• Vorklinik
  • Physikum-Fokus

Purine und Pyrimidine

Abstract

Purine und Pyrimidine sind chemische Strukturen, die einen grundlegenden Bestandteil von Nucleotiden in DNA und RNA bilden. Damit sind sie essentiell für die Informationsspeicherung in der Zelle. Sie dienen aber auch als Grundgerüst für Coenzyme und sind deshalb an vielen enzymatischen Prozessen beteiligt. Eine Veränderung im Purin- oder Pyrimidinstoffwechsel kann sehr unterschiedliche Folgen haben. Zum Beispiel führen Störungen des Stoffwechsels von Purinen zu einer erhöhten Menge an Harnsäure im Blut und können Gicht auslösen. Hemmstoffe der Nucleotidsynthese werden in der Tumortherapie eingesetzt, z.B. Ribonucleotidreduktasehemmer, die die DNA-Replikation in den sich oft teilenden Tumorzellen durch Mangel an DNA-Bausteinen hemmen.

Umwandlung von Ribonucleotiden in Desoxyribonucleotide

Unabhängig davon, ob Purin- oder Pyrimidinnucleotide : Für die DNA-Synthese werden Desoxyribonucleotide benötigt und zwar solche mit den Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Außer Thymin-haltigen Desoxyribonucleotiden können die für die DNA notwendigen dNTPs (Desoxyribonucleosidtriphosphate) durch Reduktion ihrer Ribonucleotide gebildet werden. Ribonucleotidreduktase katalysiert diese Reaktion.

Der Reaktionsmechanismus der Ribonucleotidreduktase-Reaktion beinhaltet die Bildung freier Radikale. Im Endeffekt werden zwei Cysteinreste der Ribonucleotidreduktase über eine Disulfidbrücke miteinander verbunden (oxidiert), so dass die Ribose reduziert werden kann. Das O-Atom am C2'-Atom des Riboserests verlässt mit den beiden Protonen und zwei Elektronen des Enzyms als H2O das Nucleotid. Das Desoxyribonucleotid wird freigesetzt.

Im Endeffekt stammen die Reduktionsäquivalente für die Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotiden aus NADPH+H+.

Thioredoxin-Reduktase enthält Selen in Form von Selenocystein!

Purinstoffwechsel

Purinnucleotide können im Körper neu synthetisiert (De-novo-Synthese) oder aus Abbauprodukten wiederverwertet werden (Salvage-Pathway). Die Neusynthese von Puringrundgerüsten ist sehr energieaufwendig. Daher wird sie stark reguliert. Die Wiederverwertung (Reutilisation) von Purinbasen, die beim Abbau von Nucleotiden frei werden oder durch intestinale Resorption aufgenommen werden, spart Energie. Der Abbau von Purinnucleotiden führt über mehrere Zwischenschritte zu Purinbasen und schließlich zu Harnsäure, die insbesondere über den Urin ausgeschieden wird.

De-novo-Synthese von Purinnucleotiden

Prinzip der Synthese:
5-Phosphoribosyl-1α-pyrophosphat (PRPP) → → → (in 10 Schritten zu) Inosin-5'-monophosphat (IMP)
IMP → → AMP oder GMP
AMP → ATP oder GMP → GTP

Bereitstellung von PRPP

Phase 1: Syntheseweg von PRPP zu IMP

Ausgehend von PRPP werden in zehn Reaktionsschritten Stück für Stück die Atome des Puringerüsts durch die verschiedenen Stickstoff- oder Kohlenstoffdonatoren angelagert, bis das erste gemeinsame Zwischenprodukt, das Purinnucleotid IMP, aufgebaut ist.

Das N9-Atom, das im neusynthetisierten Purinnucleotid die N-glykosidische Bindung zwischen Base und Zucker bildet, stammt aus Glutamin!

