--- tags: - biokemi - anteckningar - nukleotidnedbrytning föreläsare: Martin Lidell date: 2025-12-09 --- Nukleotidnedbrytning LPG001 Martin Lidell --- ## Lecture outline - Nucleotides – short repetition of structural parts - Functions of nucleotides - Degradation of nucleic acids from food sources - Degradation of purine nucleotides - Degradation of pyrimidine nucleotides - Two diseases related to purine nucleotides - Gout – a very common disease - Adenosine deaminase deficiency – a very rare disease --- ## What is a nucleotide? - Nucleotide = Phosphate(s) + Pentose + Nitrogenous base - Nucleoside = Pentose + Nitrogenous base - Adenosine monophosphate - OH (in ribose) or H (in deoxyribose) --- ## The nitrogenous bases – purines and pyrimidines - Five bases - PURINES: Purine, Adenine, Guanine - PYRIMIDINES: Pyrimidine, Cytosine, Uracil (in RNA), Thymine (in DNA) - Two rings; two purines - Three pyrimidines; pyramide from above; CUT --- ## Functions of nucleotides – some examples - Building blocks for DNA and RNA (store and translate genetic information) - Building blocks for important biomolecules (e.g. Coenzyme A) - Signaling molecules (both extra- and intracellular) (e.g. cAMP, adenosine signaling – a nucleoside) - “Activators” of biomolecules used for biosynthesis - UDP-Glucose (activated form of glucose; glucose donor in glycogen synthesis) --- ## Overview of nucleotide metabolism - Nucleotides - De novo synthesis - Salvage synthesis (synthesis from reused nitrogenous bases and sugars) - DNA and RNA synthesis - Conversion to other important biomolecules - Degradation - From degradation: - Nitrogenous bases → - Reuse for nucleotide synthesis (salvage) - Further degradation → - Purines → Urate + Urea - Pyrimidines → Urea + Energy or energy-rich molecules - Sugar moiety → - Reuse for nucleotide synthesis (salvage) - Energy source (ATP or energy-rich molecules) --- ## Expensive with de novo synthesis of nucleotides – the salvage pathway is cheaper - De novo pathway vs salvage pathway - PRPP; 5-Phosphoribosyl 1-pyrophosphate --- ## Degradation of nucleic acids from food sources - Degradation of dietary nucleic acids occur in the small intestine - Nucleases, secreted by the pancreas, hydrolyze RNA and DNA to oligonucleotides - Oligonucleotides are further hydrolyzed by pancreatic phosphodiesterases, producing mononucleotides - In the intestinal mucosal cells (intestinal epithelial cells), nucleotidases remove the phosphate groups, releasing nucleosides that are further degraded to free bases and sugars by nucleosidases - The liberated bases can potentially be used in salvage pathways for nucleotide synthesis (however, at least the purines appear to be degraded to a large extent already in the intestinal cells) --- ## Nucleotide degradation pathways - Nucleotides → Degradation → - Nitrogenous bases → - Reuse for nucleotide synthesis (salvage) - Further degradation → - Purines → Urate + Urea - Pyrimidines → Urea + Energy or energy-rich molecules - Sugar moiety → - Reuse for nucleotide synthesis (salvage) - Energy source (ATP or energy-rich molecules) --- ## Degradation of purine nucleotides – formation of uric acid - GMP → (via nucleotidases) → Guanosine - Nucleotidases convert the nucleotides into nucleosides - Guanosine → Guanine (and further degradation) - Pathway towards hypoxanthine, xanthine and uric acid --- ## Adenosine deaminase – an important enzyme in the degradation of adenosine - Adenosine is deaminated to inosine by adenosine deaminase - Toxic ammonia converted into urea in the liver - Parallel pathway: GMP → Guanosine → Guanine, etc. --- ## The sugar parts are removed by nucleoside phosphorylase - GMP → Guanosine - Sugar phosphates options: 1. Reuse for nucleotide synthesis (convert to PRPP) 2. Use for energy production or generation of energy-containing molecules - The sugar parts are removed by nucleoside phosphorylase --- ## GMP and AMP degradation converge at the level of xanthine that is further metabolized to uric acid - Toxic ammonia converted into urea in the liver - Uric acid (urate) excreted in the urine --- ## Degradation of pyrimidine nucleotides - Pathways for CMP, UMP and dTMP - Intermediates within brackets refer to metabolites from dTMP degradation --- ## CMP and UMP degradation converge at the level of uridine - Nucleotidases convert the nucleotides into nucleosides - CMP, UMP → Uridine - Toxic ammonia converted into urea in the liver --- ## The sugar part is removed by a phosphorylase to generate the free pyrimidine bases - Options for sugar phosphates: 1. Reuse for nucleotide synthesis (convert to PRPP) 2. Use for energy production or generation of energy-containing molecules - Options for free bases: 1. Reuse for nucleotide synthesis 2. Use for energy production (ATP) or generation of energy-containing molecules --- ## Complete degradation of nitrogenous bases for ATP production or generation of energy-containing molecules - From CMP and UMP: - Acetyl CoA (Propionyl CoA) → ATP, fatty acids or ketone bodies - From dTMP: - Succinyl CoA (CAC intermediate) → ATP or glucose production - Enzymes/intermediates: - Methylmalonate semialdehyde dehydrogenase - Propionyl CoA carboxylase - Methylmalonyl CoA - Methylmalonyl CoA mutase - Toxic ammonia converted into urea in the liver --- ## What happens with the sugar moiety produced during nucleotide degradation? - Ribose-1-phosphate ↔ (Phosphopentomutase) ↔ Ribose-5-phosphate - Deoxyribose-1-phosphate ↔ Deoxyribose-5-phosphate - Ribose-5-phosphate can enter the pentose phosphate pathway (transketolase and transaldolase) - Deoxyribose-5-phosphate → (Deoxyribose phosphate aldolase) → Glyceraldehyde-3-phosphate + Acetaldehyde - Fructose-6-phosphate + Glyceraldehyde-3-phosphate → glycolysis/gluconeogenesis connection - Acetyl CoA from acetaldehyde → ATP, fatty acids or ketone bodies - Can be reused for nucleotide synthesis (converted to PRPP) Endproducts used for energy production or generation of energy-containing molecules: - Fructose-6-phosphate and glyceraldehyde-3-phosphate: ATP or glucose production - Acetyl CoA: ATP, fatty acids or ketone bodies --- ## Full degradation of pyrimidines and purines **Pyrimidines** - Generate ammonia (NH₃) that is converted into UREA by the liver and excreted in the urine - Metabolites that can be used for energy production (ATP) or converted into energy-containing molecules such as glucose (liver), fatty acids and ketone bodies **Purines** - Primarily generate URIC ACID (urate) that is excreted in the urine - Some ammonia is also produced; converted into urea by the liver --- ## Gikt – från ”the disease of kings” till folksjukdom - Vid för höga uratnivåer i blodet (>6–7 mg/dl) fälls urat ut som saltkristaller (ofta natriumurat) - Kristallerna lägger sig i leder, senor och omgivande vävnad (vanligast är stortåns grundled) och orsakar där inflammation - Vanligaste artritsjukdomen (uppskattad förekomst i Sverige, 1–2 % av befolkningen) - De höga uratnivåerna i blodet beror antingen på ökad syntes eller på minskad utsöndring av urat - Beror oftast på livsstilsfaktorer, läkemedelsbehandling eller annan sjukdom Preventiva åtgärder inkluderar bland annat: - Minskat intag av alkohol. Vid metabolism av etanol bildas laktat som kompetitivt hämmar utsöndring av urat i tubuli - Minskat intag av purinrika livsmedel (främst inälvsmat, sardiner, ansjovis och musslor, men även övrig fet fisk, skaldjur och kött) --- ## Läkemedelsbehandling av gikt – strategi 1 - Hämma bildningen av urat genom att hämma enzymet xantinoxidas som ansvarar för sista steget i nedbrytningen av puriner - Exempel på läkemedelssubstanser som hämmar produktionen av urinsyra: - Allopurinol (hypoxantinanalog) - Febuxostat --- ## Läkemedelsbehandling av gikt – strategi 2 - Hämma reabsorptionen av urat från urinen i njurtubuli genom att inhibera urattransportörer (dessa återför normalt en stor del av utsöndrat urat till blodet) - Ger sänkta uratnivåer i blodet då mer urat avgår med urinen - Exempel på substans: Probenecid --- ## Svår kombinerad immunbrist (SCID) - SCID (Severe Combined Immunodeficiency) – samlingsnamn på ett flertal ovanliga sjukdomar som beror på avsaknad av immunceller som T- och B-lymfocyter, vilket leder till ett defekt immunsystem - Utan behandling leder SCID till svår infektionsbenägenhet och drabbade individer avlider ofta redan under det första levnadsåret - Adenosindeaminasbrist; mycket ovanlig form av SCID i Sverige - Autosomal recessiv nedärvning (mutationer i ADA-genen orsakar dysfunktionellt adenosindeaminas) - En närmast total brist på immuncellerna T- och B-lymfocyter ses vid adenosindeaminasbrist --- ## Svår kombinerad immunbrist (SCID) – till följd av adenosindeaminasbrist Möjlig koppling mellan enzymdefekt och avsaknad av immunceller: - Muterat adenosindeaminas som förlorat sin funktion → ansamling av deoxyadenosin som omvandlas till dATP → syntes av övriga deoxyribonukleotider hämmas (dATP hämmar ribonukleotidreduktas) → syntes, replikation och reparation av skadat DNA hämmas → påverkar framförallt snabbt prolifererande celler (celltyper med hög omsättning) som då genomgår apoptos (”programmerat självmord”) - T- och B-lymfocyter under utveckling är mycket snabbt prolifererande celler och tros därför påverkas i speciellt hög grad av tillståndet Behandling – går ut på att ge tillgång till ”friskt enzym”: - Hematopoetisk stamcellstransplantation (benmärgstransplantation) från frisk donator - Enzymsubstitutionsbehandling, dvs enzymet ges som läkemedel (PEG-konjugat ADA injiceras subkutant) - Genterapi; ”frisk ADA-gen” introduceras i individens egna hematopoetiska stamceller --- ## Genterapi vid adenosindeaminasbrist - Har utförts på ett fåtal individer där det inte varit möjligt att hitta lämplig donator Översikt: - Virus, med en frisk kopia av ADA-genen tillverkas - De virus man använder saknar förmågan att ge upphov till sjukdom men har kvar egenskapen att bygga in nya gener i vår arvsmassa - Virusen infekterar sedan hematopoetiska stamceller isolerade från den sjuka individens benmärg och för på så sätt in den friska genen i dessa celler - Cellerna ges tillbaka till den sjuka individen som därmed har fått ”friska stamceller” som kan bilda friska T-lymfocyter --- ## Sammanfattning av nukleotidnedbrytning - Nukleotider har flera viktiga funktioner förutom att bilda nukleinsyrorna DNA och RNA - Fem kvävebaser: - Två puriner; två ringar; GA - Tre pyrimidiner; pyramid från ovan; CUT - De novo syntes av nukleotider är dyrt vilket gör att baserna och sockerenheterna återvinns i hög grad Om fullständig nedbrytning av nukleotider: - Sockerdelen kan användas direkt som energikälla (ATP) eller omvandlas till energirika produkter - Kvävebaserna: - Puriner: URINSYRA (URAT) + mindre mängd urea - Pyrimidiner: UREA + energirika molekyler som kan användas för direkt produktion av ATP eller omvandlas till energirika produkter - Defekter i nukleotidmetabolism kan orsaka sjukdom: - Gikt; mycket vanlig artritsjukdom; uratkristaller i leder pga höga uratnivåer i blodet - Adenosindeaminasbrist (form av SCID); mycket ovanlig sjukdom; defekt adenosinnedbrytning orsakar närmast total brist på T- och B-lymfocyter; mycket infektionskänsliga --- ## Läsanvisningar - Detta föreläsningsmaterial - Biochemistry, 10th ed, Berg et al. - 2023 W.H. Freeman, Macmillian Learning - Kapitel 26: sidorna 809–810 - Instuderingsfrågor – finns upplagt på Canvas Har ni några frågor? Hör gärna av er till mig med ett meddelande på Canvas **Nukleotidnedbrytning**