A purinok és pirimidinek a DNS és az RNS nukleotidjainak alapvető összetevői, és nélkülözhetetlenek a sejtben az információ tárolásához. Emellett a koenzimek alapvető vázaként is szolgálnak, és számos enzimatikus folyamatban vesznek részt. A purin- vagy pirimidin-anyagcserében bekövetkező változásoknak számos következménye lehet. A purinanyagcsere zavarai például a vérben megnövekedett húgysavmennyiséghez vezetnek, amely köszvényt eredményezhet. A nukleotidszintézis gátlókat a tumorterápiában használják; a ribonukleotid-reduktáz gátló például a DNS építőelemeinek megfosztásával gátolja a DNS replikációját az erősen proliferatív tumorsejtekben.

Purin metabolizmus

A purin nukleotidok közé tartoznak az adenin és a guanin bázisok. A purin nukleotidok vissza szintetizálódhatnak újonnan (de novo szintézis) de bomlástermékekből is visszanyerhetők („mentő út”).

A purin-nukleotidok de novo szintézise

• Útvonal: Foszforibozil-pirifoszfát (PRPP) → inozin-5'-monofoszfát (IMP) → adenozin-5'-monofoszfát (AMP) VAGY guanozin-5'-monofoszfát (GMP)
• Nitrogén- vagy széndonorok: 2 glutamin , glicin, aszpartát, hidrogén-karbonát (HCO^-₃), 2 tetrahidrofolsav (THF)
• Energiadonátorok: ATP és GTP

Fázisok

• PRPP szintézis
• Reakció: Ribóz-5-foszfát + ATP → PRPP + AMP
• Enzim: PRPP-szintetáz (ribóz-foszfát-pirofoszfokináz),
• IMP szintézis
• Kulcsfontosságú enzim (a de novo szintézis elkötelezett lépése): Glutamin PRPP amidotranszferáz,
• Reakció: PRPP + glutamin → 5- foszforibozilamin (PRA), glutamát, PP_i,
• 10 lépésből négyhez ATP-hidrolízisre van szükség,
• A 10 lépésből kettőhöz THF-re mint kofaktorra van szükség,
• Reguláció:
• Alloszterikus aktiválás a PRPP által,
• Alloszterikus gátlás AMP, GMP és IMP által,
• AMP és GMP szintézis:
• AMP szintézis: Az IMP C6 atomjának oxigénatomját aminocsoportra (NH₂ csoportra) cserélik,
• Első reakciólépés: IMP + aszpartát + GTP → adenilszukcinát + GDP + P_i,
• Enzim: Adenilszukcinát-szintetáz,
• Második reakciólépés: Adenilszukcinát → adenozin-5'-monofoszfát (AMP) + fumarát,
• Enzim: Adenilszukcinát liáz,
• GMP szintézis: Aminocsoport kötése a C2 atomhoz,
• Első reakciólépés: IMP + H₂O + NAD⁺ → xantozin-monofoszfát (XMP) + NADH + H⁺,
• Enzim: IMP-dehidrogenáz,
• Második reakciólépés: XMP + ATP + glutamin → guanozin-5'-monofoszfát (GMP) + AMP + PPi + glutamát,
• Enzim: Guanilát-szintetáz (xantilát-amináz),
• A kinázok foszforilálják az AMP-t és a GMP-t, így ATP és GTP keletkezik

A GTP az IMP AMP-vé történő szintézisében vesz részt, míg az ATP az IMP GMP-vé történő szintézisében!

A purinszintézishez 2 THF szükséges, amelyet a dihidrofolátból a dihidrofolát-reduktáz redukál.

A de novo purinszintézis gátlói

• 6-Merkaptopurin (6-MP) és az azatioprin nevű prodrugja: Gátolja a PRPP IMP-vé történő átalakulását,
• Mikofenolát és ribavirin: Gátolják az inozin-monofoszfát-dehidrogenáz működését.

