Cours 13 Métabolisme des bases azotées et nucléotides 2022 23.pdf

Nucleic Bases COURS 13 acids P Pentose s Métabolisme des bases azotées & nucléotides 1 1. Introduction au métabolisme des bases azot...

Nucleic Bases COURS 13 acids P Pentose s Métabolisme des bases azotées & nucléotides 1 1. Introduction au métabolisme des bases azotées 1.1. Rappel de la structure Biochimie Composés aromatiques cycliques générale Purines Pyrimidines 2 1. Introduction au métabolisme des bases azotées 1.1. Rappel de la structure (2) Biochimie Base générale (deoxy)Ribose (deoxy)Ribose 3 1. Introduction au métabolisme des bases azotées 1.2. Importance des bases azotées dans l’organisme  Information génétique: précurseurs des acides nucléiques: ADN (Acide DeoxyriboNucléique) ARN (Acide RiboNucléique)  Métabolisme énergétique Précurseurs de coenzymes NAD(P)+; FAD; Coenzyme A Précurseurs des molécules ATP, GTP Précurseurs de nucléotides intermédiaires « activés » UDP-Glucose, CDP-Diacyl Glycérol, SAM Régulateurs allostériques d’enzymes du métabolisme (ATP ADP AMP)  Précurseurs de messagers intracellulaires AMPc GMPc (cyclique) 4 1. Introduction au métabolisme des bases azotées 1.3. Vue d’ensemble (1)  Apport alimentaire minimal: Après la digestion et l’utilisation par les cellules épithéliales intestinales des nucléotides ainsi générés, seulement ~5% des acides nucléiques ingérés atteignent la circulation sanguine (sous la forme de bases libres ou nucléosides).  Besoin de synthétiser les purines et pyrimidines de novo  La biosynthèse des bases est très complexe et requiert beaucoup d’énergie (en particulier celle des purines), mais est absolument vitale pour toutes les cellules.  Il existe un système de recyclage des bases  90% des bases purines sont reconverties en nucléosides monophosphate! 5 1. Introduction au métabolisme des bases azotées 1.3. Vue d’ensemble (2)  Voies de biosynthèse des nucléotides différentes Purines: la synthèse débute avec le ribose 5’P puis formation du ring Pyrimidines: la synthèse débute avec la formation du ring puis liaison du ribose 5’P 6 1. Introduction au métabolisme des bases azotées 1.3. Vue d’ensemble (2)  Voies de biosynthèse des nucléotides différentes Purines: la synthèse débute avec le ribose 5’P puis formation du ring Pyrimidines: la synthèse débute avec la formation du ring puis liaison du ribose 5’P  Intermédiaires de biosynthèse des nucléotides différents Pyrimidines: Purines: UMP  Uridine Mono Phosphate IMP  Inosine Mono Phosphate La base est l’uracile la base est l’hypoxanthine 7 2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.1. Vue d’ensemble Ces 3 activités enzymatiques sont présentes  Composants du ring des pyrimidines sur le même polypeptide CAD (carbamoyl-phosphate synthetase 2, Aspartate  C4-C6 + N1 Asp transcarbamoylase, HCO3-  C2 dihydroorotase) NH2 de Gln  N3  Etapes de la synthèse 1. Condensation de NH2 et HCO3- => carbamoyl phosphate (C2 + N3) 2. Condensation de Asp (C4/6 + N1) => carbamoyl aspartate 3. Déhydratation => Formation du Ring : dihydroorotate 4. Oxydation (déhydrogénation) du Ring => orotate 5. Transfert du Ribose 5’P => OMP 6. Décarboxylation => UMP * Chez les mammifères Ces 2 activités enzymatiques sont présentes sur le même polypeptide nommé UMP synthase (orotate phosphoribosyltransferase, orotic acid decarboxylase) 8 2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.2. Formation du carbamoyl phosphate Carbamoyl phosphate synthetase II Point de régulation de la voie de biosynthèse! 