H10_Metabolisme van basen en nucleotiden.pptx

# Metabolisme van basen en nucleotiden Dit hoofdstuk behandelt de centrale rol van nucleotiden in het metabolisme, inclusief hun bouwstenen en functies, de synthese van purines en pyrimidines (zowel de novo als via salvage pathways), de regulatie van deze processen en medische toepassingen van antimetabolieten. ## 1.1 Nomenclatuur van basen, nucleosiden en nucleotiden Nucleotiden zijn fundamentele bouwstenen van nucleïnezuren en spelen diverse rollen in het metabolisme, zoals het zijn van dragers van nuttige groepen, geactiveerde bouwstenen, regulatoren van metabole flux en lokale hormonen (bv. cAMP). * **Nucleotiden:** Bestaan uit een stikstofbase (purine of pyrimidine), een pentose (ribose of deoxyribose) en één of meer fosfaatgroepen. * **Nucleosiden:** Bestaan uit een stikstofbase en een pentose. * **Basen:** Purines (adenine, guanine) en pyrimidines (cytosine, thymine, uracil). ## 1.2 Synthese van purines en pyrimidines Er zijn twee hoofdroutes voor de synthese van nucleotiden: de novo synthese en de salvage pathway. ### 1.2.1 De novo synthese van purines De purinesynthese vindt plaats door de atoom-voor-atoom opbouw van het purineskelet op ribose-5-fosfaat. Dit proces verloopt in het cytoplasma en maakt gebruik van een geactiveerde bouwsteen, 5’-fosforibosyl-1’-pyrofosfaat (PRPP). * **Bouwstenen:** Glycine en serine leveren koolstofatomen, terwijl glutamine en aspartaat stikstofgroepen leveren. CO$_2$ draagt ook bij aan het skelet. * **Geactiveerde bouwsteen:** PRPP wordt gevormd uit ribose-5-fosfaat (afkomstig uit de pentosefosfaatweg) en ATP. * **Reacties:** De synthese begint met de vorming van 5-fosforibosyl-1-amine (PRA) uit PRPP en glutamine. Vervolgens worden stappen uitgevoerd die leiden tot inosine monofosfaat (IMP). * **Regulatie:** De de novo purinesynthese wordt gereguleerd door negatieve feedback. IMP, AMP en GMP remmen de eerdere stappen in de synthese. Ook de flux naar AMP en GMP vanuit IMP wordt gereguleerd. * **Metabolonen (Purinosoom):** De enzymen betrokken bij de purinesynthese zijn vaak geassembleerd in een supramoleculair complex, het purinosoom. Dit verhoogt de efficiëntie, voorkomt verlies van instabiele intermediairen en beschermt tegen competitie van andere pathways. Het purinosoom kan zich ontbinden en opnieuw vormen, afhankelijk van de purineconcentratie in de cel. ### 1.2.2 De novo synthese van pyrimidines De pyrimidinesynthese begint met de vorming van de pyrimidinebase, waarna deze aan ribose-5-fosfaat wordt gekoppeld. * **Eerste fase:** Carbamoüülfosfaat (gevormd uit CO$_2$, glutamine en ATP via carbamoüülfosfaatsynthase II) reageert met aspartaat om carbamoüülaspartaat te vormen. Dit wordt vervolgens gedehydrateerd tot dihydro-orotaat. Dihydro-orotaat wordt geoxideerd tot orotaat, gekatalyseerd door dihydro-orotaat dehydrogenase. * **Tweede fase:** Orotate wordt gekoppeld aan PRPP om orotidylaat te vormen. Orotidylaat wordt vervolgens omgezet in uridylaat (UMP). UMP kan worden gefosforyleerd tot UDP en UTP, wat de voorloper is van CTP. UDP kan ook gereduceerd worden tot dUDP, dat de weg inslaat naar dTMP en dTTP, essentieel voor DNA-synthese. * **Multifunctionele enzymen:** Een trifunctioneel enzym (CAD-enzym bij de mens), dat carbamoüülfosfaatsynthase II, aspartaattranscarbamoylase en dihydro-orotase activiteit bevat, katalyseert de eerste drie stappen van de de novo pyrimidinebiosynthese. ### 1.2.3 Salvage pathways Salvage pathways maken gebruik van reeds bestaande vrije basen om nucleotiden te regenereren. Dit is een efficiënte methode die afval bespaart. * **Principe:** Vrije basen (afkomstig uit de afbraak van nucleïnezuren of uit de voeding) worden door specifieke enzymen teruggekoppeld aan PRPP om het corresponderende nucleotide te vormen. * **Voordeel:** De salvage pathway is een zeer korte route (vaak één transferstap) en is daarom energie-efficiënter dan de novo synthese. > **Tip:** De novo synthese is een energie-intensieve, lange route die cruciaal is voor snelgroeiende cellen die grote hoeveelheden nucleotiden nodig hebben. Salvage pathways zijn essentieel voor cellen die minder snel groeien of in een omgeving met voldoende vrije basen. ## 1.3 Regulatie van metabolisme van basen en nucleotiden Regulatie van de nucleotiden- en basenhuishouding is essentieel om aan de cellulaire behoeften te voldoen zonder overmatige productie. * **De novo purinesynthese:** Gereguleerd door allosterische feedbackremming door de eindproducten (AMP, GMP) op de vroege enzymen. * **Ribonucleotidereductase (RNR):** Dit enzym is cruciaal voor de synthese van deoxyribonucleotiden, de bouwstenen van DNA. De activiteit van RNR wordt nauwkeurig gereguleerd om een balans te bewaren tussen de verschillende deoxyribonucleotiden. Base-specifieke regulatie is cruciaal om overproductie te voorkomen en flexibiliteit in DNA-synthese te garanderen. * **Thyminesynthese:** De omzetting van dUDP naar dTMP (via dUMP) is een complex proces dat essentieel is voor DNA-synthese. Dit proces omvat methylering en vereist foliumzuurderivaten. > **Tip:** Een optimale balans van deoxyribonucleotiden is van vitaal belang voor de stabiliteit en integriteit van het DNA. Onevenwichtigheden kunnen leiden tot