Nucléotides
Catabolisme des nucléotides
Du nucléotide à la base azotée

Les nucléotides sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée ou nucléobase, responsable des propriétés d’appariement et de reconnaissance moléculaire dans les acides nucléiques :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C), la thymine (T) spécifique à l'ADN, ou l'uracile (U) spécifique à l'ARN.

b. d'un pentose, ose à 5 carbones,

• ribose pour les ribonucléotides,
• désoxyribose pour les désoxyribonucléotides.

c. un ou plusieurs groupes phosphate, responsables de la charge négative de la molécule et impliqués dans la formation des liaisons phosphodiester entre nucléotides successifs.

Remarque : les nucléosides sont des nucléotides sans groupe phosphate, composés uniquement d'une base azotée et d'un pentose ( sémantique).

Organisation générale du catabolisme des nucléotides

1. Le catabolisme des nucléotides correspond à l’ensemble des réactions enzymatiques qui dégradent progressivement ces molécules en nucléosides puis en bases azotées libres et en pentoses.

• Ce processus suit généralement une succession d’étapes, i.e. NTP ➞ NDP ➞ NMP ➞ nucléosides ➞ bases azotées, et constitue un processus commun, quel que soit le nucléotide, purique ou pyrimidique.
• Ces transformations résultent principalement de réactions de déphosphorylation qui permettent de réduire progressivement le niveau de phosphorylation des nucléotides, et d’hydrolyse de la liaison β-N-glycosidique pour libérer les bases azotées.

En revanche, les voies cataboliques divergent ensuite selon la nature de la base :

• les bases puriques sont finalement transformées en acide urique chez l’être humain,
• les bases pyrimidiques sont converties en β-alanine et β-aminoisobutyrate.

2. Le catabolisme des nucléotides remplit plusieurs fonctions physiologiques essentielles :

• maintien de l’équilibre des pools de nucléotides,
• élimination des nucléotides excédentaires ou endommagés pour prévenir les mutations,
• récupération de bases et de nucléosides pour les voies de sauvetage,
• dégradation finale des bases azotées.

Déphosphorylation
des nucléotides

Lors du catabolisme des nucléosides triphosphates (NTP), des enzymes distinctes interviennent dans l'hydrolyse des groupes phosphate situés en positions γ (gamma), β (bêta) et α (alpha).

Ces phosphates sont éliminés successivement par des hydrolases spécifiques.

Nucléosides-triphosphatases (NTPases)

Les nucléosides-triphosphatases (NTPases), i.e. EC 3.6.1.15, éliminent le groupe phosphate en position gamma (γ) :

$\ce{NTP + H2O}$ $ $\longrightarrow$ $\ce{NDP + Pi}$

Ces NTPases sont le plus souvent peu spécifiques, i.e. elles agissent sur plusieurs NTP (ATP, GTP, CTP, UTP, parfois TTP), d'autres sont plus spécialisées.

1. Pour la plupart, elles sont intracellulaires.

a. Les NTPases cytosoliques sont solubles et agissent directement sur les NTP intracellulaires comme l'inosine triphosphatase (ITPase).

L'ITPase hydrolyse l’ITP, le dITP ou XTP, qui apparaissent par désamination ou modifications spontanées d’ATP/GTP, pour qu'ils ne soient pas incorporés dans les acides nucléiques.

b. D'autres, impliquées dans le catabolisme ou le contrôle des pools de nucléotides, sont retrouvées dans des compartiments intracellulaires.

• Dans les mitochondries, on trouve des NTPases participant à l’équilibre des pools de NTP/dNTP, indispensables pour la réplication de l’ADN mitochondrial.
• Dans l'appareil de Golgi ou dans le réticulum endoplasmique (RE), elles participent par exemple à la régulation des niveaux de NTP nécessaires aux réactions de glycosylation.

2. Certaines NTPases, localisées au pôle extracellulaire des membranes plasmatiques, sont des ecto-enzymes, comme les NTPDases (Nucleoside Triphosphate Diphosphohydrolases), i.e. EC 3.6.1.5.

a. Ces enzymes hydrolysent successivement les NTP en NDP puis en NMP.

b. Par exemple, les apyrases (ecto-NTPDases) hydrolysent, entre autres, l'ATP en AMP en passant par l’ADP.

• Elles éliminent l'ATP, normalement intracellulaire, qui est libéré dans le milieu extracellulaire pour signaler un danger (DAMP pour Damage-Associated Molecular Pattern), i.e. nécrose, inflammation, hypoxie…
• Elles participent à la signalisation purinergique, par exemple en activant les récepteurs purinergiques P2 (P2X et P2Y) sur les cellules voisines pour déclencher des réponses immunitaires ou inflammatoires ( récepteurs purinergiques).

c. Les NTPDases membranaires (notamment CD39) constituent la première étape de la dégradation extracellulaire de l’ATP et de l’ADP, formant une cascade enzymatique avec l’ecto-5′-nucléotidase (CD73 ou NT5E)) qui assure l’hydrolyse séquentielle ATP → ADP → AMP avant la formation d'adénosine.

Nucléosides-diphosphatases (NDPases)

Les nucléosides-diphosphatases (NDPases), i.e. EC 3.6.1.6, éliminent le groupe phosphate en position bêta (β) :

$\ce{NDP + H2O}$ $ $\longrightarrow$ $\ce{NMP + Pi}$

1. Ces enzymes sont souvent moins spécifiques que les NTPases, et cette flexibilité métabolique est particulièrement utile pour :

• éliminer rapidement les NDP issus de la dégradation des NTP,
• maintenir l’équilibre des pools de nucléotides dans la cellule.

2. Certaines NDPases montrent néanmoins une préférence pour certains NDP, en fonction de leur localisation et de leur rôle physiologique.

