werden durch die Adenylat-Kinase oder Myokinase ineinander umgewandelt:
AMP + ATP ADP + ADP
Nucleosiddiphosphate und -triphosphate werden durch die Nucleosiddiphosphat-Kinase ineinander umgewandelt:
XDP + YTP XTP + YDP
Im Gegensatz zu den Monophosphat-Kinasen besitzt dieses Enzym eine geringe Spezifität. X und Y können verschiedene Ribonucleotide oder Desoxyribonucleotide sein. Zum Beispiel:
dCDP + ATP dCTP + ADP
oder
UDP + GTP UTP + GDP

MERKE

Bei der Purinwiederverwertung (Salvage pathway) werden Purinbasen mit der aktivierten Ribose (PRPP) in einem Schritt zu Nucleosidmonophosphaten verknüpft. Die Purinwiederverwertung mindert Verluste der Zelle und senkt den Purinbedarf, der über die De-novo-Synthese gedeckt werden muss. Verschiedene Gewebe bzw. Zellen des Organismus sind offensichtlich unterschiedlich stark abhängig von diesem Stoffwechselweg. Bei der Wiederverwertung entstehen aus den Purinbasen und PRPP Nucleosidmonophosphate, die mithilfe verschiedener Kinasen zu den Di- und Triphosphaten umgewandelt werden. Ein vererbbarer Defekt im Enzym HGPRT führt zu Hyperurikämie, in schweren Fällen zu mentaler Retardation und Selbstverstümmelung (Lesch-Nyhan-Syndrom). Nucleoside werden durch spezifische Nucleosid-Kinasen zu Nucleotiden phosphoryliert. Die Diphosphate werden ebenfalls durch spezifische Nucleosidmonophosphat-Kinasen gebildet. Die Nucleosiddiphosphat-Kinasen sind wenig spezifisch.

Purinabbau

Harnsäurebildung
Aus RNA und DNA entstehen durch die Einwirkung von Nucleasen zunächst Nucleotide. Purinnucleotide werden durch die Nucleotidase zu Nucleosiden dephosphoryliert. Die N-glykosidische Bindung der Nucleoside wird schließlich mithilfe der Purinnucleosid-Phosphorylase phosphorolytisch gespalten; es entstehen die freien Basen und Ribose-1-phosphat (Abb. 10.10). Ribose-1-phosphat wird nach Isomerisierung zu Ribose-5-phosphat über den Pentosephosphatweg wieder in den Stoffwechsel zurückgeführt. Substrate der Purinnucleosid-Phosphorylase sind Inosin, Xanthosin und Guanosin sowie die entsprechenden Desoxyribonucleotide.
Adenosin ist kein Substrat der Purinnucleosid-Phosphorylase. Es wird mithilfe der Adenosin-Desaminase zu Inosin desaminiert. Die Purinnucleosid-Phosphorylase spaltet aus Inosin phosphorolytisch die freie Base Hypoxanthin unter Bildung von Ribose-1-phosphat ab. Hypoxanthin wird mithilfe der Xanthin-Oxidase in Xanthin umgewandelt. Hier vereinigen sich die Abbauwege von Guanosin und Adenosin wieder. Die Xanthin-Oxidase wandelt schließlich Xanthin in Harnsäure um. Beim Menschen ist Harnsäure, deren Salze als Urate bezeichnet werden, das Endprodukt des Purinabbaus und wird im Harn ausgeschieden.
Geringe Löslichkeit der Harnsäure
Anders als beim Menschen ist bei den meisten Säugern das Endprodukt des Purinabbaus Allantoin, das in Gegenwart des Enzyms Urikase in einem Schritt aus Harnsäure entsteht. Bei einigen Tieren wird Allantoin sogar noch weiter zu Harnstoff abgebaut. Der Abbau der Harnsäure bringt Vorteile, denn Urate haben eine geringe Löslichkeit. Während der Evolution der Primaten erfolgte jedoch ein markanter Anstieg des Harnsäurespiegels. So haben Halbaffen wie die Lemuren einen zehnfach niedrigeren Harnsäurespiegel als der Mensch. Der durchschnittliche Harnsäurespiegel (7 mg/dl; 0,39 mmol/L) liegt beim Menschen nahe der Löslichkeitsgrenze, was die ständige Gefahr der Bildung von Uratkristallen und deren Ablagerung in Gelenken, Niere, Sehnenscheiden etc. mit sich bringt.

Schon gewusst

Harnsäure als Antioxidans

Hohe Harnsäurespiegel bergen nicht nur die Gefahr, an Gicht zu erkranken, sondern können sich auch vorteilhaft für den Menschen auswirken. Harnsäure ist ein wirksamer Zerstörer von hochreaktiven Sauerstoffverbindungen wie Hydroxylradikalen und dem Superoxid-Anion. Dabei wird der Sechsring des Puringerüsts oxidativ (ohne Enzymbeteiligung) geöffnet. In dieser Funktion scheint Harnsäure etwa gleich wirksam zu sein wie Ascorbinsäure. Der im Vergleich mit niederen Primaten erhöhte Uratspiegel trägt möglicherweise über seine Radikale zerstörende Aktivität zur Senkung der Krebshäufigkeit und Verlängerung der Lebenserwartung beim Menschen bei.

