Les pyrimidines

Biochimie Les nucléotides LES PYRIMIDINES Elles 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 PYRIMIDINES Elles se définissent comme étant un noyau hétérocyclique à 6 atomes : 4 C et 2 N. H C

3

5

4

N

N

CH

HC

CH

2

6

N

N

1

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 NH 2

3

N C O

2

C 4

1

N H

O

CH

HN

CH

C

6

2

Cytosine : 2 oxy 4 amino pyrimidine 2.

C

3

5

O

5

4

C

CH 3

CH

1

6

N H

Thymine : 2,4 dioxy méthyl pyrimidine

Bases pyrimidiques de l’ARN NH 2

3

N C O

2

C 4

1

N H

O

3

5

C

5

CH

HN

4

CH

CH

C 2

1

CH

6

Cytosine : 2 oxy 4 amino pyrimidine

O

N H

6

Uracile : 2,4 dioxypyrimidine

Ces bases sont associées à un sucre à 5 carbones formant un nucléoside

5 CH 2OH O

H

CH 2OH O

H

1

H

1

H

H

H OH

H

H

OH

2

OH

2

OH

OH

le ribose dans l’ARN

H

le déoxyribose dans l’ADN

L’association base + sucre + ester phosphate (sur C5 du ribose) donne un nucléotide.

nucléobase

nucléoside

nucléotide

cytosine

cytidine

cytidilate

CMP

uracile

uridine

uridylate

UMP

cytosine

déoxycytidine

déoxycytidilate

dCMP

thymine

déoxythymine

deoxythymidilate

dTMP

ARN

ADN

B. BIOSYNTHESE DE LA PYRIMIDINE Plusieurs étapes qui présentent par rapport au métabolisme des purines des différences et des similitudes la 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. Glutamine 3

N

H C 4

HC 2

5

CH CH

N

acide aspartique

L’acide aspartique donnera naissance à C4, C5, C6 et N1. C2 vient du CO2. N3 vient de la gluatmine.

6

1

CO2

1. Première étape : formation du carbamyl phosphate C’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 COOH CH

NH2

(CH 2)2 NH2

C

OH NH2

O

(CH 2)2

2 ATP

a. Glutamique

2 ADP

O C

C

NH2

O Carbamyl Phosphate Synthétas e

CO2

O

O

-

P

O -

Pi

O

Glutamine

Carbamyl Phosphate

2. Deuxième étape : formation du N carbamyl aspartate Elle 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. COO -

COO NH 2 O

CH 2

CH 2

C O

O

+

P

H2N

H2N

CH COO -

Carbamyl Phosphate

C

Aspartate transcarbamylase

N H

CH COO -

Aspartate

Carbamyl aspartate

L’ACTase subit une régulation allostérique comprenant deux effecteurs, l’un purique et l’autre pyrimidique : Vitesse de la réaction 2

 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.

1

3

[aspartate]

3. Troisième étape : formation du dihydro orotate Une dihydroorotase catalyse la cyclisation. Elle fait partie du même complexe enzymatique multifonctionnel appelé le CAD : Carbamyl phosphate synthétase - Aspartate transcarbamylase - Dihydro orotase. COO -

O

O

CH 2

C dihydro orotase

H2N

C

N H

HN

CH 2

CH CH

C COO -

Carbamyl aspartate

H2O

O

N H Dihydro orotate

COO -

4. Quatrième étape : formation de l’orotate C’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. O

O

C HN

C NAD+

CH 2 CH

C

HN

COO dihydro orotate déshydrogénase

COO -

C N H

O

Dihydro orotate

5.

