I Nyoman Suarsana 1

Metabolisme Asam Nukleat

I Nyoman Suarsana

LABORATORIUM BIOKIMIAFAKULTAS KEDOKTERAN HEWAN

2011

Metabolisme Asam Nukleat

Bab ini akan membicarakan– Proses Pencernaan– Katabolisme– Biosintesis– Kepentingan Biomedis

Nukleotida purin danpirimidin

Nucleotides (purin dan pirimidin) unsur yg non esensialsecara diet– Artinya: Manusia dan vertebrata lainnya dapat mensintesis

nukleotida secara denovo (dari senyawa intermedietamfibolik), meskipun tidak mengkonsumsi asam nukleat

Nucleotides, Fungsi:– Penting untuk semua cells– Komponen cofaktor koenzim

• CoA; FAD; NAD; NADP– Pembawa energi kimia (Energy Carriers): ATP– Precursor sintesis DNA– Precursor sintesis RNA

Review struktur nukleotida

Gula Ribose – Ribose – Deoxyribose

Basa– Purines– Pyrimidines

Nucleosida– Base plus sugar

Nucleotida– E.g., AMP, ADP, ATP

NomenclatureDNA Purine Bases– Adenine– Guanine

Purine Nucleosides– Adenosine – Guanosine

DNA Nucleotides (Purine)– dAMP (deoxyadenylate)– dGMP (deoxyguanylate)

RNA Nucleotides (Purine)– Adenylate (AMP)– Guanylate (GMP)

Nomenclature ContinuedDNA Pyrimidine Bases– Thymine– Cytosine (Also RNA)

DNA Pyrimidine Nucelosides– Thymidine– Cytidine

DNA Pyrimidine Nucleotides– (dTMP) deoxythymidylate– (dCMP) deoxycytidylate

RNA Pyrimidine Nucleotides– (CMP) cytidylate– (UMP) uridylate

I Nyoman Suarsana 2

Hampir semua organisme mampu mensintesisnukleotida dari prekursor yang lebih sederhana

jalur de novoNukleotida juga dapat disintesis dari hasilpemecahan nukleotida yang telah adasalvage pathway (recycle=kembali digunakan) yaitu dari degradasi pirimidin dan purin

Salivary gland

Commondbile duct

Mouth TongueSublingualsalivary

Ekskresi Urin

Nukleoprotein

Asam nukleat Protein

Nukleotida

NukleosidaFosfat

Base Ribose

Nuklease (ribonuklease, deoksiribonuklease)

Nukleotidase dan fosfatase

Nukleosidase

Purin(Asamurat)

pirimidin

Pencernaan

Degradasi nukleotida

Asam nukleat dalam usus halus terjadi pemutusan ikatanfosfodiester oleh endonuklease (pankreas) oligonukleotidaDipecah lebih lanjut dengan fosfodiesterase (enzimexonuclease non spesifik) mononukleotidaDipecah lebih lanjut fosfomonoesterase dikenal sebagainukleotidase menghasilkan nukleosida dan fosfatDengan nukleosida fosforilase menghasilkan basadan ribose-1-fosfat

Jika basa atau nukleosida tidak digunakan, diserap kembali untuk salvage pathways, basaakan lebih lanjut didegradasi:

asam urat ureidopropionat(purin) (pyrimidine)

Biosintesis nukleotida

Ada 2 jalur metabolisme nukleotida1. De novo sintesis: sintesis nukleotida dimulai

dengan prekursor metaboliknya: asam amino, ribosa-5-fosfat, CO2, dan unit satu karbon.

2. Salvage pathways: sintesis nukleotida dengandaur ulang dari basa bebas atau nukleosida ygdilepaskan dari pemecahan asam nukleat.

SINTESIS NUKLEOTIDA PURIN( De Novo Sintesis)

Tempatnya: sitosol hati, usus halus, timusKarakterisitiknya

1. Purin disintesis menggunakan Ribosa 5-fosfatsebagai substrat awal (step by step)

2. Pembentukan PRPP (fosforibosil difosfat)dimana R-5-P sebagai donor aktif

3. Pembentukan IMP (inosin monofosfat)4. Pembentukan AMP dan GMP dari IMP

AMP:adenosin monofosfat; GMP: guanosin monofosfat

I Nyoman Suarsana 3

PRPP: fosforibosil firofosfat

1. Sumber basa purinUtilizes (Substrates)– Glycine (gly)– Glutamine (gln)– ATP– Folate– Aspartate– CO2

N

CN

C

CC

N

C

N

CO2

One carbon unit

Gln

Gly

Asp

12

345 7

89

6One carbon unit

2.3. Sintesis IMP (inosin monofosfat)

HN

N

N

N

R-5-P PRPPATP AMP

PRPPkinase

Gln Glu

amidotransferase5-phospho-

ribosylamine(PRA)

9 stepsO

R- 5'-P

( IMP )inosine 5-monophosphate

3.

