Nukleotidnedbrytning
LPG001
Martin Lidell
Lecture outline
- Nucleotides â short repetition of structural parts
- Functions of nucleotides
- Degradation of nucleic acids from food sources
- Degradation of purine nucleotides
- Degradation of pyrimidine nucleotides
- Two diseases related to purine nucleotides
- Gout â a very common disease
- Adenosine deaminase deficiency â a very rare disease
What is a nucleotide?
- Nucleotide = Phosphate(s) + Pentose + Nitrogenous base
- Nucleoside = Pentose + Nitrogenous base
- Adenosine monophosphate
- OH (in ribose) or H (in deoxyribose)
The nitrogenous bases â purines and pyrimidines
- Five bases
- PURINES: Purine, Adenine, Guanine
- PYRIMIDINES: Pyrimidine, Cytosine, Uracil (in RNA), Thymine (in DNA)
- Two rings; two purines
- Three pyrimidines; pyramide from above; CUT
Functions of nucleotides â some examples
- Building blocks for DNA and RNA (store and translate genetic information)
- Building blocks for important biomolecules (e.g. Coenzyme A)
- Signaling molecules (both extra- and intracellular) (e.g. cAMP, adenosine signaling â a nucleoside)
- âActivatorsâ of biomolecules used for biosynthesis
- UDP-Glucose (activated form of glucose; glucose donor in glycogen synthesis)
Overview of nucleotide metabolism
-
Nucleotides
- De novo synthesis
- Salvage synthesis (synthesis from reused nitrogenous bases and sugars)
- DNA and RNA synthesis
- Conversion to other important biomolecules
- Degradation
-
From degradation:
- Nitrogenous bases â
- Reuse for nucleotide synthesis (salvage)
- Further degradation â
- Purines â Urate + Urea
- Pyrimidines â Urea + Energy or energy-rich molecules
- Sugar moiety â
- Reuse for nucleotide synthesis (salvage)
- Energy source (ATP or energy-rich molecules)
- Nitrogenous bases â
Expensive with de novo synthesis of nucleotides â the salvage pathway is cheaper
- De novo pathway vs salvage pathway
- PRPP; 5-Phosphoribosyl 1-pyrophosphate
Degradation of nucleic acids from food sources
- Degradation of dietary nucleic acids occur in the small intestine
- Nucleases, secreted by the pancreas, hydrolyze RNA and DNA to oligonucleotides
- Oligonucleotides are further hydrolyzed by pancreatic phosphodiesterases, producing mononucleotides
- In the intestinal mucosal cells (intestinal epithelial cells), nucleotidases remove the phosphate groups, releasing nucleosides that are further degraded to free bases and sugars by nucleosidases
- The liberated bases can potentially be used in salvage pathways for nucleotide synthesis (however, at least the purines appear to be degraded to a large extent already in the intestinal cells)
Nucleotide degradation pathways
- Nucleotides â Degradation â
- Nitrogenous bases â
- Reuse for nucleotide synthesis (salvage)
- Further degradation â
- Purines â Urate + Urea
- Pyrimidines â Urea + Energy or energy-rich molecules
- Sugar moiety â
- Reuse for nucleotide synthesis (salvage)
- Energy source (ATP or energy-rich molecules)
- Nitrogenous bases â
Degradation of purine nucleotides â formation of uric acid
- GMP â (via nucleotidases) â Guanosine
- Nucleotidases convert the nucleotides into nucleosides
- Guanosine â Guanine (and further degradation)
- Pathway towards hypoxanthine, xanthine and uric acid
Adenosine deaminase â an important enzyme in the degradation of adenosine
- Adenosine is deaminated to inosine by adenosine deaminase
- Toxic ammonia converted into urea in the liver
- Parallel pathway: GMP â Guanosine â Guanine, etc.