9 2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.3. Formation du Ring Ces 2 activités enzymatiques sont présentes sur le même polypeptide CAD Aspartate transcarbamoylase Dihydroorotase N-Carbamoyl Aspartate Aspartate 10 2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.4. Formation de l’UMP Orotate Orotidylate phosphoribosyltransferase decarboxylase Dihydroorotate Dehydrogenase Orotate 11  2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.5. Formation des nucléotides dérivés des pyrimidines (1)  Synthèse de l’UTP Nucléotide Monophosphate UMP > UDP > UTP via nucleoside (mono-di)phosphate kinase 4. Nucleoside phosphate kinase Nucléotide diphosphate 5. Nucleoside Phosphatase diphosphate kinase Nucléotide triphosphate CTP Synthase 12  2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.5. Formation des nucléotides dérivés des pyrimidines (1) CTP Synthetase (2)  Synthèse du CTP UTP > CTP via CTP Synthase (2) Nucléotide Monophosphate Gpt NH2 de Gln 4. Nucleoside phosphate kinase Nucléotide diphosphate 5. Nucleoside Phosphatase diphosphate kinase Nucléotide triphosphate CTP  Synthèse du dCTP Synthase CTP > CDP via phosphatase CDP > dCDP via Ribonucleotide diP reductase (1) 13  2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.5. Formation des nucléotides dérivés des pyrimidines (2) Nucléotide Monophosphate 4. Nucleoside Phosphatase phosphate kinase Nucléotide Synthèse du dTTP diphosphate 5. Nucleoside  UMP > UDP via nucleoside phosphate kinase diphosphate kinase  UDP > dUDP via Ribonucleotide diP reductase (1) Nucléotide triphosphate 14  2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.5. Formation des nucléotides dérivés des pyrimidines (2)  dUDP > dUMP via phosphatase  dUMP > dTMP via Thymidylate synthase (3) Nucléotide Monophosphate 4. Nucleoside Phosphatase phosphate kinase Nucléotide diphosphate 5. Nucleoside diphosphate kinase Nucléotide triphosphate 15  2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.5. Formation des nucléotides dérivés des pyrimidines (2) Nucléotide Monophosphate 4. Nucleoside Phosphatase phosphate kinase Nucléotide diphosphate dTMP > dTDP > dTTP via nucleoside mono-di phosphate kinases 5. Nucleoside diphosphate kinase Nucléotide triphosphate 16 2. Biosynthèse des Pyrimidines et nucléotides 2.6. Régulation de la voie de biosynthèse Carbamoyl phosphate synthetase II (CPSII) Activation allostérique par PRPP (substrat de la voie) Inhibition allostérique par UTP (« end-point product ») Activité enzymatique régulée en fonction du cycle cellulaire Lorsque l’on approche de la phase S, la CPSII devient plus sensible à PRPP (qui l’active) et moins sensible à UTP (qui l’inhibe) En fin de phase S, effet inverse observé (inhibition par UTP plus importante). Régulation par état de phosphorylation de l’enzyme  MAPK (mitogen-activated kinase) phosphoryle CPSII => enzyme + sensible à l’activation  cAMP-dependent kinase phosphoryle CPSII => enzyme + sensible à l’inhibition 17 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.1. Vue d’ensemble Où? Composants du ring des purines  La majeure partie de la synthèse de novo a lieu dans le foie.  Le cerveau et les cellules immunitaires synthétisent aussi des quantités significatives de nucléotides.  Les bases azotées et nucléosides sont transportées dans le sang aux autres tissus.  Synthèse « coûteuse »: au moins 6 ATP requis!  Il existe un système de recyclage Glycine  C4-C5 + N7 Aspartate  N1 Glutamine  N3 N9 HCO3-  C6 Formyl (COH) via FH4  C2 C8 18 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.2. Synthèse du PRPP et du 5-phosphoribosyl 1-amine 1ere étape: synthèse du PRPP 2eme étape: synthèse du 5-phosphoribosyl 1-amine PRPP synthetase Glutamine phosphoribosyl amidotransferase 19 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.3. Synthèse de l’IMP  Etapes de la synthèse 1. Formation du PRPP 2. Addition de N9 (Gln-NH2) 2 3. Addition de C4-C5 N7(Gly) 4. Addition de C8 (formyl) 5. Addition de N3 (Gln-NH2) 3 5 6. Addition de C6 (HCO3-) 4 7. Addition de N1 (Asp-NH2) 8. Addition de C2 (formyl) 9. Formation de l’IMP (IMP non présent dans l’ADN, présent dans les ARNt –anticodon) 6 7 8 9 20 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.4. Synthèse des nucléotides dérivés des purines (1) Synthèse de l’AMP en 2 étapes Adenylosuccinate > NH2 de Asp sur C6 Requiert GTP 21 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.4. Synthèse des nucléotides dérivés des purines (1) Synthèse de l’AMP en 2 étapes Adenylosuccinate > NH2 de Asp sur C6 Requiert GTP Synthèse de GMP en 2 étapes Xanthine (XMP) > NH2 de Gln sur C2 Requiert ATP 22  3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.4. Synthèse