METABOLISME DES BASES PURIQUES ET PYRIMIDIQUES Généralités I. Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques 1) Synthèse du carbamyl P 2) Aspartate transcarbamylase 3) Dihydroorotase 4) Dihydroorotique déshydrogénase 5) Formation du nucléotide 6) Origine du noyau pyrimidique II. Catabolisme des bases pyrimidiques III. Biosynthèse des nucléotides puriques 1) Synthèse de l’IMP 2) De l’IMP à l’AMP et – 3) au GMP 4) Régulations 5) Recyclage des bases IV. Catabolisme des bases puriques 1) Catabolisme des acides nucléiques 2) Catabolisme des nucléotides puriques V. Intérêt en pathologie 1) les maladies goutteuses 2) les hypo-uricémies

METABOSLISME DES BASES PURIQUES ET PYRIMIDIQUES Généralités Bases Pyr = Uracile, Thymine (ADN), Cytosine Bases Pur = Adenine, Guanine Nucléoside (thymidine, adénosine, guanosine, cytosine) = Base + ribose (RNA) Base + désoxyribose (ADN) Processus ubiquitaires et cytoplasmiques vitaux conduisant aux DNA, RNA, ATP, AMPc,... Equilibre quantitatif global entre les deux familles mais les bases puriques sont recyclées synthèse des Pyr >> synthèse des Pur

Composants élémentaires des Ac. Nucléiques

Nomenclature A.N.

A. Nucléosides B. Nucléotides NH2 N N O O O N N O - P O - P O - P O CH3 N N N HN N HN HN N N H2N N N 9 O N 1 O 9 N 1 O N 1 HOCH2 HOCH2 liaison N-b osidique O O HOCH2 HOCH2 O O HOCH2 O 1’ 1’ 1’ 1’ 1’ Adénosine = A Guanosine = G Cytidine = C Uridine = U désoxythymidine = dT B. Nucléotides O CH3 NH2 HN liaison ester N liaisons anhydride d’acide N O O N 5’ liaison ester O - P O CH2 O O O O N N O O - P O - P O - P O CH2 désoxythymidine 5’-monophosphate = dTMP O O O O ‘ liaison phosphodiester 5 O CH2 Adénine Adénosine 5’-monophosphate = AMP O O P Adénosine 5’-diphosphate = ADP 3’ O O Adénosine 5’-triphosphate = ATP Adénosine 3’-5’ monophosphate cyclique = AMPc

I Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques. 1) Etape préliminaire : synthèse du carbamyl P Etape limitante ++++ L’enzyme : la Carbamyl P synthétase II : très différente de celle de l’Uréogénèse O C O- P H2N Glutamine + 2 ATP HCO3- 2 ADP+Pi Carbamylphosphate Synthèse des PYR: - ubiquitaire, cytoplasmique - le NH2 provient de la GLU-NH2 - activée par 5’ PRPP et nucléotides puriques - inhibée par UMP - chez les mammifères : lieu de régulation prédominantes / aux réactions en aval Uréogénèse : - mitochondrie, foie - le NH3 provient de NH3 - activée par Acétyl-GLU

2) Aspartate transcarbamylase combinaison à l’ac. Aspartique pour former l’acide carbamylaspartique + ATP - CTP O C O- P H2N Carbamylphosphate Aspartate CH COO- CH2 -O Pi ATC C H2N Carbamylaspartate CH N H COO- CH2 O -O L’Aspartate transcarbamylase ++ est un enzyme allostérique dont l’inhibiteur spécifique est le CTP et son activateur l’ATP

3) dihydroorotase: fermeture du cycle par déshydratation H2N Carbamylaspartate CH N H COO- CH2 O -O C CH2 HN dihydroorotase CH COO- O C N H H2O Ac Dihydroorotique 4) En présence de NAD, la dihydroorotique déshydrogénase forme l’acide orotique Dihydroorotate C CH2 O NH H COO- HN O dihydroorotique déshydrogénase C CH HN 5 6 O COO- C C NAD+ NADH + H+ NH mitochondrie Orotate

