Metabolismo das bases

púricas e pirimídicas

Laboratório de Bioquímica da Faculdade de Medicina do Porto

ruifonte@med.up.pt

1

As bases púricas e pirimídicas são componentes do (1) DNA e RNA

e de muitos outros importantes compostos como (2) ATP e GTP (“moedas de troca energética”), (3) Coenzima A, NAD +, NADP+ e FAD (coenzimas e grupos prostéticos), (4) AMP cíclico e GMP cíclico (reguladores alostéricos de cínases de proteínas), (5) UDP-glicose, CDP-colina, GDP-manose (substratos de transférases), etc.

2

Os nucleotídeos contêm uma

base púrica ou pirimídica ligada

ao carbono anomérico da

ribose (ou 2’-desoxiribose) e,

pelo menos, um fosfato (em

geral ligado no carbono 5’).

Por hidrólise da ligação

fosfoéster formam-se os

respetivos nucleosídeos.

UMP ou uridina-monofosfato

ou uridilato

uridina ou

ribonucleosídeo do uracilo

2’-dAMP ou desoxiadenosina-monofosfato

ou desoxiadenilato

2’-desoxiadenosina ou

2’-desoxiribonucleosídeo da

adenina

5’-nucleotídase

5’-nucleotídase

3

As bases púricas e pirimídicas são anéis heterocíclicos contendo átomos de azoto e

carbono.

As bases púricas podem ser entendidas como constituídas por

um anel pirimidina (4C:2,4,5,6; 2N:1,3)

ligado a

um anel imidazol (3C:4,5,8; 2N:7,9).

Os números dos átomos nas pirimidinas e nas purinas...

4

Os ácidos nucleicos da dieta (DNA e RNA) são hidrolisados por enzimas digestivas (nucléases pancreáticas e fosfátases intestinais) gerando em passos sucessivos polinucleotídeos, nucleotídeos e nucleosídeos.

As esmagadora maioria das moléculas dos nucleosídeos que são absorvidos sofrem catabolismo mas ...

... é possível que uma pequena parte dessas moléculas possa ser “salva” e seja utilizada na síntese de nucleotídeos

5

Metabolismo das purinas

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Nucleotídeos Nucleosídeos Bases púricasInosinato

ou Inosina monofosfato

ou IMP Inosina

ou

ribonucleosídeo

da hipoxantina

Hipoxantina 6-oxipurina

Xantinilato

ou Xantosinamonofosfato

ou XMP Xantosina

ou

ribonucleosídeo

da xantina

Xantina 2,6-dioxipurina

Guanilato

ou Guanosina monofosfato

ou GMP Guanosina

ou

ribonucleosídeo

da guanina

Guanina ou 2-amina-6-oxipurina

Adenilato

ou Adenosina monofosfato

ou AMP Adenosina

ou

ribonucleosídeo

da adenina

Adenina ou 6-aminopurina

As bases púricas derivam todas da hipoxantina (6-oxipurina).

Por aminação do carbono 6 da hipoxantina forma-se a adenina (6-aminopurina). Por oxidação do carbono 2 da hipoxantina forma-se a xantina (2,6- dioxipurina) e por aminação do carbono 2 da xantina forma-se a guanina (2-amino-6-oxipurina).

Os nomes dos nucleosídeos das bases púricas terminam em osina.A ligação (glicosídica de tipo N) envolve os carbonos 1’ da ose e azoto 9 da base.

Quando não se especifica o contrário subentende-se que o fosfato dos nucleotídeosestá ligado (fosfoéster) no carbono 5 da ribose (ou da 2’-desoxiribose).

Número sem linha: átomo da base. Como em 6-aminopurina.

Número com linha: carbono da ribose ou desoxiribose. Como em 2’-desoxiadenilato.

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A síntese de novodos nucleotídeos púricosinicia-se com a síntese de ribose-5-P na via das pentoses-P e o primeiro nucleotídeo púrico formado é o IMP.

Os passos limitantes da velocidade são os catalisados pela

(1) síntase do PRPP

(2) amidotransférasedo fosforibosilo

...que são inibidas alostericamente por nucleotídeos.

Quando dizemos “síntese de ATP” queremos quase sempre referir atransformação ADP →→→→ATP (cerca de 100 moles/dia ), mas o homem tambémsintetiza nucleotídeos púricos de novo a partir de intermediários anfibólicos

(cerca de 3 mmol/dia ).

intermediários 5’-fosforibosilo

O primeiro nucleotídeo sintetizado é o IMP (inosina monofosfato) cuja base é a hipoxantina. É a partir do IMP que se forma o AMP e o GMP.

A hipoxantina vai-se formando (“como uma árvore que cresce”) pela adição sucessiva de elementos à ribose-5-P (“a raiz da árvore”).