Klinik

Hyperurikämie und Gicht

Gicht basiert auf einer übermäßigen Anhäufung von Harnsäure in Körperflüssigkeiten (Hyperurikämie). Die geringe Löslichkeit der Harnsäure und ihrer Salze in wässriger Lösung führt dazu, dass bereits eine leichte Erhöhung der Harnsäurekonzentrationen über den Normalbereich zur Bildung nadelförmiger Natriumuratkristalle führt. Diese lagern sich in Gelenken, Schleimbeuteln, Nieren, Sehnenscheiden etc. ab und führen zu schmerzhaften Entzündungen.
Hyperurikämie bzw. Gicht kann durch diverse Faktoren ausgelöst werden. Man spricht von sekundärer Gicht, wenn sie durch Vorerkrankungen ausgelöst wird, z.B. im Rahmen einer Niereninsuffizienz mit verminderter renaler Uratausscheidung (Clearance) oder von Krankheiten mit gesteigertem Zellumsatz und gesteigerter Purinproduktion (z.B. schwere Infektionskrankheiten, Leukämien, Tumoren). Die primäre Gicht tritt ohne Vorkrankheiten auf. Ihre häufigste Ursache ist eine Störung der renalen Uratausscheidung, in seltenen Fällen liegen ihr genetisch bedingte Defekte wie HGPRT-Mangel (Lesch-Nyhan-Syndrom) oder Glucose-6-Phosphatase-Defizienz zugrunde. In diesen Fällen führt jeweils ein erhöhter HGPRT-Spiegel zu einer beschleunigten Purinbiosynthese (Abb. 10.6) mit erhöhtem Purinumsatz und Uratproduktion.
Zur Gichttherapie werden entzündungshemmende Mittel (Colchicin seit der Antike, heute bevorzugt nichtsteroidale Antiphlogistika), harntreibende Mittel (Urikosurika) und Allopurinol (Abb. 10.11) verwendet. Allopurinol ist ein Strukturanalogon von Hypoxanthin und Substrat für die Xanthin-Oxidase. Diese setzt Allopurinol in Alloxanthin um, ein Produkt, das sich nicht mehr von der Xanthin-Oxidase entfernen lässt und diese irreversibel hemmt (Suizidhemmung). Als Folge wird der letzte Schritt der Harnsäureproduktion blockiert. Die Vorstufen Hypoxanthin und Xanthin, die jetzt Endprodukte des Purinabbaus sind, haben eine bessere Löslichkeit als Harnsäure und können über die Niere problemlos ausgeschieden werden.
Defekte des Purinabbaus
Defekte in zwei verschiedenen Enzymen des Purinabbaus, der Adenosin-Desaminase (ADA) und der Purinnucleosid-Phosphorylase (PNP), führen zu Immunschwäche. Sie katalysieren wichtige Schritte des Abbaus von Nucleosiden bis zur Harnsäure (Abb. 10.10). Substrate der Adenosin-Desaminase (ADA) sind Adenosin und Desoxyadenosin, zu den Substraten der Purinnucleotid-Phosphorylase (PNP) zählen Inosin, Guanosin, Desoxyinosin und Desoxyguanosin. Eine verminderte Aktivität der Enzyme führt zu einer Anhäufung der Substrate. Ein ADA-Mangel ist mit einer lebensbedrohlichen Immunschwäche assoziiert, wobei die Funktionen sowohl der T-Zellen als auch der B-Zellen betroffen sind. PNP-Mangel bewirkt eine mildere Form der Immunschwäche als ADA-Mangel.
Die Mechanismen, die bei Ausfall der ADA oder der PNP zur lebensbedrohlichen Immunschwäche führen, sind nicht gänzlich aufgeklärt. Bei Patienten mit ADA-Mangel ist die intrazelluläre Konzentration von dATP, als Folge der Anhäufung von dAMP, stark erhöht (Abb. 10.16). Ein hoher Spiegel an dATP hemmt die Ribonucleotid-Reduktase (Enzym zur Umwandlung von Ribonucleotiden in Desoxyribonucleotide), was zu einer Verarmung der Desoxyribonucleotide dGTP, dCTP und TTP führt. Desoxyribonucleotide werden sowohl für die Replikation als auch für die Reparatur beschädigter DNA benötigt. Verzögerte Replikation oder Reparatur in B- und T-Zellen löst die Apoptose (programmierter Zelltod) aus und führt zur Immunschwäche.
Bei Patienten mit ADA-Mangel wurde auch eine hohe Konzentration an S-Adenosylhomocystein festgestellt, vermutlich weil dATP die S-Adenosylhomocystein-Hydrolase hemmt. Die Hemmung dieses Enzyms führt zu einer Störung der Bildung von S-Adenosylmethionin (SAM), dem vielleicht wichtigsten Methylgruppendonor der Zelle (Kap. 9.2.2). Da SAM für die DNA-Methylierung (Genexpression) von wesentlicher Bedeutung ist (Kap. 12.8.1), wundert es nicht, dass eine Störung der DNA-Methylierung zum Zelltod führen kann.