The sugar parts are removed by nucleoside phosphorylase
- GMP â Guanosine
- Sugar phosphates options:
- Reuse for nucleotide synthesis (convert to PRPP)
- Use for energy production or generation of energy-containing molecules
- The sugar parts are removed by nucleoside phosphorylase
GMP and AMP degradation converge at the level of xanthine that is further metabolized to uric acid
- Toxic ammonia converted into urea in the liver
- Uric acid (urate) excreted in the urine
Degradation of pyrimidine nucleotides
- Pathways for CMP, UMP and dTMP
- Intermediates within brackets refer to metabolites from dTMP degradation
CMP and UMP degradation converge at the level of uridine
- Nucleotidases convert the nucleotides into nucleosides
- CMP, UMP â Uridine
- Toxic ammonia converted into urea in the liver
The sugar part is removed by a phosphorylase to generate the free pyrimidine bases
-
Options for sugar phosphates:
- Reuse for nucleotide synthesis (convert to PRPP)
- Use for energy production or generation of energy-containing molecules
-
Options for free bases:
- Reuse for nucleotide synthesis
- Use for energy production (ATP) or generation of energy-containing molecules
Complete degradation of nitrogenous bases for ATP production or generation of energy-containing molecules
- From CMP and UMP:
- Acetyl CoA (Propionyl CoA) â ATP, fatty acids or ketone bodies
- From dTMP:
- Succinyl CoA (CAC intermediate) â ATP or glucose production
- Enzymes/intermediates:
- Methylmalonate semialdehyde dehydrogenase
- Propionyl CoA carboxylase
- Methylmalonyl CoA
- Methylmalonyl CoA mutase
- Toxic ammonia converted into urea in the liver
What happens with the sugar moiety produced during nucleotide degradation?
- Ribose-1-phosphate â (Phosphopentomutase) â Ribose-5-phosphate
- Deoxyribose-1-phosphate â Deoxyribose-5-phosphate
- Ribose-5-phosphate can enter the pentose phosphate pathway (transketolase and transaldolase)
- Deoxyribose-5-phosphate â (Deoxyribose phosphate aldolase) â Glyceraldehyde-3-phosphate + Acetaldehyde
- Fructose-6-phosphate + Glyceraldehyde-3-phosphate â glycolysis/gluconeogenesis connection
- Acetyl CoA from acetaldehyde â ATP, fatty acids or ketone bodies
- Can be reused for nucleotide synthesis (converted to PRPP)
Endproducts used for energy production or generation of energy-containing molecules:
- Fructose-6-phosphate and glyceraldehyde-3-phosphate: ATP or glucose production
- Acetyl CoA: ATP, fatty acids or ketone bodies
Full degradation of pyrimidines and purines
Pyrimidines
- Generate ammonia (NHâ) that is converted into UREA by the liver and excreted in the urine
- Metabolites that can be used for energy production (ATP) or converted into energy-containing molecules such as glucose (liver), fatty acids and ketone bodies
Purines
- Primarily generate URIC ACID (urate) that is excreted in the urine
- Some ammonia is also produced; converted into urea by the liver
Gikt â frĂ„n âthe disease of kingsâ till folksjukdom
- Vid för höga uratnivĂ„er i blodet (>6â7 mg/dl) fĂ€lls urat ut som saltkristaller (ofta natriumurat)
- Kristallerna lÀgger sig i leder, senor och omgivande vÀvnad (vanligast Àr stortÄns grundled) och orsakar dÀr inflammation
- Vanligaste artritsjukdomen (uppskattad förekomst i Sverige, 1â2 % av befolkningen)
- De höga uratnivÄerna i blodet beror antingen pÄ ökad syntes eller pÄ minskad utsöndring av urat
- Beror oftast pÄ livsstilsfaktorer, lÀkemedelsbehandling eller annan sjukdom
Preventiva ÄtgÀrder inkluderar bland annat:
- Minskat intag av alkohol. Vid metabolism av etanol bildas laktat som kompetitivt hÀmmar utsöndring av urat i tubuli
- Minskat intag av purinrika livsmedel (frÀmst inÀlvsmat, sardiner, ansjovis och musslor, men Àven övrig fet fisk, skaldjur och kött)
LĂ€kemedelsbehandling av gikt â strategi 1
- HÀmma bildningen av urat genom att hÀmma enzymet xantinoxidas som ansvarar för sista steget i nedbrytningen av puriner