CH

C

N H

O

NADH + H +

Orotate

Cinquième étape : formation de l’OMP. O

O

C HN

C

CH

HN

Orotate

C

C

COO

-

C

N H

O

P-O-CH 2

PP

P-O-CH 2

C

COO

-

N

O PRPP transférase

O

CH

O

OH O-P-O-P OH OH

OH

OH Orotidine 5' monophosphate (OMP) ou acide orotidylique

PRPP

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 monophosphate Une orotidylate décarboxylase donne par départ d’un CO2 le premier véritable nucléotide à pyrimidine : UMP. O C HN

CH

C

CH N

O P-O-CH 2

O

+ CO 2 OH

OH

OH

Uridine 5' m onophosphate (UMP) ou acide uridylique

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 : ATP

ATP

UMP

Glutamine

UDP kinase

Glutamate

UTP

CTP

Cytidine triphosphate

kinase ATP

ADP + Pi

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 déoxyribonucléotide Une 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 +

SH TR

FAD

SH

SH NADP+

FADH + H +

SH

T

RR

SH

S

S

SH

TR

S

SH

Thioredoxine réductase

Déoxy ribonucléotide diP

RR

T

S

Ribonucléotide diP

SH

Thioredoxine

Ribonucléotide réductase

9. Etape 9 : méthylation de l’uracile donnant la thymine La 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. Pi UDP

dUDP RR

dUMP

gain de CH3

Thymidine monophosphate (d)TMP

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-Adénosylméthionine. 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.

5 fluoro uracile Thymidilate synthétase

dUMP

N5 N 10 méthylène tétarahydrofolate

(d)TMP

dihydrofolate DHF réductase tétrahydrofolate

glycocolle sérine

Méthotrexate

COOH

COOH COOH CH2 CH

CH2

CH

NH2

NH2 O

NH2 a. Glutamique

(CH 2)2

2 ATP

C

C

2 ADP

O

O

-

P

NH2

O -

O Carbamyl Phos phate Synthétase

CO2

O

Pi

Carbamyl Phos phate

Glutamine

COO COO

O O

C CH2

H2N H2N

CH

C

COO

-

C

N H

H2O

CH

CH COO COO

N H

O

CH2

As partate transcarbamylas e

CH2

dihydro orotase

HN

-

-

-

-

Carbamyl aspartate

As partate

Dihydro orotate

O dihydro orotate déshydrogénas e

NAD+

NAD H + H

Biosynthèse des Pyrimidines

C

O

HN

C

C

CH

+

HN

CH

C

C

COO

P-O-CH 2

-

N H

O

P-O-CH 2

OH

O

CO2

OH

O

OH

OMP décarboxylase

OH

OH Orotidine 5' monophosphate (OMP) ou acide orotidylique

C

PRPP

HN

CH

C

CH N

O P-O-CH 2

Uridine 5' m onophosphate UMP ou acide uridylique

O

OH OH

OH

-

O

PRPP Transférase

O-P-O-P

COO

N

O

PP

Orotate

C

C. VOIE DE SYNTHESE PAR RECUPERATION OU EPARGNE Elle 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 : ATP

ADP UMP

Uridine ATP

ADP CMP

Cytidine

 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 cytos NH2

CH2

CH2

COOH

Elle est soluble, utile dans la biosynthèse du coenzyme A. NH 2

CH 2

CH

COOH

CH 3

Elle donne naissance au succinyl CoA qui va au cycle de Krebs. O COOH

CH2 CH2

C

SCoA

E. REGULATION DE LA BIOSYNTHESE Il 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 + ribose 5 phosphate

ATP + CO2 + NH2 glutamine

P ribosyl pyrophosphate

Carbamyl phosphate aspartate N Carbamyl aspartate

dihydro orotate

Nucléotides puriques orotate P ribosyl pyrophosphate OM P CO2 UM P

TDP

ATP ADP

TM P

dUM P

dUDP

dUDP

UDP ATP ADP UTP

CTP

Le TDP exerce une action sur le métabolisme des purines le 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 DIFFERENCES ENTRE PYRIMIDINES ET PURINES - EVOLUTION 1. Synthése Pyrimidines : construction du cycle puis secondairement rattachement du ribose phosphate. Purines : d’abord formation du ribose phosphate puis construction du cycle. 2. Dégradation Les 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. METABOLISME DES PURINES A. GENERALITES  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. Structure Le noyau purine est l’association de deux noyaux, pyrimidique et imidazole. Ce sont des molécules à 9 atomes : 5 C et 4 N. H C 1 N

7 5

6

N

C

CH HC 2

C N

9

8

N H

4

3

noyau purine. Les deux bases essentielles sont : O

NH2 C 1 N

6

7 5

C

1

N

HN

C 6

7 5

C

N CH

CH HC 2

C N

4

3

9

8

C

N H

H2N

Adénine = 6 amino purine

2.

