Purines et pyrimidines: biosynthèse

Les nucléotides sont des composés vitaux impliqués dans presque tous les processus biochimiques. Ils constituent les unités monomériques des acides nucléiques, l'ADN et l'ARN, essentiels au stockage et à l'expression de l'information génétique.

L'ATP, un nucléotide adénine, est le fournisseur universel d'énergie cellulaire, tandis que le GTP régule le mouvement des macromolécules. Les AMP et GMP cycliques agissent comme des régulateurs métaboliques, médiatisant l'action de nombreuses hormones. De plus, les nucléotides adénine sont des composants fondamentaux de coenzymes comme le NAD+, le NADP+, le FAD et le coenzyme A.

Une purine est un composé à 9 atomes (5 carbones et 4 azotes), dérivant d'un noyau purique, lui-même composé de deux cycles accolés : un noyau pyrimidine et un cycle imidazole. Les positions des carbones sont 2, 4, 5, 6, 8 et celles des azotes sont 1, 3, 7 et 9.

Une unité constituée d'une base unie à un ose est un nucléoside. Dans l'ARN, on trouve l'adénosine et la guanosine, et dans l'ADN, la désoxyadénosine et la désoxyguanosine. Un nucléotide est un nucléoside uni à un ou plusieurs groupes phosphates par des liaisons esters. Les nucléotides de l'ARN sont l'adénylate (AMP) et le guanylate (GMP), tandis que ceux de l'ADN sont le désoxyadénylate (dAMP) et le désoxyguanylate (dGMP).

La biosynthèse des purines nécessite plusieurs précurseurs essentiels. L'azote en position 1 est fourni par l'acide aspartique, et les azotes 3 et 9 par la glutamine. Les carbones 4, 5 et l'azote 7 proviennent de la glycine.

Les carbones 2 et 8 sont apportés par le N¹⁰-formyl-THF (tétrahydrofolate), et le carbone 6 par le CO₂. Ces molécules sont fondamentales pour la construction du cycle purique.

La biosynthèse de novo des purines débute par la formation du 5-phospho-D-ribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) à partir de ribose-5-phosphate et d'ATP, catalysée par la PRPP synthétase. Le groupe ribose-5-P du PRPP sert de noyau pour la construction du cycle purique.

La première étape d'engagement est la formation du 5'-phospho-β-D-ribosylamine. La glutamine-PRPP amidotransférase déplace le groupe pyrophosphoryl du PRPP par l'azote amide de la glutamine, rendant cette réaction irréversible via l'hydrolyse du PPi.

Ensuite, le groupe aminé de la phosphoribosylamine est acylé par la glycine, formant le glycinamide ribonucléotide avec consommation d'ATP. Le N¹⁰-formyl-THF transfère un groupe formyl, formant le formyl glycinamide ribonucléotide.

Un atome d'azote de la glutamine est transféré (étape dépendante de l'ATP), suivi d'une déshydratation et cyclisation pour former l'amino-imidazole ribonucléotide. Le premier cycle purique est ainsi formé.

Les étapes suivantes incluent la carboxylation par le CO₂, l'addition d'aspartate, l'élimination du fumarate, et une seconde formylation par le N¹⁰-formyl-THF. Enfin, une déshydratation et cyclisation, catalysée par l'IMP cyclohydrolase, conduit à la formation de l'inosine-5-monophosphate (IMP).

La biosynthèse de l'IMP est catalysée par des complexes poly-enzymatiques multifonctionnels. Ces complexes permettent une synthèse coordonnée d'enzymes consécutives, assurant un flux plus efficace des substrats vers le site catalytique suivant.

L'assemblage en un complexe lié, souvent plus stable que des interactions non covalentes, minimise les réactions annexes en réduisant la diffusion des intermédiaires dans le milieu. Chez les vertébrés, trois de ces complexes catalysent sept des dix étapes jusqu'à l'IMP.

• Biosynthèse de l'AMP et du GMP
• Mécanisme de l'addition tétraédrique
• Régulation de la synthèse des purines

L'IMP (inosine-5-monophosphate) sert de précurseur commun pour la synthèse des deux nucléotides puriques principaux : l'AMP (adénosine monophosphate) et le GMP (guanosine monophosphate). Cette conversion se déroule en deux réactions enzymatiques distinctes pour chaque nucléotide.

• La première étape implique la condensation du groupement amine de l'aspartate avec le groupement cétonique de l'IMP. Cette réaction est catalysée par l'adénylosuccinate synthétase et nécessite du GTP.
• L'intermédiaire formé, l'adénylosuccinate, subit ensuite une élimination de fumarate pour produire de l'AMP. Cette réaction est catalysée par l'adénylosuccinase, l'enzyme qui catalyse également la 8ème étape de la synthèse de novo de l'IMP.

