Innerhalb des Nukleotidstoffwechsels werden die vier Nukleotide synthetisiert, welche als Bestandteile der DNA dienen. Diese werden weiter in zwei Klassen unterteilt: die Purine und die Pyrimidine. Ihr Auf- und Abbau geschieht in einer Reihe von Einzelschritten unter der Beteiligung unterschiedlicher Enzyme und Cofaktoren. Neben dem Abbau existiert auch eine Form der Wiederverwertung der Purin- und Pyrimidinnukleotide, welche als Salvage-Pathways bezeichnet werden.

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diese abbildung zeigt den aufbau von nukleotiden

Bild: “Nucleotides” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0


Aufbau der Nukleotide

Die vier Nukleotide sind die Bausteine, aus denen die DNA (Desoxyribonukleinsäure) zusammengesetzt ist. Ein Nukleotid wiederum besteht aus einer Desoxyribose (Zucker), einer Phosphatgruppe sowie einer Stickstoffbase.

Es existieren vier unterschiedliche Stickstoffbasen und damit vier Nukleotidarten. Das sind die vier Basen:

  • Adenin
  • Guanin
  • Cytosin 
  • Thymin

Das jeweilige Nukleotid heißt dementsprechend. Wenn die Base z.B. Adenosin ist, heißt es Desoxyadenosin-5′-monophosphat. Abgekürzt werden die Nukleotide – in Abhängigkeit von der jeweiligen Base – mit deren Anfangsbuchstaben, d.h. A, G, C und T.

Jeweils zwei der Stickstoffbasen sind von ihrem Aufbau her vergleichbar und werden zu einer Gruppe zusammengefasst. Dabei werden Adenin und Guanin den Purinen zugerechnet, wohingegen Cytosin und Thymin Pyrimidine darstellen.

diese abbildung zeigt den aufbau von nukleotiden

Bild: “Nucleotides” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Aufbau der Nukleoside

Ein Nukleosid setzt sich aus Desoxyribose sowie einer Stickstoffbase zusammen, d.h. im Unterschied zum Nucleotid enthält dieses keine Phosphatgruppe mehr. Das wiederum bedeutet, dass aus einem Nukleosid durch die Übertragung einer Phosphatgruppe ein Nukleotid hervorgehen kann.

Ablauf der De-novo-Purinnukleotidsynthese

Die Purinnukleotide werden im Rahmen ihrer Synthese direkt an der Ribose des Nukleosids synthetisiert. Dies stellt einen wichtigen Unterschied zur Pyrimidinsynthese (s.u.) dar, bei welcher die Ribose erst im Anschluss an den bereits fertig gestellten Pyrimidinring angefügt wird.

Die Synthese der Purinnukleotide verläuft in mehreren Einzelschritten, wobei im ersten Schritt aus Ribose-5-Phosphat Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) entsteht – unter Verbrauch von ATP zu AMP. Das beteiligte Enzym wird dem Endprodukt entsprechend als PRPP-Synthetase bezeichnet.

Der zweite Schritt der Purinnukleotidsnythese stellt gleichzeitig die Schrittmacherreaktion der Purinnukleotidsynthese dar. In dieser entsteht aus der Verbindung von PRPP und Glutamin unter Abspaltung von Pyrophosphat (PPi) 5-Phosphoribosylamin. Dabei wird die Konfiguration am C1-Atom der Ribose von einer α-Struktur in eine β-Struktur umgewandelt.

Das Enzym dieser Schrittmacherreaktion ist die GlutaminPhosphoribosylpyrophosphat-Amidotransferase. Substanzen wie IMP, GMP und AMP wirken dabei hemmend auf das Enzym und damit auf die Reaktion. Angetrieben wird die Reaktion wiederum durch die Hydrolyse des Pyrophosphats.

Im dritten Schritt der Purinnukleotidsynthese, welcher eine ATP-abhängige Reaktion darstellt, entsteht aus 5-Phosphoribosylamin ein Glycinamid-Ribonukleotid. Vermittelt wird diese Reaktion durch das Enyzm Glycinamid-Kinosynthase.