5’-phosphoribosyl-1’-pyrophosphate 5) Formation du nucléotide a) Formation du PRPP (5’ Phosphoribosyl-1-PyroP) Le PRPP est synthétisé à partir du ribose P par une « kinase inhabituelle » avec transfert du PyroP et non d’un phosphate : la PRPP synthétase : enzyme allostérique à 2 domaines Régulateur (changements allostériques) et Catalytique NB : des mutations sur les chaînes R et C ont été décrites, toutes conduisent à un hyperfonctionnement  accumulation d’acide urique. R C Mg++ ATP AMP 5’P-Ribosyl-PyroP synthétase ribose 5’-phosphate 5’-phosphoribosyl-1’-pyrophosphate (5’ PRPP) O HO OH O CH2 P -O O- - PURINES ET PYRIMIDINES PYR PUR Réactions commune aux 2 voies (Pyr et Pur)+++

b) le PRPP se combine à l’acide orotique sous l’action de l’orotate phosphoribosyl transférase  Orotidine 5’-phosphate (ou acide orotydilique) COO- O C CH N HN COO- O C CH NH HN PPi PRPP P OCH2 O Mg++ orotate phosphoribosyl transférase Orotidine 5’-monophosphate (OMP) Orotate NB : L’oroticacidurie : maladie héréditaire  calculs urinaires d’acide orotique accumulés : déficit en orotate phosphoribosyl transferase

b) Décarboxylation irreversible de l’acide orotidylique  UMP (acide uridylique ou Uridine - 5P) COO- O C CH N HN O C CH HN CO2 O C CH P OCH2 P OCH2 N O O Oritidine-5’ P- décarboxylase Orotidine 5’-monophosphate (OMP) Uridylate (UMP) L’UMP est alors 2 fois phosphorylé par des kinases non spécifiques pour donner l’UTP UMP + ATP UDP + ADP UDP + ATP UTP + ADP

c) l’UTP est transformé en CTP (cytidine Tri Phosphate par animation à partir de la glutamine par animation en C6) : Glutamine + ATP NH2 P O OCH2 C CH N Glutamate + ADP+ Pi+ H2O UTP CTP synthétase Cytidine Tri-Phosphate (CTP)

Aspartate Glutamine + 2 ATP HCO3- Pi Carbamylaspartate CH2 CH2 Glutamine + 2 ATP HCO3- H2N O C O- P H2N CH COO- H2N CH COO- O C N H 1 2 Pi Carbamylaspartate Carbamylphosphate 3 O H2O O Dihydroorotate C CH2 O NH H COO- HN C PRPP NADH+H+ HN CH PPi C O COO- HN CH NAD+ C C 5 P OCH2 N O C 6 COO- C 5 NH 4 O mitochondrie Orotate Orotidine 5’-monophosphate (OMP) O NH2 C Glutamine + ATP C 6 HN CH Glutamate + ADP+ Pi CH N CO2 O C CH O C CH P OCH2 N ATP ATP P P P OCH2 N O UDP UTP O 7 8 9 Uridylate (UMP) CTP

ATCase Converts Carbamoyl Phosphate to Carbamoyl Aspartate

Biosynthèse de novo des Pyrimidines : les enzymes }CAD: complexe multienzymatique Carbamyl phosphate synthétase II Aspartate transcarbamylase Dihydroorotase Dihydroorotate déshydrogénase Orotate phosphoribosyltransférase Orotidylate décarboxylase Kinase CTP désaminase }

d) Biosynthèse de la Thymidine Réactions d’interconversions: n’existant que dans l’ADN, elle n’est synthétisée qu’à partir de désoxyribonucléotides : les ribonucléotides diphosphorylés (ex CDP) sont transformés en désoxyribonucléotides (dCDP) par réduction du ribose en 2’par le système Thiorédoxine-réductase / ribonucléotide réductase Puis biosynthèse de la Thymidine par apport de CH3 par le THF sur le dUMP

