CMU The control network for the purine biosynthesis pathway. CHIANG MAI UNIVERSITY The control network for the purine biosynthesis pathway.

CMU Purine biosynthesis pathway CHIANG MAI UNIVERSITY Purine biosynthesis pathway Ribose-5-phosphate มีการควบคุมโดย allosteric sites ที่ 2 steps แรก IMP 1. Ribose-5-phosphate pyrophosphokinase - เปลี่ยน ribose-5-P เป็น -PRPP - Negative feedback โดย ADP และ GDP 2. Gln-PRPP amidotransferase (Glutamine-PRPP amidotrnasferase) พบว่ามี 2 allosteric sites 2.1 สำหรับ A-series ของ nucleotide phosphate (AMP, ADP, ATP) จับและทำการยับยั้ง 2.2 สำหรับ G-series ของ nucleotide phosphate (GMP, GDP, GTP) จับและทำการยับยั้ง ***PRPP ยังมีผล ” feed-forward activator” โดยจะไปกระตุ้น Gln-PRPP amidotransferase *** IMP synthesis จะขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์สุดท้ายของ pathway (adenine และ guanine nucleotides)

CMU Adenylosuccinate synthetase ถูกยับยั้งโดย AMP CHIANG MAI UNIVERSITY Adenylosuccinate synthetase IMP IMP dehydrogenase adenylosuccinate XMP AMP GMP ADP GDP ATP GTP 1. AMP biosynthesis pathway Adenylosuccinate synthetase ถูกยับยั้งโดย AMP 2. GMP biosynthesis pathway IMP dehydrogenase ถูกยับยั้งโดย GMP ***Level ของ AMP และ GMP ถูกควบคุมโดย “self-correcting” Note: GTP ให้พลังงานใน AMP biosynthesis ATP ให้พลังงานใน GMP biosynthesis

CMU Purine degradation CHIANG MAI UNIVERSITY Purine degradation - Nucleic acid เป็นส่วนประกอบของเซลล์ : จึงมีการ digest จากอาหาร (diet) 1. Nucleosidase Nucleosidase Nucleoside + H2O Base + ribose 2. Nucleoside phosphorylase Nucleoside phosphorylase Nucloside + Pi Base + ribose-1-P Feeding experiments โดย radioactive labelled nucleic acid นั้นจะเป็นเพียงส่วนน้อย ของ nucleic acid ที่จะนำมาใช้ในเซลล์ แต่พบว่า de novo pathway ของ nucleotide biosynthesis จะเป็นแหล่งอันดับหนึ่งของ Nucleic acid precursor. Nucleotide degradation Recycling of cellular component

Major pathways of catabolism in animals. The various purine nucleotides and deoxynulcotides are All degraded to uric acid.

CMU Pathways of Purine catabolism 1. Adenosine deaminase CHIANG MAI UNIVERSITY Pathways of Purine catabolism 1. Adenosine deaminase NH4+ ออกจาก adenosine ได้ Inosine Severe combined Immunodeficiency syndrome (SCID) - Lack of immune response of infection disease - 30% of SCID  no adenosine deaminase (ADA) - ADA is Zn2+ -dependent enzyme Negative feedback inhibitor of deoxynucleotide biosynthesis - deoxyadenosine , เปลี่ยนเป็น dATP No deoxynuclotides DNA cannot be replicated and cells cannot divide

CMU CHIANG MAI UNIVERSITY 2. Xanthine oxidase - Present in liver, intestinal, mucosa and milk - Oxygen molecule oxidized hypoxanthine and xanthine H2O2 Xanthine oxydase: non heme, Fe-S centres and molybdenum cofactor (as electron transferring prostatic groups) - Human and primates, uric acid (end product of purine catabolism) Urine (urea) All catabolism nitrogenous compounds to uric acid. Animal conserve water by excreting crystals of uric acid. - Birds and reptiles

CMU Gout: An excess of uric acid CHIANG MAI UNIVERSITY Gout: An excess of uric acid - Excessive uric acid accumulating in the body fluids. - Uric acid, urate salts Insoluble in water + precipitate from solution if produced in excess - Arthritis pain in joints Urate salts deposition in cartilaginous tissue. - Urate crystals may also appear as kidney stones and leads to painful in urinary tract Hyperuricemia : chronic elevation of blood uric acid levels 3% of population as a consequence of impaired excretion of uric acid + overproduction of purine catabolism. Treatments: Allopurinol = hypoxanthine analog Binds tightly to xanthine oxidase Uric acid  Hypoxanthine, xanthine : do not accumulate to harmful concentration (because They are more soluble and more easily excreted.)

