CMU CHIANG MAI UNIVERSITY

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY The control network for the purine biosynthesis pathway.

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Purine biosynthesis pathway

Ribose-5-phosphate

IMP

มี�การควบคมีโดย allosteric sites ที่�� 2 steps แรก

1. Ribose-5-phosphate pyrophosphokinase

- เปลี่��ยน ribose-5-P เป�น -PRPP- Negative feedback โดย ADP แลี่ะ GDP

2. Gln-PRPP amidotransferase (Glutamine-PRPP amidotrnasferase)พบว�ามี� 2 allosteric sites

2.1 สำ�าหร�บ A-series ของ nucleotide phosphate (AMP, ADP, ATP) จั�บแลี่ะที่�าการย�บย�!ง

2.2 สำ�าหร�บ G-series ของ nucleotide phosphate (GMP, GDP, GTP) จั�บแลี่ะที่�าการย�บย�!ง

***PRPP ย�งมี�ผลี่ ” feed-forward activator” โดยจัะไปกระตุ้%น Gln-PRPP amidotransferase

*** IMP synthesis จัะข&!นอย'�ก�บผลี่(ตุ้ภั�ณฑ์,สำดที่%ายของ pathway (adenine แลี่ะ guanine nucleotides)

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY

IMP

AMP GMP

Adenylosuccinate synthetase IMP dehydrogenase

1. AMP biosynthesis pathway

Adenylosuccinate synthetase ถู'กย�บย�!งโดย AMP

ADP

ATP

GDP

GTP

2. GMP biosynthesis pathway

IMP dehydrogenase ถู'กย�บย�!งโดย GMP

***Level ของ AMP และ GMP ถูกควบค�มโดย “self-correcting”

Note: GTP ให%พลี่�งงานใน AMP biosynthesis ATP ให%พลี่�งงานใน GMP biosynthesis

adenylosuccinate XMP

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Purine degradation

- Nucleic acid เป�นสำ�วนประกอบของเซลี่ลี่, : จั&งมี�การ digest จัากอาหาร (diet)

1. Nucleosidase

2. Nucleoside phosphorylase

Nucleoside + H2O Base + ribose

Nucleosidase

Nucloside + Pi Base + ribose-1-P

Nucleoside phosphorylase

Feeding experiments โดย radioactive labelled nucleic acid น�!นจัะเป�นเพ�ยงสำ�วนน%อย ของ nucleic acid ที่��จัะน�ามีาใช้%ในเซลี่ลี่,

แตุ้�พบว�า de novo pathway ของ nucleotide biosynthesis จัะเป�นแหลี่�งอ�นด�บหน&�งของNucleic acid precursor.

Nucleotide degradation Recycling of cellular component

Major pathways of catabolism in animals.The various purine nucleotides and deoxynulcotides are All degraded to uric acid.

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Pathways of Purine catabolism

1. Adenosine deaminase

NH4+ ออกจัาก adenosine ได% Inosine

Severe combined Immunodeficiency syndrome (SCID)

- Lack of immune response of infection disease

- 30% of SCID no adenosine deaminase (ADA)

- ADA is Zn2+ -dependent enzyme

- deoxyadenosine , เปลี่��ยนเป�น dATP Negative feedback inhibitor of deoxynucleotide biosynthesis

No deoxynuclotides DNA cannot be replicated and cells cannot divide

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY 2. Xanthine oxidase

- Present in liver, intestinal, mucosa and milk

- Oxygen molecule oxidized hypoxanthine and xanthine H2O2

- Xanthine oxydase: non heme, Fe-S centres and molybdenum cofactor (as electron transferring prostatic groups)

- Human and primates, uric acid (end product of purine catabolism) Urine (urea)

- Birds and reptilesAll catabolism nitrogenous compounds to uric acid.Animal conserve water by excreting crystals of uric acid.

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Gout: An excess of uric acid

- Excessive uric acid accumulating in the body fluids.