- Exempel pÄ lÀkemedelssubstanser som hÀmmar produktionen av urinsyra:
- Allopurinol (hypoxantinanalog)
- Febuxostat
LĂ€kemedelsbehandling av gikt â strategi 2
- HÀmma reabsorptionen av urat frÄn urinen i njurtubuli genom att inhibera urattransportörer (dessa Äterför normalt en stor del av utsöndrat urat till blodet)
- Ger sÀnkta uratnivÄer i blodet dÄ mer urat avgÄr med urinen
- Exempel pÄ substans: Probenecid
SvÄr kombinerad immunbrist (SCID)
- SCID (Severe Combined Immunodeficiency) â samlingsnamn pĂ„ ett flertal ovanliga sjukdomar som beror pĂ„ avsaknad av immunceller som T- och B-lymfocyter, vilket leder till ett defekt immunsystem
- Utan behandling leder SCID till svÄr infektionsbenÀgenhet och drabbade individer avlider ofta redan under det första levnadsÄret
- Adenosindeaminasbrist; mycket ovanlig form av SCID i Sverige
- Autosomal recessiv nedÀrvning (mutationer i ADA-genen orsakar dysfunktionellt adenosindeaminas)
- En nÀrmast total brist pÄ immuncellerna T- och B-lymfocyter ses vid adenosindeaminasbrist
SvĂ„r kombinerad immunbrist (SCID) â till följd av adenosindeaminasbrist
Möjlig koppling mellan enzymdefekt och avsaknad av immunceller:
- Muterat adenosindeaminas som förlorat sin funktion â ansamling av deoxyadenosin som omvandlas till dATP â syntes av övriga deoxyribonukleotider hĂ€mmas (dATP hĂ€mmar ribonukleotidreduktas) â syntes, replikation och reparation av skadat DNA hĂ€mmas â pĂ„verkar framförallt snabbt prolifererande celler (celltyper med hög omsĂ€ttning) som dĂ„ genomgĂ„r apoptos (âprogrammerat sjĂ€lvmordâ)
- T- och B-lymfocyter under utveckling Àr mycket snabbt prolifererande celler och tros dÀrför pÄverkas i speciellt hög grad av tillstÄndet
Behandling â gĂ„r ut pĂ„ att ge tillgĂ„ng till âfriskt enzymâ:
- Hematopoetisk stamcellstransplantation (benmÀrgstransplantation) frÄn frisk donator
- Enzymsubstitutionsbehandling, dvs enzymet ges som lÀkemedel (PEG-konjugat ADA injiceras subkutant)
- Genterapi; âfrisk ADA-genâ introduceras i individens egna hematopoetiska stamceller
Genterapi vid adenosindeaminasbrist
- Har utförts pÄ ett fÄtal individer dÀr det inte varit möjligt att hitta lÀmplig donator
Ăversikt:
- Virus, med en frisk kopia av ADA-genen tillverkas
- De virus man anvÀnder saknar förmÄgan att ge upphov till sjukdom men har kvar egenskapen att bygga in nya gener i vÄr arvsmassa
- Virusen infekterar sedan hematopoetiska stamceller isolerade frÄn den sjuka individens benmÀrg och för pÄ sÄ sÀtt in den friska genen i dessa celler
- Cellerna ges tillbaka till den sjuka individen som dĂ€rmed har fĂ„tt âfriska stamcellerâ som kan bilda friska T-lymfocyter
Sammanfattning av nukleotidnedbrytning
-
Nukleotider har flera viktiga funktioner förutom att bilda nukleinsyrorna DNA och RNA
-
Fem kvÀvebaser:
- TvÄ puriner; tvÄ ringar; GA
- Tre pyrimidiner; pyramid frÄn ovan; CUT
-
De novo syntes av nukleotider Àr dyrt vilket gör att baserna och sockerenheterna Ätervinns i hög grad
Om fullstÀndig nedbrytning av nukleotider:
-
Sockerdelen kan anvÀndas direkt som energikÀlla (ATP) eller omvandlas till energirika produkter
-
KvÀvebaserna:
- Puriner: URINSYRA (URAT) + mindre mÀngd urea
- Pyrimidiner: UREA + energirika molekyler som kan anvÀndas för direkt produktion av ATP eller omvandlas till energirika produkter
-
Defekter i nukleotidmetabolism kan orsaka sjukdom:
- Gikt; mycket vanlig artritsjukdom; uratkristaller i leder pga höga uratnivÄer i blodet
- Adenosindeaminasbrist (form av SCID); mycket ovanlig sjukdom; defekt adenosinnedbrytning orsakar nÀrmast total brist pÄ T- och B-lymfocyter; mycket infektionskÀnsliga
LĂ€sanvisningar
-
Detta förelÀsningsmaterial
-
Biochemistry, 10th ed, Berg et al.
- 2023 W.H. Freeman, Macmillian Learning
- Kapitel 26: sidorna 809â810
-
InstuderingsfrĂ„gor â finns upplagt pĂ„ Canvas
Har ni nÄgra frÄgor?
Hör gÀrna av er till mig med ett meddelande pÄ Canvas
Nukleotidnedbrytning