Biosynthèse des purines et pyrimidines | Une partie importante du métabolisme cellulaire

Biosynthèse des purines

Crédit d'image: Institut national de recherche sur le génome humain (NHGRI) de Bethesda, MD, USA, Séquençage des nanopores (27820412495)CC BY 2.0

Biosynthèse des purines et pyrimidines | Biosynthèse des nucléotides

Thèmes sur la biosynthèse et la biotechnologie

Contenu

Biosynthèse des nucléotides

Les voies de biosynthèse sont classées en deux types différents: voie de novo et voie de récupération. Dans les voies de novo; les bases nucléotidiques sont synthétisées à partir de certains composés simples. La structure de base de la structure de la base pyrimidique est d'abord synthétisée, puis se fixe au sucre ribose. Cependant, la structure de charpente de la base purine est synthétisée en parties directement sur une structure à base de sucre ribose. 

5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) + acides aminés + ATP + CO2 -> Nucléotide

Dans les voies de récupération, des bases préformées sont obtenues, réarrangées et réarrangées sur une unité de sucre ribose. 

5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) + Base -> Nucléotide

Les voies de sauvetage et de novo fonctionnent toutes deux pour synthétiser des ribonucléotides. Tous les désoxyribonucléotides sont produits à partir de leurs ribonucléotides correspondants. Les sucres désoxyribose sont produits par le processus de réduction du sucre ribose présent dans un nucléotide entièrement formé. De plus, un groupe méthyle qui différencie la thymine de l'uracile (présent respectivement dans l'ADN et l'ARN) est introduit dans la dernière étape de la voie. 

synthèse de novo du pyrimidine ribonucléotide

Dans la synthèse de novo pour les pyrimidines, la création de l'anneau structurel de base est la première étape. Après cela, l'anneau se fixe à un sucre ribose pour produire un nucléotide pyrimidique. 

Biosynthèse des purines
(Biosynthèse des pyrimidines): Structure de base de la pyrimidine Crédit d'image: JyntoNuméros de pyrimidine 2D, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia

Le cycle de la pyrimidine est synthétisé à partir d'aspartate et de phosphate de carbamoyle. Le bicarbonate et l'ammoniac sont les précurseurs du phosphate de carbamoyle. La synthèse du phosphate de carbamoyle a lieu par l'utilisation de bicarbonate et d'ammoniac dans un processus en plusieurs étapes, avec l'utilisation de deux molécules d'ATP. Cette réaction cytosolique est facilitée carbamoyl phosphate synthétase II

Le phosphate de carbamoyle se comporte avec l'aspartate pour synthétiser l'aspartate de carbamoyle. Cette réaction est facilitée par aspartate transcarbamoylase. Le carbamoylaspartate subit plus tard une cyclisation pour produire du dihydroorotate, il est ensuite concerté en orotate par le processus d'oxydation.

5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) + Base -> Nucléotide

Les voies de sauvetage et de novo mènent à la synthèse de ribonucléotides

Biosynthèse | Biosynthèse des pyrimidines
Figure: Biosynthèse des pyrimidines Crédit d'image: BorisTM at Wikipedia anglaisNucléotides syn2, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

Orotate se fixe ensuite au ribose, qui se présente sous forme de PRPP. Il s'agit de la forme activée du ribose qui est disponible pour accepter les bases nucléotidiques (le PRPP est formé à partir du ribose-5-phosphate en suivant la voie du pentose phosphate après avoir accepté le pyrophosphate de la molécule d'ATP). Orotate se combine avec le PRPP pour former un orotidylate de pyrimidine nucléotide (OMP). L'hydrolyse du pyrophosphate entraîne cette réaction.

L'enzyme appelée orotate phosphoribosyltransférase catalyse la réaction nécessitant la production d'orotidylate. La fonction de cette enzyme est similaire aux autres phosphoribosyl transférases qui ajoutent différents groupes au PRPP pour la formation d'autres nucléotides. Cet orotidylate se décarboxyle plus tard pour produire de l'uridylate (UMP). L'UMP est un nucléotide pyrimidique important et un précurseur de l'ARN. Cette réaction se produit en présence de l'enzyme orotidylate décarboxylase. 

