Cover
Hoofdstuk_IX.pptx
Summary
# Bouwstenen van nucleïnezuren: nucleotiden, nucleosiden en basen
Nucleïnezuren hebben nucleotiden als fundamentele bouwstenen, die op hun beurt bestaan uit basen, suikers en fosfaatgroepen. Dit gedeelte beschrijft de structuur, nomenclatuur en het belang van deze componenten.
## 1. Bouwstenen van nucleïnezuren: nucleotiden, nucleosiden en basen
Nucleotiden zijn de monomere eenheden waaruit nucleïnezuren (DNA en RNA) zijn opgebouwd. Een nucleotide bestaat uit drie componenten:
* **Een stikstofhoudende base:** Dit kan een purine of een pyrimidine zijn.
* **Een suiker:** In DNA is dit deoxyribose, en in RNA is dit ribose.
* **Eén of meer fosfaatgroepen.**
### 1.1 Nucleosiden en nucleotiden
* Een **nucleoside** is de combinatie van een stikstofhoudende base en een suiker.
* Een **nucleotide** is een nucleoside waaraan één of meer fosfaatgroepen zijn gekoppeld. Afhankelijk van het aantal fosfaatgroepen spreekt men van mono-, di-, of trifosfaten (bijvoorbeeld AMP, ADP, ATP).
> **Tip:** De term "nucleotidaat" is een synoniem voor een nucleotide met één fosfaatgroep, zoals adenosinemonofosfaat (AMP), ook wel "adenylaat" genoemd.
### 1.2 De stikstofhoudende basen
Er zijn twee hoofdklassen van stikstofhoudende basen: purines en pyrimidines.
* **Purines:** Deze basen bestaan uit een zesring en een vijfring (imidazolring). De belangrijkste purines in nucleïnezuren zijn:
* Adenine (A)
* Guanine (G)
* **Pyrimidines:** Deze basen bestaan uit een enkele zesring. De belangrijkste pyrimidines zijn:
* Cytosine (C)
* Uracil (U) - Komt voor in RNA.
* Thymine (T) - Komt voor in DNA.
### 1.3 Nomenclatuur van basen, nucleosiden en nucleotiden
De naamgeving van nucleosiden en nucleotiden is afhankelijk van de base en de suiker.
* **Bij ribose (RNA):**
* De basen adenine, guanine, cytosine en uracil vormen ribo-nucleosiden.
* Adenosine, Guanosine, Cytidine, Uridine.
* Wanneer een fosfaatgroep wordt toegevoegd, worden de namen: Adenosinemonofosfaat (AMP), Guanosinemonofosfaat (GMP), Cytidinemonofosfaat (CMP), Uridinemonofosfaat (UMP).
* De di- en trifosfaatvormen zijn ADP, ATP; GDP, GTP; CDP, CTP; UDP, UTP.
* **Bij deoxyribose (DNA):**
* De basen adenine, guanine, cytosine en thymine vormen deoxyribo-nucleosiden.
* Deoxyadenosine, Deoxyguanosine, Deoxycytidine, Deoxythymidine.
* Wanneer een fosfaatgroep wordt toegevoegd, worden de namen: Deoxyadenosinemonofosfaat (dAMP), Deoxyguanosinemonofosfaat (dGMP), Deoxycytidinemonofosfaat (dCMP), Deoxythymidinemonofosfaat (dTMP).
* De di- en trifosfaatvormen zijn dADP, dATP; dGDP, dGTP; dCDP, dCTP; dTDP, dTTP.
> **Tip:** De suffixen "-osine" of "-idine" worden gebruikt voor ribo-nucleosiden, terwijl "deoxy-" voorafgaat aan de naam voor deoxyribo-nucleosiden.
### 1.4 Functies van nucleotiden
Nucleotiden hebben diverse essentiële functies in biologische systemen:
* **Precursoren voor DNA en RNA:** Zij zijn de bouwstenen voor de synthese van genetisch materiaal.
* **Energieleveranciers:** ATP is de universele energiedrager in cellen. GTP speelt een rol bij eiwitsynthese en signaaltransductie.
* **Geactiveerde intermediairen:** Ze fungeren als geactiveerde intermediairen in biosynthetische processen.
* **Onderdeel van co-enzymen:** Coenzym A (CoA), NADH, FADH₂ en S-adenosylmethionine bevatten nucleotiden.
* **Regulatie van processen:** Cyclisch AMP (cAMP) is een belangrijke signaalmolecule die enzymactiviteit reguleert. ATP wordt gebruikt voor eiwit-fosforylering.
* **Therapeutische toepassingen:** Nucleotide-analogen worden gebruikt in de behandeling van kanker en virale infecties.
### 1.5 Biosynthese van purines en pyrimidines
De synthese van purines en pyrimidines is een complex proces dat energie vereist en strikt gereguleerd wordt.
* **Purine biosynthese:** Begint met de vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) en bouwt vervolgens de purinering stapsgewijs op. Inosine monofosfaat (IMP) is een centraal intermediair dat verder kan worden omgezet in adenosine monofosfaat (AMP) of guanosine monofosfaat (GMP).
* **Pyrimidine biosynthese:** Begint met de vorming van carbamoyl fosfaat en aspartaat, die samen N-carbamoyl aspartaat vormen. Dit leidt tot de vorming van orotaat, dat vervolgens aan PRPP wordt gekoppeld om uridine monofosfaat (UMP) te vormen. UMP kan dan worden omgezet in andere pyrimidine nucleotiden zoals CTP.
> **Tip:** Het "salvage pathway" systeem recycleert vrije purinebasen, wat energie bespaart. Deficiënties in dit systeem, zoals bij de ziekte van Lesch-Nyhan (HGPRT-deficiëntie), leiden tot accumulatie van PRPP en verhoogde purinesynthese.
### 1.6 Synthese van deoxyribonucleotiden en modificaties
* Deoxyribonucleotiden worden gesynthetiseerd vanuit de corresponderende ribonucleoside difosfaten door het enzym ribonucleotide reductase. Deze reactie is essentieel voor DNA-synthese.