Das Glycinamd-Ribonukleotid wird im Rahmen einer Formylierung zum Formylglycinamid-Ribonukleotid umgewandelt. Der dazu benötigte Formylrest entstammt von N10-Formyltetrahydrofolat.

Im darauf folgenden Schritt wird ein N-Atom mit Glutamin als Donor eingefügt und unter Abspaltung von H2O ein geschlossener Fünfring gebildet. Das Glutamin wird dabei zu Glutamat umgewandelt.

In den geschlossenen Fünfring wird ein freies CO2-Molekül eingebaut. Zusätzlich wird im Anschluss ein weiteres N-Atom ATP-abhängig eingefügt, welches in diesem Fall von Aspartat (vergleichbar mit dem Harnstoffzyklus) geliefert wird.

Aus dem Aspartat entsteht durch die Abgabe des N-Atoms Fumarat. Parallel wird ein weiteres C1-Fragment in den Fünfring eingebaut, wodurch unter Abspaltung von H2O ein Sechsring entsteht. Das C1-Fragment wird dabei aus N10-Formyltetrahydrofolat gewonnen.

Das dabei entstandene Produkt wird als Inosinmonophosphat (IMP) bezeichnet. Dieses dient als Vorstufe zur Synthese von Adenosinmonophosphat (AMP) und Guanosinmonophosphat (GMP).

Die Synthese zu AMP ist wiederum GTP-abhängig und Aspartat-abhängig. Innerhalb dieser Reaktion wird die Keto-Gruppe an der Position C6 durch eine NH2-Gruppe ersetzt.

Im Gegensatz dazu läuft die Synthese von GTP aus IMP in zwei Zwischenschritten ab. Im ersten Schritt wird das IMP NAD+-abhängig zu Xanthinmonophosphat oxidiert. Das Xanthinmonophosphat hingegen wird anschließend aminiert, wobei die Aminogruppe (-NH2) aus Glutamin gewonnen wird. Der zweite Schritt ist sowohl Glutamin-abhängig als auch ATP-abhängig.

Merke: Zu den beteiligten Aminosäuren der Purinnukleotidsynthese gehören Glutamin und Aspartat, wobei diese als N-Atom-Donoren dienen und dabei zu Glutamat bzw. Fumarat umgewandelt werden.

diese abbildung zeigt dem ablauf der de-novo-purinnukleotidsynthese

Rolle der Folsäure

das ist die strukturformel von folsäureDie Folsäure ist ein wichtiger Bestandteil für eine funktionierende Purinnukleotidsynthese.

Bei einem Mangel an Folsäure kommt es daher zu einer deutlich reduzierten Synthese an Purinnukleotiden.

Diese Reduktion wird besonders bei Vorgängen mit einem hohen Zellumsatz deutlich. Zu diesen gehört z.B. die Erythropoese.

Eine Folge des Folsäure-Mangels ist in diesem Zusammenhang eine megaloblastäre Anämie, bei welcher eine Störung der DNA-Synthese sowie eine Störung der Kernreifung der Myelopoese vorliegen, wodurch es zum Auftreten von Megaloblasten kommt.

Neben einem Folsäure-Mangel kann eine megaloblastäre Anämie durch einen Mangel an Vitamin-B12 auftreten, welcher insgesamt häufiger als ein Folsäure-Mangel die Ursache für eine megaloblastäre Anämie darstellt.

Weitere Symptome eines Folsäure-Mangels sind u.a. eine Gastritis oder eine Dermatitis. Bei einer Schwangerschaft erhöht ein Mangel an Folsäure etwa das Risiko für eine Spina bifida beim Kind.

Ablauf des Folsäurestoffwechsels

Die Folsäure wird zusammengesetzt aus einem p-Aminobenzoesäurerest, einem Glutaminrest sowie einem Pteridinrest. In Form der Tetrahydrofolsäure (TH4) liegt sie in ihrer biologisch aktiven Form vor, in welcher sie u.a. am Aufbau der Purinnukleotide beteiligt ist (s.o.).