mutaties. ## 1.4 Van ribose naar desoxyribose en van uracil naar thymine Deze omzettingen zijn cruciaal voor DNA-synthese. * **Ribonucleotidereductase:** Katalyseert de reductie van ribonucleosidedifosfaten (NDP's) tot deoxyribonucleosidedifosfaten (dNDP's). Dit proces is een belangrijk aangrijpingspunt voor antimetabolieten in chemotherapie. * **Thyminesynthese:** De synthese van thymine (dTMP) uit dUMP is een sleutelstap voor DNA. Dit proces omvat de methylering van dUMP, waarbij een C1-eenheid (vaak afkomstig van N5,N10-methylenetetrahydrofolaat) wordt overgedragen. Thymine wordt in DNA gebruikt in plaats van uracil om spontane deaminatie van cytosine te compenseren. Deaminatie van cytosine leidt tot uracil; indien dit in het DNA zou worden ingebouwd, zou dit niet herkend worden als een fout, leidend tot mutaties. Thymine wordt wel herkend als een afwijkende base. ## 1.5 Antimetabolieten en hun medische toepassingen Antimetabolieten zijn moleculen die lijken op natuurlijke metabolieten en de metabole processen kunnen verstoren, waardoor ze waardevolle geneesmiddelen zijn. ### 1.5.1 Purineanalogen als antimetabolieten * **Antivirale geneesmiddelen:** Sommige purineanalogen worden gebruikt om virale infecties te behandelen. Ze kunnen de virale replicatie remmen door in te werken op virale enzymen. * **Transplantatie (immunosuppressie):** Azathioprine is een purine-analoog dat wordt gebruikt als immunosuppressivum na orgaantransplantaties om afstoting te voorkomen. Het remt de proliferatie van immuuncellen. * **Jicht (secundaire preventie):** Allopurinol is een purine-analoog dat de werking van xanthinedehydrogenase remt. Dit leidt tot een verminderde productie van urinezuur, wat nuttig is bij de behandeling van jicht. ### 1.5.2 Pyrimidineanalogen als antimetabolieten * **Chemotherapie bij kanker:** Pyrimidineanalogen, zoals 5-fluorouracil (5-FU) en methotrexaat, zijn belangrijke middelen in de kankerbehandeling. * **Methotrexaat:** Is een foliumzuur-analoog en een competitieve remmer van dihydrofolaatreductase (DHFR). DHFR is essentieel voor de regeneratie van tetrahydrofolaat, een cofactor die nodig is voor de synthese van thymine en purines. Door DHFR te remmen, wordt de DNA-synthese en dus de celdeling van kankercellen verstoord. * **5-Fluorouracil (5-FU):** Is een "zelfmoordinhibitor" van thymidylaatsynthase. Het interfereert covalent met het enzym, waardoor de aanmaak van thymine wordt geblokkeerd. Dit leidt tot een tekort aan thymidinetrifosfaat (dTTP) en remt de DNA-synthese. Zelfmoordinhibitoren zijn vaak krachtiger dan competitieve inhibitoren omdat ze het enzym permanent uitschakelen. * **Behandeling van herpes labialis:** Acyclovir is een guanosine-analoog die wordt gebruikt voor de behandeling van herpesvirussen. > **Tip:** De toxiciteit van veel antimetabolieten, zoals methotrexaat en 5-FU, is niet volledig selectief voor kankercellen. Ze beïnvloeden ook andere snel delende cellen in het lichaam, zoals beenmergcellen, haarzakjes en epitheelcellen van het maagdarmkanaal, wat leidt tot bijwerkingen zoals bloedarmoede, leukopenie, haaruitval en diarree. ### 1.5.3 Mechanisme van resistentie tegen antimetabolieten Tumoren kunnen resistentie ontwikkelen tegen antimetabolieten via verschillende mechanismen: * **Genamplificatie:** Verhoogde productie van het doelwitenzym (bv. DHFR) door amplificatie van het corresponderende gen. Hierdoor is er meer enzym beschikbaar dat door de inhibitor kan worden geremd, waardoor de effectiviteit van het medicijn afneemt. * **Veranderde enzymkinetiek:** Mutaties in het doelwitenzym kunnen de affiniteit voor de inhibitor verminderen. * **Verhoogde activiteit van salvage pathways:** De cel kan efficiënter gebruik maken van salvage pathways om nucleotiden aan te maken. ## 1.6 Samenvatting Het metabolisme van basen en nucleotiden is een complex maar essentieel proces. De cel beschik over efficiënte mechanismen voor de novo synthese en salvage van deze moleculen. De regulatie van deze pathways is cruciaal voor cellulaire homeostase. Antimetabolieten, die de normale metabole processen verstoren, hebben talrijke medische toepassingen, met name in de behandeling van kanker, virale infecties en auto-immuunziekten. Onderzoek naar deze gebieden blijft cruciaal voor de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde therapieën. --- # De novo synthese van purines en pyrimidines Dit gedeelte behandelt de stapsgewijze opbouw van purine- en pyrimidinebasen, inclusief de betrokken enzymen, intermediairen en regulatiemechanismen, met specifieke aandacht voor het purinosoom en multi-functionele enzymen bij pyrimidinesynthese. ### 2.1 Purinesynthese De de novo synthese van purines is een complex proces waarbij atomen één voor één aan een bestaande ribose-5-fosfaat molecule worden toegevoegd om het purine skelet op te bouwen. Dit gebeurt voornamelijk in het cytoplasma en is mogelijk gemaakt door de vorming van een metabolon, het zogenaamde purinosoom. #### 2.1.1 Bouwstenen en de geactiveerde bouwsteen De essentiële bouwstenen voor de opbouw van het purine skelet zijn: * **Glycine en serine:** Leveren koolstofatomen, met name vanuit het C1-metabolisme. * **Glutamine en aspartaat:** Fungeren als stikstofdonoren. * **Ribose-5-fosfaat:** Afkomstig