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Biochimie Les nucléotides
LES PYRIMIDINESElles sont essentielles : éléments de structure : ce sont des précurseurs monomérique
de l’ADN (maintien de l’information) de l’ARN (expression de l’information)
précurseurs énergétique dans le métabolisme des sucres : UDPGlucose, UDPGalactose. dans le domaine des lipides : CDP acyl glycérol.
de nombreux analogues synthétiques sont utilisés en thérapeutique comme inhibiteurs de la synthèse du DNA ou du RNA
5 fluoro uracile pour tumeur à croissance rapide et leucémies arabinosyl cytosine AZT : azido thymidine inhibiteur de la reverse transcriptase dans le sida...
A. STRUCTURE DES PYRIMIDINESElles se définissent comme étant un noyau hétérocyclique à 6 atomes : 4 C et 2 N.
N
HCN
CH
CH
HC
1
2
34 5
6
N
N
Noyau pyrimidine
On a deux types de bases pyrimidiques (on parle de nucléobases) : celles de l’ADN : cytosine et thymine celles de l’ARN : cytosine et uracile.
1. Bases pyrimidiques de l’ADN
N
CNH
CH
CHC
O
NH2
12
34 5
6
HN
CNH
CH
CC
O
O
CH3
12
34
6
5
Cytosine : 2 oxy 4 amino pyrimidine Thymine : 2,4 dioxy méthyl pyrimidine
2. Bases pyrimidiques de l’ARN
N
CNH
CH
CHC
O
NH2
12
34 5
6
HN
CNH
CH
CHC
12
34 5
6O
O
Cytosine : 2 oxy 4 amino pyrimidine Uracile : 2,4 dioxypyrimidine
Ces bases sont associées à un sucre à 5 carbones formant un nucléoside
O
OH
H H
OH
H
OH
CH2OH
H
1
2
5 O
OH
H H
H
H
OH
CH2OH
H
1
2
le ribose dans l’ARN le déoxyribose dans l’ADN
L’association base + sucre + ester phosphate (sur C5 du ribose) donne un nucléotide.
nucléobase nucléoside nucléotide
ARNcytosine cytidine cytidilate CMP
uracile uridine uridylate UMP
ADNcytosine déoxycytidine déoxycytidilate dCMP
thymine déoxythymine deoxythymidilate dTMP
B. BIOSYNTHÉSE DE LA PYRIMIDINEPlusieurs étapes qui présentent par rapport au métabolisme des purines des différences et des similitudesla synthèse commence par la pyrimidine puis il y a addition du sucre phosphate.L’essentiel des réactions de cette biosynthèse (7 étapes) est coordonné au sein de complexes enzymatiques multifonctionnels. Les trois premières et les deux dernières sont associées en complexes multi-enzymatique. Les enzymes sont liées sur les mêmes chaînes polynucléotidiques ce qui assure une meilleure efficacité.Les précurseurs de la biosynthèse sont la glutamine, le CO2 et l’acide aspartique.
N
HCN
CH
CH
HC
1
2
34 5
6
acide aspartique
CO2
Glutamine
L’acide aspartique donnera naissance à C4, C5, C6 et N1.C2 vient du CO2.N3 vient de la gluatmine.
1. Première étape : formation du carbamyl phosphateC’est l’association de CO2 et d’azote de la glutamine pour donner le carbamyl phosphate.Dans l’uréogenèse, cette réaction se déroule dans les mitochondries hépatiques et le donneur d’azote est NH4
+. Dans la synthèse des pyrimidines, elle s’effectue dans le cytosol et l’azote vient de la glutamine.Il n’y a pas de cofacteur. L’enzyme est la carbamyl phosphate synthétase.
COOH
CH NH2
(CH2)2
C
O
NH2
COOH
CH NH2
(CH2)2
C
O
OH
NH2
CO O P
O
O-
O-Carbamyl Phosphate
Synthétase
a. Glutamique
CO2
Glutamine Carbamyl Phosphate
Pi
2 ATP 2 ADP
2. Deuxième étape : formation du N carbamyl aspartateElle se fait par condensation du carbamyl phosphate et de l’aspartate. Cette réaction est catalysée par l’aspartate transcarbamylase (ATC). Elle est couplée à la première enzyme.
NH2
CO O P +
H2N CH
COO -
CH2
COO -
NH
CH
COO-
CH2
COO-
C
O
H2N
Carbamyl Phosphate Aspartate Carbamyl aspartate
Aspartatetranscarbamylase
L’ACTase subit une régulation allostérique comprenant deux effecteurs, l’un purique et l’autre pyrimidique :
Vitesse de la réaction
[aspartate]
CTP est inhibiteur allostérique (produit de fin de chaîne) : courbe 3.