Klinik

Therapien bei ADA-Mangel

Die Lebenserwartung von Kindern mit ADA-Mangel beträgt nur wenige Jahre. Folglich wurden verschiedene kurative Ansätze ausprobiert wie Bluttransfusionen, Knochenmarktransplantation, Substitution mit ADA-PEG-Komplexen (PEG von Polyethylenglykol; macht das verabreichte Enzym membrangängig) und Gentherapie. Alle diese Maßnahmen haben Nachteile. Häufige Bluttransfusionen bringen Probleme der Unverträglichkeit mit sich, für Knochenmarktransplantationen wiederum sind geeignete Spender erforderlich. Bei Enzymsupplementation muss der ADA-Spiegel ständig überwacht und die Behandlung häufig wiederholt werden, was zu Nebenwirkungen und hohen Kosten führt. Gentherapie ist sicherlich die Hoffnung für die Zukunft. An dieser Erkrankung wurde der erste erfolgreiche Gentherapieversuch unternommen.
Nahrungspurine
Der Mensch nimmt mit der Nahrung Nucleinsäuren auf, die im Darmlumen durch Nucleasen in ihre Bausteine, die Nucleotide, zerlegt werden. Bei ballaststoffreicher Ernährung wird ein erheblicher Teil der Nucleotide mit den Fäzes ausgeschieden. Phosphatasen spalten die Phosphatgruppe der Nucleotide ab, sodass Nucleoside entstehen. Diese werden über Transporter (Carrier) in die Darmzellen aufgenommen. Von dort aus können Nucleoside an das Blut abgegeben oder weiter abgebaut werden. Guanosin, Inosin und Xanthosin werden durch Purinnucleosid-Phosphorylase (PNP) zu den freien Basen und Ribose-1-phosphat gespalten (Abb. 10.10). Da Adenosin kein Substrat für die Purinnucleosid-Phosphorylase ist, wird es über die Adenosin-Desaminase zu Inosin desaminiert und dann erst in die freie Base Hypoxanthin und Ribose-1-phosphat zerlegt.
Auch die freien Basen können mittels Transporter an das Blut abgegeben werden. Da jedoch die Epithelzellen des Darms eine hohe Aktivität an Xanthin-Oxidase besitzen, werden die entstandenen Purinbasen zum größten Teil zu Harnsäure abgebaut und im Urin ausgeschieden. Bei verminderter Uratausscheidung durch die Niere (Klinik-Kasten Hyperurikämie und Gicht) können Nahrungspurine akute Gichtanfälle auslösen.
Purine aus der Nahrung spielen für die intrazelluläre Versorgung nur eine untergeordnete Rolle. Die Aufnahme freier Basen oder Nucleoside in diverse Zellen des Organismus hat therapeutische Bedeutung. Intravenös oder oral applizierte, chemisch veränderte Nucleoside oder Basen (Abb. 10.19) spielen bei der Chemotherapie von Krebs und viralen Erkrankungen sowie in der Immunsuppression eine wichtige Rolle.

MERKE

Das Endprodukt des Purinabbaus beim Menschen ist Harnsäure, weil ihm die Enzyme für den weiteren Abbau zu Allantoin oder Harnstoff fehlen. Dementsprechend ist der Uratspiegel beim Menschen hoch und liegt nahe der Löslichkeitsgrenze. Wird die Löslichkeitsgrenze überschritten, kann es zu Gichtanfällen kommen. Harnsäure besitzt auch eine nützliche Funktion: Sie zerstört effektiv Sauerstoffradikale und bietet damit einen Oxidationsschutz. Mangel an Adenosin-Desaminase und Purinnucleosid-Phosphorylase führt zu schwerer Immundefizienz.

Pyrimidinstoffwechsel

Pyrimidinbiosynthese

Die Atome des Pyrimidinrings stammen aus Carbamoylphosphat und der Aminosäure Aspartat. Carbamoylphosphat wird nach der folgenden Bruttogleichung aus CO2, ATP und dem Amidstickstoff des Glutamins gebildet:
Glutamin + CO2 + 2 ATP Carbamoylphosphat + 2 ADP + Pi + Glutamat
Die Bildung von Carbamoylphosphat ist der erste Schritt in der Pyrimidinbiosynthese und für den Reaktionsweg bis zum UMP geschwindigkeitsbestimmend. Im folgenden Schritt vereinigen sich Carbamoylphosphat und Aspartat zu Carbamoylaspartat. Bei entsprechender Formeldarstellung lässt sich bei dieser Verbindung bereits die Kontur des Pyrimidinrings erkennen (Abb. 10.12). Durch Wasserabspaltung erfolgt der Ringschluss zu Dihydroorotat.
Die ersten drei Reaktionen werden von einem einzigen Protein mit drei katalytisch aktiven Domänen bewerkstelligt: der Carbamoylphosphat-Synthetase, der Aspartat-Transcarbamoylase und der Dihydroorotase. Dieses multifunktionelle Protein wird nach den Anfangsbuchstaben seiner drei Enzymaktivitäten CAD genannt.
Dihydroorotat wird aus dem CAD-Protein freigesetzt und von der mitochondrialen Dihydroorotat-Dehydrogenase durch Einführung einer Doppelbindung in Orotat umgewandelt. Wasserstoffakzeptor ist hier NAD+.
Die letzten beiden Schritte werden wieder von einem multifunktionellen Protein, der UMP-Synthetase, katalysiert. Zunächst erfolgt der Zusammenschluss zwischen Zucker und Pyrimidinring (Orotat-Phosphoribosyl-Transferase-Aktivität). Die N-glykosidische Verknüpfung zwischen Orotat und Ribose verläuft ähnlich wie im Salvage pathway der Purine. Die aktivierte Form der Ribose ist Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP), das sich unter Freisetzung von Pyrophosphat mit Orotat zum Nucleotid Orotidin-5-monophosphat (OMP, Orotidylat) vereinigt. Durch Decarboxylierung (Orotidin-5-monophosphat-Decarboxylase-Aktivität) entsteht aus Orotidin-5-monophosphat UMP, das rasch durch anschließende Phosphorylierungen zu UTP umgewandelt wird.

MERKE

Bei der Biosynthese des Pyrimidinrings sind zwei multifunktionelle Proteine beteiligt:

  • CAD (Carbamoylphosphat-Synthetase, Aspartat-Transcarbamoylase, Dihydroorotase)

  • UMP-Synthetase (Orotat-Phosphoribosyl-Transferase, Orotidin-5-monophosphat-Decarboxylase).

Carbamoylphosphat-Synthetase I und II
Es sei darauf hingewiesen, dass zwei verschiedene Enzyme zur Bildung von Carbamoylphosphat existieren:
  • Carbamoylphosphat-Synthetase II, eine Aktivität des multifunktionellen Proteins CAD, sie kommt im Zytosol aller kernhaltigen Zellen vor und dient der Pyrimidinbiosynthese.

  • Carbamoylphosphat-Synthetase I hingegen ist in den Mitochondrien von Leberzellen (und in geringerem Maße von Darmzellen) lokalisiert und katalysiert die Bildung von Carbamoylphosphat für die Harnstoffsynthese.