uit de pentosefosfaatweg, dient als skelet voor de nucleobase. * **ATP:** Levert energie voor de reacties. De cruciale geactiveerde bouwsteen voor de nucleotidensynthese is **5'-fosforibosyl-1'-pyrofosfaat (PRPP)**. PRPP wordt gevormd uit ribose-5-fosfaat en ATP, en is essentieel voor zowel de de novo synthese als de salvage pathway. #### 2.1.2 Het purinosoom: een metabolon De de novo purinesynthese wordt gefaciliteerd door een "purinosoom", een complex van meerdere enzymen die samenwerken als een metabolon. **Voordelen van het purinosoom:** * **Verhoogde efficiëntie:** Enzyme-complexen reduceren de diffusieafstanden tussen intermediairen. * **Voorkomen van verlies:** Instabiele intermediairen worden direct doorgegeven aan het volgende enzym, wat verlies door diffusie voorkomt. * **Bescherming:** Voorkomt competitie met andere metabole routes. * **Regulatie:** De assemblage en disassembly van het purinosoom kan de flux door de pathway reguleren. Bij purine-depletie kunnen purinosomen uiteenvallen, terwijl ze weer hervormen in een purine-rijk medium. Dit toont een dynamisch regulatiemechanisme aan op het niveau van enzymassemblage. #### 2.1.3 Regulatie van purinesynthese De metabole flux van de purinesynthese wordt op meerdere niveaus gereguleerd: * **Productinhibitie:** De uiteindelijke producten, IMP (inosine monofosfaat), AMP (adenosine monofosfaat) en GMP (guanosine monofosfaat), remmen negatief-feedback de eigen synthese. * **Gen-niveau:** De expressie van de genen die coderen voor de enzymen in de purinesynthese kan worden gereguleerd. Dit kan bijvoorbeeld via een bifunctionele promoter die leidt tot een bifunctioneel eiwit, of via een gen dat codeert voor een trifunctioneel enzym. De synthese van de purine nucleotiden IMP, AMP en GMP vanuit PRPP verloopt via meerdere stappen, waaronder de vorming van 5-fosforibosyl-1-amine (PRA). #### 2.1.4 De salvage pathway Naast de de novo synthese bestaat er ook een salvage pathway. Deze pathway maakt gebruik van reeds bestaande vrije purinebasen en koppelt deze aan PRPP om nucleotiden te vormen. Dit is een zeer korte en energie-efficiënte route, die essentieel is om te voorkomen dat vrije basen zich ophopen en toxisch worden. > **Tip:** De salvage pathway is cruciaal voor het hergebruik van purines. Bij aandoeningen zoals jicht, waar de afbraak van purines tot urinezuur verhoogd is, kan een ineffectieve salvage pathway bijdragen aan het probleem omdat er meer nieuwe purines de novo gesynthetiseerd moeten worden om aan de celbehoeften te voldoen. ### 2.2 Pyrimidinesynthese De de novo synthese van pyrimidines verschilt fundamenteel van die van purines. Hierbij wordt eerst de pyrimidinebase opgebouwd en vervolgens aan ribose-5-fosfaat gekoppeld. Dit proces maakt gebruik van multi-functionele enzymen, wat de efficiëntie verhoogt. #### 2.2.1 De eerste fase: vorming van orotaat De initiële stappen van de pyrimidinesynthese worden gekatalyseerd door het trifunctionele enzym carbamoyl fosfaat synthase II (CPS II), aspartaat transcarbamoylase (ATCase) en dihydro-orotase. Dit enzymcomplex wordt bij mensen aangeduid als CAD (Carbamoyl-phosphate synthase, Aspartate transcarbamoylase, Dihydro-orotase). 1. **Vorming van carbamoylfosfaat:** CO$_{2}$ wordt met behulp van glutamine en ATP omgezet in carbamoylfosfaat. * $CO_2 + Glutamine + 2 \, ATP \rightarrow Carbamoylfosfaat + Glutamaat + 2 \, ADP + Pi$ 2. **Vorming van carbamoylaspartaat:** Carbamoylfosfaat reageert met aspartaat. 3. **Vorming van dihydro-orotaat:** Carbamoylaspartaat cycliseert tot dihydro-orotaat. Het product van deze eerste fase, **dihydro-orotaat**, wordt vervolgens door dihydro-orotaat dehydrogenase geoxideerd tot **orotaat**. Deze stap kan gekoppeld zijn aan de oxidatieve fosforylering. #### 2.2.2 De tweede fase: van orotaat tot UMP en verder Orotaat wordt vervolgens door het bifunctionele enzym **UMP-synthase** omgezet in orotidylaat en daarna in **uridine monofosfaat (UMP)**. Dit enzym katalyseert twee cruciale stappen: de reactie van orotaat met PRPP tot orotidylaat, en de decarboxylering van orotidylaat tot UMP. * $Orotaat + PRPP \rightarrow Orotidylaat + PPi$ * $Orotidylaat \rightarrow UMP + CO_2$ UMP is de directe precursor voor de andere pyrimidine nucleotiden: UDP (uridine difosfaat), UTP (uridine trifosfaat), en na deaminering ook CTP (cytidine trifosfaat). #### 2.2.3 Vorming van deoxyribonucleotiden en thymine Voor DNA-synthese zijn deoxyribonucleotiden nodig. Deze worden gevormd door de reductie van ribonucleotidendifosfaten door het enzym **ribonucleotidoreductase**. Dit enzym is essentieel voor de balans tussen de verschillende deoxyribonucleotiden. Een specifieke en ingewikkelde stap is de synthese van thymine, noodzakelijk voor DNA. Dit gebeurt via de methylering van **deoxyuridine monofosfaat (dUMP)** tot **deoxythymidine monofosfaat (dTMP)**. * $dUMP \xrightarrow{Thymidylat Synthase} dTMP$ > **Tip:** Thymine is specifiek voor DNA en onderscheidt het van RNA. De methylering van dUMP naar dTMP is een belangrijk aangrijpingspunt voor chemotherapie, aangezien het de DNA-synthese remt. #### 2.2.4 Antimetabolieten en chemotherapie Verschillende antimetabolieten, die lijken op natuurlijke metabolieten, worden ingezet