* Thymidylaat (dTMP) wordt specifiek gesynthetiseerd vanuit dUMP met behulp van thymidylaat synthase en een methylgroep afkomstig van tetrahydrofolaat.
### 1.7 Regulatie van nucleotide synthese
De synthese van nucleotiden is nauwkeurig gereguleerd om de cel in balans te houden.
* **Feedback-inhibitie:** Eindproducten van de syntheseroutes remmen vaak enzymen in vroegere stappen van de route.
* **Salvage pathway:** Een efficiënte manier om energie te besparen door reeds bestaande basen te hergebruiken.
> **Tip:** Veel anti-kanker medicijnen werken door de nucleotide synthese te inhiberen, waardoor de replicatie van snel delende kankercellen wordt gestopt. Voorbeelden zijn 5-fluorouracil (dat thymidylaat synthase remt) en methotrexaat (dat dihydrofolaat reductase remt, wat indirect thymidylaat synthese beïnvloedt).
### 1.8 Afbraak van nucleotiden
* **Purine nucleotiden:** Worden afgebroken tot urinezuur, dat voornamelijk via de nieren wordt uitgescheiden. Bij een teveel aan urinezuur kan jicht ontstaan. Allopurinol is een medicijn dat de afbraak van purines remt en zo jicht behandelt.
* **Pyrimidine nucleotiden:** Worden afgebroken tot intermediairen die kunnen worden opgenomen in metabole routes zoals de citroenzuurcyclus, zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA.
### 1.9 Nucleotiden als signaalmoleculen en in co-enzymen
* **Cyclische nucleotiden:** cAMP en cGMP fungeren als belangrijke secundaire boodschappers in intracellulaire signaaltransductie.
* **Co-enzymen:** Veel essentiële co-enzymen, zoals NAD⁺, FAD en co-enzym A, bevatten een adenosinemonofosfaat (AMP) deel en spelen cruciale rollen in redoxreacties en biosynthese.
---
# Biosynthese van purine- en pyrimidine nucleotiden
Deze sectie behandelt de biochemische routes voor de synthese van purine- en pyrimidine nucleotiden, essentieel voor het leven.
### 2.1 Nucleotiden: bouwstenen en functies
Nucleotiden zijn de fundamentele bouwstenen van nucleïnezuren zoals DNA en RNA. Een nucleotide bestaat uit drie componenten:
* Een stikstofbase (purine of pyrimidine)
* Een pentosesuiker (ribose of deoxyribose)
* Eén of meer fosfaatgroepen
Afhankelijk van het aantal fosfaatgroepen onderscheiden we:
* **Nucleoside monofosfaten** (NMP), bijvoorbeeld Adenosinemonofosfaat (AMP) of Adenylaat.
* **Nucleoside difosfaten** (NDP), bijvoorbeeld Adenosinedifosfaat (ADP).
* **Nucleoside trifosfaten** (NTP), bijvoorbeeld Adenosinetrifosfaat (ATP).
#### 2.1.1 Functies van nucleotiden
Nucleotiden hebben diverse cruciale functies in de cel:
* **Bouwstenen van nucleïnezuren**: Essentieel voor DNA-replicatie en RNA-translatie.
* **Energiedragers**: ATP is de universele energiedrager. GTP is belangrijk voor translocatie bij eiwitsynthese en signaaltransductie.
* **Geactiveerde intermediairen**: Voor biosynthetische processen.
* **Onderdeel van co-enzymen**: Zoals Coenzym A, NADH, FADH₂, en S-adenosylmethionine.
* **Regulatie van processen**: Zoals cyclisch AMP (cAMP) als activator van kinases.
* **Therapeutisch belang**: Nucleotideanalogen worden gebruikt bij de behandeling van kanker en virale infecties.
#### 2.1.2 Nomenclatuur
* **Nucleoside**: Suiker + base
* **Nucleotide**: Nucleoside + fosfaatgroep(en)
De basen worden ingedeeld in purines (Adenine, Guanine) en pyrimidines (Cytosine, Uracil, Thymine).
### 2.2 Biosynthese van purine nucleotiden
De synthese van de purinering vindt plaats op de ribosesuiker. Dit is een *de novo* synthese, wat betekent dat de ring stap voor stap wordt opgebouwd.
#### 2.2.1 Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP)
De eerste stap is de vorming van PRPP uit ribose-5-fosfaat. Dit intermediair van de pentosefosfaatroute wordt geactiveerd door de toevoeging van twee fosfaatgroepen. PRPP is een belangrijke acceptor voor de stikstofbase in zowel purine- als pyrimidinesalvage pathways.
#### 2.2.2 De novo synthese van de purinering
De purinering wordt opgebouwd vanaf de ribose, waarbij de volgende intermediairen worden gevormd:
1. **Vorming van 5-fosforibosylamine**: De pyrofosfaatgroep van PRPP wordt vervangen door een aminegroep afkomstig van glutamine.
2. **Aanhechting van glycine**: Glycine wordt covalent gebonden aan het 5-fosforibosylamine.
3. **Vorming van N¹⁰-formyltetrahydrofolaat**: Een formylgroep (CHO) wordt overgedragen van N¹⁰-formyltetrahydrofolaat (afkomstig van foliumzuur) om de ring te vormen.
4. **Ringsluiting en verdere modificaties**: Door middel van verschillende stappen, inclusief de toevoeging van een carboxylgroep (afkomstig van bicarbonaat) en een stikstofatoom (afkomstig van aspartaat), wordt uiteindelijk Inosinemonofosfaat (IMP) gevormd. IMP bevat de hypoxanthine base.
#### 2.2.3 Omzetting van IMP naar AMP en GMP
IMP is een centraal intermediair. Van hieruit kan zowel AMP (Adenosinemonofosfaat) als GMP (Guanosinemonofosfaat) worden gesynthetiseerd:
* **IMP naar AMP**: Aspartaat levert de aminogroep die aan het IMP-skelet wordt gebonden, waarbij fumaraat wordt afgesplitst. Dit proces vereist ATP.
