Download Purine biosynthesis pathway

CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
The control network for the purine biosynthesis pathway.
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Purine biosynthesis pathway
Ribose-5-phosphate
มีการควบคุมโดย allosteric sites ที่ 2 steps แรก
IMP
1. Ribose-5-phosphate pyrophosphokinase
- เปลี่ยน ribose-5-P เป็ น -PRPP
- Negative feedback โดย ADP และ GDP
2. Gln-PRPP amidotransferase
(Glutamine-PRPP amidotrnasferase)
พบว่ามี 2 allosteric sites
2.1 สาหรับ A-series ของ nucleotide phosphate (AMP, ADP, ATP) จับและทาการยับยั ้ง
2.2 สาหรับ G-series ของ nucleotide phosphate (GMP, GDP, GTP) จับและทาการยับยั ้ง
***PRPP ยังมีผล ” feed-forward activator” โดยจะไปกระตุ้น Gln-PRPP amidotransferase
*** IMP synthesis จะขึ ้นอยู่กบั ผลิตภัณฑ์สดุ ท้ ายของ pathway (adenine และ guanine nucleotides)
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Adenylosuccinate
IMP
synthetase
adenylosuccinate
IMP dehydrogenase
XMP
AMP
GMP
ADP
GDP
ATP
GTP
1. AMP biosynthesis pathway
Adenylosuccinate synthetase ถูกยับยั ้งโดย AMP
2. GMP biosynthesis pathway
IMP dehydrogenase ถูกยับยังโดย
้ GMP
***Level ของ AMP และ GMP ถูกควบคุมโดย “self-correcting”
Note: GTP ให้ พลังงานใน AMP biosynthesis
ATP ให้ พลังงานใน GMP biosynthesis
CMU
Purine degradation
CHIANG MAI UNIVERSITY
- Nucleic acid เป็ นส่วนประกอบของเซลล์ : จึงมีการ digest จากอาหาร (diet)
1. Nucleosidase
Nucleosidase
Nucleoside + H2O
Base + ribose
2. Nucleoside phosphorylase
Nucleoside phosphorylase
Nucloside + Pi
Base + ribose-1-P
Feeding experiments โดย radioactive labelled nucleic acid นันจะเป็
้
นเพียงส่วนน้ อย
ของ nucleic acid ที่จะนามาใช้ ในเซลล์
แต่พบว่า de novo pathway ของ nucleotide biosynthesis จะเป็ นแหล่งอันดับหนึง่ ของ
Nucleic acid precursor.
Nucleotide degradation
Recycling of cellular component
Major pathways of catabolism in animals.
The various purine nucleotides and deoxynulcotides are
All degraded to uric acid.
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Pathways of Purine catabolism
1. Adenosine deaminase
NH4+ ออกจาก adenosine ได้ Inosine
Severe combined Immunodeficiency syndrome (SCID)
- Lack of immune response of infection disease
- 30% of SCID  no adenosine deaminase (ADA)
- ADA is Zn2+ -dependent enzyme
- deoxyadenosine , เปลี่ยนเป็ น dATP
No deoxynuclotides
Negative feedback inhibitor of
deoxynucleotide biosynthesis
DNA cannot be replicated and cells cannot divide
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
2. Xanthine oxidase
- Present in liver, intestinal, mucosa and milk
- Oxygen molecule oxidized hypoxanthine and xanthine
H2O2
- Xanthine oxydase: non heme, Fe-S centres and molybdenum cofactor
(as electron transferring prostatic groups)
- Human and primates, uric acid (end product of purine catabolism)
- Birds and reptiles
Urine (urea)
All catabolism nitrogenous compounds to uric acid.
Animal conserve water by excreting crystals of uric acid.
CMU
Gout: An excess of uric acid
CHIANG MAI UNIVERSITY
- Excessive uric acid accumulating in the body fluids.
- Uric acid, urate salts
Insoluble in water + precipitate from solution
if produced in excess
- Arthritis pain in joints
Urate salts deposition in cartilaginous tissue.
- Urate crystals may also appear as kidney stones and leads to painful in urinary tract
Hyperuricemia : chronic elevation of blood uric acid levels
-3% of population as a consequence of impaired excretion of uric acid
+ overproduction of purine catabolism.
Treatments: Allopurinol = hypoxanthine analog
Binds tightly to xanthine oxidase
Uric acid 
Hypoxanthine, xanthine : do not accumulate to harmful concentration (because
They are more soluble and more easily excreted.)
CMU
3. The Biosynthesis of Pyrimidines
CHIANG MAI UNIVERSITY
CMP
UMP
Carbamoyl-P
Glutamine amide
HCO3Aspartate
Precursors
for 6 pyrimidine
ring
Pyrimidine ring system forms before
Ribose-5-P attach.
Purine biosynthesis  7 precursors for 9 purine atoms
The biosynthesis of pyrimidines ring atoms.