CDP dCDP UDP dUDP ADP dADP dTMP GDP dGDP + - ATP dATP SH S Ribonucléotide réductase SH Ribonucléotide réductase S SH S Thiorédoxine oxydée Thiorédoxine réduite Thiorédoxine réductase FADH2 FAD NADP+ NADPH2

Tetrahydrofolate and One-Carbon Units Folic acid, a B vitamin found in green plants, fresh fruits, yeast, and liver, is named from folium, Latin for “leaf”. Folates are acceptors and donors of one-carbon units for all oxidation levels of carbon except CO2 (for which biotin is the relevant carrier). The active form is tetrahydrofolate.

Biosynthèse de la (désoxy)thymidine par apport de CH3 par le THF sur le dUMP Fluorouracile O O CH3 - HN 5 HN dUMP dTMP Thymidylate synthase O N O N ribose 5’-phosphate ribose 5’-phosphate N5, N10-méthylène- tétrahydrofolate 7,8-dihydrofolate Sérine Hydroxyméthyl transférase NADPH + H+ Glycine Dihydrofolate réductase méthotrexate Sérine - Tétrahydrofolate (THF) NADP+

Schéma général PRPP 2ATP+CO2+NH3 Purines Carbamyl P Synthétase UMP - UMP ++++ Carbamyl P ASP + PURINES ATP +++ + Aspartate transcarbamylase - CTP Ac Carbamylaspartate dihydroorotase PURINES dihydroorotique déshydrogénase PRPP synthétase - Rib-5P + ATP Ac orotique 5’PRPP - ADP PYR UMP Thiorédoxine / dUDP UDP N5-N10/THF Ribonucleotide réductase UTP dTMP CTP

Régulation biosynthèse Py Glutamine + 2 ATP + HCO3- Carbamylphosphate synthétase II - + carbamylphosphate + aspartate Aspartate transcarbamylase ATP - carbamylaspartate orotate Purines PRPP Orotate phosphoribosyl transférase OMP OMP décarboxylase UMP ribonucléotide réductase dTMP dUDP UDP N5-N10- méthylène THF UTP CTP

Acide -Aminoisobutyric + NH3 + CO2 CH N HO NH2 CH3 CH C N HO NH2 C CH N HO OH CH3 OH CH C N HO +H2O +H2O -NH3 -NH3 Cytosine Methylcytosine Thymine Uracile II. Catabolisme des bases pyrimidiques TPNH +H- TPN+ TPNH +H+ TPN+ *Pas d’accumulation de déchets issus des Pyr chez l’homme. *(Méthyl)Cytosine transformée(s) par hydrolyse/désaminante *U et T ont un catabolisme commun : - réduction de la double liaison en 5-6 - ouverture du cycle entre NH3 et C4 - Les produits finaux sont NH3, CO2, l’ alanine (pour U et C) et l’acide aminoisobutyrique (pour T) qui sera transformé en acide méthylmalonique (cf métab des AG/nombres impairs de carbones) OH OH C C CH2 CH CH3 N N HO CH2 HO CH2 C C N N Dihydro-uracile Dihydro-thymine -H2O H2O -H2O H2O O O CH3 H2N-C-NH-CH2-CH2-COOH H2N-C-NH-CH2-CH-COOH acide  - Ureïdopropionique  - Ureidoisobutyric acid H2O H2O H2N-CH2-CH2-COOH + NH3 + CO2  - Alanine Acide -Aminoisobutyric + NH3 + CO2