Reaktionen Substrat Enzym Produkt Besonderheiten/Reaktionspartner
1. Anlagerung des N9-Atoms 5-Phosphoribosyl-1α-pyrophosphat (PRPP) Glutamin-PRPP-Amidotransferase 5-Phosphoribosylamin (PRA)
2. Anlagerung der Atome C4, C5 und N7 5-Phosphoribosylamin (PRA) GAR-Synthetase Glyzinamid-Ribonucleotid (GAR) auch: 5-Phosphoribosylglyzinamid
3. Anlagerung des C8-Atoms Glyzinamid-Ribonucleotid (GAR) GAR-Transformylase Formylglycinamid-Ribonucleotid (FGAR) auch: 5'-Phosphoribosylformylglycinamid
4. Anlagerung des N3-Atoms und Amidierung des C4-Atoms Formylglycinamid-Ribonucleotid (FGAR) FGAM-Synthetase Formylglyzinamidin-Ribonucleotid (FGAM)
5. Ringschluss zur Bildung des Imidazolrings Formylglyzinamidin-Ribonucleotid (FGAM) AIR-Synthetase 5-Aminoimidazol-Ribonucleotid (AIR) auch: 5'-Phosphoribosyl-5-Aminoimidazol
6. Anlagerung des C6-Atoms 5-Aminoimidazol-Ribonucleotid (AIR) AIR-Carboxylase 4-Carboxy-5-Aminoimidazol-Ribonucleotid (CAIR) auch: 5'-Phosphoribosyl-5-Aminoimidazol-4-Carbonsäure
7. Anlagerung des N1-Atoms (1.Schritt) 4-Carboxy-5-Aminoimidazol-Ribonucleotid (CAIR) SAICAR-Synthetase 5-Aminoimidazol-4-N-Succinocarboxamid-Ribonucleotid (SAICAR) auch: 5'-Phosphoribosyl-5-Aminoimidazol-4-N-Succinocarboxamid
8. Anlagerung des N1-Atoms (2.Schritt) 5-Aminoimidazol-4-N-Succinocarboxamid-Ribonucleotid (SAICAR) Adenylosuccinat-Lyase

5-Aminoimidazol-4-Carboxamid-Ribonucleotid (AICAR) auch: 5'-Phosphoribosyl-5-Aminoimidazol-4-Carboxamid

  • Fumarat wird abgespalten
9. Anlagerung des C2-Atoms 5-Aminoimidazol-4-Carboxamid-Ribonucleotid (AICAR) AICAR-Transformylase

5-Formamidoimidazol-4-Carboxamid-Ribonucleotid (FAICAR) auch: 5'-Phosphoribosyl-5-Formamidoimidazol-4-Carboxamid

10. Ringschluss unter Abspaltung von H2O 5-Formamidoimidazol-4-Carboxamid-Ribonucleotid (FAICAR) IMP-Cyclohydrolase Inosin-5'-monophosphat (IMP) auch: Inosylat
  • H2O wird abgespalten

Phase 2: Syntheseweg von IMP zu AMP bzw. von IMP zu GMP

An der Synthese von AMP aus IMP ist GTP beteiligt, an der Synthese von GMP aus IMP ist ATP beteiligt!

Aspartat dient bei der Synthese von AMP aus IMP als Aminogruppendonor!

Phase 3: Phosphorylierung von AMP und GMP

Die Monophosphate AMP und GMP werden zu den entsprechenden Diphosphaten (ADP, GDP) und Triphosphaten (ATP, GTP) phosphoryliert. Verschiedene Kinasen können diese Reaktion katalysieren.

Wiederverwertung von Purinbasen (Salvage-Pathway)

Freie Purinbasen können im Körper direkt mit PRPP zu Purinnucleotiden umgesetzt werden. Dieser Weg der Purinnucleotidsynthese ist mit wesentlich weniger Energieverbrauch verbunden als die De-novo-Synthese.

Lesch-Nyhan-Syndrom
Durch einen Gendefekt fehlt das Enzym HGPRT. Deshalb kann Guanin und Hypoxanthin nicht mit PRPP zu GMP und IMP umgesetzt werden. Die PRPP-Konzentration in der Zelle steigt an, was das Schlüsselenzym der Purin-De-novo-Synthese, die Glutamin-PRPP-Amidotransferase, aktiviert. Durch die gesteigerte Purinsynthese werden auch mehr Purine in Harnsäure umgewandelt. Es kommt zu Hyperurikämie eventuell mit Gichtsymptomatik und neurologischen Störungen bis hin zu verzögerter geistiger Entwicklung und autoaggressivem Verhalten. Die Therapie erfolgt symptomatisch, indem die Umwandlung der Purine in Harnsäure medikamentös gehemmt wird.