als medicijnen, met name in chemotherapie. * **Methotrexaat:** Dit is een analoog van foliumzuur en een competitieve remmer van dihydrofolaatreductase (DHFR). DHFR is essentieel voor de regeneratie van tetrahydrofolaat, een cruciale cofactor voor de synthese van dTMP vanuit dUMP. Door DHFR te remmen, wordt de dTMP-synthese verstoord, wat DNA-synthese belemmert. * De verhouding tussen de inhibitor en het substraat bepaalt de mate van competitie. Een hogere concentratie dihydrofolaat kan de competitie met methotrexaat verminderen. * **5-Fluorouracil (5-FU):** Dit is een "zelfmoordinhibitor" van thymidylat synthase. Het interfereert covalent met het enzym, waardoor het permanent wordt uitgeschakeld. Dit leidt tot een directe blokkade van dTMP-synthese. * Zelfmoordinhibitoren zijn vaak krachtiger dan competitieve inhibitoren omdat elk enzym dat met de inhibitor reageert, permanent verloren is voor de cel. Dit kan echter ook leiden tot meer toxiciteit en resistentieproblemen. #### 2.2.5 Regulatie van ribonucleotidoreductase (RNR) De base-specifieke regulatie van ribonucleotidoreductase is cruciaal voor een gebalanceerde DNA-synthese. Het voorkomt overproductie van specifieke deoxyribonucleotiden en zorgt voor flexibiliteit om de benodigde bouwstenen te produceren. #### 2.2.6 Genamplificatie als resistentiemechanisme Kankercellen kunnen resistentie ontwikkelen tegen antimetabolieten zoals methotrexaat. Een veelvoorkomend mechanisme is genamplificatie, waarbij het gen dat codeert voor het doelwit-enzym (bijvoorbeeld DHFR) in aantal toeneemt. Dit resulteert in een hogere productie van het enzym, waardoor de remming door de antimetaboliet minder effectief wordt. ### 2.3 Medicinale toepassingen van purine- en pyrimidineanalogen De synthese en het metabolisme van purines en pyrimidines zijn belangrijke doelwitten voor medicatie: * **Purineanalogen:** * **Antivirale middelen:** Bijvoorbeeld acyclovir voor herpesvirussen. * **Immunosuppressiva:** Bijvoorbeeld azathioprine, gebruikt na orgaantransplantaties om afstoting te voorkomen. * **Jichtbehandeling:** Allopurinol remt xanthinedehydrogenase, wat de productie van urinezuur vermindert. * **Pyrimidineanalogen:** * **Chemotherapie bij kanker:** Remming van DNA-synthese, bijvoorbeeld met 5-FU. * **Antivirale middelen (HIV):** Nucleoside reverse transcriptase remmers (NRTIs). ### 2.4 Case study: Jicht en de novo versus salvage pathway Bij een patiënt met jicht, veroorzaakt door herhaalde urinezuurcrystallisatie, en een dieet rijk aan purines, kan de salvage pathway onvoldoende zijn om het urinezuurprobleem te voorkomen. * **Waarom salvage pathway onvoldoende kan zijn:** Als de salvage pathway inefficiënt is of wanneer de purine-inname hoog is, moet de cel meer purines de novo synthetiseren om aan zijn behoeften te voldoen. Dit verhoogt de algehele purine-turnover en potentieel de productie van urinezuur als afbraakproduct. * **Rol van de novo synthese bij prolifererende cellen versus rustige cellen:** Prolifererende cellen (zoals kankercellen) hebben een veel hogere behoefte aan nucleotiden voor DNA- en RNA-synthese en dus een actievere de novo synthese pathway dan rustige cellen. Dit maakt de novo synthese een belangrijk aangrijpingspunt voor chemotherapie. De de novo synthese is een ingewikkeld pad met geactiveerde bouwstenen en multifunctionele enzymen, terwijl de salvage weg een eenvoudige route is voor hergebruik. Antimetabolieten spelen een cruciale rol in diverse medische toepassingen. --- # Salvage pathway versus de novo synthese Dit hoofdstuk vergelijkt de twee primaire methoden die cellen gebruiken om nucleotiden te synthetiseren: de de novo synthese, een complex en energie-intensief proces, en de salvage pathway, een efficiëntere route die gebruikmaakt van bestaande componenten. ### 3.1 Overzicht van nucleotiden- en basenhuishouding Nucleotiden zijn essentieel voor diverse cellulaire functies, waaronder het opslaan en tot expressie brengen van genetische informatie, als bouwstenen voor nucleïnezuren, dragers van nuttige groepen (zoals NADH, NADPH, FADH2, co-enzym A, ATP), en als regulatoren van metabole flux (zoals cAMP). Er zijn twee fundamentele strategieën voor de aanmaak van nucleotiden: * **De novo synthese**: Deze route bouwt purines atoom per atoom op, vaak georganiseerd in een "purinosoom" in het cytoplasma. Bij pyrimidines wordt eerst de vrije base gesynthetiseerd, waarna deze aan een suiker wordt gekoppeld. Deze route is lang, vereist veel energie (in de vorm van ATP), en maakt gebruik van aminozuren en koolstofbronnen. * **Salvage pathway**: Deze route hergebruikt reeds bestaande vrije basen of nucleosiden die vrijkomen bij de afbraak van nucleïnezuren. Het is een veel kortere en energiezuinigere route die één transfer-stap vereist. ### 3.2 De novo synthese van purines en pyrimidines #### 3.2.1 De novo purinesynthese De de novo synthese van purines begint met ribose-5-fosfaat, afkomstig uit de pentosefosfaatweg. Dit wordt geactiveerd tot 5'-fosforibosyl-1'-pyrofosfaat (PRPP). Vervolgens worden glycine en glutamine als stikstofbronnen gebruikt, en C1-metabolisme levert koolstofatomen. De aanmaak van purines verloopt via een reeks reacties die leiden tot inosine monofosfaat (IMP). IMP is een