Purinmentő útvonal

A szabad purinbázisok közvetlenül a PRPP-hez kapcsolódhatnak, így purin-nukleotidok keletkeznek. Ez a purin-nukleotidszintézis útvonal lényegesen kisebb energiafelhasználással jár, mint a de novo szintézis.

• Leírás: A purin bázisok, az adenin, guanin és hipoxantin újrahasznosítása,
• Szubsztrát: PRPP adeninnel vagy guaninnal és hipoxantinnal,
• Termék: AMP vagy GMP és IMP,
• Enzimek: adenin-foszforibozil-transzferáz (APRT) és hipoxantin-guanin-foszforibozil-transzferáz (HGPRT),
• Reguláció: Az APRT-ot az adenin-nukleotidok gátolják , a HGPRT-ot az IMP és GMP

A HGPRT hiánya Lesch-Nyhan-szindrómához vezet!

Purin-nukleotid degradáció

Mivel a purin gyűrűrendszere az emberben enzimatikusan nem hasítható, a purin húgysavvá metabolizálódik, és urát-anionként ürül a vizelettel.

• Leírás: A purin nukleotidok lebontása során először nukleozidokká alakulnak, majd az így keletkezett xantin húgysavvá oxidálódik,
• AMP lebontása: AMP → adenozin → inozin → hipoxantin → xantin → húgysav,
• GMP lebontása: GMP → guanozin → guanin → xantin → húgysav,
• XMP lebontása: XMP → xantozin → xantin → húgysav,
• Fontos enzimek is részt vesznek ezekben a reakciókban,
• Adenozin-dezamináz: Katalizálja az adenozin dezaminálását inozinná,
• Xantin-oxidáz (xantin-dehidrogenáz): Katalizálja a hipoxantin xantinná, és a xantin húgysavvá alakulását
• Guanin-dezamináz: Katalizálja a guanin dezaminálását xantinná.

Pirimidin metabolizmus

A pirimidin nukleotidok szintén újonnan szintetizálódnak vagy visszanyerésre kerülnek. Azonban, ellentétben a purin nukleotidok de novo szintézisével, a pirimidin nukleotidok de novo szintézise során az alapvető gyűrűstruktúra szintetizálódik először, és csak azután kapcsolódik az aktivált ribóz-foszfáthoz (azaz PRPP-hez).

Pirimidin-nukleotidok de novo szintézise

• A pirimidin-nukleotidok a következő bázisokból állnak:
• Uracil (pl. uridin-trifoszfát, UTP),
• Citozin (pl. citidin-trifoszfát, CTP),
• Timin (pl. dezoxitimidin-trifoszfát, dTTP),
• A pirimidin nukleotidok szintézisében kezdetben uridin-monofoszfát (UMP) keletkezik, amely UDP-vé és UTP-vé foszforilálódhat. Az UTP-ből ezután CTP szintetizálható,
• A timin tartalmú dezoxiribonukleotidok szintéziséhez további reakciólépésekre van szükség: Először dezoxi-UMP (dUMP) képződik, majd metilálódik dTMP-vé (dezoxitimidin-monofoszfát), amelyet a timidilát-szintáz katalizál.