Abbau von Purinnucleotiden

Purinnucleotide werden über andere Reaktionsschritte abgebaut, als sie aufgebaut werden. Da im menschlichen Organismus das Purinringsystem nicht enzymatisch gespalten werden kann, werden Purine in Harnsäure überführt und mit dem Urin ausgeschieden.

Prinzip des Abbaus:
Purinmononucleotid → Purinnucleosid + Phosphat
Purinnucleosid → Purinbase + Ribose-1-phosphat
Sowohl aus Adenosin als auch aus Guanosin wird über Xanthin schließlich Harnsäure, die überwiegend mit dem Urin ausgeschieden wird.

Harnsäure liegt im Blut als Urat (d.h. in deprotonierter Form) vor und wird in dieser Form im Urin ausgeschieden!

Hyperurikämie und Gicht
Harnsäure als Endprodukt des Abbaus von Purinnucleotiden ist relativ schlecht löslich im Blut. Der Serum-Harnsäure-Spiegel liegt normalerweise bei 6,4 mg/dL (ca. 380 μmol/L). Eine Erhöhung des Serum-Harnsäure-Spiegels bezeichnet man als Hyperurikämie. Durch die schlechte Löslichkeit kann sich überschüssige Harnsäure in Form von Natrium-Urat-Kristallen in Gelenken, Bindegewebe, Ohrknorpel und im Nierenmark ablagern. Dann spricht man von Gicht, die mit akuten Entzündungsschüben und starken Schmerzen verbunden ist. Therapeutisch wird u.a. Allopurinol eingesetzt. Das Strukturanalogon von Hypoxanthin hemmt die Xanthinoxidase. Dadurch wird weniger Harnsäure gebildet, und als Endprodukte des Purinabbaus werden Hypoxanthin und Xanthin ausgeschieden. Die Bildung von Harnsäure-Konkrementen wird durch einen niedrigen pH-Wert begünstigt, daher kann man der Steinbildung im Urin auch durch eine Alkalisierung entgegenwirken.

Pyrimidinstoffwechsel

Pyrimidinnucleotide werden genauso wie Purinnucleotide entweder neu synthetisiert oder wiederverwertet. Im Unterschied zu den Purinnucleotiden wird bei Pyrimidinnucleotiden bei der Neusynthese erst das Grundgerüst der Base aufgebaut und dann mit aktiviertem Ribosephosphat verbunden.

De-novo-Synthese von Pyrimidinnucleotiden

Die Pyrimidinnucleotide enthalten die Basen Uracil, Cytosin und Thymin. Bei der Neusynthese wird erst UMP (Uridin-5'-monophosphat) gebildet. Daraus kann über UTP (Uridin-5'-triphosphat) CTP (Cytidin-5'-triphosphat) synthetisiert werden. Für die Synthese von Thymin-haltigen Desoxyribonucleotiden ist ein "Umweg" notwendig. Es müssen erst Uracil-haltige Desoxyribonucleotide als Ausgangsstoff gebildet werden. Diese Reaktion wird von der Ribonucleotidreduktase katalysiert. Nach einigen Zwischenschritten kann schließlich dUMP zu dTMP (Desoxythymidin-5'-monophosphat), auch Thymidylat genannt, methyliert werden. Diese von der Thymidylatsynthase katalysierte Reaktion benötigt N5-N10-Methylentetrahydrofolat als Cofaktor.

Phase 1: Syntheseweg von Aspartat und Carbamoylphosphat bis UMP

Prinzip der Synthese:
Glutamin + HCO3- + 2 ATP + H2O → Carbamoylphosphat + Glutamat + 2 ADP + Pi
Carbamoylphosphat + Aspartat → N-Carbamoylaspartat + Pi
N-Carbamoylaspartat → Dihydroorotat → Orotat
Orotat + 5-Phosphoribosyl-1α-pyrophosphat (PRPP) → → (in 2 Schritten zu) Uridin-5'-monophosphat (UMP)

Die zytosolische Carbamoylphosphatsynthetase 2 der Pyrimidinsynthese darf nicht mit der mitochondrialen Carbamoylphosphatsynthetase 1 des Harnstoffzyklus verwechselt werden!