ATP est activateur allostérique : courbe 2.On a mis en évidence deux sous-unités :
une de type catalytique une de type régulatrice : capable de se lier à
l’ATP ou à la CTP. La CTP est inhibibiteur. L’ATP est capable de déplacer la CTP, de lever l’inhibition. Pour une même concentration d’aspartate, les vitesses diffèrent selon qu’on est en présence d’ATP ou de CTP.
Cela permet un équilibre entre biosynthèse des pyrimidines et des purines.
3. Troisième étape : formation du dihydro orotateUne dihydroorotase catalyse la cyclisation. Elle fait partie du même complexe enzymatique multifonctionnel appelé le CAD : Carbamyl phosphate synthétase - Aspartate transcarbamylase - Dihydro orotase.
NH
CH
COO-
CH2
COO-
C
O
H2N
Carbamyl aspartate
H2O
HN
CNH
CH
CH2
C
O
O
COO-
Dihydro orotate
dihydro orotase
12
3
4. Quatrième étape : formation de l’orotateC’est une déshydrogénation. L’enzyme qui intervient est une déshydrogénase qui utilise le NAD comme coenzyme. L’enzyme est indépendante, non liée à un complexe. Il apparaît une double liaison entre C5 et C6.
HN
CNH
CH
CH2
C
O
O
COO-
Dihydro orotate
NAD+ NADH + H+
dihydro orotatedéshydrogénase
HN
CNH
C
CHC
O
O
COO -
Orotate
5. Cinquième étape : formation de l’OMP.
O
OH OH
P-O-CH2
O-P-O-P
HN
CNH
C
CHC
O
O
COO-
HN
CN
C
CHC
O
O
COO-
O
OH OH
P-O-CH2
OH
PRPPtransférase
PP
PRPP
Orotate
Orotidine 5' monophosphate(OMP)
ou acide orotidylique
Elle fait appel au transfert d’un sucre phosphate activé : le PRPP ou phospho ribosyl pyrophosphate.L’enzyme est une PRPP transférase. Cette étape est liée à la suivante.
6. Sixième étape : formation de l’uridylate monophosphateUne orotidylate décarboxylase donne par départ d’un CO2 le premier véritable nucléotide à pyrimidine : UMP.
HN
CN
CH
CHC
O
O
O
OH OH
P-O-CH 2
OH
Uridine 5' monophosphate(UMP)
ou acide uridylique
+ CO2
Le deuxième complexe multifonctionnel , catalysant les étapes 5 et 6 est appelé UMP synthétase.
Chez les eucaryotes, ce type de complexe multiforme est relativement fréquent. Cette fusion d’enzymes multifonctionnelles a probablement évolué grâce au brassage d’exons. Il permet le regroupement dans une même finalité de plusieurs chromosomes.Avantages de ce système : biosynthèse coordonnée des différentes enzymes nécessaires à une même voie
biosynthétique. assemblage cohérent des différentes enzymes qui donne un complexe fonctionnel minimise les réactions annexes : si les enzymes sont regroupées, il y a une canalisation des
substrats d’un site actif au suivant. ce complexe, sous forme liée par des liaisons covalentes, a une plus grande stabilité qu’un
système qui serait lié par des liaisons non covalentes.7. Septième étape : formation du CTP
Elle se fait par amination de l’UTP.Deux phosphorylations successives transforment UMP en UTP par des kinases spécifiques :
UMP
ATP
UDPkinase
ATP
UTPkinase
Glutamine Glutamate
ATP ADP + Pi
CTP Cytidine triphosphate
L’enzyme est la CTP synthétase. Elle est allostérique et est rétro-inhibée par le produit de fin de réaction : le CTP.
8. Etape 8 : formation d’un déoxyribonucléotideUne réduction des ribonucléotide intervient grâce à la ribonucléotide diphospho réductase. Elle contient trois protéines différentes qui transforment le ribonucléotide en déoxyribonucléotide : la thioredoxine (T) petite protéine de PM = 12000 possède 2 cystéines voisines permettant
la formation d’un pont disulfure quand elle est oxydée : elle joue le rôle de donneur ou d’accepteur d’électrons ce qui lui permet d’osciller entre un état réduit : SH-SH ou oxydé : S S.
la thioredoxine réductase (TR) qui admet comme cofacteur le NADPH + H+ (relation avec la voie des pentoses), permet de réduire la thioredoxine et rend le cycle donneur - accepteur d’électrons fonctionnel. La thioredoxine a un rôle dans la photosynthèse (fixation d’azote).
la ribonucléotide réductase (RR) qui transforme un ribonucléotide diphosphate en déoxy ribonucléotide diphosphate : XDP dXDP.