* **IMP naar GMP**: Eerst wordt IMP geoxideerd tot xantosinemonofosfaat (XMP). Vervolgens wordt een aminogroep, afkomstig van glutamine, ingebouwd waarbij ATP wordt gebruikt.
#### 2.2.4 Energieverbruik in purinesynthese
De *de novo* synthese van purines is een energie-intensief proces, voornamelijk door het gebruik van ATP in meerdere stappen.
### 2.3 Salvage pathway voor purines
Om het energieverbruik te verminderen, bestaat er een salvage pathway. Hierbij worden vrije purinebasen, die vrijkomen bij de afbraak van nucleotiden, direct gekoppeld aan PRPP om nucleotiden te vormen. Enzymen zoals adenine-fosforibosyltransferase (APRT) en hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT) zijn hierbij cruciaal.
#### 2.3.1 Lesch-Nyhan syndroom
Een defect in het HGPRT-gen leidt tot het Lesch-Nyhan syndroom. Dit resulteert in een verminderde salvage pathway, accumulatie van PRPP, overmatige *de novo* purine synthese, verhoogde afbraak van purines, en uiteindelijk jicht-achtige symptomen door de accumulatie van urinezuur.
### 2.4 Biosynthese van pyrimidine nucleotiden
De pyrimidinesynthese begint met de vorming van de pyrimidering, die vervolgens aan PRPP wordt gekoppeld.
#### 2.4.1 Vorming van carbamoyl fosfaat
De eerste stap is de synthese van carbamoyl fosfaat uit bicarbonaat, glutamine en ATP. Dit wordt gekatalyseerd door carbamoyl fosfaat synthetase II (CPS II), een snelheidsbepalende stap die gereguleerd wordt door feedback inhibitie door UDP en UTP.
#### 2.4.2 Synthese van N-carbamoyl aspartaat
Carbamoyl fosfaat reageert met aspartaat om N-carbamoyl aspartaat te vormen.
#### 2.4.3 Vorming van orotaat
N-carbamoyl aspartaat ondergaat vervolgens ringsluiting en oxidatie, waarbij uiteindelijk orotaat wordt gevormd. Dit proces verloopt via dihydroorotaat.
#### 2.4.4 Koppeling aan PRPP en decarboxylatie tot UMP
Orotaat wordt gekoppeld aan PRPP, gevolgd door decarboxylatie, om Uridinemonofosfaat (UMP) te vormen.
#### 2.4.5 Salvage pathway voor pyrimidines
Een pyrimidine salvage pathway bestaat ook, maar deze is minder extensief gebruikt dan bij purines, omdat de synthese van pyrimidines minder energie kost en de afbraak nuttige intermediairen oplevert.
### 2.5 Synthese van nucleosidedifosfaten en trifosfaten
Nucleosidemonofosfaten (NMP) worden sequentieel gefosforyleerd tot nucleosidedifosfaten (NDP) en vervolgens tot nucleosidetrifosfaten (NTP). Deze reacties worden gekatalyseerd door nucleoside monofosfaat kinases en nucleosidedifosfaat kinases.
* **AMP $\ce{->}$ ADP $\ce{->}$ ATP**
* **GMP $\ce{->}$ GDP $\ce{->}$ GTP**
* **UMP $\ce{->}$ UDP $\ce{->}$ UTP**
* **CMP $\ce{->}$ CDP $\ce{->}$ CTP**
Cytidinetrifosfaat (CTP) wordt gesynthetiseerd door de aminering van UTP.
### 2.6 Synthese van deoxyribonucleotiden
Deoxyribonucleotiden worden gevormd door de reductie van ribonucleosidedifosfaten (NDP) tot deoxyribonucleosidedifosfaten (dNDP). Dit proces wordt gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen en vereist NADPH.
* **NDP $\ce{->}$ dNDP**
De synthese van deoxythymidylaat (dTMP) uit deoxyuridylaat (dUMP) is een belangrijke stap, waarbij een methylgroep wordt toegevoegd.
### 2.7 Regulatie van nucleotiden synthese
De synthese van purine- en pyrimidinenucleotiden wordt nauwkeurig gereguleerd. Dit gebeurt o.a. via feedbackremming, waarbij de eindproducten de enzymen in de syntheseroute remmen.
### 2.8 Afbraak van purine- en pyrimidine nucleotiden
* **Purine nucleotiden**: De afbraak leidt uiteindelijk tot urinezuur, dat wordt uitgescheiden door de nieren.
* Monofosfaten worden gedePyrimidine nucleotiden worden afgebroken tot intermediairen die kunnen worden opgenomen in de citroenzuurcyclus, zoals succinyl-CoA of malonyl-CoA. Dit proces levert geen urinezuur op en kost minder energie dan de *de novo* synthese.
### 2.9 Nucleotide-analogen en hun therapeutische toepassingen
Vele anti-tumor en antivirale medicijnen zijn nucleotide-analogen die de synthese of functie van nucleotiden verstoren.
* **Remming van thymidylaat synthase**: Medicijnen zoals 5-fluorouracil remmen direct de synthese van dTMP, essentieel voor DNA-synthese.
* **Remming van dihydrofolaat reductase**: Medicijnen zoals methotrexaat interfereren met de aanmaak van tetrahydrofolaat, een essentiële cofactor voor thymidylaat synthese.
* **AZT (Azidothymidine)**: Een reverse transcriptase remmer gebruikt bij HIV-behandeling. AZT wordt ingebouwd in viraal DNA, maar door het ontbreken van een 3'-OH groep kan de ketenverlenging niet plaatsvinden.
* **Aciclovir**: Een guanosine-analoog dat selectief het virale DNA-polymerase remt bij herpes simplex virussen.
### 2.10 Co-enzymen met een nucleotide-component
Verschillende belangrijke co-enzymen bevatten een nucleotide-eenheid:
* **NAD⁺ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide)** en **NADP⁺**: Essentieel voor redoxreacties.