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
The Biosynthesis of Pyrimidines
Step 1: Carbamoyl-Phosphate synthesis
- Carbamoyl phosphate synthetase II (CPS II) : cytosolic enzyme (mammal)
Carbamoyl phosphate synthetase (CPS) in bacteria
-Substrates of CPS: HCO3Glutamine
2 ATP
H2O
- C2, N3 in pyrimidine ring
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Step 2: Carbamoyl-P to Carbamoyl-Aspartate
- Aspartate transcarbamoylase (ATCase)
- เป็ น enzyme ที่เติม aspartate ที่ carbamoyl-phosphate
- ไม่ใช้ ATP เพราะ carbamoyl phosphate อยู่ในรูป ‘activated’ carbamoyl group
- C4, C5, C6 และ N1 ใน pyrimidine ring
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Step 3: Carbamoyl_Asp to Dihydroorotate (DHO)
(pyrimidine ring closure)
Pyrimidine ring closure:
- NH2 group ของ carbamoyl-P และ
-COO- ของ aspartate
โดย enzyme: Dihydroorotase
Dihydroorotate (DHO)
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Step 4: Dihydroorotate (DHO) to Orotate
- โดย enzyme: Dihydroorotate dehydrogenase (DHO dehydrogenase)
Bacteria: DHO dehydrogenase คือ NAD+-linkage flovoprotein และ Fe-S centres
ซึง่ เป็ น additional redox prostatic groups
Eukaryote: DHO dehydrogenase เป็ น protein ที่เป็ นองค์ประกอบของ inner mitochondria
membrane
Quinone จึงทาหน้ าที่รับ e- จาก DHO แล้ วเปลี่ยนเป็ น Orotate
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Step 5: Ribose-5-P is joined to N-1 of Orotate
เป็ นการเติม ribose-5-phosphate ลงใน orotate molecule
โดย enzyme: Orotate phosphoribosyltransferase
Ribose-5-P มาจาก PRPP ( ribose phosphate donor)
Product: Orotidine 5’-Monophosphate (OMP)
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Step 6: orotate-5’-monophosphate (OMP) to UMP
โดย enzyme: OMP decarboxylase
decarboxylation
UMP
(uridine-5’-monophosphate or uridylic acid)
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Pyrimidine biosynthesis in mammals vs bacteria
Bacteria: 6 enzymes in de novo pyrimidine biosynthesis
In mammals: 6 enzymes activities มาจาก proteins 3 ชนิด
 210 KDa protein: multifunctional polypeptides
(Cytosolic enzyme)
multifunctional polypeptides = 1 polypeptide มี 2 / มากกว่า enzymatic centres
CPSII
Aspartate transcarbamoylase
Dihydroorotate
210 KDa protein
 DHO dehydrogenase
(associated กับ surface ของ inner mitochondria membrane
 UMP synthase (Orotate phosphoribosyltrnasferase, OMP decarboxylase)
(Multifunctional polypeptide)
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Synthesis of predominant ribonucleotides UTP and CTP
2 pyrimidine ribonucleotides (UTP และ CTP) เป็ นตัวหลัก โดยผ่าน pathway เดียวกัน
Step 1:
Nucleoside monophosphate kinase
UMP + ATP
Step 2:
UDP + ADP
Nucleotide diphosphate kinase
UDP + ATP
UTP + ADP
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Step 3:
Synthesis of CTP from UTP
CTP synthetase (glutamine amidotransferase)
เติม NH2 ในตน.ที่ 6 ของ UTP
ATP hydrolysis
Regulation of Pyrimidine Biosynthesis
Bacteria
+
-จะถูกควบคุมใน allosteric enzymes: aspartate
transcarbamoylase (ATCase).
CTP: feedback-inhibitor
- ATP เป็ น feedback activator ของ ATCase เช่นกัน
-
Regulation of Pyrimidine Biosynthesis
Animal pyrimidine biosynthesis
UTP, UDP: feedback-inhibitor ใน CPS II
(Carbamoyl phosphate synthetase II)
ATP, PRPP : allosteric acitvators
ATP: activator ของ CPS II
PRPP: activator ของ orotate
phosphoribosyltransferase
UMP: feeback-inhibitor ของ OMP decarboxylase
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Pyrimidine degradation
การเกิด pyrimidine degradation ในเซลล์เพื่อการนา nucleotides มาใช้ ใหม่ (recycle)
Pyrimidine degradation จะได้ - pyrimidine ring (cytosine, uracil, thymine)
- original substrates (aspartate, CO2, ammonia)
เร่งด้ วยเอนไซม์ phosphoribosyltransferase
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
Deoxyribonucleotide Biosynthesis
Purine, pyrimidine biosynthesis เป็ นการสังเคราะห์ AMP, GAP, UMP, CTP
(ribonucleotides, RNA)
Cells จะมีการเปลียนจาก RNA เป็ น DNA เพื่อใช้ ในการเป็ นสารพันธุกรรมภายในเซลล์
Substrate: NDPs (ribonucleotide diphosphate)
Enzyme: Ribonucleotide reductase
เร่งการเติมหมู่ hydride ion (H:-) แทนที่ –OH
ในตาแหน่งที่ 2 ของ ribose
Ribonucleotide
reductase
Ribonucleotide reductase: Fe-dependent
Enzyme ที่สามารถสร้ าง free radical
และช่วยในการถ่ายเท H:- หรื อ electron ได้ ดี
Synthesis of Thymine nucleotide
Thymine = pyrimidine deoxyribonucleotide
Cells ไม่มีการ synthesis thymine ribonucleotides หรื อไม่พบ free thymine ribonucleotide
Synthesis of Thymine nucleotide
dTMP สังเคาระห์มาจาก dUMP (percurosr)
Synthesis dUMP: route 1
Pi
dCDP
dCMP
dCDPase
dCMP deaminase
Synthesis dUMP: route 2
dUTP
dUMP
dUTPase
dUMP
CH3 จาก -carbon ของ
serine ไปเติมที่
C5 ใน dUMP
The thymine synthesis reaction.
CMU
CHIANG MAI UNIVERSITY
เรื่ องแจ้ งให้ ทราบ
การลงทะเบียนกระบวนวิชา
211312 นักศึกษาต้ องผ่าน 211311
211318 นักศึกษาต้ องผ่าน 211317
กรณีลงทะเบียนผิดเงื่อนไข ให้ ดาเนินการถอนกระบวนวิชา โดยได้ รับอักษร W
ภายในวันที่ 25 มกราคม 2551