Transfert des électrons du NADPH au groupe sulfhydryle du site catalytique de la ribonucléase réductase :
NADPH + H+
NADP+
FAD
FADH + H+TR
S
S
TRSH
SH
TSH
SH
TSH
SH
RRS
S
RRSH
SHRibonucléotide diP
Déoxy ribonucléotide diP
Thioredoxine réductase Thioredoxine Ribonucléotide réductase
9. Etape 9 : méthylation de l’uracile donnant la thymineLa thymine est une base caractéristique de l’ADN. Tout cellule en croissance rapide ayant besoin de multiplier son potentiel est tributaire d’une fourniture importante en thymine. L’uracile est transformé en thymine en recevant un métyl. Le substrat doit être sous forme diphosphate.
UDP dUDPRR
dUMP gain de CH3(d)TMPThymidine monophosphate
Pi
Le déoxyuridylate dUMP est méthylé en déoxythymidilate par la thymidilate synthétase. Elle est soumise à la régulation de la thymidine. En thérapeutique, on utilise des produits qui interagissent comme le 5 fluoro uracile, proche structuralement de la thymidine. Il se combine avec l’enzyme et le substrat et bloque la réaction. C’est un « inhibiteur suicide » : il ne peut pas aller plus loin.Le donneur de méthyle est ici un dérivé tétrahydrofolique et non pas la S-Adénosyl-méthionine. De façon spécifique, le carbone du méthyl vient du N5 - N10 méthylène
tétrahydrofolate. Il se transforme en dihydrofolate qui sera réduit en tétrahydrofolate par une réductase spécifique à NADP. Cette dihydrofolate réductase est sensible au méthotrexate, composé très actif utilisé en chimiothérapie anticancéreuse pour les cellules à renouvellement rapide (leucémies). Il empêche la production de tétrahydofolate et donc de redonner le N5 - N10 méthylène tétrahydrofolate avec la sérine.
dUMP
Thymidilatesynthétase
(d)TMP
N5 N10méthylène
tétarahydrofolate
dihydrofolate
tétrahydrofolate
sérine
glycocolle
DHF réductase Méthotrexate
5 fluoro uracile
COOH
CH NH2
(CH2)2
C
O
NH2
NH2
CO O P
O
O-
O-
H2N CH
COO-
CH2
COO-
NH
CH
COO-
CH2
COO-
C
O
H2N
COOH CH2 CH2 CH
COOH
NH2
HN
CNH
CH
CH2
C
O
O
COO-
Carbamyl Phosphate
2 ADP
Pi
2 ATP
Carbamyl PhosphateSynthétaseCO2
Glutamine
a. Glutamique
AspartateCarbamyl aspartate
Aspartatetranscarbamylase
H2O
Dihydro orotate
dihydro orotase
O
OH OH
P-O-CH2
O-P-O-P
HN
CNH
C
CHC
O
O
COO-
HN
CN
C
CHC
O
O
COO-
O
OH OH
P-O-CH2
OH
HN
CN
CH
CHC
O
O
O
OH OH
P-O-CH2
OH
Uridine 5' monophosphateUMP
ou acide uridylique
NAD H + H+
Orotate
NAD+
Orotidine 5' monophosphate(OMP)
ou acide orotidylique
CO2
PRPP
OMP décarboxylase
Biosynthèse des Pyrimidinesdihydro orotate
déshydrogénase
PP
PRPPTransférase
C. VOIE DE SYNTHÈSE PAR RÉCUPÉRATION OU ÉPARGNEElle intéresse les nucléosides (base + sucre). Si on ajoute le phosphate, on obtient le nucléotide fonctionnel.3 enzymes spécifiques interviennent : l’uridine cytidine kinase permet la phosphorylation de l’uridine et de la cytidine :
Uridine
ATP ADP
UMP
Cytidine
ATP ADP
CMP
la déoxycitidine kinase : elle phosphoryle la déoxycytidine pour donner dCMP la thymidine kinase aboutit au TMP
Cette voie est développée dans les corps à croissance rapide : plus la synthèse est active, plus cette voie de récupération est importante.D. CATABOLISME Il présente une spécificité marquée par rapport aux bases puriques qui donnent naissance à l’acide urique, peu soluble.Les catabolites des pyrimidines sont très solubles : peu de pathologies sont liées à ce catabolisme. Il a lieu dans le foie. La cytosine est désaminée en uracile puis le cycle s’ouvre, une décarboxylation et une désamination génèrent le produit commun de la cytosine et de l’uracile : la alanine :
NH2 CH2 CH2 COOH
Elle est soluble, utile dans la biosynthèse du coenzyme A.La thymine donnera la méthyl alanine ou acide amino iso butyrique :
NH2 CH2 CH COOH
CH3
Elle donne naissance au succinyl CoA qui va au cycle de Krebs.