1. fázis: szintézisút aszpartátból és citoszolikus karbamoil-foszfátból UMP-vé

• Útvonal: Glutaminból és bikarbonátból karbamoil-foszfát szintézise → aszparaginsav hozzáadásával karbamoil-aszpartát keletkezik → dihidroorotát → orotsav → PRPP-re való átvitel OMP-t (orotidin-monofoszfátot) eredményez → UMP (uridin-monofoszfát) + CO₂
• Nitrogén vagy szén donorok: glutamin, bikarbonát (HCO^-₃), aszpartát
• Érintett enzimkomplexek:
• A CAD enzim (a citoszolban található) három domént tartalmaz, melyek mindegyike saját enzimaktivitással rendelkezik:
• Glutamin-függő karbamoil-foszfát szintetáz 2 (CPS2): Ez az enzim katalizálja az első, sebességmeghatározó lépést a pirimidin nukleotidok de novo szintézisében, a glutaminból és bikarbonátból karbamoil-foszfátot állítva elő. Ez a legtöbb emberi sejt citoszoljában található
• Aszpartát-karbamoiltranszferáz: Ez a domén katalizálja a karbamoil-foszfát és az aszpartát reakcióját, amelynek eredményeként karbamoil-aszpartát keletkezik,
• Dihidroorotáz: Ez a domén katalizálja a karbamoil-aszpartát dihidroorotáttá történő átalakulását,
• Dihidroorotát-dehidrogenáz (a belső mitokondriális membránban található)
• UMP szintáz (a citoszolban található)
• Kulcsreakció: Aszpartát + karbamoil-foszfát → karbamoil-aszparaginsav + Pi,
• Reguláció:
• A CAD enzim CPS2 aktivitása,
• Aktiválás: PRPP és ATP,
• Gátlás: UTP,
• A CAD enzim és a dihidroorotát-dehidrogenáz dihidroorotáz aktivitásának gátlása orotsav által.

A szintézis elve:
- Glutamin + HCO^-₃ + 2 ATP + H₂O → karbamoil-foszfát + glutamát + 2 ADP + Pi,
- Karbamoil-foszfát + aszpartát → karbamoil-aszpartát + Pi,
- Karbamoil-aszparaginsav → → (2 lépésben) orotsav,
- Orotsav + PRPP → → (2 lépésben) UMP.

Az UMP szintáz hiánya orotikus aciduriához vezet, amelyet megaloblasztikus anémia és orotsav-kristályuria jellemez!

A pirimidin szintézis citoszolikus karbamoil-foszfát-szintetáz 2-t nem szabad összetéveszteni a karbamid-ciklus mitokondriális karbamoil-foszfát-szintetáz 1-gyel.

2. fázis: UTP és CTP szintézise

• Útvonal: UMP → UDP → UTP → CTP
• Enzimek:
• Különböző kinázok
• CTP szintetáz

3. fázis: Timint tartalmazó dezoxiribonukleotidok szintézise

• Leírás:
• dTMP (timidilát) képződése dUMP-ből metilációval
• UDP redukálódik dUDP-vé ribonukleotid-reduktáz által → foszforiláció dUTP-vé → pirofoszfát disszociációja → dUMP,
• Enzim: Timidilát-szintáz,
• Reakció: dUMP + N⁵, N¹⁰-metilén-tetrahidrofolát (THF) → dTMP + dihidrofolsav,
• Kofaktor:
• N⁵, N¹⁰-metilén-THF (folsav-származék) metilcsoport-hordozóként,
• N⁵, N¹⁰-metilén-THF regenerálása:
• A dTMP szintéziséből származó dihidrofolsavat a dihidrofolát-reduktáz THF-vé alakítja
• A THF regenerálódik, így N⁵, N¹⁰-metilén-THF keletkezik
• Ezt követően: A dTMP foszforilációja dTDP-vé és dTTP-vé specifikus kinázokkal ATP felhasználásával

A timint tartalmazó dezoxiribonukleotidok szintézisének sebessége a folsavellátástól függ!

A metotrexát és az 5-fluorouracil egyaránt gátolja a DNS-szintézist a timintartalmú dezoxiribonukleotidok képződésének megzavarásával!

A pirimidin szintézis inhibitorai

• Leflunomid: Gátolja a dihidroorotát-dehidrogenázt,
• 5-fluorouracil (5-FU) és prodrugja, a kapecitabin gátolja a timidilát-szintázt, ami a dTMP csökkenéséhez vezet az 5-F-dUMP képződése révén.

