Metabolisme purina

Metabolisme purina merujuk kepada laluan metabolisme untuk mensintesis dan memecahkan purina yang terdapat dalam banyak organisma.

Purin disintesis secara biologi sebagai nukleotida dan khususnya sebagai ribotida, iaitu bes yang melekat pada ribosa 5-fosfat. Kedua-dua adenina dan guanina berasal daripada nukleotida inosina monofosfat (IMP), sebatian pertama dalam laluan yang mempunyai sistem cincin purina yang terbentuk sepenuhnya.

Inosina monofosfat disintesis pada ribosa-fosfat sedia ada melalui laluan kompleks (seperti yang ditunjukkan dalam rajah di sebelah kanan). Sumber atom karbon dan nitrogen cincin purina, masing-masing 5 dan 4, datang daripada pelbagai sumber. Glisina asid amino menyumbang semua atom karbon (2) dan nitrogen (1), dengan atom nitrogen tambahan daripada glutamina (2) dan asid aspartik (1), dan atom karbon tambahan daripada kumpulan formil (2), yang dipindahkan daripada koenzim tetrahidrofolat sebagai 10-formiltetrahidrofolat, dan atom karbon daripada bikarbonat (1). Kumpulan formil membina karbon-2 dan karbon-8 dalam sistem cincin purin, yang bertindak sebagai jambatan antara dua atom nitrogen.

Langkah pengawalseliaan utama ialah penghasilan 5-fosfo-α-D-ribosil 1-pirofosfat (PRPP) oleh ribosa fosfat pirofosfokinase yang diaktifkan oleh fosfat bukan organik dan dinyahaktifkan oleh ribonukleotida purina. Ia bukan langkah komited untuk sintesis purin kerana PRPP juga digunakan dalam sintesis pirimidina dan laluan pemerolehan semula.

Langkah komited pertama ialah tindak balas PRPP, glutamina dan air menjadi 5'-fosforibosilamina (PRA), glutamat dan pirofosfat - dimangkin oleh amidofosforibosiltransferase yang diaktifkan oleh PRPP dan dihalang oleh AMP, GMP dan IMP.

PRPP + L-Glutamina + H₂O → PRA + L-Glutamat + PPi

Dalam langkah kedua bertindak balas PRA, glisina dan ATP untuk menghasilkan GAR, ADP, dan pirofosfat - dimangkin oleh fosforibosilamina-glisina ligase (GAR sintetase). Disebabkan oleh labiliti kimia PRA yang mempunyai separuh hayat 38 saat pada PH 7.5 dan 37 °C, penyelidik telah mencadangkan bahawa sebatian itu disalurkan daripada amidofosforibosiltransferase kepada GAR sintetase in vivo.^[1]

PRA + Glisina + ATP → GAR + ADP + Pi

Tindak balas ketiga dimangkinkan oleh fosforibosilglisinamida formiltransferase.

GAR + fTHF → fGAR + THF

Tindak balas seterusnya dimangkinkan oleh fosforibosilformilglisinamidina sintase.

fGAR + L-Glutamina + ATP → fGAM + L-Glutamat + ADP + Pi

Tindak balas kelima dimangkinkan oleh AIR sintetase (FGAM siklase).

fGAM + ATP → AIR + ADP + Pi + H ₂ O

Seterusnya, langkah keenam dimangkinkan oleh fosforibosilaminoimidazola karboksilase.

AIR + CO₂ → CAIR + 2H+

Tindak balas ketujuh dimangkinkan oleh fosforibosilaminoimidazolasuksinokarboksamida sintase.

CAIR + L-Aspartat + ATP → SAICAR + ADP + Pi

Kemdian, tindak balas kelapan ini dimangkinkan oleh adenilosuksinat liase.

SAICAR → AICAR + Fumarat

AICAR dan fumarat bergerak ke dua laluan berbeza. AICAR berfungsi sebagai bahan tindak balas dalam langkah kesembilan, manakala fumarat diangkut ke kitaran asid sitrik yang kemudiannya boleh melangkau langkah evolusi karbon dioksida untuk menghasilkan malat. Penukaran fumarat kepada malat dimangkinkan oleh fumarase. Dengan cara ini, fumarat menghubungkan sintesis purina kepada kitaran asid sitrik.^[2]

Langkah kesembilan dimangkinkan oleh fosforibosilaminoimidazolakarboksamida formiltransferase.

AICAR + fTHF → FAICAR + THF

Langkah terakhir dimangkinkan oleh inosina monofosfat sintase.

FAICAR → IMP + H₂O

Dalam eukariot, langkah kedua, ketiga, dan kelima dimangkinkan oleh adenosina protein biosintetik purina trifungsi 3, yang dikodkan oleh gen GART.

Kedua-dua langkah kesembilan dan kesepuluh dicapai oleh protein tunggal yang dinamakan protein biosintesis purina dwifungsi, PURH, yang dikodkan oleh gen ATIC.