Nomenclature nucléobase

2

C N

4

3

9

8

N H

Guanine = 2 amino 6 oxo purine En fonction du pH, il y a ou non une double liaison entre N1 et C6 (forme lactime et lactame). nucléoside

nucléotide

adénine

adénosine

adénylate

AMP

guanine

guanosine

guanylate

GMP

adénine

déoxyadénosine

déoxyadénylate

dAMP

guanine

déoxyguanine

deoxygaunylate

dGMP

ARN

ADN

C. BIOSYNTHESE Les précurseurs : plusieurs composés sont à l’origine des purines : des acides aminés, des donneurs de NH2 (glutamine, acide aspartique).

CO 2 Glycocolle

fonction amine de l'aspartate

H C 1 N

7 5

6

N

C

CH HC

N10 formyl tétrahydrofolate

2

C

9

N10 formyl tétrahydrofolate

N H

4

N

8

3

Glutamine

 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° réactions 2. 6°et 7° réactions 3. 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. P O

CH 2

H

O

H  O

H H OH

P O

pyrophosphate

P O

OH

P

O

9

NH 2 

Amido P ribosyl transférase

Glutamine

CH 2 H

H

OH

OH

H

acide glutamique

P ribosyl pyrophosphate

P ribosylamine

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 P O

CH 2

NH 2

O H

H

+

Glycinamide ribonucléotide synthétase

H

7 NH 3 5 CH 2 4 C

OH

OH

P ribosylamine

glycocolle

ATP

ADP + Pi

NH ribose P 9

O P ribonucléotide glycinamide

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.

O

H

8 C

N 10 formyl tétrahydofolate

NH 3+

7 NH

formyl transférase

CH 2

5 CH 2

C NH ribose P

9

O

THF

O

formyl glycinamide ribonucléotide P

P ribonucléotide glycinamide

4.

NH ribose P

4 C

Formation du formyl glycinamidine ribonucléotide P. O

O

H

ATP

C

ADP + Pi

H

C

NH

NH

CH 2

CH 2

C NH ribose P

Glutamine

C NH ribose P

HN

acide glutamique

3

O formyl glycinamide ribonucléotide P

formyl glycinamidine ribonucléotide P

5. Cinquième étape : formation du 5 amino imidazole ribonucléotide P. Elle permet la cyclisation par déshydratation et on génère la partie imidazole. O

H

C

3

N

Cyclase

NH

C

CH 2

5

CH2 HN

4

CH

N

H2N

1

H2O

C NH ribose P

ribose P

formyl glycinamidine ribonucléotide P

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 O C CH

H2N

CO 2

N

C

O

CH

CH C

Carboxylase

N

N CH N

H2N

ribose P

ribose P 4 carboxylate 5 amino imidazole ribonucléotide P

5 amino imidazole ribonucléotide P

Addition d’une fonction amine de l’aspartate sur C4.

7.

O

O C

OOC ATP

O

CH

N

C H2N

CH

ADP + Pi

C

N H

CH

H2C COO

CH COO

N OOC ribose P

4 carboxylate 5 amino imidazole ribonucléotide P

C CH H2 Aspartate

8. Elimination du fumarate Enzyme : lyase.

NH 3

N

C H2N

CH N ribose P

5 aminoimidazole 4N succino carboxamide ribonucléotide P

H

COO C

fumarate :

C

OOC

H

O CH

OOC

O

C

N H

CH

H2C COO

N

C H2N

CH

N

C

CH N

CH N

H2N Fumarate

ribose P 5 aminoimidazole 4N succino carboxamide ribonucléotide P

9.