5’-phosphoribosylamine III Biosynthèse des nucléotides Puriques 1) Synthèse de l ’IMP (acide Inosinique) Biosynthèse des nucléotides puriques: 10 étapes dont la première est catalysée par une enzyme allostérique strictement régulée. L ’ensemble mène à l’acide Inosinique Glutamate O 5’-phosphoribosylamine NH2 + PPi O O CH2 P -O HO OH -O P O CH2 O O O -O Glutamine O P O P O- HO OH O- O- PRPP glutamyl Aminotransférase (PAT) PRPP - - Glycine AMP GMP N5, N10-méthylène- tétrahydrofolate C HC CH N HN 1 2 3 4 5 6 9 8 7 O O CH2 P -O HO OH Glutamine Bicarbonate Aspartate N10-formyl- tétrahydrofolate La première étape: amination du PRPP par la 5P-Ribosylpyrophosphate-glut. amido-trfase fait l’objet d’une rétro-ihibition cumulative par AMP, GMP, et IMP. Nb: il n’existe pas d’activation par les bases pyrimidiques. Inosinate (IMP)

26.2 Purine Synthesis Figure 26.2 The metabolic origin of the nine atoms in the purine ring system.

- les donneurs d’N sont : Glutamine (2), Glycine (1), Aspartate (1) - Le nucléotide est constitué d’emblée à partir du PRPP et non après la synthèse du cycle (différent des bases pyr) - les donneurs d’N sont : Glutamine (2), Glycine (1), Aspartate (1) - Les carbones proviennent de: Glycine(2), Ac. Formique (2), CO2 (1) - Origine des atomes du squelette purique : HCO3 Glycine C 6 N 7 Aspartate N1 Acide formique - THF 5C 8C C2 Acide formique - THF 4C 9 N 3 N Glutamine Glutamine

Purine Nucleotide Synthesis

2) de l’IMP à l’AMP par amination en C6 H -OOC CH2 C COO- NH N NH2 Ribose-P Fumarate 6 N N 6 Adénylosuccinate lyase N GDP + Pi + H2O N Ribose-P Adénylosuccinate Adénylate (AMP) Asp + GTP O Adénylosuccinate synthétase N HN - N N Ribose-P AMP Désaminase Inosinate (IMP) - + ATP GTP NH3 NB : en cas d ’excès d’ATP, l’activation par l’ATP de l’AMP désaminase régénère l ’IMP pour privilégier la synthèse de GTP (+++)

3) de l’IMP à l’acide guanylique (GMP) par amination en 2 Après oxydation de l’IMP en Ac Xanthylique (XMP), fixation d’une amine sur le C2 à partir d’une glutamine Adénylosuccinate Fumarate Adénylate (AMP) lyase Adénylosuccinate synthétase O N HN - N N IMP déshydrogénase H2O Ribose-P NAD+ Inosinate (IMP) NADH + H+ Gln + ATP Glu + AMP +PPi GMP synthétase Guanylate (GMP) HN N H2N O Ribose-P 2 O N HN 2 O N NH Ribose-P Xanthylate (XMP)

AMP and GMP are Synthesized from IMP Figure 26.5 The synthesis of AMP and GMP from IMP.

4) Régulation de la biosynthèse des nucléotides puriques AMP ATP - Nucléotides pyrimidiques Ribose 5’-phosphate PRPP PRPP synthétase - Gln - PRPP glutamyl aminotransférase - Glu 5’-phosphoribosylamine - - IMP  Xanthylate Adénylo succinate  AMP Désaminase GMP AMP  GDP ADP GTP ATP

Régulation globale de la synthèse des nucléotides (PUR + PYR) - synthèse du 5’ PRPP fonction : -1) des apports en glucose (Ribose 5P: facteur limitant) + -2) rétroinhibition par les bases Pur. et Pyr. Régulation globale des PUR (A+G) feed back - des bases ADP, AMP, ou GTP, GDP sur la 5’PRPP glutamine amino transferase Balance entre les Bases Puriques (A/G): régulation croisée à partir de l’IMP - un excès de la voie AMP/ADP/ATP => 4 effets : Inhibition de l’adénylo succinate synthétase Activation de l’AMP désaminase Activation de la guanosine monoP synthétase Inhibition de l’APRTase (cf voie recyclage) - un excès de la voie GMP/GDP/GTP => 4 effets : Inhibition de l’Inosinique déshydrogénase Inhibition de l’AMP désaminase Activation de l’Adénylosuccinate synthétase Inhibition de l’HGPRTase (cf voie recyclage) NB: régulation des bases Pyrimidiques : Carbamyl-P-synthétase (via PRPP; Pur; UMP)

