METABOLISME PURIN DAN PIRIMIDIN NUKLEOTIDA H. Mohammad Hanafi MBBS.dr.MS.

Kegunaan Biomedis Sebagai sumber energi (ATP dll) Bagian dari koenzim Sebagai regulator dan 2nd messenger (cAMP dan cGMP) Sebagai penyusun RNA dan DNA

Semua sel dalam tubuh dapat mensin- tesa purin dan pirimidin. Asam nukleat dari makanan akan di- katabolisme menjadi asam urat (purin) dan β-alanin atau β-amino isobutirat (pirimidin) dan CO2, NH3. Tidak ada purin atau pirimidin dari makanan yang digabung dgn asam nukleat jaringan.

Purin

Pirimidin

NUKLEOSIDA

Nukleosida yang lain

Nukleotida

Nukleotida yang lain

Basa Nukleosida Nukleotida

Polinukleotida Terikat dgn 3’-5’ fosfodiester DNA double stranded anti paralel

De novo sintesa Purin nukleotida

Basa purin disintesa dalam bentuk nukleotida Ribosa 5-fosfat dengan ATP akan membentuk 5-fosforibosil 1-pirofosfat (PRPP) Enzim yg mengkatalisa : PRPP sintase Terjadi dalam banyak jaringan PRPP berfungsi : juga dlm sintesa pirimidin, “salvage pathways”, NAD dan NADP Dipengaruhi oleh : Di dan Tri fosfat, 2,3 DP Gliserat

Pembentukan IMP 1.PRPP + glutamin  5-fosforibosilamin (PRA) (glutamin-PRPP amidotransferase). 2.Gugus amino  asilasi oleh glisin  glisinamid ribonukleotida (GAR) (GAR sintase) 3.Gugus formil dari 10-formiltetrahidrofolat pada N-7 menjadi Formilglisinamid ribonukleotida (FGAR) ( GAR transformilase) 4.Amida diubah menjadi amidin, memerlukan ATP, glutamin sebagai sumber N  formilglisinamidin ribonukleotida (FGAM) (FGAM sintase)

5.Penutupan cincin (5), memerlukan ATP  aminoimidazol ribonukleotida (AIR) (AIR sintase) 6.Pengikatan CO2 pada C-5, yang akan membentuk C-6,  karboksiimidazol ribonukleotida (CAIR) (AIR karboksilase). Tidak memerlukan biotin. CO2 mula-mula diikatkan pada N-3, kemudian dipindah terikat pada C-5. Perlu ATP 7 dan 8. Aspartat berkondensasi dengan karboksilat yang baru terbentuk menjadi suatu amida, aminoimidazol suksinilokarboksamida ribonukletida (SAICAR) (SAICAR sintase). Fumarat dipecah oleh enzim adenilosuksinat liase dan menghasilkan amino-imidazol karboksamida ribonukleotida (AICAR)

9.Menyerupai tahap ketiga, 10-formiltetrahidrofolat menyerahkan gugus formil (-CH=O) pada gugus amino (N-3) dari aminoimidazol karboksamida ribonukleotida. (AICAR transformilase) 10.Nitrogen dari amida berkondensasi dengan gugus formil, dan menutup cincin (6 sudut) purin. (IMP siklohidrolase) Mulai tahap ke 1 hingga ke 10 memerlukan 5 ATP, selain itu pembentukan PRPP juga memerlukan ATP. (Untuk mengubah glutamat Menjadi glutamin juga perlu ATP)

+

Ringkasan de novo sintesa purin nukleotida

Pembentukan AMP dan GMP IMP dapat diubah menjadi AMP atau GMP GMP. IMP dioksidasi menjadi XMP (xanthosine) memerlukan NAD+ (IMP dehidrogenase) O pada 2 diganti N (glutamin). Perlu ATP (GMP sintetase) AMP.IMP dpt N (aspartat) mengganti O pd pos. 6. (adenilosuksinat sintase)Perlu GTP. Fumarat lepas. (adenilosuksinat liase)

Mekanisme kontrol pada de novo sintesa purin nukleotida Fase pertama : thd amidotransferase (oleh inhibitor-inhibitor dan atau PRPP) Pengaturan kadar ATP dan GTP (ATP diperlukan dlm sintesa GMP GTP diperlukan dlm sintesa AMP) Ada beberapa “feedback inhibition”