* **FAD (Flavine Adenine Dinucleotide)**: Betrokken bij redoxreacties.
* **Coenzym A (CoA)**: Belangrijk bij vetzuurmetabolisme en de citroenzuurcyclus.
### 2.11 Signaaltransductie met cyclische nucleotiden
Cyclisch AMP (cAMP) en cyclisch GMP (cGMP) zijn belangrijke secundaire boodschappers in intracellulaire signaaltransductiecascades. Ze activeren kinases en beïnvloeden uiteenlopende cellulaire processen.
* **cAMP**: Wordt gesynthetiseerd door adenylaat cyclase en afgebroken door fosfodi-esterase. Speelt een rol bij signalering van o.a. glucagon.
* **cGMP**: Wordt gesynthetiseerd door guanylaat cyclase en speelt o.a. een rol bij vaatverwijding (NO-signalering). Medicijnen zoals sildenafil remmen de afbraak van cGMP en worden gebruikt bij erectiestoornissen.
---
# Modificatie en omzetting van nucleotiden en hun rol in medicatie
Nucleotiden ondergaan diverse modificaties en omzettingen, zoals de transformatie van inosinemonofosfaat (IMP) naar adenosinemonofosfaat (AMP) en guanosinemonofosfaat (GMP), die essentieel zijn voor zowel cellulaire processen als medische toepassingen, met name in kanker- en antivirale therapieën.
### 3.1 Biosynthese van purinenucleotiden
De biosynthese van de purinering omvat een reeks stappen die leiden tot de vorming van inosinemonofosfaat (IMP), een centraal intermediair in de synthese van zowel AMP als GMP.
#### 3.1.1 Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP)
De eerste stap is de vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) vanuit ribose-5-fosfaat. Dit molecuul is een geactiveerde precursor en dient als acceptor voor de aan te bouwen purine- of pyrimidinebasen.
#### 3.1.2 Opbouw van de purinering
De opbouw van de purinering start met de aanhechting van de base op de ribosesuiker van PRPP, gevolgd door een reeks reacties waarbij atomen uit verschillende bronnen worden toegevoegd, waaronder glutamine, glycine, N10-formyltetrahydrofolaat en bicarbonaat.
* **Stap 2:** Vervanging van de pyrofosfaatgroep door een aminogroep afkomstig van glutamine.
* **Stap 3:** Aanhechting van glycine.
* **Stap 4-6:** Verdere stappen leiden tot de vorming van de vijfring van de purine, met de introductie van een formylgroep afkomstig van N10-formyltetrahydrofolaat.
* **Stap 7-9:** Vorming van de zesring en de uiteindelijke precursor van de purinering. Hierbij worden onder andere CO2 en een stikstofatoom uit aspartaat geïntegreerd.
* **Stap 10-11:** Vorming van inosinemonofosfaat (IMP), de eerste nucleotide met een complete purinering. IMP heeft hypoxanthine als base.
#### 3.1.3 Modificatie van IMP tot AMP of GMP
IMP is een cruciaal knooppunt voor de synthese van AMP en GMP.
* **Omzetting van IMP naar AMP:** Vereist de vervanging van een carbonylgroep door een aminogroep. Aspartaat fungeert als donor van de aminogroep, waarbij fumaraat als bijproduct wordt afgesplitst. Dit proces verbruikt ATP.
* **Omzetting van IMP naar GMP:** Dit verloopt via xantosinemonofosfaat (XMP). Eerst wordt een carbonylgroep in IMP vervangen door een hydroxylgroep via hydrolyse. Vervolgens wordt de hydroxylgroep in XMP vervangen door een aminogroep afkomstig van glutamine, na activatie met ATP. Dit proces verbruikt GTP.
> **Tip:** De omzetting van IMP naar AMP en GMP vereist specifieke enzymen en energie in de vorm van ATP of GTP.
### 3.2 Biosynthese van pyrimidinering
De biosynthese van pyrimidine nucleotiden is een ander essentieel proces dat begint met de vorming van de pyrimidine ring.
#### 3.2.1 Vorming van carbamoyl fosfaat
De eerste stap is de synthese van carbamoyl fosfaat, een snelheidsbepalende reactie gekatalyseerd door carbamoyl fosfaat synthetase II. Deze stap wordt gereguleerd door feedback inhibitie door UDP en UTP.
#### 3.2.2 Synthese van N-carbamoyl aspartaat
Carbamoyl fosfaat reageert met aspartaat om N-carbamoyl aspartaat te vormen.
#### 3.2.3 Ringsluiting en oxidatie
N-carbamoyl aspartaat ondergaat ringsluiting met verlies van water om dihydroorotaat te vormen, dat vervolgens wordt geoxideerd tot orotaat.
#### 3.2.4 Koppeling aan PRPP en decarboxylering tot UMP
Orotaat wordt vervolgens gekoppeld aan PRPP en na decarboxylering gevormd tot uridinemonofosfaat (UMP).
> **Tip:** Hoewel er een pyrimidine salvage pathway bestaat, wordt deze minder extensief gebruikt dan bij purines, deels omdat de synthese van pyrimidines minder energie-intensief is en afbraakproducten nuttigere intermediairen opleveren.
### 3.3 Synthese van nucleosidemono-, di- en trifosfaten
Nucleosidemonofosfaten (NMP) worden sequentieel gefosforyleerd tot nucleosidedifosfaten (NDP) en vervolgens tot nucleosidetrifosfaten (NTP) door middel van specifieke kinasen.
* **Adenylaatkinase** (ook wel AMP-kinase genoemd) zet AMP en ATP om in 2 ADP.
* **Nucleosidedifosfaatkinasen** zetten NDP's om in NTP's, waarbij meestal ATP als fosfaatdonor fungeert. Bijvoorbeeld: GDP + ATP $\rightarrow$ GTP + ADP.
### 3.4 Synthese van deoxyribonucleotiden
De synthese van deoxyribonucleotiden vindt plaats door reductie van ribonucleoside difosfaten (NDP) naar deoxyribonucleoside difosfaten (dNDP). Dit proces wordt gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen. De totale reactie omvat de omzetting van een ribonucleosidedifosfaat naar een deoxyribonucleosidedifosfaat onder invloed van NADPH.