centraal intermediair waarvandaan zowel adenyl-succinaat (voor AMP) als xanthylaat (voor GMP) kunnen worden gevormd. $$ \text{Ribose-5-fosfaat} \xrightarrow{\text{PRPP synthase}} \text{PRPP} $$ De synthese wordt gereguleerd door negatieve feedback, waarbij de eindproducten (IMP, AMP, GMP) de enzymen verderop in het pad remmen. **Het purinosoom:** De efficiëntie van de de novo purinesynthese wordt verhoogd door het vormen van een metabolon, het "purinosoom". Dit is een complex van enzymen dat de verschillende reactiestappen van de purinesynthese organiseert. De voordelen hiervan zijn: * Verhoogde efficiëntie van de reacties. * Voorkomen van verlies van instabiele intermediairen. * Bescherming tegen competitie met andere metabole paden. * Regulatie door assemblage en disassemblage van het purinosoom, afhankelijk van de beschikbaarheid van purines. In een purine-rijk medium valt het purinosoom uiteen, terwijl het hervormt bij purine-depletie. #### 3.2.2 De novo pyrimidinesynthese De de novo synthese van pyrimidines kent twee belangrijke fasen: * **Eerste fase:** Begint met carbamoyl fosfaat en aspartaat. Carbamoyl fosfaat wordt gevormd uit CO2, ammoniak (uit glutamine) en ATP. Dit reageert met aspartaat tot carbamoylaspartaat. Vervolgens vindt cyclisatie plaats tot dihydro-orotaat, dat door dihydro-orotaat dehydrogenase wordt geoxideerd tot orotaat. Orotate wordt vervolgens omgezet in orotidine-5'-monofosfaat (orotidylaat) door koppeling aan PRPP. Dit wordt gedecarboxyleerd tot uracil-5'-monofosfaat (UMP). $$ \text{CO}_2 + \text{NH}_3 + 2 \text{ATP} + \text{Aspartaat} \rightarrow \text{Orotaat} $$ $$ \text{Orotaat} + \text{PRPP} \rightarrow \text{Orotidylaat} \rightarrow \text{UMP} $$ * **Tweede fase:** UMP wordt verder gemetaboliseerd tot UDP en vervolgens UTP. Vanuit UTP kunnen CTP worden gevormd. Voor DNA-synthese is de omzetting van UDP naar dUDP, gevolgd door dUMP en uiteindelijk dTMP (thymine), cruciaal. $$ \text{UMP} \rightarrow \text{UDP} \rightarrow \text{UTP} \rightarrow \text{CTP} $$ $$ \text{UDP} \rightarrow \text{dUDP} \rightarrow \text{dUMP} \rightarrow \text{dTMP} \rightarrow \text{dTDP} \rightarrow \text{dTTP} $$ ### 3.3 De salvage pathway De salvage pathway biedt een alternatieve en veel efficiëntere route voor de aanmaak van nucleotiden. In plaats van de gehele base de novo op te bouwen, maakt deze pathway gebruik van reeds bestaande vrije basen of nucleosiden die vrijkomen bij de afbraak van nucleïnezuren. Deze componenten worden direct gekoppeld aan PRPP om een nucleotide te vormen. $$ \text{Vrije base} + \text{PRPP} \rightarrow \text{Nucleotide} + \text{PP}_i $$ Dit is een zeer korte route met slechts één transferstap. Het is afvalbesparend omdat het geen energie-intensieve stappen vereist voor de aanmaak van de basestructuur. ### 3.4 Vergelijking en rol in verschillende celtypen | Kenmerk | De novo synthese | Salvage pathway | | :----------------- | :--------------------------------------------- | :-------------------------------------------- | | **Route** | Lange, energie-intensieve anabole route | Zeer korte route (één transfer-stap) | | **Startmateriaal** | Aminozuren, koolstofbronnen, PRPP, energie | Herbruikbare vrije basen, PRPP | | **Complexiteit** | Ingewikkeld, met multifunctionele enzymen | Eenvoudig | | **Efficiëntie** | Laag (qua energie en stappen) | Hoog (qua energie en stappen), afvalbesparend | | **Rol prolifererende cellen** | Zeer belangrijk, gezien de hoge vraag naar bouwstenen voor DNA-replicatie en celgroei. Cellen die snel delen (zoals kankercellen of immuuncellen) zijn sterk afhankelijk van zowel de novo synthese als de salvage pathway. | Speelt een belangrijke rol in het aanvullen van de nucleotidenvoorraad, vooral wanneer de de novo synthese niet snel genoeg kan voldoen aan de vraag of wanneer er voldoende vrije basen beschikbaar zijn. | | **Rol rustige cellen** | Minder prominent, de behoefte aan nieuwe nucleotiden is lager. | Belangrijk voor het onderhoud van nucleotidenvoorraden en het recyclen van afbraakproducten. Kan voldoende zijn om aan de basale behoeften te voldoen. | **Tip:** Hoewel de de novo synthese uitgebreid is, is de salvage pathway cruciaal voor de overleving van cellen, vooral in situaties waar de de novo synthese is geremd of te langzaam is. #### 3.4.1 Rol bij prolifererende en rustige cellen Prolifererende cellen, die zich snel delen, hebben een aanzienlijk grotere behoefte aan nucleotiden voor de synthese van DNA en RNA. Zowel de de novo synthese als de salvage pathway zijn essentieel om aan deze vraag te voldoen. De de novo synthese levert de grondstoffen voor de basis van de nucleotiden, terwijl de salvage pathway bestaande componenten efficiënt hergebruikt. Rustige cellen daarentegen hebben een lagere nucleotidenbehoefte. Hier kan de salvage pathway vaak volstaan om de cel van de benodigde bouwstenen te voorzien, vooral voor onderhoud en reparatieprocessen. ### 3.5 Medische toepassingen De kennis van de nucleotiden- en basenmetabolisme, met name de verschillen tussen de de novo en salvage pathways, heeft geleid tot belangrijke medische toepassingen: * **Antivirale geneesmiddelen:** Purine- en pyrimidineanalogen kunnen de virale replicatie remmen door de enzymen van de nucleotiden- en