• La synthèse du GMP débute par l'oxydation de l'IMP en XMP (xanthosine monophosphate), catalysée par l'IMP déshydrogénase en présence de NAD⁺ et d'eau.
• Dans une seconde étape, sous l'action de la GMP synthétase et en présence d'ATP, l'azote amide de la glutamine remplace l'oxygène en C2 du XMP, formant ainsi le GMP.

Les conversions d'IMP en GMP et AMP, ainsi que d'autres réactions similaires (comme la transformation d'UTP en CTP), reposent sur un mécanisme d'addition tétraédrique. Ce mécanisme consiste en l'activation par phosphorylation d'un oxygène lié à un carbone, suivie d'une attaque nucléophile du groupement phosphoryle par l'ammoniac ou une amine. Cela permet de remplacer l'oxygène du carbonyle par un groupement aminé.

La synthèse des purines est finement régulée à plusieurs niveaux par des mécanismes de rétro-inhibition allostérique, assurant un équilibre adéquat des nucléotides dans la cellule.

• La PRPP synthétase, enzyme initiale de la biosynthèse, est inhibée allostériquement par l'IMP, l'AMP et le GMP.
• La glutamine-PRPP-amidotransférase, enzyme d'engagement de la voie, est également rétro-inhibée par l'IMP, l'AMP et le GMP.
• Les réactions de conversion de l'IMP sont aussi régulées :
  • L'adénylosuccinate synthétase est inhibée par l'AMP.
  • L'IMP déshydrogénase est inhibée par le GMP et le XMP.
• Une réciprocité des substrats est observée : l'ATP est un substrat pour la synthèse du GMP, et le GTP est un substrat pour la synthèse de l'AMP, ce qui contribue à maintenir l'équilibre entre ces deux nucléotides.

Ce chapitre aborde la biosynthèse des pyrimidines, des molécules essentielles aux acides nucléiques et à d'autres processus cellulaires. Nous verrons leurs précurseurs, les étapes clés de leur synthèse, et comment leur production est finement régulée.

• Pyrimidines: structure et importance
• Précurseurs de la biosynthèse
• Biosynthèse de l'UMP (Uridine Monophosphate) en six étapes clés, avec les enzymes associées :
  • Carbamyl-phosphate synthétase cytosolique (CPS)
  • Aspartate transcarbamylase (ATCase)
  • Dihydro-orotase (DHO)
  • Dihydro-orotate déshydrogénase (DHD)
  • Orotate phosphoribosyl transférase (OPRT)
  • Orotidylate décarboxylase (OD)
• Rôle des enzymes multifonctionnelles
• Régulation allostérique de l'ATCase

• Les pyrimidines sont des molécules à un seul noyau hétérocyclique à six atomes : quatre carbones (en positions 2, 4, 5, 6) et deux azotes (en positions 1 et 3).
• Il existe trois bases pyrimidiques principales : la cytosine, l'uracile et la thymine.
• L'uracile est spécifique de l'ARN, tandis que la thymine est spécifique de l'ADN.
• La cytosine se trouve dans l'ADN et l'ARN.

• Les précurseurs du noyau pyrimidique sont le bicarbonate pour le carbone en position 2, la glutamine pour l'azote en position 3, et l'aspartate pour les carbones en positions 4, 5, 6 et l'azote en position 1.

• La biosynthèse de novo des pyrimidines est plus simple et consomme moins d'ATP que celle des purines.
• Contrairement aux purines, le cycle pyrimidique est formé avant l'association avec le phosphoribosylpyrophosphate (PRPP).

• La Carbamyl-phosphate synthétase cytosolique (CPS) catalyse la formation du carbamyl-phosphate à partir d'ATP, de bicarbonate et de la glutamine.
• Cette enzyme est cruciale pour l'engagement dans la synthèse des pyrimidines et est soumise à une régulation allostérique.

• L'Aspartate transcarbamylase (ATCase) transfère le groupe carbamyl du carbamyl-phosphate à l'aspartate, formant le carbamyl aspartate.
• C'est une enzyme allostérique clé dont l'activité est régulée par le CTP (inhibiteur) et l'ATP (activateur).

• La Dihydro-orotase (DHO) catalyse la cyclisation du carbamyl aspartate en dihydro-orotate, formant ainsi le cycle pyrimidique.

• La Dihydro-orotate déshydrogénase (DHD) oxyde le dihydro-orotate en orotate, utilisant le NAD⁺.

