Nucléotides
Ribonucléotides
Biosynthèse des nucléotides pyrimidiques
Formation de novo de l'UMP : précurseur pyrimidique

La biosynthèse des nucléotides puriques s'effectue :

• soit de novo à partir de précurseurs métaboliques simples, ce qui affranchit l'organisme d'un approvisionnement externe,
• soit via des voies de sauvetage ou de récupération, i.e. " salvage " en anglais, qui recyclent des bases azotées libres ou des nucléosides, ces derniers pouvant être directement phosphorylés pour reformer des nucléotides.

Vue d'ensemble

1. Une différence essentielle entre la biosynthèse des ribonucléotides puriques et pyrimidiques réside dans le moment de formation de la liaison β-N-glycosidique.

a. Dans la voie de biosynthèse des ribonucléotides puriques, cette liaison β-N-glycosidique est établie dès la réaction 1 de la biosynthèse de l'IMP.

	Voie purique	Voie pyrimidique
Précurseur	IMP	UMP
Organisation de la voie	Bifurcation	Voie linéaire
Bases formées	Deux bases différentes (adénine ou guanine)	Même base modifiée (uracile ➞ cytosine)
Niveau des conversions des bases	Nucléosides monophosphates (NMP)	Nucléosides triphosphates (NTP)
Réaction clé	Amination de l’IMP (voie AMP) Oxydation, puis amidation (voie GMP)	Amination de l'UTP en CTP

La base est assemblée progressivement sur le squelette ribosé du 5-PRPP (5-phospho-α-D-ribosyl 1-pyrophosphate).

b. Dans la biosynthèse des pyrimidines, la base azotée est synthétisée indépendamment du PRPP dans les premières étapes.

Ce n’est qu’à la réaction 5 que l'orotate, précurseur du noyau pyrimidine, est condensé avec le PRPP pour former l’orotidine monophosphate (OMP), générant la liaison β-N-glycosidique.

2. En outre, contrairement à l'IMP qui peut être converti en AMP ou en GMP par deux voies enzymatiques spécifiques, l'UMP ne conduit qu'à l'UTP par phosphorylation qui sera transformé en CTP par amination.

3. Les précurseurs du noyau pyrimidine, qui apportent les atomes du cycle, sont :

• l'aspartate (N1, C4, C5 et C6),
• la glutamine (N3),
• le bicarbonate, $\ce{HCO3-}$ (C2).

Formation de novo de l'UMP

Comme l'IMP pour les bases puriques, l'UMP est un composé essentiel à la formation des ribonucléotides pyrimidiques.

La figure schématise les six étapes nécessaires pour conduire à l'uridine-monophosphate (uridine 5'-monophosphate ou acide uridylique), nucléotide de l'uracile.

1. La formation de carbamyl-phosphate est effectuée grâce au groupe amine ($\ce{-NH2}$) de la glutamine et au bicarbonate ($\ce{HCO3-}$) avec hydrolyse de deux molécules d’ATP.

$\ce{L-glutamine + HCO3^- + H2O + 2ATP}$
$\leftrightharpoons$
$\ce{Carbamyl-phosphate + L-glutamate + 2ADP + phosphate}$

a. Cette réaction est catalysée par la carbamyl-phosphate synthase II (CPSase II) cytosolique, EC 6.3.5.5, spécifique de la biosynthèse pyrimidique.

Remarque : le carbamyl-phosphate peut aussi être synthétisé lors du cycle de l'urée par une réaction semblable, NH₃ remplaçant la glutamine comme donneur d'azote.

Cette réaction est catalysée par la carbamyl-phosphate synthase I (CPSase I) mitochondriale, EC 6.3.4.16.

b. Contrairement à de nombreuses enzymes impliquées dans les carboxylations, les CPsases n’utilisent pas la biotine (vitamine B7) comme coenzyme.

Cela les distingue des carboxylases classiques comme la pyruvate carboxylase (PC) ou l'acétyl-CoA carboxylase (ACC), qui sont traitées dans des chapitres spécifiques.

c. Cette enzyme est sujette à régulation (régulation de la biosynthèse des nucléotides pyrimidiques).

2. Par réaction avec l'aspartate, le carbamyl-phosphate forme le carbamyl-aspartate (N-carbamoyl-L-aspartate).

a. Cette étape est catalysée par l'aspartate carbamoyltransférase ou aspartate transcarbamylase (ATCase), EC 2.1.3.2.

• Elle catalyse le transfert du groupe carbamoyl, i.e. $\ce{CO-NH2}$ sur le groupement α-aminé de l’aspartate.
• Il semble que la réaction catalysée par l’ATCase se déroule via un intermédiaire tétraédrique formé lors de l’attaque nucléophile de l’aspartate sur le carbone carbonyle du carbamyl-phosphate.