- Uric acid, urate salts Insoluble in water + precipitate from solution if produced in excess

- Arthritis pain in joints Urate salts deposition in cartilaginous tissue.

- Urate crystals may also appear as kidney stones and leads to painful in urinary tract

Hyperuricemia : chronic elevation of blood uric acid levels

-3% of population as a consequence of impaired excretion of uric acid + overproduction of purine catabolism.

Treatments: Allopurinol = hypoxanthine analog

Binds tightly to xanthine oxidase

Uric acid

Hypoxanthine, xanthine : do not accumulate to harmful concentration (becauseThey are more soluble and more easily excreted.)

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY 3. The Biosynthesis of Pyrimidines

CMP UMP

The biosynthesis of pyrimidines ring atoms.

Glutamine amideHCO3

-

Aspartate

Precursors for 6 pyrimidinering

Pyrimidine ring system forms beforeRibose-5-P attach.

Purine biosynthesis 7 precursors for 9 purine atoms

Carbamoyl-P

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY

The Biosynthesis of Pyrimidines

Step 1: Carbamoyl-Phosphate synthesis

- Carbamoyl phosphate synthetase II (CPS II) : cytosolic enzyme (mammal) Carbamoyl phosphate synthetase (CPS) in bacteria

- C2, N3 in pyrimidine ring

-Substrates of CPS: HCO3-

Glutamine 2 ATP H2O

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Step 2: Carbamoyl-P to Carbamoyl-Aspartate

- Aspartate transcarbamoylase (ATCase)

- เป�น enzyme ที่��เตุ้(มี aspartate ที่�� carbamoyl-phosphate

- ไม�ใช้� ATP เพราะ carbamoyl phosphate อย'�ในร'ป ‘activated’ carbamoyl group

- C4, C5, C6 แลี่ะ N1 ใน pyrimidine ring

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY

Step 3: Carbamoyl_Asp to Dihydroorotate (DHO) (pyrimidine ring closure)

Pyrimidine ring closure:

- NH2 group ของ carbamoyl-P และ -COO- ของ aspartate

โดย enzyme: Dihydroorotase

Dihydroorotate (DHO)

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Step 4: Dihydroorotate (DHO) to Orotate

- โดย enzyme: Dihydroorotate dehydrogenase (DHO dehydrogenase)

Bacteria: DHO dehydrogenase ค1อ NAD+-linkage flovoprotein แลี่ะ Fe-S centres ซ&�งเป�น additional redox prostatic groups

Eukaryote: DHO dehydrogenase เป�น protein ที่��เป�นองค,ประกอบของ inner mitochondria membrane Quinone จั&งที่�าหน%าที่��ร �บ e- จัาก DHO แลี่%วเปลี่��ยนเป�น Orotate

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Step 5: Ribose-5-P is joined to N-1 of Orotate

เป�นการเตุ้(มี ribose-5-phosphate ลี่งใน orotate molecule

โดย enzyme: Orotate phosphoribosyltransferase

Ribose-5-P มีาจัาก PRPP ( ribose phosphate donor)

Product: Orotidine 5’-Monophosphate (OMP)

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Step 6: orotate-5’-monophosphate (OMP) to UMP

โดย enzyme: OMP decarboxylase

decarboxylation

UMP(uridine-5’-monophosphate or uridylic acid)

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Pyrimidine biosynthesis in mammals vs bacteria

Bacteria: 6 enzymes in de novo pyrimidine biosynthesis

In mammals: 6 enzymes activities มีาจัาก proteins 3 ช้น(ด

210 KDa protein: multifunctional polypeptides (Cytosolic enzyme)

CPSIIAspartate transcarbamoylaseDihydroorotate

multifunctional polypeptides = 1 polypeptide ม� 2 / มากกว�า enzymatic centres

210 KDa protein

DHO dehydrogenase (associated ก�บ surface ของ inner mitochondria membrane

UMP synthase (Orotate phosphoribosyltrnasferase, OMP decarboxylase) (Multifunctional polypeptide)