Synthèse de la cytidine (pyrimidine ribonucléotide)

La cytidine est synthétisée à partir de la base uracile de l'UMP. Avant la formation de cytidine, l'UMP est transformée en UTP. Les nucléosides monophosphates (NMP) sont convertis en nucléoside triphosphates (NTP) dans les étapes de réaction suivantes:

- Les nucléosides monophosphates (UMP) sont convertis en nucléoside diphosphates (UDP) puis en nucléoside triphosphates (UTP).

- L'UTP formé peut être converti en triphosphate de cytidine (CTP) en déplaçant le groupement carbonyle par le groupement amino. 

Réduction des ribonucléotides pour former des désoxyribonucléotides

Les précurseurs de l'acide désoxyribonucléique (ADN) sont des désoxyribonucléotides; la réduction du ribonucléoside diphosphate en forme. Cette conversion est catalysée par la ribonucléotide réductase. Les électrons sont ensuite transférés du NADPH aux groupes sulfhydryle ou aux groupes thiol présents sur le site actif de l'enzyme. Ce transfert d'électrons est médié par l'aide de protéines comme la thiorédoxine et la glutarédoxine. Le dUMP est converti en dTMP par l'addition d'un groupe méthyle. Le groupe méthylène et un hydrure dans cette réaction est fourni par N5, N10-méthylènetétrahydrofolate. Plus tard, ce N5, N10-méthylènetétrahydrofolate se transforme en dihydrofolate. De plus, ce dihydrofolate subit une réduction en présence de NADPH pour produire du tétrahydrofolate. Cette réaction est facilitée par une enzyme connue sous le nom de dihydrofolate réductase.

Les agents chimiothérapeutiques comme le méthotrexate (améthoptérine) et l'aminoptérine inhibent l'activité de la dihydrofolate réductase. Cet analogue du folate a agi comme un inhibiteur compétitif.

Purine ribonucléotide

L'anneau de purine est assemblé à partir d'une variété de précurseurs:

- Glutamine (N3 et N9)

- Glycine (C4, C5 et N7)

- Aspartate (N1)

- N10-formyltétrahydrofolate (C2 et C8)

- CO2 (C6)

Biosynthèse des purines
(Biosynthèse des Purines): Structure de base de la Purine
Crédit d'image:NEUROtikerPurine num2, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

synthèse de novo de purine (Biosynthèse de purines)

Synthèse de novo de la purine (Biosynthèse des purines) commence par des substances simples telles que le bicarbonate et les acides aminés. Les bases puriques sont assemblées sur un anneau ribose contrairement aux pyrimidines,

Tout comme la biosynthèse de la pyrimidine, la biosynthèse de novo de la purine nécessite le PRPP. Cependant dans le cas des purines, le PRPP donne la plateforme sur laquelle les bases azotées sont synthétisées en plusieurs étapes. Dans la première étape, le déplacement du pyrophosphate a lieu à travers l'ammoniac au lieu d'une base pré-assemblée pour la production de 5-phosphoribosyl-1-amine. 

La glutamine PRPP amidotransférase catalyse cette réaction, ce qui empêche l'hydrolyse inutile des deux substrats. L'enzyme amidotransférase considère la conformation de l'actif uniquement pour la liaison du PRPP et de la glutamine. L'activité de cette enzyme est inhibée par l'azaserine, un analogue de la glutamine, qui supprime ainsi l'angiogenèse et la malignité.

Plus tard, l'ajout de glycine, une série de formylation, d'amination et de cyclisation se produit. Cette série de réactions aboutit à la formation de 5-aminoimidazole ribonucléotide. Ce 5-aminoimidazole ribonucléotide a le cycle complet à cinq chaînons de la charpente purine. L'addition de dioxyde de carbone et d'un atome d'azote d'aspartate avec un groupe formyle participe à la fermeture du cycle ou à la cyclisation. Cela forme finalement inosinate (IMP) qui est un ribonucléotide purine.

