Biochemie und Pathobiochemie: Pyrimidin-Stoffwechsel

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Allgemeines

Pyrimidinnukleotide bilden neben den Purinnukleotiden die Bausteine der DNA und RNA. UTP und CTP dienen weiterhin als Aktivatoren verschiedener Biomoleküle.

Pyrimidine bestehen aus einem aromatischen, stickstoffhaltigen, sechsgliedrigen Heterozyklus.

Übersicht

Übersicht: Stoffwechsel der Pyrimidine
HCO3−, PRPP, Asp, Glu ⇓ RNA UTP UDP UMP Uridin Uracil ⇒ ... ⇒ β-Alanin ⇓ ⇑ ⇑ RNA CTP CDP CMP Cytidin ⇑ ⇓ ⇑ DNA dCTP dCDP dCMP Desoxycytidin ⇑ ⇓ ⇓ ⇑ UDP ⇓ dUTP dUDP dUMP Desoxyuridin ⇒ ⇑ ⇓ DNA dTTP dTDP dTMP Desoxythymidin Thymin ⇒ ... ⇒ 3-Aminoisobutanoat
Farbcode: Thioredoxin, Folat.

Die Pyrimidinbiosynthese beginnt mit der Synthese von Uridin-5'-monophosphat (UMP). Aus UMP werden dann die anderen Pyrimidinnukleotide gebildet, wie in der Übersicht zu sehen. Nach links muß Energie (meist ATP) investiert werden, nach rechts erfolgt der Abbau.

Wichtige Cofaktoren im Pyrimidinstoffwechsel sind Thioredoxin und Folat (5,10-Methylen-THF). Ersteres wird für die Bildung von Desoxyribonukleotiden benötigt (DNA!), letzteres liefert die Methylgruppe für die Bildung der Thymin-Base im 2'-Desoxythymidin-5'-monophosphat (dTMP).

Betrachtet man nur die Basen, so entsteht Cytosin formal aus Uracil, indem der Sauerstoff am C-Atom 4 durch eine Aminogruppe substituiert wird. Thymin entsteht aus Uracil durch Anheftung einer Methylgruppe an das C-Atom 5.

Cytosin

⇐

Uracil

⇒

Thymin

Herkunft der Atome des Pyrimidingerüstes.

Benennung der Atome im Pyrimidin-Gerüst.

Biosynthese von UMP

All.	⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	HCO3−
+ PRPP - UTP	2 ATP, Glutamin 2 ADP, Pi, Glutamat				Carbamoylphosphat-Synthase II (Glutamin) Zytosol	6.3.5.5	Lig
	Carbamoylphosphat
	Aspartat Pi				Aspartat- Carbamoyltransferase Zytosol	2.1.3.2	Tr
	Carbamoylaspartat
- Orotat	H2O		H2O	Zn	Dihydroorotase Zytosol	3.5.2.3	Hyd
	Dihydroorotat
- UMP	O2 H2O2		O2 H2O2	FAD, FMN	Dihydroorotat-Dehydrogenase Mitochondrium	1.3.3.1	Ox
	Orotat
	PRPP PPi				Orotat-Phosphoribosyltransferase Zytosol	2.4.2.10	Tr	Orotacidurie I
	Orotidin-5'-monophosphat (OMP)
	CO2				Orotidin-5'-phosphat- Decarboxylase Zytosol	4.1.1.23	Ly	Orotacidurie I, Orotacidurie II
	Uridin-5'-monophosphat (UMP)

Beteiligte Enzyme

Die sechs Reaktionsschritte der de novo Pyrimidin-Biosynthese sind evolutionär hochkonserviert. Bei Bakterien werden sie jeweils von einzelnen Enzymen katalysiert. Beim Säugetier werden die ersten drei und die letzten beiden Schritte jeweils von einem multifunktionellen Enzym katalysiert. Die Proteine untergliedern sich in folgende enzymatisch aktiven Bestandteile:

• CAD:
  • Carbamoylphosphat-Synthetase (CPS II)
  • Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase)
  • Dihydroorotase
• Dihydroorotat-Dehydrogenase (DHOdhase)
• UMP-Synthetase (UMPS):
  • Orotat-Phosphoribosyltransferase (OPRT)
  • Orotidin-5'-phosphat-Decarboxylase (ODC)

Die Dihydroorotat-Dehydrogenase ist im Bereich der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert, die zwei anderen Proteine/Multienzymkomplexe finden sind im Zytosol.