CMU 3. The Biosynthesis of Pyrimidines CMP UMP Carbamoyl-P CHIANG MAI UNIVERSITY 3. The Biosynthesis of Pyrimidines CMP UMP Carbamoyl-P Glutamine amide HCO3- Aspartate Precursors for 6 pyrimidine ring Pyrimidine ring system forms before Ribose-5-P attach. The biosynthesis of pyrimidines ring atoms. Purine biosynthesis  7 precursors for 9 purine atoms

CMU CHIANG MAI UNIVERSITY

CMU The Biosynthesis of Pyrimidines CHIANG MAI UNIVERSITY The Biosynthesis of Pyrimidines Step 1: Carbamoyl-Phosphate synthesis Carbamoyl phosphate synthetase II (CPS II) : cytosolic enzyme (mammal) Carbamoyl phosphate synthetase (CPS) in bacteria Substrates of CPS: HCO3- Glutamine 2 ATP H2O - C2, N3 in pyrimidine ring

CMU Step 2: Carbamoyl-P to Carbamoyl-Aspartate CHIANG MAI UNIVERSITY Step 2: Carbamoyl-P to Carbamoyl-Aspartate - Aspartate transcarbamoylase (ATCase) - เป็น enzyme ที่เติม aspartate ที่ carbamoyl-phosphate - ไม่ใช้ ATP เพราะ carbamoyl phosphate อยู่ในรูป ‘activated’ carbamoyl group - C4, C5, C6 และ N1 ใน pyrimidine ring

CMU Step 3: Carbamoyl_Asp to Dihydroorotate (DHO) CHIANG MAI UNIVERSITY Step 3: Carbamoyl_Asp to Dihydroorotate (DHO) (pyrimidine ring closure) Pyrimidine ring closure: - NH2 group ของ carbamoyl-P และ -COO- ของ aspartate โดย enzyme: Dihydroorotase Dihydroorotate (DHO)

CMU Step 4: Dihydroorotate (DHO) to Orotate CHIANG MAI UNIVERSITY Step 4: Dihydroorotate (DHO) to Orotate - โดย enzyme: Dihydroorotate dehydrogenase (DHO dehydrogenase) Bacteria: DHO dehydrogenase คือ NAD+-linkage flovoprotein และ Fe-S centres ซึ่งเป็น additional redox prostatic groups Eukaryote: DHO dehydrogenase เป็น protein ที่เป็นองค์ประกอบของ inner mitochondria membrane Quinone จึงทำหน้าที่รับ e- จาก DHO แล้วเปลี่ยนเป็น Orotate

CMU Step 5: Ribose-5-P is joined to N-1 of Orotate CHIANG MAI UNIVERSITY Step 5: Ribose-5-P is joined to N-1 of Orotate เป็นการเติม ribose-5-phosphate ลงใน orotate molecule โดย enzyme: Orotate phosphoribosyltransferase Ribose-5-P มาจาก PRPP ( ribose phosphate donor) Product: Orotidine 5’-Monophosphate (OMP)

(uridine-5’-monophosphate or uridylic acid) CMU CHIANG MAI UNIVERSITY Step 6: orotate-5’-monophosphate (OMP) to UMP โดย enzyme: OMP decarboxylase decarboxylation UMP (uridine-5’-monophosphate or uridylic acid)

CMU Pyrimidine biosynthesis in mammals vs bacteria Bacteria: CHIANG MAI UNIVERSITY Pyrimidine biosynthesis in mammals vs bacteria Bacteria: 6 enzymes in de novo pyrimidine biosynthesis In mammals: 6 enzymes activities มาจาก proteins 3 ชนิด  210 KDa protein: multifunctional polypeptides (Cytosolic enzyme) multifunctional polypeptides = 1 polypeptide มี 2 / มากกว่า enzymatic centres CPSII Aspartate transcarbamoylase Dihydroorotate 210 KDa protein DHO dehydrogenase (associated กับ surface ของ inner mitochondria membrane UMP synthase (Orotate phosphoribosyltrnasferase, OMP decarboxylase) (Multifunctional polypeptide)