Gambar 1. Lintasan biosintesis purin de novo dari ribosa 5-P dan ATP

I Nyoman Suarsana 4

4. Sintesis AMP and GMP

Hal-hal penting dalam sintesis de novo purin1. Sangat tergantung pada pool ribosa2. Gugus amina didonor oleh glutamin

dengan enzim amidotransferase3. GLisin dan fumarat donor cincin nukleotida4. Daur reaksi dikontrol secara alosterik

dengan AMP, ADP, GMP dan GDP Bekerja pada PRPP aminotranferase

R-5-P

ATPPRPP PRA IMP

AMPS

XMP

AMP

GMP

ADP

GDP GTP

ATP

Regulasi sintesis de novo nukleotida purin

Salvage pathway

Pentingnya salvage pathway :

1. Simpanan bahan bakar (Save the fuel)2. Beberapa jaringan dan organ, seperti

otak dan sumsum tulang hanya mampumensintesis nukleotida melaluisalvage pathway

Mekanisme salvage pathway :

Hypoxanthine

IMP

HGPRT

PRPP

PPi

Guanine

GMP

PPi

APRT

PRPPAdenine

AMP

Hypoxanthine

IMP

HGPRT

PRPP

PPi

Hypoxanthine

IMP

HGPRT

PRPP

PPi

Guanine

GMP

PPi

Guanine

GMP

PPi

APRT

PRPPAdenine

AMP

APRT

PRPPAdenine

AMP

Adenine

AMP

adenosine AMP

ATP ADP

adenylate kinase

HGPRT: Hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase

APRT: Adenine phosphoribosyl transferase

I Nyoman Suarsana 5

PYRIMIDINE SYNTHESIS

De novo synthesis, ciri-ciri:1. Sebagian besar enzim terletak pada sitosol,

tetapi beberapa enzim ada di mitokondria.2. Carbamoyl phosphate synthetase (CPS) II3. Pertama-tama disintesis cincin pirimidin,

kemudian menggabungkan dengan PRPP 4. Sintesis UMP, kemudian UMP digunakan

untuk sintesis nukleotida pirimidin lainnya

1. Elemen sumber basa pirimidin

N

CN

C

CC

12

34

5

6Asp

CO2

Gln

Gln: glutamin; Asp=aspartat

2. Sintesis UMP

UMP: uridine monofosfat

Carbamoyl phosphate synthetase ¢ò

2ATP 2ADP+Pi

+ GluGln HCO3-+

(CPS-II)Carbamoyl phosphate

C OPO3H2

H2N

O

HN

N

O

O

HN

N

O

O COOH

HN

NH

O

O COOH

HN

CNH

C

CH2CO

O COOHH

NH2

CNH

C

CH2CO

O COOHH

HONH2

C

H2NC

CH2COO

COOHH

HO

O Pcarbamoylphosphate carbamoyl

aspartate

H2O

dihydroorotase

dihydroorotateNAD+

NADH+H+

orotic acid

PRPPPPi

orotidinemonophosphate £¨OMP£©

CO2

OMP decarboxylase

UMP

Pi

R-5'-P

orotatephosphoribosyl transferase

R-5'-P

Aspartatetranscarbamoylase

Aspdihydroorotatedehydrogenase

UTPUTP

pyrimidinesynthesis

urea synthesisfunction

Glutamin (Gln)NH3 (amonia)source of nitrogen

Cytosol (all the cell)

Mitokond（liver)location

CPSⅡCPSⅠ

Difference of carbamoyl phosphatesynthetase (CPS) Ⅰand Ⅱ 3. Sintesis CTP (citosin trifosfat)