CCH2CH2COOH
O
SCoA
E. RÉGULATION DE LA BIOSYNTHESEIl y a beaucoup d’interactions dans la régulation de ces deux voies de biosynthèse ; elles sont vitales. Il existe une stoechiomérie précise entre les deux.
ATP + CO 2 + NH2 glutamine
Carbamyl phosphate
aspartate
N Carbamyl aspartate
dihydro orotate
orotate
P ribosyl pyrophosphate
OMP
UMP
UDP
UTP
CTP
CO2
ATP
ADP
ATP
ADP
dUDPdUDPdUMPTMP
TDP
ATP + ribose 5 phosphate
P ribosyl pyrophosphate
Nucléotides puriques
Le TDP exerce une action sur le métabolisme des purinesle PRPP a une action activatrice sur la première voie biosynthétique.Les composés puriques ont une action inhibitrice sur cette première étape.Un rétrocontrôle des pyrimidine s’exerce sur les précurseurs pyrimidiques.
F. LES DIFFÉRENCES ENTRE PYRIMIDINES ET PURINES - EVOLUTION1. Synthése
Pyrimidines : construction du cycle puis secondairement rattachement du ribose phosphate.Purines : d’abord formation du ribose phosphate puis construction du cycle.
2. DégradationLes pyrimidines sont très solubles : peu de pathologies leur sont associées.Les purines conduisent à l’acide urique, insoluble. Une concentration trop élevée provoque la goutte : dépôts de cristaux d’urates au niveau des articulations, du parenchyme rénal.
3. Différences entre ribonucléotides et déoxynucléotides Tous les composants de l’ADN sont formés par modification de ribonucléotides. Aucun ribonucléotide n’est formé à partir de déoxynucléotide. Les ribonucléotides sont apparus les premiers dans l’évolution. La thymidilate synthétase ou la RR sont les vestiges d’un monde où l’ARN était omnipotent, gardien d’un patrimoine génétique. Au cours de l’évolution l’ADN est devenu gardien de l’information génétique et l’ARN le produit qui permet la transformation de l’information en protéine.
II. MÉTABOLISME DES PURINESA. GÉNÉRALITÉS Ce sont des éléments de structures : ce sont les deuxièmes composés essentiels des acides nucléiques. Ils sont essentiels aussi dans tous les processus biochimiques :
le fournisseur essentiel d’énergie, l’ATP est un nucléotide purique. L’équivalent de l’ATP pour la guanine est le GTP : rôle énergétique et rôle dans les
mouvements des macromolécules comme dans la synthèse des peptides. Les seconds messagers, comme l’AMPc et GMPc, qui transforment les signaux d’origine hormonale en réponse cellulaire sont des médiateurs. Les phosphorylations induites par l’ATP dans la synthèse du cholestérol modifient les activités des enzymes. De nombreux nucléotides à adénine sont des éléments constitutifs essentiels de coenzymes : NAD, NADP, FAD, coenzyme A.B. STRUCTURE ET NOMENCLATURE
1. StructureLe noyau purine est l’association de deux noyaux, pyrimidique et imidazole.Ce sont des molécules à 9 atomes : 5 C et 4 N.
HCN
C
C
HC
N
NH
CH
N
2
1
34
56
7
89
noyau purine.
Les deux bases essentielles sont :
HCN
C
CC
N
NH
CH
N
2
1
34
56
7
89
NH2
CN
C
CC
HN
NH
CH
N
2
1
34
56
7
89
O
H2N
Adénine = 6 amino purine Guanine = 2 amino 6 oxo purineEn fonction du pH, il y a ou non une double
liaison entre N1 et C6 (forme lactime et lactame).
2. Nomenclaturenucléobase nucléoside nucléotide
ARNadénine adénosine adénylate AMP
guanine guanosine guanylate GMP
ADNadénine déoxyadénosine déoxyadénylate dAMP
guanine déoxyguanine deoxygaunylate dGMP
C. BIOSYNTHÈSELes précurseurs : plusieurs composés sont à l’origine des purines : des acides aminés, des donneurs de NH2 (glutamine, acide aspartique).