C

H2N

ribose P 5 aminoimidazole 4 carboxamide ribonucléotide P

Réaction avec un N formyl THF O O

C

H2N

C

H2N

CH CH

N

N 10 formyl tétrahydofolate

N

C C

CH

formyl transférase

CH

N

HN

N

H2N

H

O

5 aminoimidazole 4 carboxamide ribonucléotide P

10.

ribose P

C

THF

ribose P

5 formamidoimidazole 4 carboxamide ribonucléotide P

Formation de IMP : inosinate O

H2N

C O CH

N Cyclase

C N

HN

ribose P

C O

CH

H

5 formamidoimidazole 4 carboxamide ribonucléotide P

N HN

C

HC

C

CH

Déshydratase H2O

N

N ribose P

Inosinate = ribose P + hypoxanthine

P O

CH2

H

O

pyrophosphate

H  O

H H

P O

P O

CH2

Amido P ribosyl transférase

P

NH2 

O H

H

OH

OH

Glycinamide ribonucléotide synthétase

H glycocolle

OH

OH

Glutamine

acide glutamique

ATP

P ribosyl pyrophosphate

P ribosylamine ADP + Pi +

O O

H

H

CH2

C

C

ATP

ADP + Pi

formyl transférase

NH

NH

C NH ribose P O

CH2

CH2

N 10 formyl THF

C NH ribose P

HN C NH ribose P

P ribonucléotide glycinamide

O formyl glycinamide ribonucléotide P

acide glutamique Glutamine formyl glycinamidine ribonucléotide P

Biosynthèse des Purines

Cyclase

H2O

NH3 THF

O OOC ADP + Pi

O C O CH

N

C

CO2 Carboxylase

N

H2N

H2N

CH C CH H2

CH N ribose P

COO OOC

N

N

C H2N

ribose P

ribose P

CH

COO

N

C

CH

C

N H

H2C

ATP CH

CH

5 aminoimidazole 4N succino carboxamide ribonucléotide P

NH3

Aspartate

4 carboxylate 5 amino imidazole ribonucléotide P

5 amino imidazole ribonucléotide P

Fumarate

O H2N

O

C

H2O HN

C

HC

C

N

N

CH

N

C Déshydratase

C

THF

CH

ribose P

C O

CH N

HN

ribose P Inosinate IMP

H2N

N

Cyclase CH

N

O

H

5 formamidoimidazole 4 carboxamide ribonucléotide P

C formyl transférase N 10 formyl THF

H2N

CH N ribose P

5 aminoimidazole 4 carboxamide ribonucléotide P

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 monophosphate Elle se fait par condensation de l’IMP avec l’aspartate, catalysée par l’adénosuccinate synthétase, moyennant une dépense d’énergie apportée par le GTP. COO - CH 2

COO -

CH

NH 2 NH

O

COO - CH 2

CH

COO -

H2O

N HN

N

C

HN Adénylo succinate synthétase

CH HC

C CH

C

HC

C

N

N

GTP

N

N

GDP + PPi

ribose P

ribose P

IMP

Adénylo succinate

L’adénosuccinate lyase hydrolyse l’adénylo succinate avec libération de fumarate. On obtient l’AMP : 6 amino purine. COO - CH2

CH

COO -

NH

COO - CH CH Fumarate

NH2

COO -

N HN

C

HC

C

N Adénylo succinate lyase

HN

C

HC

C

CH

CH

N

N

N

N

ribose P

ribose P

AMP

Adénylo succinate

12. Formation du Guanylate mono phosphate GMP A partir de IMP, une déshydrogénation à NAD va transformer le C2 en carbonyle avec apport de H2O : O

O N

HN

C

HC

C

N

H2O CH

NAD+ ribose P

IMP

C CH C

N

N

HN

Déshydrogènase

NADH + H +

O

N

N ribose P

Xanthine monoP

Pour 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.