Reaktionsschritte

Die ersten drei Schritte zur Bildung von Dihydroorotat werden vom CAD-Multienzymkomplex katalysiert.

Die zytosolische Carbamoylphosphat-Synthetase II bildet im 1. Schritt aus Bicarbonat, Glutamin und 2 ATP das Stickstoff- und Phosphathaltige Carbamoylphosphat und kontrolliert als Gatekeeper den Substratfluss durch diesen Biosyntheseweg. (Die Carbamoylphosphat-Synthetase I (CPS I) in den Lebermitochondrien produziert analog dazu Carbamoylphosphat für den Harnstoffzyklus.)

Die Aspartat-Carbamoyltransferase spaltet im 2. Schritt den Phosphatrest ab und nutzt die dabei frei werdende Energie, um die Aminosäure Aspartat anzulagern. Dabei entsteht Carbamoylaspartat. Aspartat bringt dabei das zweite Stickstoffatom und zwei Kohlenstoffatome mit für den zukünftigen Pyrimidin-Ring.

Die Dihydroorotase kondensiert nun im 3. Schritt die Carboxyl- und Aminogruppe unter Wasserabspaltung, wodurch das Ringsystem geschlossen wird. Dihydroorotat ist entstanden.

Im 4. Schritt oxidiert das in der inneren Mitochondrienmembran lokalisierte Flavoenzym Dihydroorotat-Dehydrogenase das Ringsystem, das dadurch eine zusätzliche dritte Doppelbindung erhält. Die Elektronen werden direkt über Ubichinon in die Atmungskette geschleust. Dabei entsteht Orotat.

Die letzten beiden Schritte werden von der UMP-Synthase katalysiert.

Die Orotat-Phosphoribosyltransferase (OPRT) verbindet im 5. Schritt Orotat mit dem Phosphoribosylrest von PRPP unter Abspaltung von Pyrophosphat zum Orotidin-5'-monophosphat (OMP).

Die Orotidin-5'-phosphat-Decarboxylase (ODC) decarboxyliert den Orotidin-Rest am C6-Atom, so das aus Orotidin-5'-monophosphat (OMP) Uridin-5'-monophosphat (UMP) wird.

Regulation

Kurzfristig wird der Substratfluss bedarfsorientiert vor allem allosterisch auf Höhe der Carbamoylphosphat-Synthase II reguliert. Das Endprodukt UTP wird dabei als Feedback-Hemmer. PRPP wirkt als Feedforward-Aktivator, vermutlich um die Pyrimidinbiosynthese auf die ebenfalls PRPP-abhängige Purinbiosynthese abzustimmen.

Um die UMP-Synthese mittelfristig an die DNA-Synthese bzw. Zellproliferation (Zellteilung) anzupassen kann CAD an zwei verschiedenen Stellen phosphoryliert werden. Die Phosphorylierung von CAD durch die MAP-Kinase (nach Stimulation des zellteilungsfördernden EGF-Rezeptors) vor Beginn der S-Phase (DNA-Synthesephase) senkt den Einfluss des allosterischen Hemmers UTP und erhöht den Einfluss des allosterischen Aktivators PRPP, so dass die UMP-Synthese drastisch gesteigert wird. Die Phosphorylierung an einer anderen Domäne des CAD-Proteins durch die Proteinkinase A am Ende der S-Phase führt wieder den ursprünglichen Zustand herbei. So kann die Produktion von DNA-Bausteinen selektiv für die S-Phase gesteigert werden.

Weiterhin erfolgt eine Regulation auf Höhe der Genexpression. Der Transkriptionsfaktor C-Myc erhöht dabei die Transkription von CAD am G1/S-Übergang des Zellzyklus. Umgekehrt wird CAD im Rahmen der Apoptose unter dem Einfluss von Caspasen abgebaut.

Eine Fehlregulation mit dauerhaft aktivierter Pyrimidinbiosynthese bei unkontrollierter Zellteilung spielt in der Karzinogenese (Krebsentstehung) eine Rolle.