Insgesamt dient die aktive Form der Folsäure als Coenzym der C1-Übertragungen, wobei die Reste der  C1-Position an den N-Atomen der Position fünf und zehn des Pteridin- bzw. p-Aminobenzoesäurerests gebunden werden. Mögliche Reste, die in diesem Zusammenhang übertragen werden, sind Methyl-, Hydroxyl-, Formiat- und Formylreste.

Die Umwandlung zur aktiven Form geschieht u.a. in Abhängigkeit von NADP+ und Vitamin C. Dabei entsteht in einem ersten Schritt aus Folsäure 7,8-Dihydrofolsäure – unter Beteiligung von NADPH + H+ und vermittelt durch die Folatreduktas.

Aus dieser geht ebenfalls NADPH + H+-abhängig 5,6,7,8-Tetrahydrofolat hervor. Die Synthese von Tetrahydrofolat, d.h. der aktiven Form, geschieht durch das Enzym Dihydrofolatreduktase. Dieses Enzym kann durch eine Reihe von Substanzen wie z.B. Trimetoprim gehemmt werden.

Ablauf der De-novo-Pyrimidinsynthese

Das vorübergehende Produkt der Pyrimidinsynthese ist zunächst ein Ribonukleotid. Im Verlauf wird die Ribose weiter zur 2′-Desoxyribose reduziert, um so in die DNA eingebaut zu werden.

Die gesamte Biosynthese der Pyrimidinnukleotide läuft in mehreren Einzelschritten ab, an denen unterschiedliche Enzyme beteiligt sind. Zunächst wird dabei der Pyrimidinring synthetisiert, an welchem anschließend die Ribose angefügt wird.

Innerhalb des ersten Schritts der Pyrimidinsynthese reagieren Carbamoylphosphat und Aspartat unter der Freisetzung von Phosphat zu Carbamoylaspartat. Das Enzym, welches an dieser Reaktion beteiligt ist, nennt sich Aspartattranscarbamoylase.

diese abbildung zeigt die synthese von carbamoylaspartat

Merke: Die Schlüsselreaktion der Pyrimidinsynthese stellt die Reaktion von Carbamoylphosphat und Aspartat zu Carbamoylaspartat dar.

Unter Abspaltung von Wasser (H2o) geht aus Carbamoylaspartat die Dihydroorotsäure hervor. Dieser zweite Schritt der Pyrimidinsynthese beinhaltet eine Zyklisierung von Carbamoylaspartat und geschieht unter der Mitwirkung des Enzyms Dihydroorotase.

diese abbildung zeigt die synthese von dihydroorotat

Der nächste Schritt stellt eine Oxidation der Dihydroorotsäure zur Orotsäure durch das Enzym Orotsäure-Dehydrogenase dar. Dieses Enzym besitzt als Co-Enzym NAD+, welches am Ende der Reaktion als NADH + H+ hervorgeht.

diese abbildung zeigt die synthese von orotat

Die Orotsäure bildet mit Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) unter der Abspaltung von Pyrophosphat (PPi) das Oritidin-5-Phosphat. Diese Reaktion wird durch das Enzym Orotat-Phosphoribosyltransferase vermittelt.

Aus dem Oritidin-5-Phosphat entsteht im Rahmen einer Decarboxylierung (d.h. durch eine Abspaltung von CO2) Uridin-5-Phosphat (UMP) durch das Enzym Orotidin-5-Phosphat-Decarboxylase.

diese abbildung zeigt die synthese von omp und ump

Das Uridin-5-Phosphat bildet das Ausgangsprodukt für eine Reihe von weiteren Reaktionen. Zum einen kann aus UMP mittels einer Phosphorylierung UDP entstehen, welches durch eine weitere Phosphorylierung zu UTP umgewandelt werden kann. Die dabei jeweils benötigte Phosphatgruppe wird durch die Reaktion von ATP zu ADP gewonnen.