Synthese von UMP
Reaktionen Substrat Enzym Produkt

Besonderheiten/Reaktionspartner

CAD-Enzym (im Zytosol)

1. Reaktionsschritt

Glutamin

Carbamoylphosphatsynthetase 2

Carbamoylphosphat

2. Reaktionsschritt

Carbamoylphosphat Aspartattranscarbamylase

N-Carbamoylaspartat

3. Reaktionsschritt

N-Carbamoylaspartat Dihydroorotase Dihydroorotat
  • H2O wird freigesetzt
Dihydroorotatdehydrogenase (in der inneren Mitochondrienmembran)
4. Reaktionsschritt Dihydroorotat Dihydroorotatdehydrogenase Orotat Das Enzym ist ein Flavo-Protein (mit FMN = Flavinmononucleotid).
UMP-Synthase (im Zytosol)
5. Reaktionsschritt Orotat

Orotat-Phosphoribosyltransferase

Orotidin-5'-monophosphat (OMP)
6. Reaktionsschritt Orotidin-5'-monophosphat (OMP) OMP-Decarboxylase Uridin-5'-monophosphat (UMP)
  • CO2 wird freigesetzt

Phase 2: Von UMP über UTP zu CTP

Kinasen phosphorylieren UMP (Uridin-5'-monophosphat) zu UDP (Uridin-5'-diphosphat) und schließlich zu UTP (Uridin-5'-triphosphat) - jeweils unter ATP-Verbrauch. Aus UTP kann Cytidin-5'-triphosphat (CTP) durch Aminierung gebildet werden. Für diesen Schritt sind Glutamin, H2O und ATP notwendig. Glutamin dient als Donor der benötigten Aminogruppe. Das verantwortliche Enzym, die Cytidintriphosphat-Synthase (auch: CTP-Synthase oder CTP-Synthetase), wird durch CTP inhibiert und durch GTP aktiviert.

UMP → UDP → UTP → CTP

Phase 3: Synthese von Thymin-haltigen Desoxyribonucleotiden

  • Definition: Bildung von dTMP (Thymidylat) aus dem Vorläufer dUMP (Desoxyuridin-5'-monophosphat) durch Methylierung.
  • Ziel: Bereitstellung von Thymidin-haltigen Desoxyribonucleotiden als DNA-Baustein
  • Summengleichung: dUMP + N5-N10-Methylentetrahydrofolat → dTMP + Dihydrofolat
  • Enzym: Thymidylatsynthase
  • Cofaktor: N5-N10-Methylentetrahydrofolat (ein Derivat der Folsäure) als Überträger der Methylgruppe
  • Zusätzlich ablaufende Reaktionen zur Regeneration von N5-N10-Methylentetrahydrofolat:
  • Anschließend: Phosphorylierung von dTMP zu dTDP und dTTP durch spezifische Kinasen unter ATP-Verbrauch

Die Synthesegeschwindigkeit von Thymin-haltigen Desoxyribonucleotiden hängt mit dem Folsäureangebot zusammen!

Methotrexat und Fluorouracil
Krebszellen proliferieren sehr stark, d.h. sie teilen sich schneller als andere Körperzellen. Ihr zellulärer Stoffwechsel ist gesteigert und die DNA-Syntheserate ist hoch. Zytostatika dämmen die Proliferation von Krebszellen ein, indem sie z.B. die DNA-Synthese bremsen. Methotrexat (auch: Amethopterin) ist ein Folsäure-Antagonist. Es hemmt die Dihydrofolatreduktase kompetitiv und verhindert somit die Regeneration von Tetrahydrofolat. Dadurch sinkt in der Zelle die Menge an Thymidylat, das für die DNA-Synthese benötigt wird. Mangel an Thymin führt zum Tod der Zelle durch Apoptose. Fluorouracil ist ebenfalls ein Zytostatikum, genauer ein Pyrimidinantagonist. Es wird intrazellulär zu Fluordesoxyuridinmonophosphat (F-dUMP) umgewandelt. F-dUMP hemmt die Thymidylatsynthase und damit die Bildung von Thymidylat. Zusätzlich wird zu Fluoro-UTP phosphoryliertes Fluorouracil statt UTP in RNA eingebaut.

Wiederverwertung von Pyrimidinnucleosiden

Pyrimidinnucleoside können durch Kinasen unter ATP-Verbrauch zu Pyrimidinnucleotiden recycelt werden. Freie Pyrimidinbasen ohne Zuckerrest können nicht wiederverwertet werden.