des nucléotides dérivés des purines (2) AMP > ADP > ATP Ribonucleotide diP reductase (1) Nucléotide ADP > dADP > dATP Monophosphate 4. Nucleoside GMP > GDP > GTP phosphate kinase Ribonucleotide diP reductase (1) Nucléotide GDP > dGDP > dGTP diphosphate 5. Nucleoside diphosphate kinase Nucléotide triphosphate 23 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.5. Régulation de la voie de biosynthèse Il existe 4 points de régulation de la voie de biosynthèse 1.PRPP synthetase Il existe deux sites allostériques, l’un pour ADP, l’autre pour GDP. La liaison sur les deux sites a Régulation effet inhibiteur synergique. de la synthèse de IMP 2.Gln phosphoribosyl amidotransferase Voie d’engagement dans la biosynthèse des purines! Très fortement inhibée par GMP et AMP Régulation 3/4.IMP dehydrogenase/ Adenylosuccinate synthetase de la synthèse Régulation par feedback négatif (GMP/AMP) De GMP et AMP + Système de régulation positive permettant d’équilibrer les pools de ces précurseurs 24 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.5. Recyclage des purines (1) La plupart des cellules peuvent recycler les bases et nucléosides pour la synthèse d’ADN et ARN. Pour certaines cellules, tels que les lymphocytes, le recyclage est la forme majeure de synthèse des nucléotides. Enzymes majeures impliquées:  Les phospho-ribosyl transferases Base libre > Nucléotide (AMP/IMP/GMP) APRT Adenine phospho-ribosyl transferase HGPRT Hypoxanthine Guanine phospho-ribosyl transferase  Les deaminases AMP > IMP via AMP deaminase Adenosine > Inosine via Adenosine deaminase (ADA)  Les purine nucléoside phosphorylases Nucléoside > Base libre (Inosine et guanosine > Hypoxanthine et guanine) ≠  Adenosine kinase Nucléoside > Nucléotide (Adenosine > AMP) 25 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.5. Recyclage des purines (2) Une partie importante du recyclage a lieu dans le muscle/cerveau: « cycle purine nucleotide » Effet net de ces réactions: Déamination de Asp > Fumarate qui alimente les voies anaplérotiques du cycle de Krebs 26 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.5. Recyclage des purines (3) Importance du recyclage des purines? Une déficience en certaine des enzymes porte à des pathologies sévères.  Déficience en HGPRT Syndrome Lesch-Nyhan (goutte et désordres neurologiques dans les formes plus sévères, auto-lésions)  Déficience en Purine nucléoside phosphorylase Désordre immunitaire cellules LT-dépendant Infections répétées + complications neurologiques  Déficience en ADA Porte au SCID Severe Combined ImmunoDeficiency Avec déficience en cellules LT et LB L’un des premiers tests de thérapie génique! Nature | doi:10.1038/news.2011.500 27 3. Biosynthèse des Purines et nucléotides 3.5. Recyclage des purines (3)  Déficience en ADA Publis hed Online:1 Nov 2017 https :/ / doi.org/ 10.1089/ hum.2017.175 28 4. Biosynthèse des deoxyribonucléotides La Ribonucléotide réductase = nucléoside diP réductase 29 4. Biosynthèse des deoxyribonucléotides La Ribonucléotide réductase = nucléoside diP réductase 5’ 1’ 4’ 3’ 2’ Mécanisme Réduction OH > H sur C2’ Fait intervenir des systèmes Redox Thioredoxine (SH actif) La Thioredoxine reductase régénère la Thioredoxine oxydée via NADPH Régulation Tétramère R1/R2 1 site allostérique contrôle l’activité enzymatique ATP stimule/dATP inhibe 1 site allostérique contrôle la spécificité du substrat (permet d’équilibrer les pools des différents dNTP) 30 5. Voies de dégradation des bases azotées et nucléotides 5.1. Vue d’ensemble (chez l’Homme) Pyrimidines Dégradation en plusieurs composés qui retournent au métabolisme ou qui sont excrétés. Purines  Dégradation en Acide Urique => excrétion sous cette forme (le ring purine reste intact)  Pratiquement tous les mammifères (sauf primates; oiseaux et reptiles) peuvent ultérieurement dégrader l’acide urique en Allantoine (uricase=urate oxidase) 31 5. Voies de dégradation des bases azotées et nucléotides 5.2. Pyrimidines Réduction de la base Hydrolyse de la base Hydrolyse Libérant NH3 et CO2 Dégradation ultérieure Acetate + propionate + (possible) NH3 et CO2 NH3 et CO2 32 5. Voies de dégradation des bases azotées et nucléotides 5.3. Purines (1) Dégradation se produit dans le Foie principalement. Déphosphorylation Déamination  GMP en 3 étapes => Xanthine Enlèvement du Ribose 1P  AMP en 4 étapes => Xanthine La xanthine oxydase produit l’acide urique. Dans les conditions physiologiques, l’urate (forme ionisée) est peu soluble!!! 