Aus dem UTP wiederum kann durch eine ATP-abhängige und Glutamin-abhängige Reaktion CTP (Cytidintriphosphat) gewonnen werden. Diese Reaktion wird durch das Enzym CTP-Synthetase vermittelt.

Zum anderen kann Uridin-5-Phosphat mittels der dTMP-Synthetase (Thymidilat-Synthase) zu d-UMP reduziert werden. Die Reduktion ist dabei NADPH + H+-vermittelt. Der anschließende Schritt der dTMP-Synthetase beinhaltet eine Methylierung von d-UMP zu d-TMP. Die dafür benötigte Methylgruppe wird durch das N5-N10-Methylen-H4-Folat gewonnen, welches anschließend als H2-Folat hervorgeht.

Synthese der Desoxyformen der Purin- und Pyrimidinnukleotide

Das Endprodukt sowohl der Purin- als auch der Pyrimidinnukleotidsynthese (s.o.) stellen Ribonukleotide dar. Diese müssen, um in die DNA eingebaut werden zu können, weiter in die 2′-Desoxyform reduziert werden.

Das daran beteiligte Enzym ist die Ribonukleotidreduktase, welche das Enzym Thioredoxin als Cofaktor besitzt. Das Thioredoxin weist wiederum zwei SH-Gruppen auf, welche im Verlauf der Reduktion zur Disulfidform umgewandelt werden. Das Thioredoxin in seiner Disulfidform wird NADP+abhängig mittels der Thioredoxreduktase wieder zu seiner ursprüngliche Form umgewandelt.

Abbau der Purinnukleotide bzw. der Purinbasen

Vergleichbar mit dem Aufbau der Purinnukleotide geschieht auch der Abbau in mehreren Einzelschritten. Dabei unterscheiden sich die jeweiligen Schritte im Verlauf z.T. in Abhängigkeit von der jeweiligen Purinbase (Adenosin oder Guanosin).

Der erste Schritt beim Abbau ist jedoch zunächst eine Umwandlung vom Nukleotid zum Nukleosid. Dies geschieht mittels einer hydrolytischen Spaltung durch das Enzym Nukleotidase. Zusätzlich erfolgt eine phosphorylytische Spaltung in eine freie Base (Purin oder Pyrimidin) und in Ribose-1-Phosphat. Dieser Schritt wird durch das Enzym Nukleosidphosphorylase vermittelt. Anschließend erfolgt der Abbau der Purinbasen Adenosin und Guanosin.

Adenosin wird in einem ersten Schritt unter der Abspaltung von NH3 (Desaminierung) durch das Enzym Adenosindesaminase zu Inosin umgewandelt. Der darauf folgende Schritt ist sowohl bei Inosin als auch bei Guanosin gleich. Beide werden ATP-abhängig unter einer Abspaltung der Ribose zu Hypoxanthin (Inosin) bzw. Guanin (Guanosin) umgewandelt. Das dabei vermittelnde Enzym ist die Nukleosidphosphorylase.

Aus Inosin und Hypoxanthin wird in einem nächsten Schritt Xanthin gewonnen. Allerdings unterscheidet sich dieser Schritt bei beiden. Guanin wird zu Xanthin desaminiert, wohingegen das Hypoxanthin durch die Xanthinoxidase zu Xanthin oxidiert wird.

Merke: Die Xanthinoxidase stellt ein eisenhaltiges Flavoprotein dar, welches in seinem aktiven Zentrum ein Molybdän-Atom aufweist.

Ein weiterer Schritt, der durch die Xanthinoxidase vermittelt wird, ist die Umwandlung von Xanthin zur Harnsäure. Dieser Schritt stellt ebenfalls eine Oxidation dar, wobei molekularer Sauerstoff als Oxidationsmittel dient. Die Harnsäure wird anschließend über den Urin ausgeschieden.

Enzymdefekte die zu einem veränderten Harnsäurespiegel führen können

Der Harnsäurespiegel spielt insoweit klinisch eine Rolle, als dass es bei einem Übersteigen der Löslichkeitsgrenze (ca. 7 mg/100 ml) zu einem Ausfall von Uratkristallen im Gewebe kommen kann. Dadurch bedingt kann es wiederum zu lokalen Entzündungsreaktionen kommen – das klinisch manifeste Krankheitsbild wird als Gicht bezeichnet.