• L'Orotate phosphoribosyl transférase (OPRT) fixe le PRPP à l'orotate pour donner l'orotidine-5-phosphate, ou OMP.

• L'Orotidylate décarboxylase (OD) décarboxyle l'OMP en uridylate (UMP), un précurseur essentiel de l'ARN.

• Chez les mammifères, la biosynthèse des pyrimidines implique deux enzymes plurifonctionnelles.
• Le complexe dihydro-orotate synthase (CAD) catalyse les étapes 1, 2 et 3 (CPS, ATCase, DHO).
• L'UMP synthétase catalyse les étapes 5 et 6 (OPRT, OD).
• Ce regroupement enzymatique offre des avantages comme la coordination de la synthèse, une stabilité accrue et une canalisation efficace des substrats.

• La régulation de la synthèse des pyrimidines se fait principalement au niveau de l'ATCase et de la CPS cytosolique.
• Le CTP, produit final de la voie, est un inhibiteur allostérique de l'ATCase, empêchant une production excessive.
• L'ATP, indicateur de l'état énergétique de la cellule, est un activateur allostérique de l'ATCase, favorisant la synthèse lorsque l'énergie est disponible.

La formation du CTP (Cytidine triphosphate) à partir de l'UMP (Uridylate monophosphate) se déroule en trois étapes. D'abord, l'UMP est phosphorylé en UDP (Uridine diphosphate) par l'uridylate kinase, puis l'UDP est phosphorylé en UTP (Uridine triphosphate) par une nucléoside diphosphate kinase, consommant deux molécules d'ATP.

Ensuite, la CTP synthétase catalyse le transfert de l'azote amide de la glutamine vers le C4 de l'UTP, remplaçant un oxygène du carbonyle par un groupe aminé pour produire le CTP. Cette enzyme est allostérique et est inhibée par son propre produit, le CTP, permettant une régulation fine de la synthèse.

Les désoxyribonucléotides, nécessaires à la synthèse de l'ADN, sont formés par réduction des ribonucléotides. Cette réduction s'effectue sur les nucléotides diphosphates (UDP, CDP, ADP et GDP) grâce à un système enzymatique complexe.

Le complexe ribonucléotide diphosphate réductase est une protéine tétramérique composée de deux sous-unités R1 (site catalytique) et R2 (contenant un radical tyrosine). Ce complexe transforme les XDP en dXDP. La thiorédoxine, une petite protéine contenant deux cystéines, forme un pont disulfure sous sa forme oxydée et joue un rôle clé dans le transfert d'électrons.

La thiorédoxine réductase, une flavoprotéine dépendante du NADPH, H+, réduit la thiorédoxine oxydée, assurant son recyclage. Les électrons nécessaires à la réduction des ribonucléotides diphosphates sont fournis par le NADPH via cette chaîne de transport, permettant la conversion du ribose en désoxyribose.

La synthèse du thymidylate (dTMP), essentiel pour l'ADN, débute à partir de l'UMP. L'UMP est d'abord phosphorylé en UDP, puis réduit en dUDP. Ce dUDP est ensuite déphosphorylé en dUMP (désoxyuridine monophosphate).

La méthylation du dUMP en dTMP est catalysée par la thymidylate synthase. Le donneur de groupement méthyle est le N5-N10 méthylène tétrahydrofolate, qui est oxydé en 7,8 dihydrofolate lors de la réaction. La dihydrofolate réductase catalyse la régénération du tétrahydrofolate, un transporteur de fragments monocarbonés, à partir du dihydrofolate.

Le 5-fluoro-uracile est un inhibiteur suicide de la thymidylate synthase. Il est métabolisé en 5-fluoro-dUMP, qui se fixe de manière irréversible à l'enzyme, bloquant la méthylation du dUMP en dTMP et, par conséquent, la synthèse de l'ADN.

Le méthotrexate et l'aminoptérine sont des inhibiteurs compétitifs puissants de la dihydrofolate réductase. Ils empêchent la régénération du tétrahydrofolate, réduisant la disponibilité du donneur de groupement méthyle et inhibant indirectement la synthèse de dTMP. Ces agents sont utilisés en chimiothérapie pour traiter les cancers à prolifération rapide, mais entraînent des effets secondaires toxiques en raison de leur impact sur les cellules saines.

Le triméthoprime est un analogue de l'acide folique utilisé comme antibactérien et anti-protozoaire. Il cible sélectivement la dihydrofolate réductase des micro-organismes, avec une affinité beaucoup plus faible pour l'enzyme des mammifères, ce qui explique sa spécificité antimicrobienne. Il est souvent associé au sulfométhoxazole pour former le Bactrim.