Stoffwechsel der Uridinphosphate

Freisetzung von UDP aus der RNA

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	RNAn+1
	Pi RNAn				Polyribonukleotid- Nukleotidyltransferase	2.7.7.8	Tr
	Uridin-5'-diphosphat (UDP)

Dephosphorylierung von UTP zu UMP

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	Uridin- 5'-triphosphat (UTP)
	H2O PPi				Nukleosidtriphosphat- Diphosphatase	3.6.1.19	Hyd
	Uridin- 5'-monophosphat (UMP)

Von der RNA über Nukleotid und Nukleosid zur Base und vice versa

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	RNAn+1
	PPi RNAn		PPi RNAn		DNA-abh. RNA-Polymerase	2.7.7.6	Tr
	Uridin-5'-triphosphat (UTP)
	H2O Pi	1.2.	AMP ADP	Ca	1) Apyrase	3.6.1.5	Hyd
					2) Nukleosidtriphosphat--Adenylat-Kinase	2.7.4.10	Tr
	ADP ATP	oder	ADP ATP		oder Nukleosid-diphosphat-Kinase	2.7.4.6	Tr
	Uridin-5'-diphosphat (UDP)
	H2O Pi			/	Nukleosid-diphosphatase	3.6.1.6	Hyd
				Ca	Apyrase	3.6.1.5
	ADP ATP	oder	ADP ATP		oder Cytidylat-Kinase	2.7.4.14	Tr
	Uridin-5'-monophosphat (UMP)
	H2O Pi	1.2.	ADP ATP		1) 5'-Nukleotidase	3.1.3.5	Hyd
					2) Uridin-Kinase	2.7.1.48	Tr
	Uridin
	Pi Rib-1-P		Pi Rib-1-P		Uridin-Phosphorylase	2.4.2.3	Tr
	Uracil

Endgültiger Abbau von Uracil

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	Uracil
	NADPH/H+ NADP+		NADPH/H+ NADP+		Dihydropyrimidin-Dehydrogenase (NADP+)	1.3.1.2	Ox	DPD-Defizienz
	Dihydrouracil
	H2O		H2O		Dihydropyrimidinase	3.5.2.2	Hyd	DPYS-Defizienz
	3-Ureido-propionat
	H2O CO2, NH3				β-Ureidopropionase	3.5.1.6	Hyd	UPB1-Defizienz
	β-Alanin

Uridin wird in 3 Schritten zu β-Alanin abgebaut: durch Reduktion, hydrolytische Ringspaltung und Abspaltung des Carbamoyl-Restes in Form von Ammoniak und Kohlenstoffdioxid. Reaktionen und beteiligte Enzyme sind identisch zum Thymin-Abbau.

Biosynthese von CTP aus UTP

	⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	Uridin-5'-triphosphat (UTP)
+ GTP - CTP	ATP, Glutamin ADP, Pi, Glutamat				CTP-Synthetase	6.3.4.2	Lig
	Cytidin-5'-triphosphat (CTP)

DIE CTP-Synthetase katalysiert die ATP-abhängige Amidierung des Pyrimidin-Ringsystems am C₄-Atom. Den dafür benötigten Stickstoff liefert Glutamin.

Stoffwechsel der Cytidinphosphate

Freisetzung von CDP aus der RNA

All.	⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	RNAn+1
	Pi RNAn				Polyribonukleotid-Nukleotidyltransferase	2.7.7.8	Tr
	Cytidin-5'-diphosphat (CDP)

Von der RNA über Nukleotid zum Nukleosid (und vice versa) und bis zur Base

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	RNAn+1
	PPi RNAn		PPi RNAn		DNA-abh. RNA-Polymerase	2.7.7.6	Tr
	Cytidin-5'-triphosphat (CTP)
	H2O Pi			Ca	Apyrase	3.6.1.5	Hyd
	ADP ATP	oder	ADP ATP		oder Nukleosid-diphosphat-Kinase	2.7.4.6	Tr
	Cytidin-5'-diphosphat (CDP)
	H2O Pi			Ca	Apyrase	3.6.1.5	Hyd
	ADP ATP	oder	ADP ATP		oder Cytidylat-Kinase	2.7.4.14	Tr
	Cytidin-5'-monophosphat (CMP)
	H2O Pi	1.2.	ADP ATP		1) 5'-Nukleotidase	3.1.3.5	Hyd
					2) Uridin-Kinase	2.7.1.48	Tr
	Cytidin
	H2O NH3				Cytidin-Deaminase	3.5.4.5	Hyd
	Uridin
	Pi Rib-1-P		Pi Rib-1-P		Uridin-Phosphorylase	2.4.2.3	Tr
	Uracil

Uracil kann wiederverwertet oder zu β-Alanin abgebaut werden, wie oben dargestellt.