CMU Synthesis of predominant ribonucleotides UTP and CTP CHIANG MAI UNIVERSITY Synthesis of predominant ribonucleotides UTP and CTP 2 pyrimidine ribonucleotides (UTP และ CTP) เป็นตัวหลัก โดยผ่าน pathway เดียวกัน Step 1: Nucleoside monophosphate kinase UMP + ATP UDP + ADP Step 2: Nucleotide diphosphate kinase UTP + ADP UDP + ATP

CMU Step 3: Synthesis of CTP from UTP CHIANG MAI UNIVERSITY Step 3: Synthesis of CTP from UTP CTP synthetase (glutamine amidotransferase) เติม NH2 ในตน.ที่ 6 ของ UTP ATP hydrolysis

Regulation of Pyrimidine Biosynthesis Bacteria จะถูกควบคุมใน allosteric enzymes: aspartate transcarbamoylase (ATCase). CTP: feedback-inhibitor + - ATP เป็น feedback activator ของ ATCase เช่นกัน -

Regulation of Pyrimidine Biosynthesis Animal pyrimidine biosynthesis UTP, UDP: feedback-inhibitor ใน CPS II (Carbamoyl phosphate synthetase II) ATP, PRPP : allosteric acitvators ATP: activator ของ CPS II PRPP: activator ของ orotate phosphoribosyltransferase UMP: feeback-inhibitor ของ OMP decarboxylase

CMU Pyrimidine degradation CHIANG MAI UNIVERSITY Pyrimidine degradation การเกิด pyrimidine degradation ในเซลล์เพื่อการนำ nucleotides มาใช้ใหม่ (recycle) Pyrimidine degradation จะได้ - pyrimidine ring (cytosine, uracil, thymine) - original substrates (aspartate, CO2, ammonia) เร่งด้วยเอนไซม์ phosphoribosyltransferase

CMU Deoxyribonucleotide Biosynthesis CHIANG MAI UNIVERSITY Deoxyribonucleotide Biosynthesis Purine, pyrimidine biosynthesis เป็นการสังเคราะห์ AMP, GAP, UMP, CTP (ribonucleotides, RNA) Cells จะมีการเปลียนจาก RNA เป็น DNA เพื่อใช้ในการเป็นสารพันธุกรรมภายในเซลล์ Substrate: NDPs (ribonucleotide diphosphate) Enzyme: Ribonucleotide reductase เร่งการเติมหมู่ hydride ion (H:-) แทนที่ –OH ในตำแหน่งที่ 2 ของ ribose Ribonucleotide reductase Ribonucleotide reductase: Fe-dependent Enzyme ที่สามารถสร้าง free radical และช่วยในการถ่ายเท H:- หรือ electron ได้ดี

Synthesis of Thymine nucleotide Thymine = pyrimidine deoxyribonucleotide Cells ไม่มีการ synthesis thymine ribonucleotides หรือไม่พบ free thymine ribonucleotide

Synthesis of Thymine nucleotide dTMP สังเคาระห์มาจาก dUMP (percurosr) Synthesis dUMP: route 1 Pi dCDP dCMP dUMP dCDPase dCMP deaminase Synthesis dUMP: route 2 dUTP dUMP dUTPase

CH3 จาก -carbon ของ serine ไปเติมที่ C5 ใน dUMP The thymine synthesis reaction.

กรณีลงทะเบียนผิดเงื่อนไข ให้ดำเนินการถอนกระบวนวิชา โดยได้รับอักษร W CMU CHIANG MAI UNIVERSITY เรื่องแจ้งให้ทราบ การลงทะเบียนกระบวนวิชา 211312 นักศึกษาต้องผ่าน 211311 211318 นักศึกษาต้องผ่าน 211317 กรณีลงทะเบียนผิดเงื่อนไข ให้ดำเนินการถอนกระบวนวิชา โดยได้รับอักษร W ภายในวันที่ 25 มกราคม 2551