Stickstoffdonor für die Carbamoylphosphat-Synthetase I ist Ammoniak, für die Carbamoylphosphat-Synthetase II dagegen Glutamin. Ein weiterer Unterschied zwischen den Enzymen ist, dass nur die Carbamoylphosphat-Synthetase I durch N-Acetylglutamat reguliert wird.
Bildung von Cytidinnucleotiden
CTP entsteht aus UTP durch Aminierung der Ringposition 4 durch die CTP-Synthetase.
UTP + Glutamin + ATP CTP + Glutamat + ADP + Pi
Stickstoffdonor ist bei Säugetieren Glutamin, bei Bakterien NH3. Säugetiere vermeiden einen hohen Ammoniakspiegel durch effektive Harnstoffsynthese. Der Serumspiegel an Glutamin ist jedoch hoch. Glutamin hat beim Menschen unter allen Aminosäuren die höchste Serumkonzentration und steht deshalb für die CTP-Synthese stets zur Verfügung.
Die Regulation der CTP-Bildung aus UTP erfolgt durch allosterische Produkthemmung. Die Bindung von CTP an ein allosterisches Zentrum der CTP-Synthetase führt zu einer Erhöhung des Km-Werts des Enzyms für das Substrat UTP. Die Folge ist eine Verringerung der Synthesegeschwindigkeit.
Regulation der Pyrimidinsynthese
Allosterische Regulation der Pyrimidinbiosynthese
Die wichtigste Kontrollstelle zur Regulation der Pyrimidinbiosynthese ist die Carbamoylphosphat-Synthetase-Aktivität des multifunktionellen Proteins CAD. Die Carbamoylphosphat-Synthetase II wird von UTP gehemmt, von Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) aktiviert. In Anwesenheit von PRPP steigt die Affinität des Enzyms zu ATP so stark an, dass selbst bei niedrigen ATP-Konzentrationen die Bildung von Carbamoylphosphat effizient abläuft. Die Hemmung durch UTP erfolgt über eine Erhöhung des Km-Werts (Erniedrigung der Affinität des Enzyms) für ATP. Dies führt zu einer Verlangsamung der Reaktionsgeschwindigkeit.
Einfluss von Wachstumsfaktoren auf die allosterischen Eigenschaften des multifunktionellen Proteins CAD
Wachstumsfaktoren fördern die Zellteilung. Zellen reagieren auf die Wirkung von Wachstumsfaktoren auf zweierlei Weise:
  • Sie replizieren ihre DNA.

  • Sie erhöhen die Expression von Genen, um neue Proteine für die verdoppelte Zahl an Zellen zu bilden.

Die Replikation benötigt Desoxyribonucleotide, die Genexpression dagegen Ribonucleotide für die Synthese neuer RNA-Moleküle. Beide Prozesse bedürfen der Neusynthese von Pyrimidinen. Seit vielen Jahren wird vermutet, dass die Bildung der Nucleinsäurebausteine geschwindigkeitsbestimmend für die Zellteilung sein könnte. Wie aber der sprunghaft steigende Nucleotidbedarf bei der Zellteilung gedeckt wird, war bislang unklar. Nun hat man herausgefunden, dass Wachstumsfaktoren und Cycline (den Zellzyklus regulierende Proteine) nicht nur die DNA-Replikation und Proteinsynthese fördern, sondern auch die Pyrimidinbiosynthese. Wachstumsfaktoren aktivieren eine Kaskade von Serin- und Threonin-Kinasen (Kap. 22.5), zu denen die MAP-Kinase gehört (MAP mitogen-activated protein). Die MAP-Kinase phosphoryliert CAD, was zu einer Veränderung der allosterischen Eigenschaften der Carbamoylphosphat-Synthetase II führt. In der phosphorylierten Form ist die Aktivierbarkeit durch PRPP deutlich erhöht, die Hemmbarkeit durch UTP deutlich erniedrigt. Insgesamt wird durch die Phosphorylierung die Geschwindigkeit der Pyrimidinbiosynthese beschleunigt.

Klinik

Orotacidurie infolge einer Störung der Harnstoffsynthese

Manche Patienten mit einer Störung im Harnstoffzyklus scheiden verstärkt Orotat im Harn aus (Orotacidurie). Es gibt zwar keine direkte Verbindung zwischen Harnstoffzyklus und Pyrimidinsynthese, sie haben aber ein gemeinsames Zwischenprodukt, das Carbamoylphosphat. Es wird für die Harnstoffsynthese in den Lebermitochondrien gebildet (Kap. 9.1.2, Abb. 9.3Kap. 9.1.2Abb. 9.3), wobei aber unter normalen Bedingungen kein Austausch zwischen dem mitochondrialen und zytosolischen Pool stattfindet. Bei Patienten mit dieser Störung im Harnstoffzyklus reichert sich jedoch Carbamoylphosphat stark an, weil es nicht schnell genug durch die Harnstoffsynthese verbraucht wird. Vermutlich gelangt Carbamoylphosphat unter pathologischen Bedingungen auf einem ungeklärten Weg aus den Mitochondrien in das Zytosol und dient dort als Substrat für die Aspartat-Transcarbamoylase. Das Auftreten von Carbamoylphosphat mitochondrialen Ursprungs im Zytosol umgeht den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Pyrimidinbiosynthese. Die weiteren Schritte bis zum Orotat können ungehindert ablaufen. Erst die Umwandlung von Orotat zu UMP unterliegt wieder der Rückkopplungshemmung durch UMP. Da die nachfolgende Umwandlung des UMP zu CTP ebenfalls gehemmt ist, reichert sich Orotat an, das im Urin ausgeschieden wird. Diese Reaktion hilft offenbar, den Ammoniakstress unter den widrigen Stoffwechselbedingungen einer beeinträchtigten Harnstoffbildung abzubauen.
Die eben beschriebene Form ist nicht zu verwechseln mit der hereditären Orotacidurie. Bei dieser Form handelt es sich um einen Defekt der Pyrimidinbiosynthese. Betroffen ist das bifunktionelle Enzym UMP-Synthetase. Als Folge des seltenen Enzymdefekts treten bei Neugeborenen und Kindern Wachstums- und Entwicklungsstörungen auf. Auch eine hypochrome Anämie kann sich entwickeln. Eine tägliche Zufuhr von Uridin unterdrückt die Symptome vollständig.