Feedback Inhibition in Purine Nucleotide Biosynthesis

Katabolisme dan “salvage” purin nukleotida Dalam usus : asam nukleat oleh ribonuklease atau deoksiribonuklease  polinukleotida nukleotida (fosfodiesterase)  nukleosida (nukleosidase) :  basa pur / pir + ribosa (lumen usus)  basa pur / pir + Ribose 1-fosfat (dR 1-P) (dlm sel: nukleosid fosforilase) Basa Pur / Pir  dipecah (usus, hepar)  “salvage”  nukleotida R 1-P (dR 1-P)  R 5-P (dR 5-P) R 5-P  PRPP  MHP Shunt

Allopurinol menghambat Xanthine oksidase dan Xanthine dehidrogenase

Santin (Xanthine) oksidase : pd mammalia adalah enzim ekstra selluler. Mungkin suatu perubahan bentuk dari santin (xanthine) dehidrogenase (enzim intra selluler)

Daur “salvage” (daur penyelamatan daur ulang): Adeninfosforibosiltransferase (APRT) Hiposantin-guanin fosforibosiltransferase (HGPRT)

Purin nukleotida fosforilase (arah kebalikan) dapat juga melakukan “salvage” (tidak signifikan).

Sintesa AMP dari IMP, dan “salvage” IMP melalui katabolisme AMP menghasilkan aspartat menjadi fumarat. Siklus ini penting dalam otot. Aktivitas otot meningkat, perlu ATP, TCA Cycle perlu lebih aktif, perlu senyawa antara (anggota siklus). Otot kekurangan enzim-enzim anaplerotik.

Dalam otot

Masalah klinik metabolisme purin Gout : Hiperurikemia, NaUrat mengendap dalam cairan sinovial  inflamasi, artritis. Lesch-Nyhan sindrom: gejala gout, mal- fungsi syaraf (retardasi mental), pada yg parah  “self-mutilation”. Meninggal sebelum mencapai usia 20 th. Kehilangan fungsi gene HGPRT. Aktivitas enzim < 1%. Sex-linked. Ekskresi urat > 6x. Sintesa purin de novo +++ (Hiposantin dan guanin  urat, PRPP  de novo sintesa (bisa untuk “salvage”.

Severe combine immunodeficiency disease ( SCID) SCID kekurangan adenosin deaminase (ADA). (adenosin  inosin). Limfosit B dan T rusak. Tidak ada ADA dAdenosin  dATP dATP tinggi (50x) menghambat sintesa DNA. tidak bisa poliferasi. Penderita meninggal sebelum mencapai 1 th. Penyakit Von Gierke’s. Kekurangan glukosa 6 fosfatase  G 6P ↑  HMP Shunt  Ribosa 5P  PRPP  Purin  Asam urat

Pirimidin

De novo sintesa Pirimidin nukleotida Lebih sederhana dari sintesa purin PRPP ditambahkan setelah cincin pirimidin terbentuk. Cincin pirimidin berasal dari : Bikarbonat ( C-2 ), Amida glutamin ( N-3 ), aspartat ( C-4, C-5, C-6 dan N-1 ) Ada 6 tahap

Tahap pertama : Glutamin + Bikarbonat + 2ATP Karbamoil fosfat + glutamat + 2ADP + Pi Enzim , karbamoil fosfat sintase II (CPS II), Berbeda dengan CPS I pada sintesa urea. -Memakai glutamin -Tidak perlu N-asetil glutamat Tahap kedua : Gugus karbamoil yg aktif di- transfer ke N dari aspartat  karbamoil aspartat (aspartat transkarbamoilase ATCase) Tahap ketiga : Penutupan cincin (dihidroorotase) (enzim-enzim di sitoplasma)

Tahap keempat : dihidroorotat dioksidasi menjadi orotat (dihidroorotat dehidrogenase), dipermu- kaan luar membran dalam mitokhondria Belum banyak diketahui, suatu enzim- kompleks. Tahap kelima : Orotat + PRPP  Orotidin 5’-monofosfat (OMP) + PPi (orotatfosforibosil transferase O-PRT) Tahap keenam : OMP mengalami dekarbok- silasi  Uridin 5’-monofosfat (UMP) (OMP dekarbosilase)

Pembentukan CTP UMP + ATP  UDP + ADP (uridilat kinase) UDP + ATP  UTP + ADP (nukleosida difosfat kinase) UTP + ATP  CTP (CTP sintase) CTP sintase dihambat oleh CTP (feeback inhibition) CTP juga dapat menghambat “secara parsial” Aspartat transkarbamoilase (ATCase) Kadar CTP terkontrol sesuai dengan kebutuhan