• IMP dehidrogenase (IMPDH) menukarkan IMP kepada XMP
• GMP sintase menukar XMP kepada GMP
• GMP reduktase menukar GMP kembali kepada IMP

• adenilosuskinat sintase menukarkan IMP kepada adenilosuskinat
• adenilosuskinat liase menukarkan adenilosuskinat kepada AMP
• AMP deaminase menukarkan AMP kembali kepada IMP

Purin dimetabolismekan oleh beberapa enzim:

• Nuklease membebaskan nukleotida
• Nukleotidase menghasilkan guanosin
• Fosforilase nukleosida purin menukarkan guanosina kepada guanina
• Guanase menukar guanine kepada xantina
• Xanthine oxidase (suatu bentuk xantina oksidoreduktase) memangkinkan pengoksidaan xantina kepada asid urik

• Nuklease membebaskan nukleotida
  • Nukleotidase menghasilkan adenosin, kemudian adenosina deaminase menghasilkan inosin
  • Sebagai alternatif, AMP deaminase mencipta asid inosinik, kemudian nukleotidase mencipta inosin
• Fosforilase nukleosida purin bertindak ke atas inosina untuk menghasilkan hipoxantina
• Xantina oksidase memangkinkan biotransformasi hipoxantina kepada xantina
• Xantina oksidase bertindak ke atas xantina untuk menghasilkan asid urik

Pembentukan 5'-fosforibosilamina daripada glutamina dan PRPP yang dimangkin oleh PRPP amino transferase adalah titik utama pengawalaturan dalam sintesis purina. Enzim terlibat ialha enzim alosterik. Maka, IMP, GMP dan AMP dalam kepekatan tinggi dapat mengikat enzim untuk merencat enzim manakala PRPP dalam jumlah besar mengikat enzim dalam pengaktifan enzim. Di antara pembentukan 5'-fosforibosil, aminoimidazola dan IMP, tiada langkah pengawalaturan yang diketahui.

Purin daripada perolehan asid nukleik selular (atau daripada makanan) juga boleh "diselamatkan" dan digunakan semula dalam nukleotida baharu.

• Enzim adenina fosforibosiltransferase (APRT) menyelamatkan adenine .
• Enzim hipoxantina-guanina fosforibosiltransferase (HGPRT) menyelamatkan guanina dan hipoxantina.^[3] (Kekurangan genetik HGPRT menyebabkan sindrom Lesch–Nyhan.)

Apabila gen yang rosak menyebabkan lompong muncul dalam proses kitar semula metabolisme purina dan pirimidina, bahan kimia ini tidak dimetabolismekan dengan betul, dan orang dewasa atau kanak-kanak boleh mengalami mana-mana satu daripada dua puluh lapan gangguan keturunan, mungkin beberapa lagi yang belum diketahui. Gejala boleh termasuk gout, anemia, epilepsi, perkembangan yang lambat, pekak, menggigit diri secara kompulsif, kegagalan buah pinggang atau batu, atau kehilangan imuniti.

Metabolisme purina boleh mempunyai ketidakseimbangan yang boleh timbul daripada trifosfat nukleotida berbahaya yang digabungkan ke dalam DNA dan RNA yang seterusnya membawa kepada gangguan genetik dan mutasi, dan akibatnya, menimbulkan beberapa jenis penyakit. Beberapa penyakit tersebut ialah:

1. Pelemahan imun yang teruk akibat kehilangan adenosina deaminase.
2. Hiperurisemia dan sindrom Lesch-Nyhan oleh kehilangan hipoxantina-guanina fosforibosiltransferase.
3. Pelbagai jenis kanser akibat peningkatan dalam aktiviti enzim seperti IMP dehidrogenase.^[4]

Modulasi metabolisme purin mempunyai nilai farmakoterapeutik.

Perencat sintesis purina menghalang pembiakan sel, terutamanya leukosit. Perencat ini termasuk azatioprina, imunosupresan yang digunakan dalam pemindahan organ, penyakit autoimun seperti artritis reumatoid atau penyakit radang usus seperti penyakit Crohn dan kolitis ulseratif.

Mikofenolat mofetil ialah ubat imunosupresan yang digunakan untuk mencegah penolakan dalam pemindahan organ; ia menghalang sintesis purin dengan menyekat inosina monofosfat dehidrogenase (IMPDH).^[5] Metotreksat juga secara tidak langsung menghalang sintesis purin dengan menyekat metabolisme asid folik selaku perencat dihidrofolat reduktase).

Alopurinol adalah ubat yang menghalang enzim xantina oksidoreduktase, dan, dengan itu, menurunkan tahap asid urik dalam badan. Ini mungkin berguna dalam rawatan gout, iaitu penyakit yang disebabkan oleh asid urik berlebihan, membentuk kristal di sendi.

Untuk memahami bagaimana munculnya kehidupan, pengetahuan diperlukan tentang laluan kimia yang membenarkan pembentukan blok binaan utama kehidupan di bawah keadaan prebiotik yang munasabah. Nam et al.^[6] menunjukkan pemeluwapan langsung nukleobes purina dan pirimidina dengan ribosa untuk memberikan ribonukleosida dalam mikrotitisan akueus, satu langkah penting yang membawa kepada pembentukan RNA. Juga, proses prebiotik yang munasabah untuk mensintesis ribonukleosida purin telah dibentangkan oleh Becker et al.^[7]

Organisma dalam ketiga-tiga domain kehidupan, eukariot, bakteria dan arkea, mampu menjalankan biosintesis de novo purina. Keupayaan ini mencerminkan keperluan purina untuk kehidupan. Laluan biokimia sintesis sangat serupa dalam eukariota dan spesies bakteria, tetapi lebih berubah-ubah dalam kalangan spesies arkea.^[8] Satu set gen yang hampir lengkap, atau lengkap, yang diperlukan untuk biosintesis purin telah ditentukan untuk hadir dalam 58 daripada 65 spesies arkea yang dikaji.^[8] Walau bagaimanapun, turut dikenal pasti ialah tujuh spesies arkea dengan gen pengekodan purina tiada sepenuhnya atau hampir keseluruhannya. Rupa-rupanya, spesies arkea yang tidak dapat mensintesis purin dapat memperoleh purina dari luar (eksogen) untuk pertumbuhan,^[8] dan oleh itu serupa dengan mutan purina eukariota, contohnya mutan purin kulat Ascomycete Neurospora crassa,^[9] yang juga memerlukan purina eksogen untuk pertumbuhan.