HCN
C
C
HC
N
NH
CH
N1
23
4
56
7
89
Glycocolle
N10 formyltétrahydrofolate
Glutamine
N10 formyltétrahydrofolate
fonction aminede l'aspartate
CO2
le glycocolle apporte C4, C5 et N7.
la glutamine : N3 et N9
C2 et C8 viennent de N10 formyl tétrahydrofolate
C6 vient du CO2 atmosphérique N1 vient de la fonction amine
de l’acide aspartique.
Les voies biosynthétiques des purines font intervenir des complexes enzymatiques permettant une synthèse coordonnée : le produit de réaction de l’étape précédente devient le substrat de la réaction suivante. Trois complexes interviennent : 1. 2°, 3° et 5° réactions2. 6°et 7° réactions3. 9° et 10° réactions.
La différence par rapport à la biosynthèse des pyrimidines est que la construction se fait sur le sucre phosphate activé.
1. Première étape : formation de 5 P ribosylamine.Un groupement amine de la glutamine se fixe sur le sucre phosphate activé : le phophoribosyl pyrophosphate PRPP.
O
OH
H H
OH
H
O
CH2
H P PO
P O
Glutamine acide glutamique
pyrophosphate
Amido P ribosyltransférase
O
OH
H H
OH
NH2CH2
H
P O
P ribosyl pyrophosphate P ribosylamine
9
Il y a unversion de la position : de en .L’hydrolyse du pyrophosphate permet de déplacer l’équilibre vers la droite. C’est l’étape d’engagement de la synthèse des purines.
2. Formation du phospho ribonucléotide glycinamide
O
OH
H H
OH
NH2CH2
H
P O
ATP ADP + Pi
Glycinamide ribonucléotidesynthétase
glycocolle
CH2
NH3+
C
O
NH ribose P
P ribosylamine P ribonucléotide glycinamide
4
5
7
9
L’énergie est apportée par l’ATP. On obtient un produit de condensation : une glycinamide ribonucléotide phosphate.
3. Addition d’un méthyl : formation du formyl glycinamide ribonucléotide P.
CH2
NH3+
C
O
NH ribose P
P ribonucléotide glycinamide
N 10 formyl tétrahydofolate
THF
CH2
NH
C
O
NH ribose P
C
O H
formyl glycinamide ribonucléotide P
7
5
49
8
formyl transférase
4. Formation du formyl glycinamidine ribonucléotide P.
CH2
NH
C
O
NH ribose P
C
O H
formyl glycinamide ribonucléotide P
Glutamine acide glutamique
ATP ADP + Pi
CH2
NH
C NH ribose P
C
O H
HN
formyl glycinamidine ribonucléotide P
3
5. Cinquième étape : formation du 5 amino imidazole ribonucléotide P.Elle permet la cyclisation par déshydratation et on génère la partie imidazole.
CH2
NH
C NH ribose P
C
O H
HN
formyl glycinamidine ribonucléotide P
CH2
NH
C NH ribose P
C
O H
HN
formyl glycinamidine ribonucléotide P
Cyclase
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N 1
2
34
5
H2O
5 amino imidazole ribonucléotide P
Les étapes 2, 3, 5 sont catalysées par un même complexe enzymatique.6. Formation du 4 carboxylate 5 amino imidazole ribonucléotide P