O

O

Glu

a. glutamique

N HN

N

C

HN

C

CH

CH

C O

C N

N

ATP

H2N

ADP + Pi

N

N

ribose P

ribose P

2 amino 6 oxy purine Xanthine monoP

GMP

 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

R C R'

R O

Equilbre tautomérique

C R'

ATP O

ADP

NH 3 (Asp Glu)

O

R C

O

P

O

R O P C NH 2

R'

R'

O

formation d'un groupement phosphorylester

R C

formation d'un composé tétraèdrique

Pi NH 2

R'

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.

O

HN

C

HC

C

N CH

NH2

N -

COO CH2

CH

N

-

COO

ribose P GTP

IMP

H2O +

NAD

H2O Adény lo succinate sy nthétase

Déshy drogénase +

NADH + H

GDP + PPi -

COO CH2

CH

-

COO

NH

O

HN

C

HC

C

N HN CH

CH

Biosynthèse des PURINES

N

N

ribose P

N

C C

O

N

N

ribose P

Adény lo succinate

Xanthine monoP

AMPS

XMP

ATP

Glu

Adény lo succinate ly ase -

COO CH

CH

-

COO

Fumarate a. glutamique

ADP + Pi

NH2

O

HN

C

HC

C

N HN

C

N

CH N

N

CH C H2N

N

ribose P AMP 6amino purine

N ribose P

GMP 2 amino 6 oxy purine

D. LA VOIE D’EPARGNE Elle 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. ART

Adénine + PRPP

AMP + PPi Pyrophosphate

 la deuxième permet la synthèse de GMP : Hypoxanthine Guanine PhosphoRibosyl Transférase : HGPRT. Hypoxanthine + PRPP

XMP

HGPRT

GMP

Guanine

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. REGULATION DE LA BIOSYNTHESE DES NUCLEOTIDES PURIQUES Pyrimidine : TDP Gln Ribose 5 P

IMP AMP GMP

PRPP

Glu P ribosylamine

IMP

adénylosuccinate

XMP

AMP

GMP

ATP

GTP

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 DEGRADATION Elle est essentiellement hépatique et intestinale (muqueuse de l’intestin grêle). Elle aboutit à la formation d’acide urique (3 groupements carbonyles).

H2O

NH4+

AMP

IMP

XMP

GMP

AMP désaminase Purine Nucléotidase

Pi

Adénosine

Pi Adénosine désaminase H2O

Pi

Inosine

Pi

Xanthosine

Guanosine

NH4

Pi

Pi

Purine Nucléoside Phosphorylase

Pi

Rib.1P

Rib.1P

Rib.1P

Hypoxanthine

H2O + O 2

Guanine Guani ne Désaminase

Xanthine oxydase Xanthine

H2O2

H2O

NH4+

Xanthine oxydase

H2O2

O H N

C HN

C C

C O

O

C N H

N H

acide urique

G.

ASPECTS DE BIOCHIMIE PATHOLOGIQUE 1. 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 H2O

NH4+

AMP

IMP AMP désaminase

Purine Nucléotidase

Adénosine

Pi

Pi Adénosine désaminase H2O

NH4

Inosine

a) Déficit en Adénosine désaminase Il 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 désaminase Les 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 :

H2O

NH 4+

AMP désaminase AMP

IMP

Fumarate

GTP

Adénylo succinate lyase

GMP + PPi

Aspartate Adénylo succinate synthétase

Adénylo succinate

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. DESTINEES 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.

O H N

C HN

H2O

C C

C O

NH2

C

C

C

O

C

uricase

C N H

N H

H N

O

CO2

mammifères

O

O

N H

N H

allantoïne

acide urique

H2O

Allantoïnase

poissons osseux

CHO COOH

NH2

COOH

C

C

H2N

acide glyoxylique NH2

2 H2O NH3 2 CO2

uréase invertébrés marins

O

poissons cartilagineux

C

urée

Allantoïcase

NH2

O

N H

C N H

O

acide allantoïque

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. Symptomes L’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) :

O

O 7

C HN

C

C

N

HN

C

HC

C

H C7

CH HC

C N

8

N H

hypoxanthine

N8 N

N H

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). O C HN

C

C

C

H C7 N8

O

N

alloxanthine

N H

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).