5) Recyclage des bases et nucléosides puriques a) La récupération des nucléosides puriques est négligeable : uniquement l’adénoside et la désoxy-adénosine grâce à l’adénosine kinase Adénosine kinase Adénosine AMP ATP ADP En revanche l ’adénosine kinase dans les tissus périphériques assure la fonction très importante de resynthèse de l’AMP à partir de l’adénosine qui leur est adressée par le foie. b) Réactions de recyclage des bases puriques (++++): * APRT (Adénine-P ribosyl Tfase) A.P.R.T. AMP Adénine Adénosine 5’PRPP P ~ P * HGPRT (Hypoxanthine -Guanine- Phosphoribosyl Tfase

Conclusions Guanine GMP Hypoxanthine IMP H.G.P.R.T. Guanine GMP 5 ’PRPP P ~ P Hypoxanthine 5 ’PRPP P ~ P IMP Conclusions - Les bases pyrimidiques ne sont pas recyclées malgré des besoins identiques => Biosynthèse «de novo» des Pyr >>> Pur - La biosynthèse des Pyr est activée par les Pur mais pas l’inverse Le recyclage des bases Pur est intense dans les tissus à renouvellement rapide: Lc, érythroblastes, fibroblastes, hépatocytes Le recyclage génère une importante économie d’énergie: synthèse « de novo » d’AMP consomme 7 liaisons riches en énergie, et 8 pour celle de GMP, tandis que le recyclage seulement 2.

Hydrolyse acide /enzymatique (exo-, endo-, Dnases, Rnases nucléases) IV. CATABOLISME DES ACIDES NUCLEIQUES & NUCLEOTIDES -1) Catabolisme des acides nucléiques Acides nucléiques Hydrolyse acide /enzymatique (exo-, endo-, Dnases, Rnases nucléases) Nucléotides Phosphatase Acide Phosphorique Nucléosides Nucléosidase Base azotée Ose

The Major Pathways of Purine Catabolism Lead to Uric Acid Figure 26.8 The major pathways for purine catabolism.

The Major Pathways of Purine Catabolism Lead to Uric Acid Figure 26. The major pathways for purine catabolism.

-2) Catabolisme et récupération des nucléotides Pur (essentiellement hépatique) AMP désaminase AMP IMP GMP Adénosine kinase HGPRTase 5’-nucléotidase 5’-nucléotidase HGPRTase Pi Pi Pi ADA Adénosine Inosine Guanosine APRTase Purine Nucléoside Phosphorylase PRPP PNP PNP PRPP Ribose Ribose PRPP Ribose Hypoxanthine Guanine Adénine NAD+ O2 H2O2 O2. NADH H2O NH3 Guanase Xanthine oxydase - Xanthine Allantoïne (primates, reptiles) Allopurinol NAD+ O2 O HN NH O NADH H2O2 O2. NH C H2N Uricase O CH Acide urique O NH NH 2H2O+ O2 H2O2+ CO2

Chez l ’homme, le catabolisme complet des bases puriques mène à l’acide urique par action successive : 5’nucléotidases, Purine nucléoside phosphorylase (PNP), Xanthine oxydase; essentiellement hépatocytaire, rénal et accessoirement intestinal. NB: absence d’adénase (alors qu’il existe une guanase), ce qui rend l’adénosine désaminase (ADA) très limitante. Xanthine et hypoXanthine issues de la dégradation de GMP et AMP, quittent les tissus périphériques  circulation sanguine  foie, rein et intestin. En revanche Adénine et guanine ne sont pas exportées Au niveau hépatique, l’hypoxanthine, sous l ’effet de l’HGPRT, redonne l’IMP, puis l’AMP, puis l’adénosine qui est exportable vers les tissus périphériques.