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
5 amino imidazole ribonucléotide P
CO2CO2
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
O
4 carboxylate 5 aminoimidazole ribonucléotide P
Carboxylase
7. Addition d’une fonction amine de l’aspartate sur C4.
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
O
4 carboxylate 5 aminoimidazole ribonucléotide P
OOC CH2
CHCOO
NH3
Aspartate
ATP ADP + Pi
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
COO
H2C
CHOOC NH
5 aminoimidazole4N succino carboxamide
ribonucléotide P
8. Elimination du fumarateEnzyme : lyase.
fumarate : OOC
C CCOO
H
H
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
COO
H2C
CHOOC NH
5 aminoimidazole4N succino carboxamide
ribonucléotide P
Fumarate
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
H2N
5 aminoimidazole4 carboxamide ribonucléotide P
9. Réaction avec un N formyl THF
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
H2N
5 aminoimidazole4 carboxamide ribonucléotide P
N 10 formyl tétrahydofolate
THF
formyl transféraseN
CH
NCH
C
ribose P
HN
C
O
H2N
C
O H
5 formamidoimidazole4 carboxamide ribonucléotide P
10. Formation de IMP : inosinate
N
CH
NCH
C
ribose P
HN
C
O
H2N
C
O H
5 formamidoimidazole4 carboxamide ribonucléotide P
Cyclase
DéshydrataseHN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
O
Inosinate = ribose P + hypoxanthine
H2O
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
COO
H2C
CHOOC NH
5 aminoimidazole4N succino carboxamide
ribonucléotide P
Fumarate
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
H2N
5 aminoimidazole4 carboxamide ribonucléotide P
N 10 formyl THF
THF
formyl transféraseN
CH
NCH
C
ribose P
HN
C
O
H2N
C
O H
5 formamidoimidazole4 carboxamide ribonucléotide P
Cyclase
Déshydratase
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
O
Inosinate IMP
H2O
CH2
NH
C NH ribose P
CO H
HN
formyl glycinamidine ribonucléotide P
CH2
NH
C NH ribose P
CO H
HN
formyl glycinamidine ribonucléotide P
H2O
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
5 amino imidazole ribonucléotide P
N
CH
NCH
C
ribose P
H2N
C
O
O
4 carboxylate 5 aminoimidazole ribonucléotide P
OOC CH2
CHCOO
NH3
Aspartate
ATP
ADP + Pi
CH2
NH3+
C
O
NH ribose P
P ribonucléotide glycinamide
N 10 formyl THF
THF
formyl transférase
CH2
NH
C
O
NH ribose P
C
O H
formyl glycinamide ribonucléotide P
Glutamineacide glutamique
ATPADP + Pi
O
OH
H H
OH
H
O
CH2
H P PO
P O
Glutamine acide glutamique
pyrophosphate
Amido P ribosyltransférase
P ribosyl pyrophosphate
O
OH
H H
OH
NH2CH2
H
P O
ATP
ADP + Pi
Glycinamide ribonucléotidesynthétase
glycocolle
P ribosylamine
Cyclase
CO2
Carboxylase
Biosynthèse des Purines
Les deux dernières étapes (9 et 10) sont catalysées par un même complexe enzymatique : l’IMP synthétase. La base correspondant à l’IMP est l’hypoxanthine.Les étapes 6 et 7 ont également un complexe enzymatique commun.la régulation essentielle est au niveau de la première étape.
A partir de structure simples, on a des structures complexes. L’IMP est le précurseur commun de l’AMP et du GMP. Il ne possède qu’une fonction carbonyle.
11. Formation de l’Adénylate monophosphateElle se fait par condensation de l’IMP avec l’aspartate, catalysée par l’adénosuccinate synthétase, moyennant une dépense d’énergie apportée par le GTP.
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
OCOO- CH2 CH COO-
NH2
H2O
GTP GDP + PPi
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
COO- CH2 CH COO-
NH
IMP Adénylo succinate
Adénylo succinate synthétase
L’adénosuccinate lyase hydrolyse l’adénylo succinate avec libération de fumarate.On obtient l’AMP : 6 amino purine.
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
COO- CH2 CH COO-
NH
Adénylo succinate
COO- CH CH COO-
Adénylo succinate lyase
Fumarate
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
NH2
AMP
12. Formation du Guanylate mono phosphate GMPA partir de IMP, une déshydrogénation à NAD va transformer le C2 en carbonyle avec apport de H2O :
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
O
NAD+
H2O
NADH + H+
DéshydrogènaseHN
NC
C
N
CH
N
ribose P
O
O
IMP Xanthine monoPPour obtenir le GMP, il y a transformation de ce groupement carbonyle en un groupement aminé grâce au groupement amido de la glutamine. Cette réaction nécessite de l’ATP.
HN
NC
C
N
CH
N
ribose P
O
O ATP
Glu a. glutamique
ADP + Pi
HN
NC
C
N
CH
N
ribose P
O
H2N
Xanthine monoP GMP
2 amino 6 oxy purine
Le substrat énergétique nécessaire à la fabrication de l’adénine est la guanine ; le substrat nécessaire à la synthèse de la guanine est l’adénine : il y a un équilibre entre les bases adénine et guanine.Pour former le GMP : consommation de 7 liaisons Phosphates riches en énergie.Pour former l’AMP : consommmation de 8 liaisons Phosphates.
Etude de la transformation du groupement carbonyle en groupement aminé :
Cette réaction se rencontre au niveau : formyl glycinamidine GMP AMP UTP CTP Ornithine Citrulline
C O
R'
R
Equilbretautomérique
C O
R'
R
C O
R'
R
P
O
O
O
C
O
R'
RP
NH3 (AspGlu)
NH2
formationd'un composé tétraèdrique
Pi
C NH2
R'
R
ATP ADP
formationd'un groupement phosphorylester
Il existe un équilibre tautomèrique du groupement carbonyle.Secondairement se forme un groupement phosphorylester par apport d’énergie. Ce dérivé est facilement déplacé et subit une attaque nucléophile par l’azote (aspartate ou groupement amido de la glutamine) : apparition d’un composé tétraèdrique.