> **Tip:** De omzetting van ribose naar deoxyribose vindt plaats op het niveau van de difosfaten.
### 3.5 Synthese van deoxythymidylaat
De synthese van deoxythymidylaat (dTMP) is cruciaal voor DNA-synthese en wordt geremd door bepaalde medicijnen. De omzetting van dUMP naar dTMP vereist een methylgroep die afkomstig is van tetrahydrofolaat.
### 3.6 Rol in medicatie: Kankertherapie
Vele anti-tumormedicijnen werken door de nucleotide synthese te inhiberen, wat essentieel is voor de snelle deling van kankercellen.
#### 3.6.1 Inhibitie van thymidylaat synthase
* **5-fluorouracil (5-FU):** Een prodrug die in de cel wordt omgezet tot 5-fluoro-UMP en 5-fluoro-dUMP. 5-fluoro-dUMP is een krachtige inhibitor van thymidylaat synthase, het enzym dat dUMP omzet in dTMP. Dit leidt tot een tekort aan dTMP, wat DNA-synthese en -stabiliteit beïnvloedt, en ook de RNA-functie negatief kan beïnvloeden. Het werkt via een "zelfmoord"-mechanisme waarbij het katalytische intermediair geblokkeerd wordt.
* **Indirecte inhibitie via foliumzuurmetabolisme:** Medicijnen die dihydrofolaat reductase (DHFR) inhiberen, zoals methotrexaat en aminopterine, verstoren de regeneratie van tetrahydrofolaat. Zonder voldoende tetrahydrofolaat kan de methylering van dUMP tot dTMP niet plaatsvinden, wat de DNA-synthese belemmert.
#### 3.6.2 Inhibitie van DNA-polymerisatie via nucleotide analogen
* **Azidothymidine (AZT, Zidovudine):** Oorspronkelijk ontwikkeld als antikankermiddel, maar nu primair gebruikt als HIV-remmer. AZT is een analoog van thymidine. Wanneer AZT wordt ingebouwd in viraal DNA door een reverse transcriptase, verhindert het de verdere ketenverlenging omdat het geen 3'-hydroxylgroep bevat voor de aanhechting van het volgende nucleotide.
* **Aciclovir:** Een guanosine-analoog die selectief virale DNA-polymerasen remt. Het wordt door virale thymidine kinase (in herpes simplex virus geïnfecteerde cellen) omgezet tot aciclovir-fosfaat, en vervolgens door gastheercelkinasen tot aciclovir-trifosfaat. Dit trifosfaat remt vervolgens het virale DNA-polymerase.
> **Tip:** Prodrugs zoals 5-fluorouracil en AZT zijn voorgangers die pas in het lichaam omgezet worden naar hun actieve medicijnvorm.
### 3.7 Salvage pathways voor purines
Salvage pathways maken het mogelijk om vrije purinebasen, die vrijkomen bij de afbraak van nucleotiden, te hergebruiken voor de synthese van nieuwe nucleotiden. Dit bespaart energie in vergelijking met de *de novo* synthese.
* **Adenine-fosforibosyltransferase (APRT)** katalyseert de reactie van adenine met PRPP tot adenylaat en pyrofosfaat.
* **Hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT)** katalyseert de omzetting van hypoxanthine of guanine met PRPP tot respectievelijk inosinaat of guanylaat en pyrofosfaat.
#### 3.7.1 Ziekte van Lesch-Nyhan
Deficiëntie in HGPRT leidt tot de ziekte van Lesch-Nyhan. Dit veroorzaakt een verminderde salvage van purines, wat leidt tot een accumulatie van PRPP. Een verhoogde PRPP-concentratie stimuleert de *de novo* purine nucleotide synthese sterk. Dit resulteert in een verhoogde afbraak van purinenucleotiden, met urinezuur als eindproduct, wat jicht-achtige symptomen veroorzaakt. Verdere symptomen zijn zelfverminking, spasticiteit en mentale achterstand.
### 3.8 Afbraak van purine nucleotiden
De afbraak van purine nucleotiden leidt uiteindelijk tot urinezuur.
1. Nucleotidasen verwijderen fosfaatgroepen, waardoor nucleosiden ontstaan.
2. Deaminering van adenosine leidt tot inosine.
3. Ribose wordt verwijderd, wat hypoxanthine oplevert.
4. Hypoxanthine wordt door xanthine oxidase omgezet in xanthine.
5. Xanthine wordt eveneens door xanthine oxidase omgezet in urinezuur.
#### 3.8.1 Jicht en de werking van allopurinol
* **Jicht:** Ontstaat door accumulatie van urinezuur, wat kan leiden tot kristallisatie in gewrichten en nierstenen.
* **Allopurinol:** Een inhibitor van xanthine oxidase. Het wordt door xanthine oxidase omgezet in alloxanthine, dat vervolgens permanent aan het enzym bindt. Hierdoor wordt de afbraak van hypoxanthine en xanthine tot urinezuur geremd. Tegelijkertijd kunnen accumulerende hypoxanthine en xanthine via de salvage pathway worden omgezet naar nucleotiden, wat de PRPP-concentratie verlaagt en indirect ook de *de novo* purine synthese vermindert.
### 3.9 Afbraak van pyrimidine nucleotiden
De afbraak van pyrimidine nucleotiden leidt tot uiteindelijke producten zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA, die kunnen worden opgenomen in de citroenzuurcyclus. Dit proces is minder toxisch dan de afbraak van purines, aangezien er geen urinezuur wordt gevormd.
### 3.10 Nucleotide analogen in antivirale therapie
Naast AZT en aciclovir zijn er diverse andere nucleotide-analogen die worden ingezet als antivirale middelen. Deze middelen werken doorgaans door de virale DNA- of RNA-synthese te remmen.