A glicina contribui para a formação dos átomos 4, 5 e 7; a glutaminapara os azotos 3 e 9; o CO2 para o carbono 6; o aspartatopara o azoto 1; e o N10-formil-tetrahidro-folatocom os carbonos 2 e 8.

Para a síntese de novo das purinas contribuem aminoácidos ( glicina , glutamina e aspartato ) e unidades monocarbonadas do formil-H4-folatoe do CO2.

O ATP intervém em várias reações e a sua hidrólise (a ADP + Pi) constituí o componente exergónico dessas

reações.

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A síntese do AMP ocorre por aminação do carbono 6 da hipoxantina do IMP.

O dador do grupo amina é o aspartato...que sai como fumarato.

Oxidação do carbono 2 dependente do NAD +

A síntese do GMP ocorre via XMP:

(1) a hipoxantina do IMP é primeiro oxidada no carbono 2 formando-se o XMP;

O dador do grupo amina é a glutamina...que sai como glutamato.

(2) depois dá-se a aminação do mesmo carbono 2 formando-se o GMP

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O GTP intervém como substrato na síntese do adenilosuccinato e, portanto, na síntese de AMP.

... o ATP intervém como substrato na síntese do GMP.

O AMP inibe a síntese de adenilosuccinato e, portanto, a sua própria síntese.

O GMP inibe a síntese de XMP e, portanto, a sua própria síntese.

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A conversão dos diversos NDPsem NTPs é catalisada pela cínase de nucleosídeos difosfato(inespecífica).

A diminuição do número de fosfatos dos nucleotídeos ocorre em reações

(1) de fosfotransferência (cínases),

(2) de hidrólise (fosfátases) ou

(3) no decurso da síntese e degradação dos ácidos nucleicos.

A síntese do ADP a partir do adenilato (AMP) é catalisada pela cínase deadenilato . A formação dos outros NDPs a partir de NMPs também é catalisa da

por cínases de nucleosídeos monofosfatos específicas .

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O catabolismo dos nucleosídeos monofosfato implica a ação catalítica

(1) de 5’-nucleotídases

(NMP + H2O →→→→ nucleosídeo + Pi)

nucleotídeo

nucleosídeo

O anel púrico não sofre rotura ⇒⇒⇒⇒ URATO

O anel pirimídico sofre rotura ⇒⇒⇒⇒UREIA e β-aminoisobutirato

(2) e de fosforílases de nucleosídeos

(nucleosídeo + Pi →→→→ ribose-1-P + base).

A ribose-1-P isomeriza-se a ribose-5-P

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No catabolismo dos nucleotídeos púricos os grupos amina da guanina e da adenina são eliminados como ião amónio pela ação catalítica de desamínases .

O anel purina não sofre rotura e, via

xantina, dá origem ao ácido úrico .

No caso “A”, a desaminação ocorre no AMP ou na adenosina.

No caso “G”, a desaminação ocorre na guanina (guanase).

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A enzima que catalisa as conversões hipoxantina →→→→ xantina →→→→ urato é mais frequentemente designada de oxídase da xantina mas é mais adequado designá-la como oxiredútase da xantina . In vivo coexistem duas formas da mesma enzima: uma que funciona como uma desidrogénase dependente do NAD+ e uma oxídase.

Hipoxantina

Xantina

Urato

NAD+

NADH

O2

H2O2

NAD+

NADH

O2

H2O2

Desidrogénase da xantina

Oxídase da xantina

Oxiredútase da xantina 16

Em determinadas situações patológicas (quer por diminuição na excreção renal quer por aumento de formação) pode haver excesso de ácido úrico (ou do seu sal – urato) no sangue (hiperuricemia ).

Devido à sua baixa solubilidade o urato pode depositar-se nos tecidos provocando inflamação ( gota ).

O Alopurinol

(análogo estrutural da hipoxantina e xantina)

inibe a oxiredútase da xantina diminuindo a velocidade de formação de ácido úrico;

a hipoxantina e a xantina sobem no sangue mas, normalmente, mantêm-se abaixo da concentração de saturação.

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Vias de salvação de nucleosídeos e bases púricas Na maioria dos tecidos a actividade de síntese de novo de purinas é pouco activa mas, as vias de “salvação” de purinas são sempre importantes.

Os nucleosídeospodem ser “salvos” por acção de cínases de nucleosídeos

e as bases por acção de transférases de fosforibosilo .

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O facto de as cínases dos nucleosídeos serem enzimas com um grau relativamente elevado de especificidade tem consequ ências na ação terapêutica de medicamentos.

ATP ADP

Cínase da timidina codificada pelo vírus Cínases do

hospedeiro

O aciclovir trifosfato pode ser incorporado no DNA mas, porque não existe hidroxilo 3’, a polimerização é interrompida.