Pyrimidinwiederverwertung

Wie bei den Purinen können auch freie Pyrimidinbasen oder Nucleoside, die aus der Nahrung oder dem Abbau von Nucleinsäuren stammen, in Nucleotide zurückverwandelt werden. Bekannt ist die Uracil-Phosphoribosyl-Transferase (UPRT), die die folgende Reaktion katalysiert:
Uracil + PRPP UMP + PPi
Im weiteren Sinne gehört auch die Thymidin-Kinase zu den Wiederverwertungsenzymen. Sie konvertiert Thymidin durch Phosphorylierung in TMP, wobei ATP als Phosphatdonor gilt:
Thymidin + ATP TMP + ADP

Klinik

Die Thymidin-Kinase spielt auch bei der Behandlung mit Aciclovir, einem der effektivsten Medikamente gegen die Vermehrung von Herpesviren, eine Rolle. Die virale Thymidin-Kinase erkennt Aciclovir als Thymidin und aktiviert es. Aktiviertes Aciclovir (Kap. 11.4.4) wird als falscher Baustein in die DNA eingebaut, was einen Kettenabbruch und einen Stopp der Virenvermehrung zur Folge hat.

Pyrimidinabbau

Durch Nucleasen aus den Nucleinsäuren freigesetzte Pyrimidinnucleotide werden von unspezifischen Phosphatasen zu den Nucleosiden abgebaut. Cytidin und Desoxycytidin werden durch die Nucleosid-Desaminase zu Uridin und Desoxyuridin desaminiert. Uridin-Phosphorylase katalysiert die Phosphorolyse von Uridin, Desoxyuridin und Thymidin zu den korrespondierenden Basen und Ribose-1-phosphat bzw. Desoxyribose-1-phosphat.
Die Basen Uracil und Thymin werden unter Ringöffnung reduziert (Abb. 10.13), Wasserstoffdonor ist NADPH. Aus Uracil entsteht nach Abspaltung von Ammoniak und CO2 -Alanin, das im Urin ausgeschieden wird. Aus Thymin entsteht nach Abspaltung von Ammoniak und CO2 -Aminoisobutyrat, das ebenfalls im Urin ausgeschieden wird.

Schon gewusst

Thymidin ist im menschlichen Körper die einzige Quelle für die Bildung von -Aminoisobutyrat. Deshalb kann diese Substanz zur Messung des DNA-Umsatzes benutzt werden. Erhöhte Mengen an -Aminoisobutyrat finden sich z.B. im Urin von Tumorpatienten während einer Chemotherapie oder Bestrahlung als Folge von Zelluntergang und DNA-Abbau.

MERKE

Die De-novo-Synthese der Pyrimidine ist weit weniger aufwändig als die der Purine. Sie wird durch Proteine mit mehreren Enzymaktivitäten (multifunktionelle Proteine) in nur wenigen Schritten kataly siert. Störungen der Pyrimidinbiosynthese sind selten, Störungen des Abbaus unbekannt. Die Aufklärung der Schritte der Pyrimidinbiosynthese führte zu einer effektiven Therapie der hereditären Orotacidurie. -Aminoisobuttersäure, das Abbauprodukt von Thymin, ist ein nützlicher Indikator des DNA-Umsatzes.

Biosynthese der Desoxyribonucleotide

Ribonucleotid-Reduktase

Desoxyribonucleotide, die Bausteine der DNA, werden durch Reduktion von Ribonucleotiden gebildet. Zuständig für die Bildung aller vier Ribonucleotide ist die Ribonucleotid-Reduktase. Als Substrate dienen die Ribonucleosiddiphosphate, die durch Reduktion in Desoxyribonucleosiddiphosphate umgewandelt werden. Reduktionsmittel (Wasserstoffdonor) ist NADPH. Die von der Ribonucleotid-Reduktase katalysierte Reaktion lässt sich folgendermaßen formulieren:
Ribonucleosiddiphosphat + NADPH + H+ Desoxyribonucleosiddiphosphat + NADP+ + H2O
Der Mechanismus dieser scheinbar einfachen Reaktion ist tatsächlich viel komplexer als die stöchiometrische Gleichung. Die Ribonucleotid-Reduktase besteht aus den zwei Untereinheiten R1 und R2, die sich zu einem Tetramer zusammenlagern (Abb. 10.14). Das aktive Zentrum bildet sich erst nach der Tetramerisierung aus.
  • Die größere R1-Untereinheit enthält das Zentrum, in dem die komplizierte Reduktion der Nucleotide stattfindet. Diese Untereinheit besitzt Cysteinreste, die im Laufe der Reduktion der Nucleotide oxidiert werden und später wieder regeneriert werden müssen.

  • Die kleinere R2-Untereinheit enthält ein stabiles Tyrosylradikal (Tyr∙), das durch die Einwirkung eines nahe gelegenen Eisenzentrums gebildet und stabilisiert wird. Während die Lebensdauer eines freien Tyrosylradikals nur Bruchteile einer Sekunde beträgt, hat das Tyrosylradikal im Enzym eine Lebensdauer von mehreren Minuten.