basenhuishouding van het virus te verstoren. Voorbeelden zijn nucleoside-reverse transcriptaseremmers (NRTI's) die worden gebruikt bij de behandeling van HIV. Acyclovir, een antiviraal middel tegen herpes, is ook gebaseerd op de manipulatie van de nucleotidenhuishouding. * **Anti-inflammatoire en immunosuppressieve geneesmiddelen:** Purineanalogen kunnen worden gebruikt om het immuunsysteem te onderdrukken, bijvoorbeeld bij orgaantransplantaties (zoals Azathioprine) of auto-immuunziekten. Ze remmen de proliferatie van immuuncellen. * **Secundaire preventie van chronische jicht:** Jicht wordt veroorzaakt door een ophoping van urinezuur, een afbraakproduct van purines. Remmers van de purinesynthese of de omzetting van purines naar urinezuur, zoals Allopurinol, worden gebruikt om jichtaanvallen te voorkomen. Allopurinol remt het enzym xanthinedehydrogenase, wat leidt tot minder urinezuurproductie. **Antimetabolieten:** Deze geneesmiddelen bootsen natuurlijke metabolieten na en interfereren met metabole paden. Ze worden vaak gebruikt in chemotherapie en bij de behandeling van infectieziekten. * **Methotrexaat:** Een foliumzuur-analoog dat de enzym dihydrofolaat reductase (DHFR) remt. DHFR is essentieel voor de aanmaak van tetrahydrofolaat, dat nodig is voor de synthese van purines en pyrimidines. Methotrexaat is een competitieve remmer. * **5-Fluorouracil (5-FU):** Een pyrimidine-antimetaboliet die het enzym thymidylaat synthase irreversibel remt. Dit enzym is cruciaal voor de synthese van thymidine monofosfaat (dTMP), een essentieel onderdeel van DNA. 5-FU is een "zelfmoordinhibitor" omdat het enzym covalent bindt en daardoor permanent inactief maakt. > **Tip:** Zelfmoordinhibitoren zoals 5-FU kunnen krachtiger zijn dan competitieve inhibitoren zoals methotrexaat omdat ze elk enzym dat met de inhibitor reageert, permanent uitschakelen. Dit kan echter ook leiden tot meer toxiciteit en resistentieproblemen. ### 3.6 Case study: Jicht en purinehuishouding Een patiënt met jicht, gekenmerkt door urinezuurcrystallisatie in de gewrichten, een dieet rijk aan purines en een laag energieverbruik, presenteert een interessante casus. #### 3.6.1 Waarom kan salvage pathway in deze patiënt onvoldoende zijn om het urinezuurprobleem te voorkomen? In een patiënt met jicht kan de salvage pathway onvoldoende zijn omdat: 1. **Overmatige purine-inname:** Een dieet rijk aan purines levert veel basismateriaal. Als de salvage pathway en de regulatiemechanismen van de de novo synthese (zoals feedbackremming) niet effectief zijn, kan dit leiden tot een overmaat aan purines en dus ook aan afbraakproducten zoals urinezuur. 2. **Inefficiënte uitscheiding van urinezuur:** Jicht is niet alleen gerelateerd aan overproductie, maar ook aan een verminderde uitscheiding van urinezuur door de nieren. 3. **Rol van de novo synthese:** Hoewel de patiënt een dieet rijk aan purines heeft, kan de de novo synthese nog steeds bijdragen aan de totale purinepool, vooral als er een genetische predispositie is voor overproductie. Als de salvage pathway primair de aanmaak van nucleotiden verzorgt, en er nog steeds endogene aanmaak via de novo synthese is, kan een combinatie van beide leiden tot een verhoogde totale purinepool en daarmee verhoogde urinezuurproductie. De medicatie zou gericht moeten zijn op het remmen van de *productie* van purines, zowel via de novo synthese als via de salvage pathway, en het bevorderen van de uitscheiding. #### 3.6.2 Welke rol speelt de novo purinesynthese bij prolifererende cellen versus rustige cellen? Zoals eerder besproken, speelt de de novo purinesynthese een cruciale rol bij prolifererende cellen vanwege hun hoge behoefte aan nucleotiden voor DNA- en RNA-synthese. In rustige cellen is de behoefte lager, en kan de salvage pathway vaak volstaan voor onderhoud. Echter, zelfs in rustige cellen kan de de novo synthese een rol spelen bij het aanvullen van de nucleotidenpool, zij het op een lager niveau. Wanneer de purinebeschikbaarheid laag is, worden beide paden geactiveerd om de cel van voldoende bouwstenen te voorzien. In de context van jicht kan overmatige activiteit van de de novo synthese, zelfs in schijnbaar rustige cellen die toch prolifereren (bv. in het beenmerg), bijdragen aan de purineoverload. --- # Medische toepassingen van antimetabolieten Antimetabolieten zijn geneesmiddelen die het nucleotidenmetabolisme verstoren, voornamelijk door zich te gedragen als analogen van purine- en pyrimidinebasen, en vinden diverse medische toepassingen, waaronder als antivirale middelen, immunosuppressiva, medicatie tegen jicht en chemotherapie bij kanker. ### 4.1 Verstoord nucleotidenmetabolisme als therapeutisch principe Het principe achter antimetabolieten berust op het verstoren van essentiële cellulaire processen die afhankelijk zijn van nucleotiden, zoals DNA- en RNA-synthese. Door de natuurlijke nucleotiden na te bootsen, kunnen antimetabolieten enzymen in deze routes remmen of verkeerde bouwstenen inbouwen, wat leidt tot celdood of disfunctie. #### 4.1.1 Purineanalogen als antimetabolieten Purineanalogen worden ingezet voor verschillende medische doeleinden: * **Antivirale geneesmiddelen:** Sommige antivirale middelen zijn purineanalogen die de virale replicatie remmen. Een