Pirimidin- és purinszintézis inhibitorai

• Metotrexát, trimetoprim, pirimetamin: Gátolják a dihidrofolát-reduktázt, ami a dTMP csökkenéséhez vezet emberekben, baktériumokban és protozoákban,
• Hidroxiurea: A ribonukleotid-reduktáz gátlásán keresztül gátolja mind a purin-, mind a pirimidin-szintézist.

Pirimidin-nukleozidok kinyerése

A pirimidin-nukleozidok kinázokkal ATP segítségével pirimidin-nukleotidokká alakíthatók. A cukormaradékok nélküli szabad pirimidinbázisok nem nyerhetők vissza.

Pirimidin-nukleotidok lebontása

A purin nukleotidokkal ellentétben a pirimidin nukleotidok teljesen lebonthatók és energiatermelésre felhasználhatók.

• Útvonal: Pirimidin nukleotidok (CMP, UMP, dTMP) → pirimidin nukleozidok → a cukorrész hasítása szabad bázisokat eredményez → a pirimidin gyűrű hasítása → β-alanin vagy β-aminoizobutirinsav → további átalakulás malonil-CoA-vá vagy metilmalonil-CoA-vá,
• Helyszín: Citoplazma (különösen a máj- és vesesejtekben),
• Reakciólépések a CMP lebontásában:
• CMP → citidin → uridin → uracil → dihidrouracil → 3-ureidopropionsav → β-alanin,
• A CMP (citidin-monofoszfát) átalakítható UMP-vé (uridin-monofoszfáttá), majd ezután tovább degradálódik, belépve az UMP lebontási útvonalába,
• Az UMP lebontásának reakciólépései:
• UMP → uridin → uracil → dihidrouracil → 3-ureidopropionsav → β-alanin,
• A dTMP lebontásának reakciólépései:
• dTMP → timidin → timin → dihidrotimin → β-ureidoizovajsav → β-aminoizovajsav.

Dezoxiribonukleotidok szintézise

Az adenin és guanin purinbázisokat, valamint a citozin és timin pirimidinbázisokat tartalmazó dezoxiribonukleotidok szükségesek a DNS-szintézishez. A timin-tartalmú dezoxiribonukleotidok kivételével a többi dNTP (dezoxiribonukleozid-trifoszfát) ribonukleotidok redukciójával szintetizálódik (ribonukleotid-reduktáz segítségével).

• Leírás: Ribonukleotidok redukciója dezoxiribonukleotidokká (dATP, dGTP, dCTP, valamint a dTTP prekurzoraként dUMP),
• Reakció: NDP (ribonukleozid-difoszfát) + NADPH⁺ H⁺ → dNDP + NADP⁺ + H₂
• Enzim: Ribonukleotid-reduktáz,
• További enzimek és kofaktorok: Tioredoxin , tioredoxin-reduktáz FAD kofaktorral, NADPH⁺ H⁺
• Szabályozás: A ribonukleotid-reduktáz aktivitásának és szubsztrát-specifitásának komplex alloszterikus szabályozása, pl. ATP általi aktiválás és dATP általi gátlás,
• Reakció mechanizmus: Az NDP-k redukálásához a ribonukleotid-reduktáz cisztein SH-csoportjainak egy párja oxidálódik, és ezáltal diszulfidkötést (-S–S-) képez,
• További reakciók: A ribonukleotid-reduktáz regenerálása,
1. A ribonukleotid-reduktáz SH-csoportjainak regenerációja tioredoxin által,
2. A tioredoxin SH-csoportokat is tartalmaz, amelyek oxidálódnak (diszulfidhídat képezve),
3. A tioredoxin SH-csoportjainak regenerációja tioredoxin-reduktázzal FADH₂ segítségével, amely viszont FAD-dá oxidálódik,
4. A FAD-ot NADPH⁺ H⁺ redukálja FADH₂-vé, egyidejűleg NADP⁺ keletkezik,
5. NADPH⁺ H⁺ keletkezik a pentóz-foszfát útvonalon.