Auslöser der Reduktion der Ribonucleotide ist das Tyrosylradikal. Das ungepaarte Elektron wird während der Reaktion auf einen der Cysteinreste in der R1-Untereinheit und von dort auf die Ribose übertragen. Dies führt zum Austausch der 2-OH-Gruppe gegen Wasserstoff. Die Cysteinreste der großen Untereinheit liegen nun in oxidierter Form vor und müssen regeneriert werden.
An der Regeneration der Ribonucleotid-Reduktase ist Thioredoxin, ein kleines Protein von 12 kD, beteiligt. Auch Glutaredoxin kann diese Aufgabe übernehmen. Das menschliche Thioredoxin enthält die konservierte Sequenz -Trp-Cys-Gly-Pro-Cys-. Diese Cysteinreste werden oxidiert, während die Cysteinreste der großen Untereinheit der Ribonucleotid-Reduktase reduziert (regeneriert) werden. Die oxidierten Cysteinreste des Thioredoxins werden von der Thioredoxin-Reduktase reduziert, wobei Wasserstoffe von NADPH geliefert werden (Abb. 10.15).

Regulation der Desoxyribonucleotidsynthese

Die große R1-Untereinheit besitzt außer Teilen des katalytischen Zentrums noch mindestens zwei allosterische Bindungsstellen für Nucleotide: das Aktivitätszentrum und das Spezifitätszentrum (Abb. 10.14):
  • Das Aktivitätszentrum kontrolliert die Gesamtaktivität des Enzyms und bestimmt je nach Besetzung, wie viel Nucleotid insgesamt reduziert wird. Die Bindung von ATP stimuliert, die Bindung von dATP hingegen hemmt die Ribonucleotid-Reduktase.

  • Das Spezifitätszentrum dagegen reguliert die Substratspezifität und bestimmt je nach Besetzung, ob ADP, GDP, CDP oder UDP zu dem entsprechenden Desoxyribonucleotid umgewandelt wird. Die Nucleotide dATP, dTTP und dGTP konkurrieren hier um die Bindung. Eine hohe dATP-Konzentration führt dabei zur bevorzugten Bildung der Desoxypyrimidinnucleotide. Damit stellt sich das richtige Verhältnis der Desoxypyrimidine zu Desoxyadenosin ein. Ist die Konzentration von dGTP zu niedrig, gewinnt dTTP die Konkurrenz um die Spezifitätsstelle und beschleunigt die Bildung von dGDP. Bindung von dGTP wiederum fördert die Bildung von dADP.

Die Konzentration der Desoxyribonucleotide ist in nicht proliferierenden Zellen extrem niedrig und dient wohl nur der DNA-Reparatur. Während der DNA-Synthese steigt jedoch in der S-Phase des Zellzyklus der Pool der Desoxyribonucleotide rasch an und erreicht Werte, die die Replikation der DNA gewährleisten. Es wird diskutiert, dass die Verfügbarkeit der Desoxyribonucleotide geschwindigkeitsbestimmend für die Replikation ist.
Im menschlichen Genom gibt es mindestens zwei Gene für die Ribonucleotid-Reduktase, die für zwei Isoenzyme kodieren. Eines der beiden ist in der S-Phase des Zellzyklus aktiv und wird wahrscheinlich von cyclinabhängigen Kinasen reguliert. Die Aktivität des anderen Gens ist von dem Protein p53 (Kap. 23.2.2), dem Wächter des Genoms, abhängig und sorgt für Nucleotide, die bei der DNA-Reparatur vor Eintritt in die Zellteilung benötigt werden.
Bei ADA-Mangel (Abb. 10.16) reichert sich Desoxyadenosin an, das von der Nucleosid-Kinase und weiteren Kinasen zu dATP phosphoryliert wird, sodass die Konzentration an dATP bis um das 50fache ansteigen kann. Da dATP die Ribonucleotid-Reduktase hemmt, ist der Nachschub an Desoxyribonucleotiden gedrosselt, und es kommt zu einer Störung der Replikation und folglich zu einer Hemmung der Zellproliferation. Die Proliferationshemmung der Lymphozyten führt zu schweren Immundefekten.

Thymidinsynthese

In der DNA kommt Uracil nicht vor, sie enthält stattdessen Thymin, das sich von Uracil durch eine Methylgruppe am C5-Atom des Pyrimidinrings unterscheidet. Desoxythymidylat (TMP) entsteht auf einem ungewöhnlichen Weg (Abb. 10.16) aus 2-Desoxyuridin-5-monophosphat (dUMP). Die Desoxyribonucleotide werden auf der Stufe der Diphosphate (dNDP) durch Reduktion der 2-OH-Gruppe ihrer Vorstufen (ADP, GDP, CDP und UDP) gebildet und schnell zu Triphosphaten (dNTP) phosphoryliert. Die Entstehung von dUTP schafft ein Problem für die Zelle, denn die DNA-Polymerase kann nicht effektiv zwischen dUTP und dTTP unterscheiden und würde Desoxyuridin in die DNA einbauen. Dies wiederum würde zu gefährlichen Mutationen führen. Daher verringern Zellen die Konzentration von dUTP durch Abspaltung einer Pyrophosphatgruppe:
dUTP + H2O dUMP + PPi
Diese Reaktion wird von der dUTP-Diphosphohydrolase katalysiert. Das entstandene Pyrophosphat wird effektiv durch Pyrophosphatasen aus dem Gleichgewicht entfernt. dUMP steht nun bereit für die Thymidinsynthese.
Die Thymidylat-Synthase katalysiert den Transfer eines C1-Bausteins (Methylengruppe) von N5,N10-Methylentetrahydrofolat auf dUMP (Abb. 10.17), wobei simultan die Methylen- zur Methylgruppe reduziert wird. Im Gegenzug wird Tetrahydrofolat zu Dihydrofolat oxidiert. Das N5,N10-Methylentetrahydrofolat dient also bei der Methylierungsreaktion gleichzeitig als Monokohlenstoffüberträger (C1-Donor) und als Reduktionsmittel. Nun muss aber das entstandene Dihydrofolat regeneriert werden, was in zwei Schritten abläuft: Zunächst wird Dihydrofolat durch die Dihydrofolat-Reduktase zu Tetrahydrofolat reduziert; Coenzym (Wasserstoffdonor) ist hier NADPH. Danach übernimmt Tetrahydrofolat eine Methylengruppe aus Serin. Diese Reaktion wird von der Serin-Hydroxymethyltransferase (auch Serin-Aldolase genannt) katalysiert. Die Reaktionsgleichung lautet:
Serin + Tetrahydrofolat N5,N10-Methylentetrahydrofolat + Glycin