Biosynthese von dCDP aus CDP

⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
Cytidin-5'-diphosphat (CDP)
Red. Thioredoxin H2O, Thioredoxin-Disulfid			ATP, Fe	Ribonukleosid-diphosphat- Reduktase	1.17.4.1	Ox
2'-Desoxycytidin- 5'-diphosphat (dCDP)

Stoffwechsel der Desoxycytidinphosphate

Von der DNA über Nukleotid zum Nukleosid (und vice versa) und bis zur Base

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	DNAn+1
	PPi DNAn		PPi RNAn		DNA-abh. DNA-Polymerase	2.7.7.7	Tr
	2'-Desoxycytidin-5'-triphosphat (dCTP)
	ADP ATP		ADP ATP		Nukleosid-diphosphat-Kinase	2.7.4.6	Tr
	2'-Desoxycytidin-5'-diphosphat (dCDP)
			ADP ATP		Cytidylat-Kinase	2.7.4.14	Tr
	2'-Desoxycytidin-5'-monophosphat (dCMP)
	H2O Pi	1.2.	NDP NTP		1) 5'-Nukleotidase	3.1.3.5	Hyd
					2) Desoxycytidin-Kinase	2.7.1.74	Tr
	2'-Desoxycytidin
	H2O NH3				Cytidin-Deaminase	3.5.4.5	Hyd
	2'-Desoxyuridin
	Pi Desoxy-α-D-Rib-1-P				Purinnukleosid-Phosphorylase	2.4.2.1	Tr	PNP-Def.
					Thymidin-Phosphorylase	2.4.2.4	Tr	MTDPS1 (MNGIE)
	Uracil

Uracil kann wiederverwertet oder zu β-Alanin abgebaut werden, wie oben dargestellt.

Biosynthese von dUMP aus dCMP

⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
2'-Desoxycytidin-5'-monophosphat (dCMP)
H2O NH3				dCMP-Deaminase	3.5.4.12	Hyd
2'-Desoxyuridin-5'-monophosphat (dUMP)

Biosynthese von dUDP aus UDP

⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
Uridin-5'-diphosphat (UDP)
Red. Thioredoxin H2O, Thioredoxin-Disulfid			ATP, Fe	Ribonukleosid-diphosphat- Reduktase	1.17.4.1	Ox
2'-Desoxyuridin-5'-diphosphat (dUDP)

Stoffwechsel der Desoxyuridinphosphate

Von der DNA über Nukleotid zum Nukleosid (und vice versa) und bis zur Base

All.	⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	2'-Desoxyuridin-5'-triphosphat (dUTP)
	ADP ATP		ADP ATP		Nukleosid-diphosphat-Kinase	2.7.4.6	Tr
	2'-Desoxyuridin-5'-diphosphat (dUDP)
	ADP ATP		ADP ATP		dTMP-Kinase (Thymidylatkinase)	2.7.4.9	Tr
	2'-Desoxyuridin-5'-monophosphat (dUMP)
			ADP ATP		Thymidin-Kinase	2.7.1.21	Tr
	2'-Desoxyuridin
	Pi Desoxy-α-D-Rib-1-P				Purinnukleosid-Phosphorylase	2.4.2.1	Tr	PNP-Def.
					Thymidin-Phosphorylase	2.4.2.4	Tr	MTDPS1 (MNGIE)
	Uracil

Uracil kann wiederverwertet oder zu β-Alanin abgebaut werden, wie oben dargestellt.

Biosynthese von dTMP aus dUMP

⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
2'-Desoxyuridin-5'-monophosphat (dUMP)
N5,N10-Methylen-THF DHF				Thymidylat-Synthase	2.1.1.45	Tr
2'-Desoxythymidin-5'-monophosphat (dTMP)

Stoffwechsel der Desoxythymidinphosphate

Von der DNA über Nukleotid zum Nukleosid (und vice versa) und bis zur Base

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	DNAn+1
	PPi DNAn		PPi RNAn		DNA-abh. DNA-Polymerase	2.7.7.7	Tr
	2'-Desoxythymidin-5'-triphosphat (dTTP)
	H2O Pi			Ca	Apyrase	3.6.1.5	Hyd
	ADP ATP	oder	ADP ATP		oder Nukleosid-diphosphat-Kinase	2.7.4.6	Tr
	2'-Desoxythymidin-5'-diphosphat (dTDP)
	H2O Pi			Ca	Apyrase	3.6.1.5	Hyd
	ADP ATP	oder	ADP ATP		oder dTMP-Kinase (Thymidylat-Kinase)	2.7.4.9	Tr
	2'-Desoxythymidin-5'-monophosphat (dTMP)
	H2O Pi	1.2.	ADP ATP		1) 5'-Nukleotidase 2) Thymidinkinase	3.1.3.5 2.7.1.21	Hyd Tr
	Desoxythymidin
	Pi Desoxy-α-D-Rib-1-P				Thymidin-Phosphorylase	2.4.2.4	Tr	MTDPS1 (MNGIE)
	Thymin

