Pyrimidinbiosynthese

Synonyme: De-novo-Pyrimidinsynthese, Pyrimidinnukleotidsynthese
Englisch: pyrimidine biosynthesis

1 Definition

Die Pyrimidinbiosynthese ist ein Stoffwechselweg, der die Biosynthese des Pyrimidinrings der Basen Uracil, Thymin und Cytosin und ihrer Derivate ermöglicht.

2 Hintergrund

Bei der Pyrimidinbiosynthese wird, im Gegensatz zur Purinbiosynthese, zuerst der Ring synthetisiert und erst anschließend der Ring mit der Ribose verbunden. Der Pyrimidinring wird zusammengesetzt aus:

• Ammoniak (aus Glutamin),
• Hydrogencarbonat (HCO₃^-) und
• Aspartat.

Um die Synthese des Rings zu ermöglichen, ist das multifunktionelle Enzym CAD notwendig. Dieses besteht aus folgenden Komponenten:

• Glutamin-abhängige Carbamoylphosphat-Synthetase 2 (CPS 2)
• Aspartat-Carbamoyltransferase
• Dihydroorotase

3 Überblick

Die ersten drei Reaktionsschritte werden durch die zytoplastmatische Carbamoylphosphat-Synthetase 2 (CSP 2) katalysiert. Dieses Enzym besitzt drei katalytische Zentren, die eng zusammenarbeiten:

1. Zentrum, Glutaminhydrolyse: Hier wird das Glutamin zu Glutamat und Ammoniak hydrolysiert.
2. Zentrum, Hydrogencarbonatphosphorylierung: Hier wird das Hydrogencarbonat (HCO₃^-) unter ATP-Verbrauch zu Carboxyphosphat (HOCO₂-PO₃^2-) phosphoryliert. Das entstandene Carboxyphosphat reagiert unverzüglich mit Ammoniak zu Phosphat und Carbaminsäure.
3. Zentrum, Carbaminsäurephosphorylierung: Hier wird Carbaminsäure unter ATP-Verbrauch zu Carbamoylphosphat phosphoryliert.

Die zyklomatische Carbamoylphosphat-Synthetase 2 unterliegt einer allosterischen Endprodukthemmung, erreicht durch UTP. Aktiviert wird die CPS 2 durch PRPP (5-Phosphoribosyl-1-pyrophosphat). Wird das Enzym jedoch MAP-Kinase-abhängig phosphoryliert, reagiert es verstärkt auf die Stimulierung und verliert somit die Rückkopplungshemmung durch UTP. Außerdem ist die Pyrimidinsynthese mit dem Zellwachstum gekoppelt, da der MAP-Kinase-Signalweg die Zelle zur Proliferation bringt.

Cave: CPS 2 darf nicht mit der mitochondrialen Carbamoylphosphat-Synthetase 1 (CPS 1) verwechselt werden. Die CPS 1 ist nämlich ein Bestandteil des Harnstoffzyklus und benutzt Ammoniak als Substrat. Die CPS 2 hingegen setzt Ammoniak aus Glutamin frei.

In den darauffolgenden zwei Reaktionsschritten wird der komplette heterozyklische Ring gebildet:

• Aufgrund einer Katalyse der Aspartat-Carbamoyltransferase ensteht aus Aspartat und Carbamoylphosphat unter Phosphatfreisetzung Carbamoylaspartat.
• Das Carbamoylaspartat zyklisiert unter der Katalyse von Dihydroorotase zu Dihydroorotat.

4 Reaktionsschritte

Die Synthese der Pyrimidinnukleotide erfolgt im Zuge von 6 Reaktionsschritten. Als Endprodukt sollte das Uridin-5'-monophosphat (UMP) entstehen. Die Teilschritte sind wie folgt:

1. Glutamin + H₂O + HCO₃^- + 2 ATP → Carbamoylphosphat
   Enzym: Carbamoylphosphat-Synthetase 2 (Glutamat + 2 ADP + P_i gehen)
2. Carbamoylphosphat → N-Carbamoylaspartat
   Enzym: Aspartat-Carbamoyltransferase (Aspartat kommt, P_i geht)
3. N-Carbamoylaspartat → Dihydroorotat
   Enzym: Dihydroorotase (H₂O geht)
4. Dihydroorotat → Orotat
   Enzym: Dihydroorotat-Dehydrogenase (Ubichinon kommt, Ubichinol geht)
5. Orotat → Orotin-5'-monophosphat (OMP, Orotidylat)
   Enzym: Orotat-Phosporibosyltransferase (PRPP kommt, PP_i geht)
6. Orotin-5'-monophosphat → Uridin-5'monophosphat (UMP)
   Enzym: Orotidylat-Decarboxylase (CO₂ geht)

5 Anschlussreaktion

Mit dem sechsten und somit letzten Reaktionsschritt ist die Arbeit des multifunktionellen CAD beendet. Die weitere Synthese wird durch die Ubichinon-abhängige Dihydroorotat-Dehydrogenase fortgesetzt:

• Dihydroorotat + Ubichinon → Orotat + Ubichinol

Im Gegensatz zu allen anderen (an der Pyrimidinnukleotidsynthese) beteiligten Enzymen (die im Zytoplasma liegen), ist die Dihydroorotat-Dehydrogenase im Inneren der Mitochondrienmembran lokalisiert. Es ist zu erwähnen, dass die Elektronen, die im Zuge dieser Reaktion über FMN auf Ubichinon übertragen werden, direkt vom Komplex III der Atmungskette übernommen werden und so zur oxidativen Phosphorylierung beitragen.

Unter der Verwendung von PRPP wird das erste Pyrimidinnukleotid gebildet: Orotidin-5'-monophosphat (OMP, Orotidylat). Das dabei freigesetzte Pyrophosphat hydrolysiert zu zwei Phosphaten, was wiederum die Reaktion in Richtung OMP weitertreibt. Eine anschließende Decarboxylierung lässt Uridin-5'-monophosphat (UMP) entstehen. Außerdem können UDP und UTP aus UMP durch Phosphorylierung gebildet werden.

Das Cytidin-5'-triphosphat (CTP) entsteht letztlich durch Aminierung aus UTP: Das in der 4. Position angebrachte Sauerstoffatom (O4) wird unter dem Verbrauch von ATP zu einem reaktiven Zwischenprodukt phosphoryliert. Anschließend wird die Phosphatgruppe durch Ammoniak ersetzt, das vorab hydrolytisch aus Glutamin freigesetzt wurde:

• UTP + Gln + H₂O + ATP → CTP + Glu + ADP + Phosphat

CTP-Synthetase wird einerseits durch CTP gehemmt, andererseits durch GTP allosterisch aktiviert. Diese Aktivierung ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Pyrimidinen und Purinen vorliegt.

6 Pyrimidinnukleotidabbau

Anders als beim Purinabbau, führt der Abbau der Pyrimidinnukleotide zu Produkten, die der menschliche Organismus leichter verwerten kann. So entstehen aus CMP, UMP und dTMP durch Dephosphorylierung, Desaminierung und phosphorolytische Spaltung der glykosidischen Bindung Uracil und Thymin. Eine anschließende Reduktion und hydrolytische Ringspaltung lassen β-Alanin und β-Aminoisobutyrat entstehen. Eine endgültige Transaminierung, Oxidation mit NAD⁺ und Aktivierung mündet in die Endprodukte Malonyl-CoA und Methylmalonyl-CoA.

7 Literatur

• "Duale Reihe Biochemie" - Joachim Rassow et. al., Thieme-Verlag, 3. Auflage