Biosynthèse des purines
(Biosynthèse des purines): Biosynthèse de novo des purines
Crédit d'image: BorisTM at Wikipedia anglaisNucléotides syn1, marqué comme domaine public, plus de détails sur Wikimedia Commons

La biosynthèse de novo purine se déroule comme indiqué dans les étapes suivantes:

  • Le processus de phosphorylation active le groupe carboxylate d'une glycine. La glycine se couple plus tard avec le groupe amino de la 5-phosphoribosyl-1-amine. En conséquence, une nouvelle liaison amide apparaît et la glycine (groupe amino) se comporte comme un nucléophile dans les étapes de réaction suivantes.
  • Le formiate activé est ensuite ajouté au groupe amino de la glycine pour produire du formylglycinamide ribonucléotide. Dans peu d'organismes, deux enzymes différentes sont impliquées dans la catalyse de cette étape. Une enzyme est impliquée dans les transferts du groupe formyle tandis qu'une autre enzyme initie le formiate pour former du phosphate de formyle. Le phosphate de formyle est ensuite ajouté au groupe amino de la glycine (la source du groupe formyle est N10-formyltétrahydrofolate)
  • Le groupe amide est ensuite activé et converti en une amidine par l'addition d'ammoniac (la source d'ammoniac dans cette étape est la glutamine).
  • La cyclisation du formylglycinamide ribonucléotide se produit pour former un cycle imidazole à cinq chaînons. Cet anneau imidazole est caractéristique des purines. Ce processus de cyclisation est thermodynamiquement favorable et réalisable.
  • L'irréversibilité de cette réaction assurée par la consommation d'une molécule d'ATP.
  • Le bicarbonate subit une phosphorylation puis réagit avec un groupe amino exocyclique. Le produit formé dans la réaction précédente se réorganise ensuite et transfère son groupe carboxylate sur le cycle imidazole. De plus, les mammifères n'ont pas besoin d'ATP pour cette étape. Le bicarbonate se fixe au groupe amino exocyclique, puis il est transféré au cycle imidazole.
  • Le groupe carboxylate d'imidazole est en outre phosphorylé et le groupe amino de l'aspartate remplace le phosphate. Ceci, une cascade de réaction en six étapes relie la glycine, le formiate, l'ammoniac, le bicarbonate et l'aspartate pour produire un intermédiaire de réaction qui contient tous sauf deux des atomes nécessaires à la formation du cycle purine.

Trois autres étapes complètent la synthèse en anneau. Le fumarate, qui est un intermédiaire dans le cycle de Kreb, est ensuite éliminé, ce qui facilite la jonction de l'atome d'azote de l'aspartate au cycle imidazole. Le groupe amino donné par l'aspartate et l'élimination simultanée du fumarate stimulent la transformation de la citrulline en arginine. Des enzymes homologues sont nécessaires pour catalyser ces étapes dans les deux voies. Un groupe formyle est ajouté à l'atome d'azote (la source du groupe formyle est le N10-formyltétrahydrofolate) pour former un intermédiaire terminal qui déclenche le processus de cyclisation avec l'élimination des molécules d'eau pour former l'inosinate.

Formation d'AMP et de GMP

Cette conversion de l'IMP en AMP ou GMP est réalisée en deux étapes au détriment de l'énergie. (La synthèse d'AMP nécessite le GTP comme source d'énergie, tandis que la synthèse de GMP nécessite de l'ATP). 

IMP -> XMP -> GMP

L'IMP est converti en XMP (xanthosine monophosphate) par l'action de l'IMP déshydrogénase (utilise le NAD comme cofacteur)

XMP est ensuite converti en GMP (guanosine monophosphate) par l'action de la XMP-glutamine amidotransférase.

IMP -> Adénylosuccinate -> AMP

L'IMP est converti en adénylosuccinate par l'action de l'enzyme Adenylosuccinate synthétase. L'adénylosuccinate est ensuite converti en AMP (adénosine monophosphate) par l'action de l'enzyme Adenylosuccinate Lyase.

Conversion des nucléosides monophosphates (NMP) en nucléosides diphosphates et triphosphates (NDP) (NTP). 

Les nucléosides diphosphates (NDP) sont synthétisés à partir de leurs nucléosides monophosphates correspondants (NMP) en utilisant une enzyme spécifique à une base telle que les nucléoside monophosphate kinases. Mais, ces kinases ne font pas de distinction entre le ribose et les désoxyriboses dans les substrats. En général, l'ATP est la principale source de phosphate transféré car il est disponible à des concentrations plus élevées à l'intérieur des cellules par rapport aux autres nucléosides triphosphates.