bekend voorbeeld zijn nucleoside-reverse transcriptase remmers (NRTI's) die worden gebruikt bij de behandeling van HIV. * **Immunosuppressiva:** Purineanalogen kunnen het immuunsysteem onderdrukken, wat essentieel is bij orgaantransplantaties om afstoting te voorkomen. Een voorbeeld hiervan is azathioprine. * **Medicatie tegen jicht:** Medicijnen zoals allopurinol werken als purineanalogen door xanthinedehydrogenase te remmen, wat de purineafbraak beperkt en de urinezuurproductie vermindert. Dit is cruciaal voor de secundaire preventie van chronische jicht. ##### 4.1.1.1 Mechanisme bij antivirale middelen (HIV) Bij HIV-infectie worden nucleoside-RT remmers ingezet. Deze middelen worden door virale enzymen (reverse transcriptase) in het virale DNA ingebouwd, wat leidt tot de terminatie van de DNA-keten en zo de virale replicatie stopt. ##### 4.1.1.2 Immunosuppressie met Azathioprine Azathioprine is een prodrug die in het lichaam wordt omgezet in mercaptopurine. Mercaptopurine interfereert met de de novo synthese van purinen, wat essentieel is voor de proliferatie van lymfocyten. Door de DNA-synthese van deze cellen te remmen, wordt de immuunrespons onderdrukt. ##### 4.1.1.3 Behandeling van jicht met Allopurinol Allopurinol is een isomeer van hypoxanthine en een krachtige remmer van xanthinedehydrogenase (ook bekend als aldehydeoxidase). Dit enzym is cruciaal voor de omzetting van hypoxanthine naar xanthine en vervolgens naar urinezuur. Door dit enzym te remmen, verlaagt allopurinol de productie van urinezuur, wat de vorming van urinezuurkristallen in de gewrichten voorkomt. > **Tip:** De de novo purinesynthese is vooral actief in snel delende cellen, zoals kankercellen en immuuncellen. Dit maakt antimetabolieten die hierop aangrijpen, effectief in de behandeling van kanker en auto-immuunziekten, maar verklaart ook bijwerkingen zoals beenmergdepressie. ### 4.2 Pyrimidineantimetabolieten in de kankerchemotherapie Pyrimidineanalogen zijn belangrijke instrumenten in de chemotherapie van kanker, omdat ze interfereren met de DNA-synthese, een proces dat in snel delende kankercellen sterk verhoogd is. #### 4.2.1 Interferentie met DNA-synthese De synthese van deoxyribonucleotiden, de bouwstenen van DNA, is een belangrijk aangrijpingspunt voor pyrimidineantimetabolieten. * **Ribonucleotidereductase:** Dit enzym is essentieel voor de omzetting van ribonucleotiden naar deoxyribonucleotiden. Antimetabolieten kunnen dit enzym remmen of de balans van deoxyribonucleotiden verstoren. * **Thymidylaatsynthese:** De omzetting van dUMP naar dTMP (thymidylaten) is een cruciale stap in de DNA-synthese en een belangrijk doelwit voor antimetabolieten. ##### 4.2.1.1 Methotrexaat en het foliumzuurmetabolisme Methotrexaat is een foliumzuuranaloog die competitief dihydrofolaatreductase (DHFR) remt. DHFR is noodzakelijk voor de regeneratie van tetrahydrofolaat, een essentiële cofactor voor de synthese van purinen en thymidylaten. Door DHFR te remmen, vermindert methotrexaat de beschikbaarheid van tetrahydrofolaat, wat de DNA- en RNA-synthese stagneert. * **Enzymkinetiek van methotrexaat:** Methotrexaat is een competitieve remmer. Dit betekent dat het concurreert met het natuurlijke substraat (dihydrofolaat) voor binding aan het actieve centrum van DHFR. Een hogere concentratie van dihydrofolaat kan de competitie met methotrexaat deels overwinnen. $$ \text{DHFR} + \text{Dihydrofolaat} \rightleftharpoons \text{Enzym-substraatcomplex} \rightarrow \text{Tetrahydrofolaat} $$ $$ \text{DHFR} + \text{Methotrexaat} \rightleftharpoons \text{Enzym-inhibitorcomplex} $$ De verhouding tussen de concentratie van de inhibitor ($[I]$) en het substraat ($[S]$) is cruciaal voor de mate van remming. ##### 4.2.1.2 5-Fluorouracil (5-FU) en thymidylaatsynthese 5-Fluorouracil (5-FU) is een pyrimidineantimetaboliet die als een "zelfmoordinhibitor" werkt op thymidylaat synthase. Na activatie in de cel vormt het een covalente binding met het enzym, waardoor dit irreversibel wordt geïnactiveerd. * **Mechanisme van 5-FU:** 5-FU interfereert met de omzetting van dUMP naar dTMP, met behulp van een tetrahydrofolaat-afgeleide als cofactor. Omdat het enzym covalent gebonden is aan 5-FU, is elk enzymmolecuul dat met 5-FU reageert, permanent uitgeschakeld. Dit maakt 5-FU vaak krachtiger dan competitieve remmers. > **Tip:** Zelfmoordinhibitoren zoals 5-FU zijn potentieel krachtiger maar kunnen ook leiden tot meer toxiciteit en resistentieproblemen vergeleken met competitieve inhibitoren zoals methotrexaat. #### 4.2.2 Resistentie tegen antimetabolieten Resistentie tegen antimetabolieten kan op verschillende manieren ontstaan: * **Genamplificatie:** Kankercellen kunnen het gen dat codeert voor het doelwitenzym (bijvoorbeeld DHFR) amplificeren. Hierdoor produceert de cel meer van het enzym, waardoor hogere concentraties van de inhibitor nodig zijn om effectief te remmen. * **Veranderde enzymkinetiek:** Mutaties in het doelwitenzym kunnen de affiniteit voor de antimetaboliet verminderen of de affiniteit voor het natuurlijke substraat vergroten. * **Verminderde activatie of verhoogde afbraak:** Cellen kunnen de mechanismen ontwikkelen om de actieve vorm van de antimetaboliet minder efficiënt te produceren of deze