Amidasi ditingkat nucleoside triphosphate

UTP CTP

Gln + ATPGlu + ADP + Pi

CTP synthetase

N

N

NH2

O

R 5' PPP

HN

N

O

O

R 5' PPP

I Nyoman Suarsana 6

4. Regulation of de novo synthesisPyrimidine

carbamoyl phosphate

carbamoyl aspartate

UMP

ATP + CO2 + Gln

PRPP

UTP CTP

ATP + R-5-P

purine nucleotide

pyrimidine nucleotideGln: glutamine

Salvage pathwaySintesis pirimidin

+ ATP

+ ATP

+ ATP

UMPCMP

dTMP + ADP

dCMP + ADP

uridinecytidine

deoxythymidine

deoxycytidine

thymidine kinase

deoxycytidine kinase

uridine-cytidine kinase+ ADP

+ PRPP + PPiuracilthymineorotic acid

pyrimidine phosphate ribosyltransferase UMP

dTMPOMP

nucleotide

nucleotidaseH2O

Pi

nucleosidenucleoside

phosphorylase

Pi R-1-P

purine

R-5-PPRPP

pentose phosphate pathway

salvage pathway

oxidationuric acid

CATABOLISM OF PURINE NUCLEOTIDES

I Nyoman Suarsana 7

N

HCN

C

CC

N

CH

N

NH2

Ribose-P

AMP

HN

HCN

C

CC

N

CH

N

O

Ribose-PIMP

HN

HCN

C

CC

NH

CH

N

O

HN

CNH

C

CC

NH

CH

N

O

O

HN

CNH

C

CC

NH

C

N

O

O

O

GMP

Hypoxanthine

Uric Acid Xanthine

Xanthine Oxidase

Purine Catabolism

FIGURE 22–45 Catabolism of purinenucleotides. Note that primates excrete much more nitrogen as urea via the urea cycle (Chapter 18) than as uric acid from purine degradation. Similarly, fish excrete much more nitrogen as NH4 than as urea produced by the pathway shown here.

Asam urat merupakan produk akhir katabolismepurin diekskresikan pada primata, burung, danbeberapa hewan lainnya.Tingkat ekskresi asam urat oleh manusiadewasa normal adalah sekitar 0,6 g/24 jam, timbul sebagian dari purin yang diingesti dansebagian dari “turnover” nukleotida purin dariasam nukleat

Penyakit gout, adalah penyakit sendi, biasanya padalaki-laki, disebabkan oleh peningkatan konsentrasiasam urat dalam darah dan jaringan. Gejala: Sendi menjadi meradang, menyakitkan, danrematik, karena pengendapan abnormal kristal natriumurat. Ginjal juga terpengaruh, karena kelebihan asam uratdiendapkan di tubulus ginjal

I Nyoman Suarsana 8

CATABOLISM NUCLEOTIDE PYRIMIDINE

Degradasi metabolit pyrimidineUMP, CMP, TMPProduk akhir acetyl-CoA dan Propionyl-CoAKomponen gula ribosa dapat dikonversi menjadiribosa-5-fosfat yang merupakan substrat untukPRPP sintetaseKomponen gula ribosa lebih lanjut dikatabolismedalam HMP pathway (hexosamonofosfat)

Jalur Katabolisme pirimidin

FIGURE 22–46 Catabolism of a pyrimidine. Shown here is the pathway for thymine. The methylmalonylsemialdehyde is further degraded to succinyl-CoA.

Regulasi metabolisme Nukleotida

Pyrimidine Regulation– Tahap regulasi pertama adalah Carbamoyl

Phosphate melalui Carbamoyl Phosphate Synthetase II

Purine Regulation

Summary Biosynthesis And Degradation Of Nucleotides

1. The purine ring system is built up step-by-step beginning with 5-phosphoribosylamine. The amino acids glutamine, glycine, and aspartate furnish all the nitrogen atoms of purines. Two ring-closure steps form the purine nucleus.

2. Pyrimidines are synthesized from carbamoyl phosphate and aspartate, and ribose 5-phosphate is then attached to yield the pyrimidine ribonucleotides.

3. Nucleoside monophosphates are converted to their triphosphates by enzymatic phosphorylationreactions. Ribonucleotides are converted to deoxyribonucleotides by ribonucleotide reductase, an enzyme with novel mechanistic and regulatory characteristics. The thymine nucleotides are derived from dCDP and dUMP.

4. Uric acid and urea are the end products of purine and pyrimidine degradation.5. Free purines can be salvaged and rebuilt into nucleotides. Genetic deficiencies in

certain salvage enzymes cause serious disorders such as Lesch-Nyhan syndrome and ADA deficiency.

6. Accumulation of uric acid crystals in the joints, possibly caused by another genetic deficiency, results in gout.

7. Enzymes of the nucleotide biosynthetic pathways are targets for an array of chemotherapeutic agents used to treat cancer and other diseases.