Un analogue stable de cet intermédiaire de transition, le PALA (N-phosphonacétyl-L-aspartate), mime étroitement sa structure, i.e. inhibiteur compétitif puissant de l’ATCase qui constitue un outil classique en enzymologie structurale pour étudier la régulation allostérique de cette enzyme (Synthèse de nouveaux phosphinosucres et pseudo-disaccharides à activité anticancéreuse 2016).

b. Cette enzyme est soumise à régulation (régulation de la biosynthèse des nucléotides pyrimidiques).

3. Par l'élimination d'une molécule d'eau, le carbamyl-aspartate subit une cyclisation intramoléculaire qui conduit à la formation du dihydroorotate.

a. Le dihydroorotate est donc le premier intermédiaire de la voie pyrimidique à posséder le cycle caractéristique du noyau pyrimidine, bien que sous une forme partiellement réduite, et non aromatique, contrairement à l'orotate.

Les deux hydrogènes supplémentaires présents sur le cycle rendent les deux atomes sp³ hybridés, i.e. tétrahédriques sans orbitale p libre, au lieu de sp², orbitale p non hybridée permettant la formation d’un système d’électrons π délocalisés, ce qui supprime la coplanarité et empêche la délocalisation électronique sur tout le cycle ( cycle aromatique et électrons π).

b. Cette étape est catalysée par la dihydroorotase (carbamoylaspartic dehydrase, dihydroorotate hydrolase), EC 3.5.2.3.

4. Le dihydroorotate est oxydé en orotate, cycle entièrement conjugué, coplanaire et donc aromatique, véritable noyau pyrimidine.

a. Cette étape est catalysée par la dihydroorotate déshydrogénase (DHODH), EC 1.3.5.2.

b. Chez les eucaryotes, cette enzyme est située sur la surface externe de la membrane mitochondriale interne (IMM), alors que toutes les autres enzymes de la synthèse des ribonucléotides pyrimidiques se trouvent dans le cytosol.

Le dihydroorotate, molécule relativement petite (~155 Da) et polaire, diffuse librement par les porines, VDAC étant le principal canal candidat, à travers la membrane externe (OMM) vers l’espace intermembranaire.

c. Elle agit en quatre étapes.

• Le dihydroorotate se lie au site actif de la DHODH, positionné de façon optimale pour permettre la réaction d’oxydation.
• Deux atomes d’hydrogène (2e^- et 2H⁺) sont retirés du dihydroorotate, i.e. déshydrogénation formant l’orotate.
• Les électrons et protons extraits du dihydroorotate sont transférés au FAD (flavine adénine dinucléotide), groupe prosthétique lié à l’enzyme, réduisant ainsi le FAD en FADH₂.
• Le FADH₂ transférera ensuite les électrons à la coenzyme Q/ubiquinone, la réduisant en ubiquinol (QH₂), qui transmet les électrons à la chaîne respiratoire mitochondriale, via le complexe III.

La dernière étape rend la biosynthèse de novo des pyrimidines dépendante de l'activité mitochondriale chez les eucaryotes.

Remarque : les DHODH sont divisées en deux classes, et seule la classe 2 mitochondriale est présente chez les eucaryotes supérieurs, utilisant la sérine comme résidu catalytique pour catalyser la réaction d'oxydation.

La classe 1 des DHODH, chez les bactéries et certains eucaryotes inférieurs, est cytosolique et utilise la cystéine pour catalyser la réaction d'oxydation.

• La classe 1A, homodimérique, utilise le fumarate comme accepteur d’électrons.
• La classe 1B, hétérotétramérique, utilise le NAD⁺ comme accepteur d’électrons.

5. La cinquième réaction permet la formation de la liaison β-N-glycosidique.

a. L'orotate, possédant le cycle pyrimidique complet et aromatique, entre en réaction avec le 5-PRPP (5-phospho-α-D-ribosyl 1-pyrophosphate) pour donner naissance à un nucléotide, l'orotidine 5'-monophosphate (OMP ou acide orotidylique).

b. La réaction est catalysée par l'orotate phosphoribosyltransférase (EC 2.4.2.10).

Chez les levures et les bactéries, l'orotate phosphoribosyltransférase est une enzyme indépendante avec un gène unique codant pour la protéine.

6. L'OMP est décarboxylé en uridine monophosphate (UMP ou acide uridylique).

• Chez les levures et les bactéries, cette réaction est catalysée par l'orotidine-5'-phosphate décarboxylase (EC 4.1.1.23).
• Chez les mammifères et autres organismes multicellulaires, la fonction catalytique est réalisée par un domaine de l'enzyme bifonctionnelle, l'uridine monophosphate synthétase (UMPS).

Formation de l'UTP et du CTP à partir de l'UMP