• Par exemple, la NDPase de l'appareil de Golgi peut agir sur différents NDP, en particulier UDP, GDP, ADP pour faciliter le recyclage des nucléotides-oses dans les réactions de glycosylation.
• Les NDPases cytosoliques peuvent préférer l'ADP ou le GDP qui correspondent aux nucléotides les plus abondants dans le cytosol.
• Certaines NDPases interviennent dans la régulation des pools de nucléotides spécifiques pour des voies métaboliques particulières, comme l'UDP pour le recyclage lors des réactions de glycosylation.

Cette spécificité partielle permet à la cellule de prioriser la dégradation ou le recyclage de certains nucléotides, tout en maintenant une activité large sur d’autres NDP.

Nucléotidases

5'-nucléotidases

Les 5'-nucléotidases (EC 3.1.3.5) hydrolysent les groupes phosphate en position 5' des nucléotides, i.e. en position alpha (α) :

$\ce{NMP + H2O}$ $ $\longrightarrow$ $\ce{Nucléosides+ Pi}$

1. Leur action libère le nucléoside, qui peut ensuite suivre plusieurs voies (The 5′-nucleotidases as regulators of nucleotide and drug metabolism 2005) :

a. Le nucléoside peut être dégradé en base azotée et en ribose/désoxyribose ( clivage des nucléosides), lors d'excès de nucléosides par rapport aux besoins en nucléotides comme :

• dans les cellules différenciées avec faible synthèse d’ADN/ARN, i.e. neurones, érythrocytes ( voies de sauvetage),
• lors de dégradations trop intenses des NTP/NDP/NMP,
• lors du besoin de réutiliser le ribose/désoxyribose pour la production énergétique ou la synthèse des nucléotides-oses.

b. Il peut être recyclé via la voie de sauvetage des nucléosides lorsque la cellule a besoin de nucléotides comme :

• dans les tissus métaboliquement actifs, i.e. foie, moelle osseuse, intestin,
• lors de croissance cellulaire active pour pouvoir synthétiser les acides nucléiques.

2. Leur spécificité est variable.

• Certaines 5'-nucléotidases, en particulier intracellulaires, hydrolysent plusieurs NMP.
• Certaines isoformes sont relativement spécifiques, comme par exemple l’ecto-5’-nucléotidase (CD73) qui a une forte affinité pour l'AMP ( plus haut).

3'-nucléosidases

Ces enzymes hydrolysent des NTP/NDP et NMP non standards qui interviennent dans des voies métaboliques plus secondaires.

1. Les 3'-nucléotidases (EC 3.1.3.6) hydrolysent les groupes phosphate en position 3' des ribonucléotides et des désoxyribonucléotides monophosphates.

• Elles participent au catabolisme des nucléotides moins courants, en complément des NTPases, NDPases et 5’-nucléotidases.
• Moins étudiées, elles participent quand même à la régulation des pools de nucléotides et nucléosides spécifiques.

2. Un exemple, la 3′-phosphoadénosine-5′-phosphate phosphatase (BPNT1) ou PAP nucléotidase, EC 3.1.3.7 intervient lors des réactions de sulfatation.

a. Lors de ces réactions, le 3′-phosphoadénosine-5′-phosphosulfate (PAPS) transfère son groupe sulfate à un groupe accepteur et est converti en 3′-phosphoadénosine-5′-phosphate (PAP).

b. Le PAP est ensuite hydrolysé par la PAP nucléotidase en AMP, ce qui permet l’élimination de ce métabolite et le recyclage de l’adénosine monophosphate.

$\ce{PAP + H2O}$ $ $\longrightarrow$ $\ce{AMP + Pi$

Le PAP peut agir comme modulateur allostérique de certaines enzymes impliquées dans les réactions de sulfatation des protéines et des lipides, ce qui peut influencer la fonction membranaire et la signalisation cellulaire.

Clivage des nucléosides

1. Les nucléosidases hydrolysent la liaison β-N-glycosidique entre la base azotée et l'ose, i.e. ribose ou désoxyribose.

$\ce{Nucléoside + H2O}$ $ $\longrightarrow$ $\ce{Base azotée + ribose ou désoxyribose}$

Chaque nucléosidase est caractérisée par un numéro EC spécifique (EC 3.2.2.x) comme ;

• l’uridine nucléosidase (EC 3.2.2.3),
• l’inosine nucléosidase (EC 3.2.2.1).

2. Certaines bases peuvent néanmoins être récupérées via des voies de sauvetage faisant intervenir des phosphorylases spécifiques, qui libèrent un ribose-1-phosphate ou un désoxyribose-1-phosphate, permettant ainsi une économie d’énergie par rapport à une hydrolyse libérant un ose libre.

a. La phosphorolyse des nucléosides puriques est assurée par la purine nucléoside phosphorylase (PNP ou PNAase), i.e. EC 2.4.2.1 :

$\ce{Nucléoside purique + phosphate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{Purine + alpha-D-ribose 1-phosphate}$

b. Les pyrimidine-nucléoside phosphorylases (Py-NPases) catalysent la phosphorolyse des nucléosides pyrimidiques :

$\ce{Nucléoside pyrimidique + phosphate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{Pyrimidine + alpha-D-ribose 1-phosphate}$

Plusieurs enzymes spécifiques appartiennent à cette famille, notamment :

• l'uridine phosphorylase (EC 2.4.2.3) ,
• la thymidine phosphorylase (EC 2.4.2.4).

Catabolisme des bases azotées

Une fois les groupes phosphate et le pentose éliminés, les bases azotées sont dégradées par des voies cataboliques distinctes selon leur nature chimique :

• bases pyrimidiques,
• bases puriques.