Purine

Die Purine bilden in der Chemie eine Stoffgruppe von organischen Verbindungen, die zu den Heterocyclen (genauer: Heteroaromaten) zählt. Sie leiten sich von der Stammverbindung Purin ab.

Purine sind neben Pyrimidinen wichtige Bausteine der Nukleinsäuren. Sie sind nicht essentiell, sondern werden vom menschlichen Körper selbst gebildet. Lebensmittel tierischer Herkunft enthalten wegen der hohen Konzentrationen in Haut und Innereien viele Purine. Nach dem Verzehr werden beim Menschen die Purine zu Harnsäure abgebaut und über die Nieren ausgeschieden; bei verschiedenen anderen Tierarten erfolgt ein weitergehender Abbau (beispielsweise zu Allantoin bei Rindern). Daher leitet sich auch der Name von lat. purus = rein und acidum uricum = Harnsäure ab, da es das „reine“ Grundgerüst der Harnsäure ist, die 1898 von Emil Fischer erstmals synthetisiert wurde.

Übersicht

Werden die Wasserstoffatome in den Positionen 2, 6 und 8 durch andere Reste ersetzt, ergeben sich verschiedene substituierte Purine:

Purinderivate
Name Grundstruktur R6 R2 R8
Purin Strukturformel von Purin –H –H –H
Adenin –NH2 –H –H
Guanin –OH –NH2 –H
Harnsäure –OH –OH –OH
Hypoxanthin –OH –H –H
6-Purinthiol –SH –H –H
6-Thioguanin –SH –NH2 –H
Xanthin –OH –OH –H
Isoguanin –NH2 –OH –H

Dabei werden alle Purine, die als normale Bausteine in DNS und RNS vorkommen, also Adenin (2) und Guanin (3), als Purinbasen bezeichnet. Durch Modifizierung kann es passieren, dass auch Hypoxanthin und Xanthin zeitweilig Teil von RNS oder DNS sind, sie werden durch Reparaturenzyme jedoch wieder ausgewechselt. 7-Methylguanin ist Teil der Cap-Struktur.

Bedeutende Purine (englische Bezeichnungen)

Weitere bedeutende Purine sind Hypoxanthin, Xanthin, Theophyllin, Theobromin, Coffein, Harnsäure und Isoguanin.

Tautomerie

Tautomerie der Purine

Auf Grund der Molekül-Abschnitte mit dem Grundmuster N=C–X–H (mit X = O, S oder NH) besteht die Möglichkeit der Tautomerie (siehe Lactam-Lactim-, Thiolactam-Thiolactim- und Imin-Enamin-Tautomerie):

Biologische Bedeutung

trans-Zeatin

Stoffwechsel

Von dem Heterocyclus Purin leiten sich die Purinnukleotide AMP, ADP, ATP, GTP, GDP und GMP ab, deren gemeinsame Vorstufe in der Biosynthese das Inosinmonophosphat (IMP) ist. Viele weitere Stoffe dienen als Zwischenprodukte und bilden ein Netzwerk, in dem jedes der Nukleotide aus einem der Zwischenprodukte hergestellt, von Grund auf neu (de-novo) synthetisiert oder zu Harnsäure abgebaut werden kann (siehe Abbildung).

Purine-metabolism.svg

De-novo-Biosynthese von IMP

Die Purine werden im Organismus nicht als freie Moleküle synthetisiert, sondern stets als Nukleotide. Ausgangsmolekül ist das α-D-Ribose-5-phosphat, ein Zwischenprodukt des Pentosephosphatzyklus. Darauf wird das Grundgerüst des Purins schrittweise aufgebaut, wobei verschiedene Moleküle die einzelnen Bestandteile liefern. Das Endprodukt dieser Synthesekette ist das Inosinmonophosphat (IMP), das Nukleotid des Hypoxanthins, welches in weiteren Schritten zu den Nukleotiden des Adenosins oder des Guanosins umgebaut wird.