O aciclovir é um medicamento usado no tratamento do Herpes sendo um pró-fármacoque só se torna ativo nas células infetadas pelo vírus.

Porque o 1º passo só ocorre em células infetadas pelo vírus só nestas células é que se forma aciclovir monofosfato.

O aciclovir-monofosfato é fosforilado a aciclovir-difosfato e este a aciclovir-trifosfato por cínases do hospedeiro.

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A criança tem gota e alterações neurológicas nomeadamente comportamento auto-mutilanteque obriga a medidas de proteção.

Hipoxantina guanina fosforibosiltransférase

hipoxantina ou guanina

No síndrome de Lesch-Nyhan há ausência da hipoxantina-guanina fosforibosil-transférase .

hipoxantina ou guanina

hipoxantina ou guanina

O síndrome de Lesch-Nyhan é muito raro (1/200000 nascimentos) mas as suas consequências mostram a importância desta enzima.

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A 6-mercaptopurina é um pró-fármaco porque só tem a ção depois de, no organismo, ser convertido no nucleotídeo correspond ente.

PRPPPPi

Fosforibosiltransférase da hipoxantina e guanina

PRPP

glutamina

glutamato + PPi

Amidotransférasedo 5-fosforibosilo

5’-fosforibosilamina

IMP

XMPAdenilo-succinato

NAD+

NADH

Aspartato + GTP

GDP+Pi

Sintétase do adenilo-succinato

Desidrogénase do IMP

É usado no cancro porque o ribonucleosídeo-monofosfato da 6-mercaptopurina inibe enzimas chave na síntese de novo das purinas.

O ribonucleotídeo da 6-mercaptopurina inibe a amido-transférase de fosforibosilo, a sintétase do adenilosuccinato e a desidrogénase do IMP. 21

ribonucleotídeo da 6-mercaptopurina

A redução dos nucleotídeos a 2’-desoxinucleotídeos ocorre por ação da redútase dos ribonucleosídeos difosfato que só está ativa na fase S do ciclo celular.Os substratos podem ser ADP, GDP, CDP e UDP… mas não o TDP.

A, G, C ou U

A, G, C ou U

2’-desoxinucleosídeo difosfato da Adenina, Guanina, Citosina ou Uracilo

Tioredoxina reduzida

Tioredoxina oxidada

Glutaredoxina reduzida

Glutaredoxina oxidada

NADPH

NADP+

2 GSH

GSSG

Redútase da tioredoxina

Redútase da glutaredoxina

Os agentes redutores envolvidos podem ser duas prot eínas na forma reduzida: a tioredoxina reduzida ou a glutaredoxina reduzida.

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redútase dos ribonucleosídeos difosfato

AMP

ATP

Ribose-5-P

PRPP

4 ATP + 2 glutamina + glicina + 2 N10-formil-H4-folato + CO2 + aspartato + 2 H2O

PPi + 4 ADP + 4 Pi + 2 glutamato + 2 H4-folato + fumarato

IMP

intermediários fosforibosilo

GDP+ Pi

GTPAMP+ PPi

AMP GMP

Adenilosuccinato

XMP

aspartato fumarato

NAD+

NADH

glutamina

glutamatoATP

NMP

NTP

ADP

NDP

ATP

ATP

ADP

2’-dNDP

TioredoxinaH2 ou GlutaredoxinaH2

Tioredoxina ou Glutaredoxina

inosina adenosinaguanosina

H2O

Pi

H2O

Pi

H2O

Pi

NH3

H2ONH3

xantina H2O

H2ONH3

Ácido úrico

ATP

ADP

PRPP

PPi

PRPP

PPi

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Pi

Ribose-1-P

hipoxantina adenina guanina

Pi

Ribose-1-P

Pi

Ribose-1-P

Metabolismo das pirimidinas

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Nucleotídeos Nucleosídeos Bases pirimídicas

Uridilato

ou uridina monofosfato

ou UMP Uridina

ou

ribonucleosídeo

do uracilo

uracilo 2,4-dioxipirimidina

Citidilato

ou citidinamonofosfato

ou CMP Citidina

ou

ribonucleosídeo

da citosina

citosina 2-oxi-4-aminopirimidina

Orotidilato

ou orotidina monofosfato

ou OMP Orotidina

ou

ribonucleosídeo

do orotato

orotato 2,4-dioxi-6-carboxipirimidina

Timidilato

ou timidina monofosfato

ou TMP Timidina

ou

desoxiribonucleosídeo

da timina

timina 2,4-dioxi-5-metil-pirimidina

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As pirimidinas também podem ser sintetizadas de novo mas, neste caso, a incorporação da ribose-5-P na base só ocorre após a formação da primeira base pirimídica, o orotato (ou ácido orótico) . Primeira base

pirimídica

A formação do OMP (o primeiro nucleotídeo pirimídico) é a consequência da acção catalítica de uma transférase de fosforibosilo(transferência de ribose-5-P do PRPP para o orotato).