### 3.11 Coënzymen en signaalmoleculen
Nucleotiden, met name adenosine-derivaten, vormen essentiële onderdelen van belangrijke coënzymen:
* **NAD (Nicotinamide adenine dinucleotide) en NADP (Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate):** Betrokken bij redoxreacties.
* **FAD (Flavine adenine dinucleotide):** Eveneens cruciaal voor redoxreacties.
* **Co-enzym A (CoA):** Essentieel voor acyltransferreacties en metabolisme van vetzuren en koolhydraten.
Daarnaast spelen cyclische nucleotiden een belangrijke rol als intracellulaire signaalmoleculen:
* **cAMP (Cyclisch adenosine monofosfaat):** Een belangrijke secundaire boodschapper, geactiveerd door adenylaatcyclase, die de activiteit van proteïne kinase A (PKA) reguleert.
* **cGMP (Cyclisch guanosine monofosfaat):** Betrokken bij processen zoals vaatverwijding. Medicijnen zoals sildenafil (Viagra) en tadalafil zijn fosfodiësterase inhibitoren die de afbraak van cGMP remmen, wat leidt tot langdurigere vasodilatatie.
---
# Afbraak van nucleotiden en de rol van co-enzymen
Dit onderwerp behandelt de afbraakproducten van purine- en pyrimidine nucleotiden, de vorming van urinezuur als eindproduct, en de integratie van nucleotide-achtige structuren in belangrijke co-enzymen zoals NAD+, FAD en co-enzym A.
### 4.1 Nucleotiden: bouwstenen en functies
Nucleotiden zijn de fundamentele bouwstenen van nucleïnezuren (DNA en RNA). Een nucleotide bestaat uit drie componenten:
* Een stikstofbase (purine of pyrimidine)
* Een pentosesuiker (ribose in RNA, deoxyribose in DNA)
* Eén of meer fosfaatgroepen
Naast hun rol in nucleïnezuren, hebben nucleotiden diverse andere cruciale functies in de cel:
* **Energiedragers:** ATP is de universele energiedrager, terwijl GTP belangrijk is voor signaaltransductie en translocatie in de eiwitsynthese.
* **Geactiveerde intermediairen:** Ze dienen als geactiveerde intermediairen in biosyntheseprocessen.
* **Onderdeel van co-enzymen:** Veel belangrijke co-enzymen bevatten nucleotide-achtige structuren (zie sectie 4.5).
* **Regulatie:** Cyclisch AMP (cAMP) is een belangrijk signaalmolecuul en activator van eiwitkinasen.
### 4.2 De nomenclatuur van basen, nucleosiden en nucleotiden
* **Base:** Stikstofhoudende ringstructuren, waaronder purines (adenine, guanine) en pyrimidines (cytosine, uracil, thymine).
* **Nucleoside:** Een base gebonden aan een suiker (ribose of deoxyribose).
* **Nucleotide:** Een nucleoside met één of meer fosfaatgroepen. Ze kunnen voorkomen als mono-, di- of trifosfaten (bijv. AMP, ADP, ATP).
De termen 'adenylaat' worden gebruikt als synoniem voor adenosine monofosfaat.
### 4.3 Synthese van purine nucleotiden
De biosynthese van de purinering is een complex proces dat begint met ribose-5-fosfaat en de vorming van een ringstructuur door de aanhechting van diverse moleculen, waaronder aminozuren (glycine, glutamine, aspartaat) en een formylgroep afkomstig van N10-formyl tetrahydrofolaat.
**Belangrijke stappen in de purine biosynthese omvatten:**
1. **Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP):** Dit is een geactiveerd intermediair dat de basis vormt voor de nucleotide.
2. **Vorming van 5-fosforibosylamine:** De reactie van glutamine met PRPP onder vorming van 5-fosforibosylamine.
3. **Aanhechting van glycine:** Glycine wordt aan 5-fosforibosylamine gekoppeld.
4. **Inbrengen van een formylgroep:** N10-formyl tetrahydrofolaat levert een formylgroep.
5. **Ringsluiting en vorming van de purine structuur:** Verschillende stappen leiden tot de vorming van een zesring, waarbij moleculen zoals CO2 en aspartaat worden ingebouwd.
Het eindproduct van de *de novo* purine synthese is inosinemonofosfaat (IMP), dat de base hypoxanthine bevat.
### 4.4 Modificatie van IMP tot AMP of GMP
IMP kan worden omgezet in twee belangrijke purine nucleotiden:
* **Omzetting van IMP naar AMP (adenosine monofosfaat):** Dit vereist aspartaat als stikstofbron en leidt tot de vorming van fumaraat als bijproduct. De reactie verloopt via adenylosuccinaat.
* **Omzetting van IMP naar GMP (guanosine monofosfaat):** Dit proces vereist glutamine als stikstofbron en verloopt via xantosine monofosfaat (XMP).
### 4.5 Het Salvage-Systeem voor purines
Het salvage-systeem maakt gebruik van vrije purinebasen, die vrijkomen bij de afbraak van nucleotiden, om opnieuw nucleotiden te vormen. Dit systeem bespaart energie ten opzichte van de *de novo* synthese.
* **Adenine-fosforibosyltransferase (APRT):** Katalyseert de vorming van adenylaat uit adenine en PRPP.
* **Hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT):** Katalyseert de vorming van inosinaat uit hypoxanthine en PRPP, en guanylaat uit guanine en PRPP.
**Deficiëntie van HGPRT leidt tot de Ziekte van Lesch-Nyhan**, gekenmerkt door neurologische afwijkingen en zelfverminking. Een gevolg is een accumulatie van PRPP, wat de *de novo* purine synthese stimuleert en leidt tot verhoogde urinezuurproductie.
### 4.6 Biosynthese van pyrimidine nucleotiden
De synthese van pyrimidine nucleotiden begint met de vorming van een zesring uit carbamoyl-fosfaat en aspartaat.
**Belangrijke stappen in de pyrimidine biosynthese:**
1. **Synthese van carbamoyl-fosfaat:** Dit is een snelheidsbepalende stap, gereguleerd door feedback-inhibitie door UDP en UTP.