Klinik

Wirkung von Sulfonamiden

Bakterielle Infektionen können über die spezifische Hemmung der bakteriellen Thymidylat-Synthase bekämpft werden, ein Enzym, das Folsäure als Coenzym benötigt. Folsäure (Vitamin-B2-Komplex) ist für den Menschen essenziell und muss mit der Nahrung aufgenommen werden. Bakterien hingegen synthetisieren Folsäure aus Biopterin, p-Aminobenzoesäure und Glutamat. Sulfonamide sind Wirkstoffe, die in der zweiten Dekade des 20. Jahrhunderts als kompetitive Hemmstoffe der bakteriellen Folsäuresynthese entdeckt wurden. Sie sind Strukturanaloga der p-Aminobenzoesäure (Abb. 10.18) und üben daher eine kompetitive Hemmung auf die Folsäure-Synthase von Bakterien aus. Ohne Folsäure können Bakterien kein Thymidin synthetisieren und ihre DNA nicht replizieren.
Heute werden Sulfonamide allein selten eingesetzt, oft jedoch in Kombination mit Trimethoprim, einem hochwirksamen kompetitiven Hemmstoff der bakteriellen Dihydrofolat-Reduktase, die für die Thymidinsynthese ebenfalls benötigt wird. Die Dihydrofolat-Reduktase von Bakterien hat sich im Verlauf der Evolution so stark von den eukaryontischen Enzymen fortentwickelt, dass Trimethoprim auf das menschliche Enzym keinen Einfluss hat und somit spezifisch antibakteriell eingesetzt werden kann. Kombinationspräparate enthalten ein Sulfonamid (Sulfamethoxazol) und Trimethoprim und werden häufig als Breitbandantibiotika verschrieben.

Inhibitoren des Nucleotidstoffwechsels

Die De-novo-Synthese und Wiederverwertung von Nucleotiden sind wichtig für die Zellteilung. Viele Verbindungen wurden chemisch synthetisiert in der Hoffnung, die ungebremste Teilung von maligne entarteten Zellen durch Inhibierung des Nucleotidstoffwechsels zu unterbinden (Abb. 10.19). Diese werden pharmakologisch klassifiziert als Antimetaboliten, Antifolate, Glutaminantagonisten und andere Stoffe.
Antimetaboliten
Diese sind im Allgemeinen Strukturanaloga der Purin- und Pyrimidinbasen oder Nucleoside, die in spezifische metabolische Schritte eingreifen.
6-Mercaptopurin (Abb. 10.19) wird in der Zelle über die Wiederverwertungsreaktion in das 5-Nucleosidphosphat umgewandelt. Diese Verbindung häuft sich in der Zelle an und hemmt spezifisch die Glutamin-PRPP-Amidotransferase, den Schrittmacher der Purinbiosynthese. Außerdem unterbindet das Nucleotid die Umwandlung von IMP zu AMP. Ein Nachteil ist, dass 6-Mercaptopurin von der Xanthin-Oxidase metabolisiert werden kann. Durch gleichzeitige Gabe von Allopurinol, einem Hemmstoff der Xanthin-Oxidase, wird der Abbau verhindert und die Effektivität des Therapeutikums erhöht. Mit 6-Mercaptopurin lassen sich bei Kindern Remissionen akuter Leukämien erzielen.
Azathioprin ist eine inaktive Vorstufe von 6-Mercaptopurin (Abb. 10.19) und wird in der Leber in den aktiven Metaboliten umgewandelt. Azathioprin findet vorwiegend Verwendung zur Ergänzung der Basisimmunsuppression bei Transplantationen und zur Therapie einiger Formen von rheumatoider Arthritis.
5-Fluorouracil ist ein Analogon von Uracil. Es wird von zellulären Enzymen (u.a. Uracil-Phosphoribosyl-Transferase) in die aktiven Wirkstoffe 5-Fluoruridinmonophosphat (F-UMP) und -triphosphat (F-UTP) umgewandelt und in RNA eingebaut. Dort interferiert Fluoruridin mit der Prozessierung reifer ribosomaler RNA oder mRNA. Das Desoxynucleotid F-dUMP ist auch ein effektiver Hemmstoff der Thymidylat-Synthase. F-dUMP bindet kovalent an das aktive Zentrum des Enzyms und hemmt dieses irreversibel (Suizidhemmung). Als Folge sterben die Zellen an Thymidinverarmung.
Cytosinarabinosid muss zur Entfaltung seiner Wirkung durch zelluläre Enzyme zum 5-Triphosphat (araCTP) metabolisiert werden. Schrittmacher ist hier die Phosphorylierung des Nucleosids durch die Desoxycytidin-Kinase. araCTP konkurriert mit dCTP in der DNA-Polymerase-Reaktion und ist somit ein Hemmstoff der Replikation.
Folsäureantagonisten wie Methotrexat hemmen hochwirksam die menschliche Dihydrofolat-Reduktase, sodass durch die blockierte Tetrahydrofolatregeneration kein Desoxythymidin synthetisiert werden kann. Diese Medikamente sind insbesondere bei schnell wachsenden malignen Zellen wirksam und finden Anwendung bei akuter lymphatischer Leukämie, Non-Hodgkin-Lymphomen, Mamma- und Zervixkarzinomen sowie Tumoren des ZNS.
Antifolate
Ein Beispiel für Antifolate ist Trimethoprim (Abb. 10.19). Es ist ein bakteriostatisch wirksames Chemotherapeutikum, das kompetitiv in die bakterielle Folsäuresynthese eingreift. Es hat ein breites Wirkungsspektrum und wird fast ausschließlich in Kombination mit einem Sulfonamid eingesetzt (Kap. 10.4.3).
Glutaminantagonisten
Aminierungsreaktionen, an denen Glutamin als Stickstoffdonor beteiligt ist, sind sehr häufig. Die Biosynthese des Purinrings, die Bildung von GMP aus IMP, die Synthese von zytosolischem Carbamoylphosphat sowie die Aminierung von UTP sind Beispiele, die mit der RNA- und DNA-Synthese eng verknüpft sind. Substanzen, die diese Reaktionen hemmen, werden Glutaminantagonisten genannt. Ein Beispiel für diese Klasse von Hemmstoffen ist Azaserin (Abb. 10.19). Die hohe Toxizität von Azaserin verbietet jedoch die klinische Anwendung zur Krebstherapie.