Primeiro nucleotídeo pirimídico

Ribose-5-P

Síntase do PRPP

UDP

CTP

2’-dUMP

2’-dCMP

TMP 26

Todas as bases pirimídicas resultam da transformaçã o do OMP (orotidinamonofosfato ou orotidilato).

... por aminação do carbono 4 do resíduo uracilo do UTP forma-se o CTP.

...por descarboxilação no carbono 6 do resíduo orotato do OMP forma-se o UMP.

... por metilação do carbono 5 do resíduo uracilo do 2’dUMP forma-se o TMP.

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O CO2 (átomo 2), o azoto grupo do amida da glutamina (átomo 3)e o aspartato (átomos 1, 4, 5 e 6) contribuem para a formação do anel pirimídico.

Por descarboxilação do OMP forma-se o UMP que por ação duma cínasegera o UDP.

É a partir do UDP que se forma o UTP e o CTP ... e o TMP.

Na via da síntese das pirimidinas de novo

os passos limitantes da velocidade são os catalisados pelas

(1) sintétase de carbamil-fosfato II (citosólica)

(2) transcarbamílase do aspartato .

É a partir do UDP que se forma o CTP ... e o TMP.

O dador do grupo amina é a amida da glutamina.

A síntese do CTP é catalisada pela

sintétase do CTP .

29

A síntese dos nucleotídeos da timina pode envolver

(1) redução da ribose do UDP a 2’-desoxiribose

(2) a ação sequenciada de uma cínase e de uma fosfátase (que liberta PPi) que originam 2’dUMP e

(a redútase dos nucleosídeos-difosfatos é inespecífica relativamente à base)

ATPADP

2’dUTP

(3) metilação do 2’-dUMP a TMP pela síntase do timidilato. 30

Síntase do timidilato

Desamínase do desoxi-citidilato

A síntese dos nucleotídeos da timina pode envolver a conversão do 2’-dCMP em 2’dUMP pela desamínase do desoxi-citidilato .

31

A síntese do TMP implica a formação de dihidrofolat o que, para funcionar como

aceitador e dador de unidades monocarbonadas, é red uzido a tetrahidrofolato.

Ciclo do dihidrofolato

32

Medicamentos que, como o metotrexato, inibem a ação da redútase do dihidrofolato dos mamíferos, impedem a síntese de DNA e são també m usadas na

terapêutica de neoplasias.

33

Ao contrário do que acontece no catabolismo das purinas, no catabolismo das pirimidinas há rotura do anel.

O processo envolve uma etapa redutora dependente do NADH.

Os produtos formados são o CO2, o amoníaco (que acaba por dar origem a ureia) e ββββ-aminoácidos que podem ser catabolisados ou

excretados intactos.

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CMPCMPCMPCMP

A ação das cínases de nucleosídeos pirimídicos “salvam” nucleosídeos.

ATP

ADP

UMPUMPUMPUMP TTTTMPMPMPMP

ATP

ADP

PRPP

PPi

Fosforibosil-transférase do uracilo

A fosforibosiltransférase do uracilo pode “salvar” uracilo convertendo-o em UMP.

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Pi

CO2 + glutamina + 2 ATP

Carbamil-aspartato

2 ADP + Pi + glutamato

aspartato

Carbamil-P

Ácido orótico

Q

OMP

PRPP PPi

AMP

ATP

Ribose-5-P

ADP

UMP UDP

CO2

UTP

CTP

glutamina

glutamato

ATP

ADPNMP

NTP

ATP

ATP

ADP

NDP

2’-dCDP e 2’-dUDP

TioredoxinaH2 ou GlutaredoxinaH2

Tioredoxina ou Glutaredoxina

H4-folato

serina

glicina

NADPH

NADP+

Pi

H2O

Pi H2O

Pi

H2O

nucleosídeos

Ribose-1-P

Pi

citosina uracilo

timina

CO2

ββββ-aminoisobutirato

+ NH3

UREIA

QH2 +H2O

2’-dCMP

NH3

H2O

2’-dUDP

2’-dUMP

TMP

N5,N10-metileno-H4-folato

H2-folato

NADPH

NADP+

ADP

ATP

PRPP

PPi

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Bibliografia aconselhada:

Murray, R. K., Granner, D. K., Mayes, P. A. & Rodwell, V. W. (2012) Harper's Illustrated Biochemistry, 29th edn,Lange, New York.

Nelson, D. L. & Cox, M. M. (2013) Lehninger Principles of Biochemistry, sixth edition edn, W. H. Freeman andCompany, New York.

Voet, D. & Voet, J. G. (2004) Biochemistry, 3rd edn, John Wiley and Sons, Inc., New Jersey.

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