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
O
COO- CH2 CH COO-
NH2
GTP
GDP + PPi
IMP
Adénylo succinate synthétase
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
COO- CH2 CH COO-
NH
Adénylo succinate
H2O
AMPS
HN
NC
C
N
CH
N
ribose P
O
O
Xanthine monoP
H2O
Déshydrogénase
NAD+
NADH + H +
XMP
Biosynthèsedes
PURINES
COO- CH CH COO-Adénylo succinate lyase
Fumarate
HN
HCN
C
C
N
CH
N
ribose P
NH2
AMP
ATPGlu
a. glutamique ADP + Pi
HN
NC
C
N
CH
N
ribose P
O
H2N
GMP
2 amino 6 oxy purine6amino purine
D. LA VOIE D’EPARGNEElle permet la synthèse en une étape d’un nucléotide purique par addition sur la base du sucre phosphate par le donneur classique : PRPP.Deux enzymes sont impliquées : la première permet la formation de l’AMP : Adényl phosphoRibosyl Transférase.
Adénine + PRPP AMP + PPiART
Pyrophosphate
la deuxième permet la synthèse de GMP : Hypoxanthine Guanine PhosphoRibosyl Transférase : HGPRT.
+ PRPPXMPHGPRTHypoxanthine
Guanine GMP
En pathologie, la déficience en HGPRT, essentiellement chez le garçon (mères porteuse non atteinte) entraîne le syndrome de Lesch Nyhan : troubles neurologiques avec tendance à l’automutilation (se mange les doigts, les lèvres...). De plus existent des anomalies liées au catabolisme de ces bases puriques : augmentation de l’acide urique avec apparition d’une goutte.Le défaut de HGPRT provoque l’accumulation de PRPP. Il y a alors amplification de la synthèse des purines de novo et augmentation de la dégradation des bases puriques, augmentation de production d’acide urique.E. RÉGULATION DE LA BIOSYNTHÈSE DES NUCLÉOTIDES PURIQUES
PRPPRibose 5 P P ribosylamine IMP
adénylosuccinate XMP
GMPAMP
ATP GTP
IMPAMPGMP
Pyrimidine : TDP
Gln Glu
Les deux voies d’engagement sont : 5 P Ribose PRPP PRPP P ribosylamine.Elles sont inhibées par GMP, AMP, IMP. Il y a donc rétrocontrôle sur les voies d’engagement. La TDP inhibe aussi l’activation du sucre.F. LA DÉGRADATIONElle est essentiellement hépatique et intestinale (muqueuse de l’intestin grêle). Elle aboutit à la formation d’acide urique (3 groupements carbonyles).
XMP GMPAMP IMP
Pi Pi Pi Pi
PurineNucléotidase
Adénosine Inosine Xanthosine Guanosine
H2O NH4+
H2O NH4
AMP désaminase
Adénosine désaminase
Pi
Rib.1P
Pi
Rib.1P
Pi
Rib.1P
PurineNucléoside
Phosphorylase
Xanthine
Hypoxanthine Guanine
H2O
NH4+
Xanthine oxydaseH2O + O2
H2O2
Guani neDésaminase
HN
NH
C
C
NH
HNC
O
C OC
O
H2O2
Xanthine oxydase
acide urique
G. ASPECTS DE BIOCHIMIE PATHOLOGIQUE1. Syndrome de Lesh Nyan : déficit en HGPRT
Le déficit entraîne des troubles du métabolisme de l’acide urique et des troubles neurologiques (automutilation).
2. Déficits en désaminases
AMP IMP
Pi Pi
PurineNucléotidase
Adénosine Inosine
H2O NH4+
H2O NH4
AMP désaminase
Adénosine désaminase
a) Déficit en Adénosine désaminaseIl entraîne une syndrome sévère d’immunodéficience lymphocytaire (absence de tissu lymphoïde), létal.L’adénosine et son dérivé la désoxyadénine s’accumulent. Le tissus lymphoïde est riche en phosphorylases : apparition en grande quantité d’ATP et de dATP. Le dATP est un inhibiteur puissant de la ribonucléotide réductase : ceci empêche l’apparition des précurseurs nécessaires à la synthèse de l’ADN (particulièrement dCTP) et donc la prolifération cellulaire. Le tissu lymphoïde en renouvellement rapide est très sensible à cette inhibition.