UMP  UDP (ATP ADP) UDP  UTP (ATP ADP)

Mekanisme kontrol pada de novo sintesa pirimidin nukleotida Pada manusia : terutama pada CPSII Dihambat oleh : UTP (UMP) Diaktivasi oleh : PRPP OMP dekarboksilase : dihambat oleh UMP dan CMP (pada keadaan normal tidak penting)

Kontrol sintesa Pirimidin di E. Coli

Salvage pathways (daur ulang) pirimidin nukleotida. Pemecahan asam nukleat (tahap awal) sama dengan purin. Ada dua tahap: 1.Basa + ribosa 1-fosfat  Nukleosida + Pi (nukleosida fosforilase) 2.Nukleosida + ATP  Nukleotida + ADP (nukleosida kinase)

Interkonversi Nukleotida Basa-monofosfat + ATP  Basa-difosfat + ADP (nukleosida monofosfat kinase) AMP + ATP  2 ADP (adenilat kinase) Monofosfat hasil de novo sintesa, yang paling banyak diperlukan adalah bentuk trifosfat. Nukleosida difosfat kinase (spesifitas luas) BDP + ATP  BTP + ADP

Pembentukan deoksiribonukleotida De novo sintesa dan sebagian besar jalur “salvage” melibatkan nukleotida (kecuali timin, sedikit sekali lewat jalur “salvage” BDP direduksi pd pos. 2’ ribosa  dBDP Enzim : nukleosida difosfat reduktase tioredoksin (thioredoxin) Tioredoksin teroksidasi + NADPH  HS-T-SH + NADP

Enzim : Nukleotida difosfat reduktase Inhibitor dATP Aktivator : ATP (nonspesifik) Aktivator spesifik : BTP atau dBTP Kebutuhan untuk pembentukan DNA terpenuhi

Sintesa dTMP dTMP (dTTP) tidak dibentuk dlm sintesa de novo; alur “salvage” tidak cukup CDP  dCDP  dCMP  dUMP  1 2 3 dTMP  dTTP 1=nukleosida difosfat reduktase 2=dCMP deaminase 3=timidilat sintetase

Hubungan sintesa timidilat dan metabolisme tetrahidrofolat

Katabolisme pirimidin nukleotida Tahapan awal = purin CMP dan UMP  β-alanin + CO2 + NH3 dTMP  β-amino isobutirat + CO2 + NH3 Hasil katabolisme bisa masuk ke TCA Cycle β-alanin  Asetil-KoA β-amino isobutirat  Suksinil-KoA Pada bakteri : β-alanin  KoA

KELAINAN METABOLISME PIRIMIDIN Hasil akhir metabolisme pirimidin larut dalam air, tidak banyak kelainan yang disebabkannya. Ada dua penyakit bawaan (mempengaruhi sintesa pirimidin)  ↑ eksresi asam orotat (orotat aciduria). Kelainan ini disebabkan karena kekurangan enzim yang mempunyai dua fungsi sebagai : Orotat fosforibosil transferase OMP dekarboksilase

Gejala dan tanda-tanda : hambatan pertumbuhan (retarded growth) anemia berat hipokhromik sumsum tulang megaloblastik (megaloblastic bone marrow). Leukopeni juga sering dijumpai. Kelainan ini bisa diobati dengan uridin dan atau sitidin. Uridin &/ sitidin  ↑ UMP (nukleosida kinase). UMP akan menghambat CPS II, dengan demikian mengurangi pembentukan asam orotat.

Khemoterapi Kanker, pembelahan sel tak terkontrol Khemoterapi : menghentikan pembelahan dan membunuh sel 5-fluoro deoksiuridin monofosfat ( FdUMP ) menghambat timidilat sintase (thydimidylate synthase) secara irriversibel. Tapi karena FdUMP bermuatan, senyawa ini tidak bisa masuk ke dalam sel. Yang diberikan pada pasen adalah 5-fluoro urasil ( FUra) atau 5-fluorodeoksiuridin (FdUrd). Setelah FUra dan FdUrd massuk kedalam sel akan diubah menjadi FdUMP melalui jalur “salvage”.

Metotreksat (methotrexate= 4-amino, 10-methyl folic acid) dan aminopterin ( 4-amino folic acid) adalah analog asam folat. Dapat menghambat  dihidrofolat reduktase. menghambat sintesa de novo nukleotida purin dan dTMP. Kedua senyawa tersebut sangat toksik dan diberikan dibawah pengawasan yang ketat.

4-amino folat 4-amino, 10metil folat