Ribose-5-phosphat  \longrightarrow    \longrightarrow    \longrightarrow   IMP

Interkonversion von AMP und IMP

AMP-Biosynthese (de novo)

Die Synthese von AMP setzt an die von IMP an und benötigt in allen Lebewesen zwei Schritte:

IMP + Aspartat + GTP  \longrightarrow   GDP + Pi + Adenylsuccinat  \longrightarrow   AMP + Fumarat

IMP und Aspartat werden unter Verbrauch von GTP ligiert, katalysiert von der Adenylosuccinat-Synthase. Vom Zwischenprodukt wird mithilfe der Adenylosuccinat-Lyase Fumarat abgespalten, es entsteht AMP.

IMP aus AMP

Das Enzym AMP-Desaminase erleichtert die Umwandlung von AMP zu IMP. Dadurch ist es Eukaryoten möglich, IMP über den Salvage-Weg aus Purinbasen zu gewinnen.

AMP + H2O  \longrightarrow   IMP + NH3

AMP wird zu IMP umgesetzt; Wasser wird verbraucht, Ammoniak entsteht.

Interkonversion von GMP/XMP und IMP

GMP-Biosynthese (de novo)

Wie bei der ATP-Synthese wird GMP aus IMP in zwei Schritten gewonnen. Den ersten Schritt, die Oxidation von IMP und XMP, katalysiert die IMP-Dehydrogenase.

IMP + NAD+ + H2O   \longrightarrow   XMP + NADH/H+

IMP wird zu XMP oxidiert. Der zweite Schritt geschieht mittels der GMP-Synthase.

XMP + Glutamin + ATP + H2O   \rightleftharpoons   GMP + Glutamat + AMP + PPi

Aus XMP, ATP und Glutamin entstehen GMP, AMP und Glutaminsäure.

IMP aus GMP

Die Rückreaktion von IMP aus GMP in einem Schritt ist mittels der GMP-Reduktase möglich. Dies trägt zur AMP/GMP-Balance in der Zelle bei.

GMP + NADPH/H+  >\longrightarrow IMP + NH3 + NADP+

Von GMP wird Ammoniak abgespalten und IMP entsteht. Die Reaktion ist irreversibel.

Wiederverwertung der Basen (Salvage-Pathway)

Beim Abbau der RNA entstehen neben den Mononukleotiden auch freie Basen und Nukleoside. Die Mononukleotide können dadurch wieder zurückgewonnen werden, dass die Purinbasen mit phosphorylierter Ribose und die Nucleoside durch Kinasen ihre Phosphatgruppe wieder erhalten.

Abbau

Von den Nukleotiden wird Phosphat abgetrennt (mithilfe des Enzyms Nukleotidase) und von den entstehenden Nukleosiden werden als Nächstes die Basen abgespalten, katalysiert von der Purin-Nukleosidase. Guanin wird mithilfe der Guanin-Desaminase zu Xanthin desaminiert. Xanthin wird zu Harnsäure oxidiert. Diese ist bei Landreptilien, Vögeln, vielen Insekten und Primaten das Endprodukt, das über den Harn ausgeschieden wird. Andere Tiere, sowie Pflanzen bilden aus der Harnsäure Allantoin, Harnstoff oder Ammoniak, der bei Stickstoffbedarf als Ammonium wieder aufgenommen wird.

Rezeptoren

Purine binden an spezifische Rezeptoren in der Zellmembran, sog. purinerge Rezeptoren. Es gibt ionotrope und metabotrope purinerge Rezeptoren. Der physiologische Agonist dieser Rezeptoren ist ATP.

Medizinische Bedeutung

Krankheiten

Je nach Ort der Störung im Purin-Stoffwechsel ergeben sich verschiedene Krankheitsbilder:

Arzneistoffe

Purin-Derivate und Purin-Analoga spielen als Antimetaboliten eine Rolle: Azathioprin unterdrückt das Immunsystem, 8-Azaguanin, 6-Purinthiol und 6-Thioguanin werden gegen bestimmte Krebsformen eingesetzt, Allopurinol gegen Gicht. N-Hydroxy-Purin und Purin-N-Oxide wirken karzinogen (krebserregend).

Literatur

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Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 03.11. 2021