b) Déficit en AMP désaminaseLes conséquences sont musculaires.Quand il augmente son activité, le tissu musculaire squelettique a un besoin accru en intermédiaires du cycle citrique. Il ne possède pas toutes les enzymes pour le faire. Il utilise le fumarate généré par un cycle des nucléotides puriques :
AMP
H2O NH4+
AMP désaminaseIMP
Adénylosuccinate
GTP
GMP+ PPi
AspartateFumarate
Adénylo succinatesynthétase
Adénylo succinatelyase
Les cellules musculaires bénéficient de la capacité de transformer l’aspartate en fumarate et génèrent ainsi un des intermédiaires du cycle de KREBS dont ils ont besoin. Les trois enzymes du cycle sont très actives dans le muscle par rapport aux autres tissus.Bilan de la réaction :
Asp + GTP + H2O fumarate + GMP + PPi + NH4+
En cas de déficience de la première enzyme, l’AMP désaminase, le tableau clinique est voisin de la myopathie : fatigue musculaire, crampes répétitives.H. DESTINÉES DE L’ACIDE URIQUE Chez l’homme, l’acide urique est le terme du catabolisme des nucléotides puriques,
résultant de l’hydrolyse des acides nucléiques. Il est excrété comme tel dans les urines. Chez la plupart des animaux, le catabolisme du noyau purique se poursuit :
jusqu’au stade allantoïne (chez beaucoup de mammifères), juqu’au stade acide allantoïque (chez certains poissons) ou même jusqu’au stade urée et acide glyoxylique. Certaines bactéries possèdent une enzyme, l’uréase, capable d’hydrolyser l’urée en
CO2 et NH3.
HN
NH
C
C
NH
HNC
O
C OC
O
NH2
NH
CNH
HN
C OC
O
H2O CO2
H2O
CO
acide urique
NH2
NH
CNH
H2N
CO
CO
COOH
allantoïne
2 H2O
Allantoïnase
acide allantoïque
Allantoïcase
CO
NH2
NH2
CHO
COOH
acide glyoxylique
urée
poissonscartilagineux
poissonsosseux
mammifères
uricase
NH3
2 CO2 invertébrésmarins
uréase
Du fait de l’évolution des espèces, chez les primates la dégradation des purines s’arrête à l’acide urique : les autres enzymes ont disparu.NB : chez les oiseaux, les reptiles terrestres et les insectes, l’azote provenant du catabolisme protéique n’est pas éliminé sous forme d’urée mais d’acide urique.I. PATHOLOGIE INDUITE PAR L’AUGMENTATION DE L’ACIDE URIQUE
1. SymptomesL’augmentation de sa concentration dans le sang, les liquides synoviaux et l’urine va provoquer des troubles : crises de goutte au niveau articulaire : formation de cristaux et de dépôts (tophus). Touche
surtout le gros orteil; calculs rénaux et à terme insuffisance rénale : l’acide urique est naturellement relativement
insoluble et tend à précipiter, surtout en pH acide (urines). Le traitement consistera entre autres à alcaliniser les urines qui va augmenter le pourcentage d’urate de Na par rapport à l’acide urique.2. Les causes de l’hyperproduction d’acide urique :
déficience en HGPRT : syndrome de Lesh Nyhan. Cette déficience peut être partielle : augmentation de l’acide urique par augmentation du PRPP qui active la synthèse et le catabolisme des purines.
déficience de la glucose 6 phosphatase : enzyme du métabolisme des glucides qui a pour conséquence une augmentation du glucose 6 P. Cela a un effet sur la voie des pentoses : augmentation du ribose 5P donc augmentation du PRPP : activation de la synthèse de novo des purines et donc de la production d’acide urique.3. Traitement
Pour diminuer la concentration en acide urique, il a été utilisé un analogue synthétique de l’hypoxantine, l’allopurinol (inversion des atomes 7 et 8) :
HN
NC
C
NH
NC
O
CHHC
7
8
hypoxanthine
HN
NC
C
NH
HCC
O
NHC
7
8
allopurinol
Quand on donne ce produit, la cellule le reconnait comme l’hypoxanthine. La xanthine oxydase peut le transformer en alloxanthine (au lieu de xanthine).
HN
NC
C
NH
HCC
O
N
7
8
alloxanthine
CO
Le fonctionnement de la xanthine oxydase est bloqué : ce type d’inhibition suicide est très efficace : on bloque la formation d’acide urique et on favorise la formation de xanthine et d’alloxanthine qui sont plus solubles et éliminés dans les urines.
On traite donc efficacement la maladie goutteuse mais pas les signes neurologiques de la maladie de Lesch Nyhan. Ceci est une illustration du caractère possiblement léthal de la déficience d’une seule enzyme (par exemple l’adénosine désaminase).