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY Synthesis of predominant ribonucleotides UTP and CTP

2 pyrimidine ribonucleotides (UTP และ CTP) เป�นตุ้�วหลี่�ก โดยผ�าน pathway เด�ยวก�น

UMP + ATP UDP + ADP

Step 1: Nucleoside monophosphate kinase

Step 2:

UDP + ATP UTP + ADP

Nucleotide diphosphate kinase

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY

Step 3: Synthesis of CTP from UTP

CTP synthetase (glutamine amidotransferase)

เตุ้(มี NH2 ในตุ้น. ที่�� 6 ของ UTP

ATP hydrolysis

Regulation of Pyrimidine Biosynthesis

Bacteria

-จัะถู'กควบคมีใน allosteric enzymes: aspartate transcarbamoylase (ATCase). CTP: feedback-inhibitor

- ATP เป็�น feedback activator ของ ATCase เช้�นก�น

+

-

Regulation of Pyrimidine Biosynthesis

Animal pyrimidine biosynthesis

UTP, UDP: feedback-inhibitor ใน CPS II(Carbamoyl phosphate synthetase II)

ATP, PRPP : allosteric acitvators

ATP: activator ของ CPS II

PRPP: activator ของ orotate phosphoribosyltransferase

UMP: feeback-inhibitor ของ OMP decarboxylase

Pyrimidine degradationCMU

CHIANG MAI UNIVERSITY

การเก(ด pyrimidine degradation ในเซลี่ลี่,เพ1�อการน�า nucleotides มีาใช้%ใหมี� (recycle)

Pyrimidine degradation จัะได% - pyrimidine ring (cytosine, uracil, thymine) - original substrates (aspartate, CO2, ammonia)

เร�งด%วยเอนไซมี, phosphoribosyltransferase

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY

Deoxyribonucleotide Biosynthesis

Purine, pyrimidine biosynthesis เป�นการสำ�งเคราะห, AMP, GAP, UMP, CTP(ribonucleotides, RNA)

Cells จัะมี�การเปลี่�ยนจัาก RNA เป�น DNA เพ1�อใช้%ในการเป�นสำารพ�นธุกรรมีภัายในเซลี่ลี่,

Ribonucleotide reductase

Substrate: NDPs (ribonucleotide diphosphate)

Enzyme: Ribonucleotide reductase

เร�งการเตุ้(มีหมี'� hydride ion (H:-) แที่นที่�� –OH ในตุ้�าแหน�งที่�� 2 ของ ribose

Ribonucleotide reductase: Fe-dependentEnzyme ที่��สำามีารถูสำร%าง free radical

แลี่ะช้�วยในการถู�ายเที่ H:- หร1อ electron ได%ด�

Synthesis of Thymine nucleotide

Thymine = pyrimidine deoxyribonucleotide

Cells ไมี�มี�การ synthesis thymine ribonucleotides หร1อไมี�พบ free thymine ribonucleotide

Synthesis of Thymine nucleotide

dTMP สำ�งเคาระห,มีาจัาก dUMP (percurosr)

dCDP dCMPPi

dUMP

dCMP deaminase

Synthesis dUMP: route 1

Synthesis dUMP: route 2

dUTP dUMP

dUTPase

dCDPase

CH3 จัาก -carbon ของserine ไปเตุ้(มีที่��C5 ใน dUMP

The thymine synthesis reaction.

CMUCHIANG MAI UNIVERSITY เรื่� องแจ้�งให้�ทรื่าบ

การลี่งที่ะเบ�ยนกระบวนว(ช้า 211312 น�กศึ&กษาตุ้%องผ�าน 211311211318 น�กศึ&กษาตุ้%องผ�าน 211317

กรื่ณี�ลงทะเบ�ยนผิ&ดเง� อนไข ให้�ด'าเน&นการื่ถูอนกรื่ะบวนว&ช้า โดยได�รื่(บอ(กษรื่ W ภายในว(นท� 25 มกรื่าคม 2551