Abbau von Pyrimidinnucleotiden

Pyrimidinnucleotide können im Gegensatz zu Purinnucleotiden vollständig abgebaut und dem Stoffwechsel zur Energiegewinnung zur Verfügung gestellt werden. In einem ersten Schritt werden die Pyrimidinnucleotide wie die Purinnucleotide in ihre Nucleoside umgewandelt. Nach Abspaltung des Zuckerrests werden die freien Basen reduziert, und der Pyrimidinring kann im nächsten Schritt gespalten werden. CO2 und NH3 werden freigesetzt, und es entstehen β-Alanin und β-Aminoisobutyrat. Diese Verbindungen können nach Umwandlung zu Malonyl-CoA bzw. Methylmalonyl-CoA verstoffwechselt werden.

  • Definition: Abbau von Pyrimidinnucleotiden zu β-Alanin und β-Aminoisobutyrat mit Zwischenschritten über die entsprechenden Basen und hydrolytischer Spaltung des Pyrimidinrings
  • Ort: Zytoplasma (insbesondere von Leber- und Nierenzellen)
  • Ausgangsstoffe: CMP, UMP und dTMP
  • Endprodukte: β-Alanin und β-Aminoisobutyrat
  • Reaktionsschritte beim Abbau von CMP
    • CMPCytidinUridinUracil → Dihydrouracil → β-Ureidopropionat → β-Alanin
    • CMP kann auch in UMP umgewandelt und daraus weiter abgebaut werden.
  • Reaktionsschritte beim Abbau von UMP
  • Reaktionsschritte beim Abbau von dTMP
    • dTMP → Desoxythymidin → Thymin → Dihydrothymin → β-Ureidoisobutyrat → β-Aminoisobutyrat

Wiederholungsfragen zum Kapitel Purine und Pyrimidine

Umwandlung von Ribonucleotiden in Desoxyribonucleotide

Beschreibe die Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotiden inkl. der beteiligten Enzyme! Welchem Zweck dient diese Reaktion?

Thioredoxin-Reduktasen katalysieren die Wiederherstellung des Ausgangszustands der Ribonucleotidreduktase. Welchen Stoff enthalten sie, um diese Funktion zu erfüllen?

Purinstoffwechsel

Was ist der grundlegende Ablauf bei der De-novo-Synthese von Purinnucleotiden?

Woher stammt das für die Neusynthese von Purinnucleotiden benötigte PRPP?

Wie wird die De-novo-Synthese von Purinnucleotiden reguliert?

Welche Stoffe dienen bei der De-novo-Synthese von Purinnucleotiden als Stickstoff- oder Kohlenstoffdonatoren und woher stammt das N9-Atom der N-glykosidischen Bindung zwischen Base und Zucker?

Wie läuft die Bildung von IMP prinzipiell ab und welches Enzym ist geschwindigkeitsbestimmend?

Wie läuft die anschließende Umwandlung von IMP zu AMP ab?

Welche Reaktion schließt die Neusynthese der Purinnucleotide ab?

Wie werden Purinnucleotide abgebaut und welche Enzyme sind dafür notwendig?

Warum kann den renalen Manifestationen einer Gicht (Urat-Nephrolithiasis und Uratnephropathie) durch eine Alkalisierung des Urins entgegengewirkt werden?

Was ist der sog. Salvage-Pathway, wie läuft er grob ab und was ist sein Vorteil? Welches Krankheitsbild entsteht, wenn dieser Weg beeinträchtigt ist?

Pyrimidinstoffwechsel

Was ist der grundlegende Ablauf der De-novo-Synthese von Pyrimidinnucleotiden?

Wie wird das Pyrimidingrundgerüst neu hergestellt, wer sind die Stickstoff-, Kohlenstoff- und Sauerstoffdonatoren?

Welche Enzymkomplexe sind an den Reaktionen zur Herstellung von UMP beteiligt?

In welchem anderen Stoffwechselweg findet sich auch eine Carbamoylphosphatsynthetase und wie ist ihre subzelluläre Lokalisation?

Beschreibe die Synthese von Thymin-haltigen Desoxyribonucleotiden aus UMP inkl. beteiligtem Enzym und Cofaktor!

Nenne zwei Zytostatika, die in den Pyrimidinstoffwechsel eingreifen und erkläre das Wirkungsprinzip von einem dieser beiden!

Über welche gemeinsamen Zwischenprodukte werden die Pyrimidinnucleotide CMP und UMP abgebaut?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.