juist sneller af te breken. > **Example:** Kankercellen die resistent zijn tegen methotrexaat, kunnen een verhoogd aantal kopieën van het DHFR-gen hebben (genamplificatie). Dit leidt tot een hogere productie van DHFR, waardoor de remming door methotrexaat minder effectief wordt. #### 4.2.3 Bijwerkingen en toxiciteit Antimetabolieten grijpen in op processen die ook essentieel zijn voor gezonde, snel delende cellen, zoals beenmerg, haarzakjes en darmepitheel. Dit leidt tot bijwerkingen zoals: * Bloedarmoede (leukopenie) * Verhoogde gevoeligheid voor infecties (neutropenie) * Bloedingsneigingen (trombocytopenie) * Haaruitval (alopecia) * Maag-darmklachten Deze bijwerkingen worden vaak aangeduid als beenmergdepressie en zijn een indicatie van de ongefocuste aard van chemotherapie. ### 4.3 De rol van de salvage pathway Naast de de novo synthese van nucleotiden bestaat ook de salvage pathway, die reeds gevormde basen en nucleosiden hergebruikt. * **Voordelen van salvage:** De salvage pathway is efficiënter en vereist minder energie dan de de novo synthese. Het is daarom een belangrijke methode om de cel te voorzien van nucleotiden. * **Betekenis in ziekte:** In bepaalde situaties, zoals bij jicht, kan een verhoogde purineafbraak en de novo synthese leiden tot een overmaat aan urinezuur. Hoewel de salvage pathway efficiënt is, kan deze bij een sterk verhoogde metabole activiteit onvoldoende zijn om de accumulatie van urinezuur te voorkomen. De de novo synthese speelt een grotere rol bij prolifererende cellen vergeleken met rustige cellen. ##### 4.3.1 Case study: Jichtpatiënt Een patiënt met jicht en een dieet rijk aan purines kan een verhoogde urinezuurproductie hebben. In zo'n geval kan de activiteit van de de novo purinesynthese verhoogd zijn. De salvage pathway kan mogelijk niet voldoende zijn om de overproductie van urinezuur te compenseren, waardoor medicatie die de de novo synthese beïnvloedt, noodzakelijk kan zijn. ### 4.4 Samenvatting van antimetabolieten in de geneeskunde Antimetabolieten vertegenwoordigen een breed scala aan geneesmiddelen met diverse medische toepassingen. * **Purineanalogen:** Gebruikt als antivirale middelen (bv. HIV-remmers), immunosuppressiva (bv. azathioprine) en bij de behandeling van jicht (bv. allopurinol). * **Pyrimidineanalogen:** Cruciaal in de kankerchemotherapie door interferentie met DNA-synthese (bv. methotrexaat, 5-FU). Er is continu onderzoek gaande naar de ontwikkeling van nieuwe antimetabolieten en strategieën om resistentie te overwinnen en toxiciteit te verminderen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Nucleotiden | Nucleotiden zijn de bouwstenen van nucleïnezuren zoals DNA en RNA. Ze spelen een cruciale rol in het celmetabolisme als energiedragers, signaalmoleculen en co-enzymen. | | Basen | Basen zijn een component van nucleotiden en nucleïnezuren. Er zijn purinebasen (adenine, guanine) en pyrimidinebasen (cytosine, thymine, uracil). | | Purinesynthese | Het biologische proces waarbij purinebasen en hun nucleotiden worden gevormd, hetzij via de de novo synthese, hetzij via de salvage pathway. | | Pyrimidinesynthese | Het biologische proces waarbij pyrimidinebasen en hun nucleotiden worden gevormd, hetzij via de de novo synthese, hetzij via de salvage pathway. | | De novo synthese | Een biologisch proces waarbij complexe moleculen worden opgebouwd uit eenvoudigere precursors, zonder gebruik te maken van reeds bestaande bouwstenen uit de voeding of afbraakproducten. | | Salvage pathway | Een route in het celmetabolisme die bestaande nucleotiden of basen hergebruikt om nieuwe nucleotiden te vormen, wat efficiënter is dan de de novo synthese. | | Purinosoom | Een metabolon, een geassembleerd complex van enzymen, dat betrokken is bij de de novo synthese van purines. Dit verhoogt de efficiëntie en voorkomt verlies van intermediairen. | | PRPP (5’-fosforibosyl-1’-pyrofosfaat) | Een geactiveerde bouwsteen die essentieel is voor de synthese van nucleotiden, zowel purines als pyrimidines. Het wordt gevormd uit ribose-5-fosfaat. | | IMP (Inosine-monofosfaat) | Een cruciaal intermediair in de purinesynthese, waarvanuit zowel AMP als GMP gevormd kunnen worden. Het wordt gereguleerd door negatieve feedback. | | Antimetabolieten | Stoffen die de normale stofwisselingsprocessen in de cel verstoren door structureel te lijken op metabolieten en zo enzymen te remmen of te worden ingebouwd in nucleïnezuren. | | Ribonucleotidereductase | Een enzym dat de hydroxylgroep op de 2'-koolstof van een ribonucleotide omzet in een waterstofatoom, waardoor deoxyribonucleotiden worden gevormd die nodig zijn voor DNA-synthese. | | Dihydrofolaatreductase (DHFR) | Een enzym dat een cruciale rol speelt in het metabolisme van folaat, door dihydrofolaat om te zetten in tetrahydrofolaat. Dit is een belangrijk aangrijpingspunt voor chemotherapie (bv. methotrexaat). | | Thymidylaatsynthase | Een enzym dat betrokken is bij de synthese van thymidylate, een essentieel component voor DNA. Remming van dit enzym, bijvoorbeeld door 5-FU, leidt tot DNA-syntheseproblemen. | | Genamplificatie | Een proces waarbij een specifiek gen meerdere keren wordt gekopieerd, wat kan leiden tot resistentie tegen medicijnen zoals DHFR-remmers in kankercellen. |