2. **Synthese van N-carbamoyl-aspartaat:** Reactie tussen carbamoyl-fosfaat en aspartaat.
3. **Ringsluiting en oxidatie:** Vorming van dihydro-orotaat en vervolgens orotaat na oxidatie.
4. **Koppeling aan PRPP en decarboxylering:** Orotate wordt gekoppeld aan PRPP en gedecarboxyleerd tot uridinemonofosfaat (UMP).
De pyrimidine salvage pathway is minder extensief dan die voor purines, omdat de synthese van pyrimidines minder energie vereist en de afbraak nuttige intermediairen oplevert.
### 4.7 Nucleosidemonofo-, di- en trifosfaten
Nucleosidemonofosfaten (NMP's) worden sequentieel gefosforyleerd tot difosfaten (NDP's) en vervolgens tot trifosfaten (NTP's) door middel van nucleoside monofosfaat kinases en nucleoside difosfaat kinases. De omzetting van ribo- naar deoxyribonucleotiden vindt plaats ter hoogte van de difosfaten, gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen, waarbij NADPH als reductans dient.
CTP (cytidine trifosfaat) ontstaat door aminering van UTP (uridine trifosfaat).
### 4.8 Synthese van deoxyribonucleotiden
De synthese van deoxyribonucleotiden (dNDP's) uit ribonucleoside difosfaten (NDP's) is cruciaal voor DNA-synthese en wordt gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen. Dit proces vereist NADPH.
De synthese van deoxythymidylaat (dTMP) vanuit deoxyuridinedifosfaat (dUMP) is een belangrijke stap en wordt geïnhibeerd door bijvoorbeeld 5-fluorouracil, een prodrug die uiteindelijk 5-fluoro-dUMP vormt.
### 4.9 Afbraak van purine nucleotiden
De afbraak van purine nucleotiden verloopt via een reeks stappen:
1. **Defosforylering:** Nucleotiden worden omgezet in nucleosiden (bijv. AMP tot adenosine).
2. **Deaminering:** Adenosine wordt gedeamineerd tot inosine.
3. **Verwijdering van ribose:** Inosine wordt afgebroken tot hypoxanthine.
4. **Oxidatie tot urinezuur:** Hypoxanthine wordt via xanthine omgezet in urinezuur, het eindproduct van purine catabolisme bij de mens.
Het urinezuur wordt via de nieren uitgescheiden. Een accumulatie van urinezuur kan leiden tot **jicht**, gekenmerkt door kristalvorming in de gewrichten, en nierstenen.
**Allopurinol** is een inhibitor van xanthine dehydrogenase (xanthine oxidase) en wordt gebruikt om jicht te behandelen. Het remt de afbraak van hypoxanthine en xanthine, waardoor de urinezuurproductie daalt.
### 4.10 Afbraak van pyrimidine nucleotiden
De afbraak van pyrimidine nucleotiden leidt tot de vorming van metabolieten zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA, die kunnen worden geïntegreerd in andere metabole routes. Er worden geen afvalproducten gevormd die toxisch zijn of gemakkelijk accumuleren zoals urinezuur.
### 4.11 De rol van nucleotide-achtige structuren in co-enzymen
Vele essentiële co-enzymen bevatten nucleotide-achtige structuren, wat hun functie mogelijk maakt in diverse biochemische reacties.
* **NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) en NADP+:** Afgeleid van nicotinezuur (vitamine B3). Ze zijn cruciale elektronendragers in redoxreacties. NAD+ is betrokken bij katabole processen, terwijl NADP+ een rol speelt in anabole processen.
* De synthese van NAD+ omvat de koppeling van nicotinamide met AMP.
* **FAD (Flavine Adenine Dinucleotide):** Bevat flavine (afgeleid van riboflavine, vitamine B2) en AMP. FAD is ook een belangrijke elektronendrager in redoxreacties.
* De synthese van FAD begint met de fosforylering van riboflavine tot flavine mononucleotide (FMN), gevolgd door de koppeling met AMP.
* **Co-enzym A (CoA):** Essentieel voor de overdracht van acylgroepen, met name in de citroenzuurcyclus en vetzuurmetabolisme. Het bevat een pantotheenzuur-gedeelte, een cysteamine-gedeelte en een AMP-gedeelte.
### 4.12 Second messengers: cAMP en cGMP
Cyclisch AMP (cAMP) en cyclisch GMP (cGMP) zijn belangrijke cyclische nucleotiden die fungeren als intracellulaire 'second messengers' in signaaltransductieroutes.
* **cAMP:** Gevormd uit ATP door adenylaat cyclase. Het activeert proteïne kinase A (PKA), wat een cascade van fosforyleringsreacties in gang zet.
* **cGMP:** Gevormd uit GTP. Het speelt een rol bij vaatverwijding en erectieprocessen. Medicijnen zoals Sildenafil (Viagra) werken door de afbraak van cGMP te remmen, waardoor de concentratie stijgt en de gladde spieren relaxeren.
### 4.13 Antivirale en antitumorale middelen
Veel medicijnen tegen kanker en virale infecties zijn nucleotide-analogen die de synthese of functie van nucleotiden en nucleïnezuren verstoren.
* **5-fluorouracil:** Een prodrug die geïntegreerd kan worden in RNA, maar ook de synthese van dTMP remt door de inhibitie van thymidylaat synthase.
* **AZT (Azidothymidine):** Een dideoxynucleoside analoog dat door virusenzymen wordt geactiveerd en in virale DNA kan worden ingebouwd, wat ketenverlenging voorkomt.
* **Aciclovir:** Een guanosine analoog dat selectief wordt geactiveerd door virale thymidine kinase en antivirale activiteit vertoont.