Die Uratkristalle fallen v.a. in schlecht kapillarisierten Geweben aus, vermutlich da eine niedrige Temperatur fördernd auf einen Ausfall von Uratkristallen wirkt. Besonders betroffen sind daher z.B. das Großzehengrundgelenk (Podagra), aber auch die Hornhaut oder die Linse.

Das betroffene Gelenk präsentiert sich in einem Gichtanfall stark schmerzhaft, gerötet, überwärmt und geschwollen. Diese klinischen Zeichen gehören zu den Kardinalzeichen einer Entzündung (Dolor, Rubor, Calor, Tumor).

Im Zusammenhang mit dem Purinstoffwechsel gibt es dabei sowohl Enzymdefekte, welche zu einem erhöhten Harnsäurespiegel führen können, als auch solche die zu einem erniedrigten Harnsäurespiegel führen können.

Zu den Enzymdefekten, die einen erhöhten Harnsäurespiegel bedingen, gehören u.a. ein partieller und ein vollständiger Mangel der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase. Ein partieller Mangel verhindert die Wiederverwertung von IMP zu GMP, sodass die De-novo-Purinsynthese gesteigert wird. Die entsprechende Erkrankung wird als Kelley-Seegmiller-Syndrom bezeichnet.

Ein vollständiger Mangel der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase wird als Lesch-Nyhan-Syndrom bezeichnet. Klinisch präsentieren sich die betroffenen Kinder mit einer Trias aus Hyperurikämie, einer progressiven Niereninsuffizienz sowie neurologischen Symptomen, wie der Neigung zur Selbstverstümmelung.

Ein Enzymdefekt, der hingegen zu einem erniedrigten Harnsäurespiegel führen kann, ist eine verminderte Aktivität der Xanthinoxidase (Xanthinurie).

Merke: Die Aktivität der Xanthinoxidase kann in Zusammenhang mit einer Gichttherapie bewusst durch den Wirkstoff Allopurinol vermindert werden.

Neben den Enzymdefekten haben aber auch weitere Faktoren wie die Nierenfunktion (Ausscheidung der Harnsäure), ein erhöhter Zellumsatz (z.B. bei Erkrankungen wie einer Leukämie) oder eine purinreiche Ernährung (z.B. Fleisch) einen Einfluss auf den Harnsäurespiegel.

Abbau der Pyrimidinnukleotide bzw. der Pyrimidinbasen

Der erste Schritt des Abbaus der Pyrimidinnukleotide ist – vergleichbar mit dem Purinnukleotidabbau (s.o.) – die Umwandlung von Nukleotiden zu Nukleosiden. Die jeweiligen Schritte sind dabei identisch.

Der Abbau der in den ersten Schritten gewonnen Pyrimidinbasen Cytosin und Thymin geschieht in der Leber. Dort wird in mehreren Schritten der Pyrimidinring gespalten und die Pyrimidinbasen somit abgebaut.

Merke: Beim Abbau der Pyrimidinnukleotide wird der Ring abgebaut, wohingegen beim Abbau der Purinnukleotide der Purinring erhalten bleibt.

Die beiden Basen durchlaufen dabei zwei voneinander unabhängige Wege des Abbaus, wobei die Reaktionsschritte bis auf den ersten Schritt beim Abbau von Cytosin identisch sind.

Cytosin wird in einem ersten Schritt unter einer Abspaltung der Aminogruppe zu Uracil abgebaut. Uracil und Thymin werden wiederum NADPH + H+-abhängig zu Dihydrouracil bzw. Dihydrothymin reduziert.

Unter einer Abspaltung von CO2 und NH3 entsteht aus Dihydrouracil β-Alanin und aus Dihydrothymin β-Aminobutyrat.