Endgültiger Abbau von Thymin

All.	⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
	Thymin
	NADPH/H+ NADP+		NADPH/H+ NADP+		Dihydropyrimidin-Dehydrogenase (NADP+)	1.3.1.2	Ox	DPD-Defizienz
	5,6-Dihydrothymin
	H2O		H2O		Dihydropyrimidinase	3.5.2.2	Hyd	DPYS-Defizienz
	3-Ureidoisobutyrat
	H2O CO2, NH3				β-Ureidopropionase	3.5.1.6	Hyd	UPB1-Defizienz
	3-Aminoisobutanoat

Der Abbau von Thymin erfolgt analog zum Uracil-Abbau (vgl. oben).

Biologische Bedeutung der Pyrimidinnukleotide

Für die RNA-Biosynthese werden die Pyrimidinnukleotide CTP und UTP benötigt (Uracil ersetzt in der RNA das Thymidin der DNA), für die Synthese von DNA braucht die Zelle die Desoxynukleotide dCTP und dTTP. UTP wird zusätzlich für die Aktivierung von Glucose zu UDP-Glucose benötigt, z.B. für die Biosynthese von Glycogen und Glucuronsäure sowie den Galactose-Stoffwechsel. UTP aktiviert auch den Aminozucker N-Acetyl-D-Glucosamin-1-P zu UDP-N-Acetyl-D-Glucosamin. Analog wird Cholin mit CTP zu CDP-Cholin aktiviert, z.B. für die Biosynthese von Lecithin und der Aminozucker N-Acetylneuraminat (NANA) zu CMP-N-Acetylneuraminat.

Pharmakologie

5-Fluoruracil (5-FU), ein Thymidylat-Synthase-Hemmer.

Dihydrofolat-Reduktase-Hemmer wie Methotrexat (MTX) hemmen den Folat-Stoffwechsel global, indem sie die Bildung der biologisch aktiven Tetrahydrofolsäure (THF) aus Folsäure und Dihydrofolsäure (DHF) unterbinden (siehe dort). Dadurch kommt es zur Hemmung sowohl der Purin-Synthese als auch der Pyrimidin-Synthese (Thymidylat-Synthase). Die Depletion an Nukleotiden führt in der Folge zur Reduktion der Zellvermehrung, so dass über diesen Mechanismus z.B. die Proliferation von Immun- oder Krebszellen gebremst werden kann.

Eine selektive Blockade der Pyrimidin-Synthese ist mit Leflunomid möglich. Das Immunsuppressivum hemmt die Dihydroorotat-Dehydrogenase, die an der UMP-Biosynthese beteiligt ist. Als Basistherapeutikum wird es in der Behandlung von rheumatischen Erkrankungen angewandt.

Die Pyrimidin-Synthese kann weiterhin mit verschiedenen Pyrimidin-Analoga blockiert werden. Ein Beispiel ist 5-Fluoruracil (5-FU). Aufgrund seiner Ähnlichkeit mit den Nukleinbasen Uracil, Cytosin und Thymin inhibiert 5-FU die Thymidylat-Synthase. Eingesetzt wird es als Chemotherapeutikum v.a. bei Darmkrebs und Brustkrebs, sowie äußerlich bei Warzen.

Literatur

PMID 8650301 PMID 15096496

Weblinks

• KEGG: Pyrimidine metabolism - Homo sapiens (human)

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Allgemeine Hintergrundfarbe für Substrate	Hintergrundfarbe Reaktionspfeile	„Schlüsselenzyme“
Energiereiche Phosphate Reduktionsäquivalente	CO2 / HCO3− C1-Reste Stickstoff

Abk.: Tr.: Transkriptionelle Regulation, Tl.: Regulation der Translation, Lok.: Regulation über die Enzymlokalisation, Kov.: Regulation durch kovalente Modifikation, All.: Allosterische Regulation, Koop.: Kooperativer Effekt, Co.: Cofaktoren, EC: Enzymklassifikation, EG: Enzymgruppe (Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase, Isomerase, Ligase), Erkr.: Assoziierte Erkrankungen.

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