---
## 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
Glossary
| Term | Definition |
|------|------------|
| Nucleotiden | Moleculen opgebouwd uit drie componenten: een stikstofbase (purine of pyrimidine), een pentosesuiker (ribose of deoxyribose) en één of meer fosfaatgroepen. Ze vormen de bouwstenen van DNA en RNA en spelen diverse rollen in cellulaire processen. |
| Nucleoside | Een molecuul dat bestaat uit een stikstofbase gebonden aan een pentosesuiker (ribose of deoxyribose), zonder fosfaatgroep. Nucleosiden zijn intermediairen in de synthese en afbraak van nucleotiden. |
| Stikstofbase | Een organische verbinding die stikstofatomen bevat en een fundamenteel onderdeel vormt van nucleotiden en nucleosiden. De basen worden ingedeeld in purines (adenine en guanine) en pyrimidines (cytosine, uracil en thymine). |
| Purines | Een klasse van stikstofbasen met een dubbele ringstructuur, bestaande uit een zesring en een vijfring. De belangrijkste purines in nucleïnezuren zijn adenine (A) en guanine (G). |
| Pyrimidines | Een klasse van stikstofbasen met een enkele ringstructuur. De belangrijkste pyrimidines in nucleïnezuren zijn cytosine (C), uracil (U) en thymine (T). |
| Ribose | Een vijfcarbonige suiker (pentose) die een essentieel onderdeel vormt van RNA en ATP. Het heeft een hydroxylgroep op het 2'-koolstofatoom. |
| Deoxyribose | Een vijfcarbonige suiker die een essentieel onderdeel vormt van DNA. Het verschilt van ribose doordat de hydroxylgroep op het 2'-koolstofatoom is vervangen door een waterstofatoom. |
| Fosfaatgroep | Een groep bestaande uit één fosforatoom gebonden aan vier zuurstofatomen ($PO_4^{3-}$). In nucleotiden is deze groep gebonden aan de suikermolecuul en vormt het de ruggengraat van DNA en RNA. |
| ATP (Adenosinetrifosfaat) | De belangrijkste energiedrager in cellen. Het bestaat uit adenine, ribose en drie fosfaatgroepen. De hydrolyse van de fosfaatbindingen levert energie voor cellulaire processen. |
| DNA (Desoxyribonucleïnezuur) | Een dubbelstrengige molecuul die de genetische informatie in de meeste levende organismen bevat. Het is opgebouwd uit deoxyribonucleotiden. |
| RNA (Ribonucleïnezuur) | Een enkelstrengse molecuul die betrokken is bij diverse cellulaire functies, waaronder eiwitsynthese en genexpressie. Het is opgebouwd uit ribonucleotiden. |
| Biosynthese | Het proces waarbij levende organismen complexe moleculen opbouwen uit eenvoudigere precursors. Dit omvat de synthese van nucleotiden, eiwitten, lipiden en koolhydraten. |
| De novo synthese | De synthese van een molecuul vanuit elementaire precursors, in tegenstelling tot de aanmaak uit bestaande intermediairen. Bij nucleotiden verwijst dit naar de volledige opbouw van de ringstructuren en de koppeling aan de suiker en fosfaat. |
| Salvage pathway | Een biochemisch proces dat ervoor zorgt dat vrijgekomen basen of nucleosiden uit de afbraak van nucleïnezuren opnieuw worden gebruikt om nucleotiden te vormen. Dit bespaart energie ten opzichte van de de novo synthese. |
| PRPP (Fosforibosylpyrofosfaat) | Een intermediair molecuul in de nucleotidensynthese, gevormd uit ribose-5-fosfaat. PRPP dient als een geactiveerde ribose-eenheid en is cruciaal voor zowel de de novo synthese als de salvage pathway van purines. |
| IMP (Inosinemonofosfaat) | Een belangrijk intermediair in de biosynthese van purinenucleotiden. IMP wordt gevormd uit de eerdere stappen van de purinesynthese en kan vervolgens worden omgezet in AMP of GMP. |
| AMP (Adenosinemonofosfaat) | Een nucleotiden met adenine als base, ribose als suiker en één fosfaatgroep. AMP is een bouwsteen van RNA en een belangrijk molecuul in cellulaire signalering (cAMP). |
| GMP (Guanosinemonofosfaat) | Een nucleotiden met guanine als base, ribose als suiker en één fosfaatgroep. GMP is een bouwsteen van RNA en is betrokken bij cellulaire signalering (cGMP). |
| Jicht | Een aandoening die wordt veroorzaakt door een te hoge concentratie urinezuur in het bloed, leidend tot de kristallisatie van urinezuur in de gewrichten, wat pijnlijke ontstekingen veroorzaakt. |
| Allopurinol | Een medicijn dat wordt gebruikt om jicht te behandelen. Het remt het enzym xanthine oxidase, waardoor de afbraak van purines wordt verminderd en de productie van urinezuur daalt. |
| Co-enzym | Een organische, niet-proteïnische molecuul die essentieel is voor de activiteit van veel enzymen. Co-enzymen fungeren als dragers van chemische groepen of elektronen tijdens enzymatische reacties. |
| NAD+ (Nicotinamide-adenine-dinucleotide) | Een belangrijk co-enzym dat betrokken is bij redoxreacties in de cel, voornamelijk als elektronendrager. Het speelt een cruciale rol in cellulaire ademhaling en stofwisseling. |
| FAD (Flavine-adenine-dinucleotide) | Een ander belangrijk co-enzym dat betrokken is bij redoxreacties, vooral in de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen. Het bevat flavine als actieve component. |
| Co-enzym A (CoA) | Een belangrijk co-enzym dat betrokken is bij de overdracht van acylgroepen, met name in de metabolisme van koolhydraten, vetten en eiwitten. Het speelt een sleutelrol in de citroenzuurcyclus. |
| cAMP (Cyclisch adenosinemonofosfaat) | Een cyclisch nucleotide dat fungeert als een belangrijke secundaire boodschapper in veel cellulaire signaleringsroutes. Het wordt gevormd uit ATP en reguleert diverse processen, zoals glyco-genolyse. |
| cGMP (Cyclisch guanosinemonofosfaat) | Een cyclisch nucleotide dat, net als cAMP, fungeert als een secundaire boodschapper. Het is betrokken bij processen zoals vaatverwijding en de regulatie van de bloeddruk. |