β-Alanin bzw. β-Aminobutyrat wird z.T. über mehrere Zwischenschritte weiter zu Acetat bzw. Propionat, NH3 und CO2 abgebaut. Die dabei gewonnen Stickstoffatome werden in den Harnstoffzyklus eingeschleust.

Wiederverwertung der Purin- und Pyrimidinnukleotide (Salvage-pathways)

Da der Abbau der Purinnukleotide keinen Energiegewinn liefert und der Abbau der Pyrimidinnukleotide nur einen geringen, wohingegen die Synthese der beiden ein hohes Maß an Energie benötigt, ist eine Wiederverwertung energetisch gesehen günstiger.

Die genauen Schritte der Wiederverwertung sind allerdings nur bei den Purinbasen bekannt, sodass hier nur diese behandelt werden.

Bei der Wiederverwertung der Purinbasen werden diese zunächst mittels PRPP zu Nukleotiden phosphoribosyliert. Die Übertragung von der jeweiligen Purinbase auf PRPP geschieht bei Adenin durch die Adeninphosphoribosyltransferase und bei Hypoxanthin und Guanin durch die Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase.

Durch das durch sie synthetisierte Endprodukt  werden die beiden Enzyme werden jeweils gehemmt. Das Endprodukt von Adenin stellt AMP dar –  aus Hypoxanthin bzw. Guanin hingegen geht IMP bzw. GMP hervor.

Beliebte Prüfungsfragen zum Nukleotidstoffwechsel

Die Lösungen zu den Fragen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Welche der folgenden Substanzen gehört nicht zu den Nukleotiden?

  1. Adenin
  2. Guanin
  3. Thymin
  4. Cytosin
  5. Glutamin

2. Welche Aussage zum Purinstoffwechsel trifft nicht zu?

  1. Das Endprodukt beim Abbau von Purinen beim Menschen ist die Harnsäure.
  2. Für die Wiederverwertung von Adenin ist die Adenin-Phosphoribosyltransferase verantwortlich.
  3. Die Schrittmacherreaktion der Purinnukleotidsynthese wird durch die Glutamin-Phosphoribosylpyrophosphat-Amidotransferase vermittelt.
  4. Die Synthese von AMP ist ATP-abhängig.
  5. Die Synthese von GMP ist NAD+-abhängig und ATP-abhängig.

3. Welche Aussage zum Pyrimidinstoffwechsel trifft nicht zu?

  1. Die Schlüsselreaktion der Pyrimidinnukleotidsynthese beinhaltet die Reaktion von Carbamoylphosphat und Aspartat zu Carbamoylaspartat.
  2. Uridinmonophosphat (UMP) entsteht durch eine Decarboxylierung aus Orotidin-5-Phosphat.
  3. Der erste Schritt des Abbaus von Pyrimidinnukleotiden ist die Umwandlung von Nukleosiden zu Nukleotiden.
  4. Die beim Abbau gewonnenen Stickstoffatome werden in den Harnstoffzyklus eingeschleust.
  5. Cytosin wird durch die Abspaltung von NH3 zu Uracil abgebaut.

4. Welche Aussage zur Folsäure trifft zu?

  1. Folsäure besteht aus einem Pteridinrest, einem p-Aminobenzoesäurerest und einem Cytosinrest.
  2. Die biologisch aktive Form ist die Tetrahydrofolsäure (TH4).
  3. Die Aktivierung von Folsäure ist ATP-abhängig.
  4. Das Produkt der Dihydrofolatreduktase ist die 7,8-Dihydrofolsäure.
  5. Die Funktion der aktiven Form besteht in der Übertragung von NH3-Gruppen.

Quellen

Prüfungstraining Biochemie, C- Géraud, T. Kreutzig – Urban&Fischer bei Elsevier

Duale Reihe Biochemie, J. Rassow u.a., 3. Auflage – Thieme

Innere Medizin, G. Herold u.a., 2015 – Gerd Herold

Xanthinoxidase via wikipedia.de (Stand 20.09.2015)

Lösungen zu den Fragen: 1E, 2D, 3C, 4B



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