MERKE

Desoxyribonucleotide werden aus Ribonucleosiddiphosphaten durch Reduktion der 2-OH-Gruppe gebildet. Zwei Isoenzyme der Ribonucleotid-Reduktase dienen der Versorgung der Zelle mit DNA-Bausteinen, die für die DNA-Synthese (DNA-Replikation während der S-Phase) und für die Reparatur von DNA-Schäden benötigt werden. Die Aktivität dieser Enzyme wird durch hohe dATP-Konzentrationen gehemmt, ein Zustand, der auch pathologisch infolge von Adenosin-Desaminase-Mangel auftreten kann. dADP, dGDP und dCDP werden unmittelbar nach ihrer Bildung zu den Triphosphaten phosphoryliert, dUDP wird jedoch zu dUMP dephosphoryliert. Dieser Schritt verhindert den Einbau von Uridin in die DNA und liefert die Ausgangssubstanz für die Thymidinsynthese. Wertvolle antibakterielle und zytostatische Substanzen leiten sich von Desoxynucleotiden ab oder sind Antagonisten der Folsäuresynthese bzw. der Tetrahydrofolatregeneration im Nucleotidstoffwechsel.

Zusammenfassung

Struktur der Nucleotide

Nucleotide bestehen aus drei Komponenten: einer Base, einem Zucker und mindestens einer Phosphatgruppe. Entfernt man die Phosphatgruppe, erhält man die Nucleoside. Die Basen sind Purine oder Pyrimidine. Die häufigsten Purine sind Adenin und Guanin, die häufigsten Pyrimidine Cytosin, Uracil und Thymin. Als Zucker dienen immer Pentosen, entweder Ribose oder Desoxyribose. Die Phosphatgruppen sind in der Regel mit der 5-OH-Gruppe der Pentose verestert.

Bedeutung der Nucleotide

Nucleotide sind Bausteine von Coenzymen und Nucleinsäuren. Sie sind wichtige Energieträger der Zelle, dienen als Regulatoren von Enzymaktivitäten und dadurch von ganzen Stoffwechselwegen. cAMP und cGMP sind bedeutende intrazelluläre Boten hormoneller Signale.

Stoffwechsel der Nucleotide

Nucleotide unterliegen einem ständigen Recyclingprozess. Große Mengen werden für die Synthese der DNA und RNA benötigt. Viele RNA-Moleküle haben eine kurze Lebensdauer und werden rasch wieder zu Nucleotiden abgebaut. Die Nucleotide verbleiben in der Zelle und können, nach Phosphorylierung zu Nucleosidtriphosphaten, wieder für die Synthese neuer Nucleinsäuren verwendet werden. Werden Nucleotide dagegen durch Phosphatasen zu Nucleosiden und diese durch Nucleosid-Phosphorylasen zu den Basen abgebaut, besteht die Gefahr, dass der Abbau noch fortschreitet und dadurch die Nucleotide der Zelle verloren gehen. In diesem Fall müssten sie durch energieaufwändige Neusynthese ersetzt werden, denn Nahrungspurine und -pyrimidine haben für die Versorgung der Zellen eine untergeordnete Bedeutung. Um Verluste zu minimieren, stehen den Zellen effektive Wiederverwertungsreaktionen zur Verfügung (Salvage pathway).
Purine werden im menschlichen Körper zu Harnsäure abgebaut, Pyrimidine zu -Alanin (einem Bestandteil der Pantothensäure) bzw. zu -Aminoisobutyrat. Diese Produkte werden im Urin ausgeschieden.
Defekte des Purinnucleotidstoffwechsels führen zu schweren Erkrankungen, wie Hyperurikämie und Gicht, einer lebensbedrohlichen Immunschwäche oder geistiger Retardation mit Neigung zu Selbstverstümmelung. Defekte des Pyrimidinstoffwechsels sind sehr selten; bekannt ist die hereditäre Orotacidurie.

Fragen

  • 1.

    Welche Funktionen haben Nucleotide?

  • 2.

    Aus welchen Bausteinen bestehen Nucleotide?

  • 3.

    Welche Nucleotide enthält die DNA, welche die RNA?

  • 4.

    Welche Moleküle sind die Lieferanten des Purinrings bei der Purinbiosynthese?

  • 5.

    Wie wird die Purinbiosynthese reguliert?

  • 6.

    Was versteht man unter Salvage pathway?

  • 7.

    Wie entsteht Gicht? Welche therapeutischen Möglichkeiten gibt es?

  • 8.

    Wie heißen die beiden multifunktionellen Proteine, die die Pyrimidinbiosynthese katalysieren?

  • 9.

    Wie entstehen Desoxyribonucleotide? Welches Enzym spielt hier eine wichtige Rolle?

  • 10.

    Nennen Sie einige Inhibitoren des Nucleotidstoffwechsels.

014 IMPP-Fragen

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