Par exemple, 

Adénylate kinase

AMP + ATP -> 2 ADP

Guanylate Kinase

GMP + ATP -> PIB + ADP

Les nucléosides diphosphates (NDP) sont convertis en nucléoside triphosphates (NTP) par l'action de la nucléoside diphosphate kinase, cette enzyme a une large spécificité. Contrairement à la nucléoside monophosphate kinase (qui a une spécificité étroite). 

la nucléoside diphosphate kinase aide à catalyser les deux réactions suivantes:

PIB + ATP -> GTP + ATP

CDP + ATP -> CTP + ADP

Voies de récupération pour la biosynthèse des purines

Purines qui sont produites à la suite de la dégradation des acides nucléiques à l'intérieur de la cellule ou qui sont obtenues à partir de l'alimentation normale, mais ces purines peuvent être à nouveau converties en nucléoside triphosphates (NTP) pour être réutilisées par l'organisme. Ce processus est connu sous le nom de voie de récupération pour la synthèse des purines. Cette voie implique deux enzymes principales: (APRT) adénine phosphoribosyltransférase et (HGPRT) hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransférase. Les deux enzymes utilisent le PRPP (qui agit comme leur principale source de ribose-5-phosphate).

APRT catalyse la réaction impliquant la formation d'adénylate:

Adénine + PRPP -> Adénylate + PPi

HGPRT catalyse la réaction impliquant la formation d'inosinate (inosine monophosphate, IMP). C'est une molécule précurseur pour la synthèse du guanylate et de l'adénylate.

Guanine + PRPP -> Guanylate + PPi

Hypoxanthine + PRPP -> inosinate + PPi

Des voies de récupération similaires existent pour les pyrimidines. La pyrimidine phosphoribosyl transférase se reconnectera à l'uracile, mais elle ne connectera pas la cytosine au PRPP.

Conclusions

La biosynthèse des nucléotides, qui implique généralement à la fois la biosynthèse des purines et des pyrimidines, a lieu à l'intérieur de la cellule, comme indiqué dans l'article.

Si vous souhaitez en savoir plus sur la biosynthèse et la biotechnologie cliquer ici

FAQs

Q1. Purine vs pyrimidine (marquez quelques différences entre les purines et les pyrimidines)

Répondre: Les bases azotées sont généralement classées en deux familles; à savoir les purines et les pyrimidines. Ce sont les éléments constitutifs ou les unités monomères de l'acide désoxyribonucléique (ADN) et de l'acide ribonucléique (ARN).

  • Les purines sont des structures à double anneau tandis que les pyrimidines contiennent un seul anneau. Les purines et les pyrimidines sont des structures hétérocycliques (l'anneau contient plus d'un type d'atomes constitutifs).
  • Les purines sont de deux types de base, à savoir l'adénine et la guanine. Alors que les pyrimidines sont de trois types de base: la thymine, la cytosine et l'uracile (elle n'est présente que dans l'ARN à la place de la thymine).
  • La purine se dégrade pour former de l'acide urique tandis que les pyrimidines se décomposent pour produire de l'oxyde de carbondi, de l'ammoniac et des acides bêta-aminés.

Q2. Pourquoi Purine s'apparie toujours à la pyrimidine

Répondre: En raison des propriétés structurales des bases azotées, les purines et les pyrimidines se marient avec une spécificité. L'adénine (A) s'apparie toujours avec la thymine (T) tandis que la guanine (G) se couple toujours avec la cytosine (C).

Ces combinaisons de bases azotées ont tendance à former entre elles des liaisons hydrogène.

(A) L'adénine forme deux liaisons hydrogène avec la (T) thymine. Alors que la guanine (G) forme trois liaisons hydrogène avec la cytosine (C).

À propos du Dr Abdullah Arsalan

Je suis Abdullah Arsalan, j'ai terminé mon doctorat en biotechnologie. J'ai 7 ans d'expérience en recherche. J'ai publié jusqu'à présent 6 articles dans des revues de renommée internationale avec un facteur d'impact moyen de 4.5 et peu d'autres sont pris en compte. J'ai présenté des articles de recherche dans diverses conférences nationales et internationales. Mon domaine d'intérêt est la biotechnologie et la biochimie avec un accent particulier sur la chimie des protéines, l'enzymologie, l'immunologie, les techniques biophysiques et la biologie moléculaire.

Connectons-nous via LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) ou Google Scholar (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=en).

Geeks Lambda