33 5. Voies de dégradation des bases azotées et nucléotides 5.3. Purines (2) Risque de développer la GOUTTE! Causes: Dépôt d’acide urique au niveau des articulations Altération de l’excrétion rénale (1) => inflammation Augmentation de la formation d’acide urique: Alimentation déséquilibrée (excès de viande!!) (2a) Altération du système de recyclage des purines (HGPRT) (2b) Allopurinol Analogue structural de l’Hypoxanthine Sert de substrat pour la Xanthine oxydase ⇒ Synthèse de Alloxanthine qui reste liée à l’enzyme  « inhibiteur suicide » La Xanthine et Hypoxanthine peuvent être recyclées et la [acide urique] diminue. 34 6. Interférence avec le métabolisme des bases azotées et nucléotides: les drogues cytostatiques Objectif Inhiber la croissance cellulaire en utilisant des drogues interférant directement ou indirectement avec la réplication de l’ADN ou avec la synthèse des précurseurs. Cibles & drogues Voies Voies dTMP-dépendantes IMP-dépendantes 5-Fluorouracile (5-FU) 6-mercaptopurine Methotrexate Ribonucléotide Reductase NDP > dNDP Hydroxyurée 35 6. Interférence avec le métabolisme des bases azotées et nucléotides: les drogues cytostatiques Voies IMP-dépendantes 6-mercaptopurine Thiopurine Phospho Le tIMP (thio IMP) porte à la formation de methyltransferase ribosyltransferase tdGDP qui incorporé à l’ADN altère sa structure (crosslinks) Le S-Methyl-tIMP est un inhibiteur de l’Amidophosphoribosyl transferase 36 6. Interférence avec le métabolisme des bases azotées et nucléotides: les drogues cytostatiques Ribonucléotide Réductase Hydroxyurée L’hydroxyurée élimine les sites réactifs de Tyrosine radical indispensables à l’activité enzymatique 37 6. Interférence avec le métabolisme des bases azotées et nucléotides: les drogues cytostatiques Voies dTMP-dépendantes 5-Fluorouracile & Methotrexate Methotrexate: analogue de l’acide folique qui va inhiber la dihydrofolate reductase portant à la déplétion en N5N10-methylène FH4 dans la cellule 5FU: inhibiteur compétitif de la thymidylate synthase + incorporation dans l’ADN délétère 38  EXERCICES COURS 13 Question 1 Quelles sont les similitudes concernant les Carbamoyl phosphate synthetases CPSI et CPSII? A. La source de carbone B. La localisation cellulaire C. La source d’azote D. La régulation par le N-acetylGlutamate E. La régulation par l’UMP 39  EXERCICES COURS 13 Question 2 Une déficience en l’une de ces activités enzymatiques peut porter au développement de la goutte. Laquelle? A. Glutamine phosphoribosylamidotransferase B. HGPRT C. Glucose 6 phosphate dehydrogenase D. PRPP synthetase E. Purine nucleoside phosphorylase 40  EXERCICES COURS 13 Question 3 L’allopurinol peut être utilisé pour traiter la goutte. Laquelle de ces réactions est inhibée? A. AMP > XMP B. Xanthine > uric acid C. Inosine > hypoxanthine D. IMP > XMP E. XMP > GMP 41  EXERCICES COURS 13 Question 4 Laquelle de ces affirmations est correcte concernant le métabolisme des bases puriques et pyrimidiques ? A. La degradation des pyrimidines produit de l’acide urique. B. Un excès de degradation de pyrimidines peut porter au développement de la goutte. C. Les Purines ne peuvent être dégradées pour générer de l’énergie. D. Les purines sont dégradées en CO2 et eau. E. Un excès d’urée peut porter au développement de la goutte. 42  EXERCICES COURS 13 Question 5 L’Allopurinol est utilisé pour le traitement de la goutte. La molécule est un inhibiteur suicide qui porte à la reduction de la quantité d’acide urique produite. A la place de l’acide urique, lequel de ces composés tend à s’accumuler en présence de cette drogue? A. Hypoxanthine B. Ribose 1-phosphate C. IMP D. Guanine E. E. Adenine 43