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Deoxyribonucleotide Synthesis and Ribonucleotide Reductase

by Kevin Ahern, PhD

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    00:00 Nun m├Âchte ich mich den Desoxyribonukleotiden zuwenden und wie sie hergestellt werden, denn wir haben jetzt alle de novo und Bergungs-Synthesewege f├╝r die Ribonukleotide und auch die katabolen Prozesse, die sie abbauen, durchlaufen. Die Desoxyribonukleotide werden aus Ribonukleosid-Diphosphate hergestellt. Diese sind ADP, CDP, GDP und UDP. Und das verantwortliche Enzym katalysiert die Umwandlung aller dieser Enzyme. Dieses Enzym ist die Ribonukleotid-Reduktase und wir werden gleich sehen, wie das funktioniert. Die schematische Darstellung der Reaktion, die von der Ribonukleotidreduktase katalysiert wird, ist hier dargestellt. Bei der Reaktion NDP steht das N f├╝r eine der beliebigen Basen A, G, C oder U. NDP wird in das Desoxy├Ąquivalent dieser Basen (dGDP, dADP, dCDP, und dUDP) durch dieses Enzym umgewandelt. Dies beinhaltet den Verlust von Wasser. Wir werden nun sehen, wie das mechanistisch gesehen geschieht. Wie ich gerade sagte, gibt es das Enzym, das es katalysiert. Also, zum Beispiel, wenn wir uns CDP ansehen. So wird bei der Katalyse durch dieses Enzym dCDP gebildet und das Hydroxyl an Position 2 des Zuckers entfernt. Wir sehen das es im Molek├╝l auf der rechten Seite verschwunden ist. Das ist der Desoxyteil der Desoxyribonukleotide. Der Sauerstoff ist weg. Die Ribonukleotid-Reduktase wird in diesem Prozess ver├Ąndert. Sie startet aus einem reduzierten Zustand und wird schlie├člich oxydiert. Nun, wir wissen, wenn ein Enzym ver├Ąndert ist, dass es irgendwie zur├╝ck ge├Ąndert werden muss. Denn wenn wir es nicht zur├╝ck ├Ąndern, geraten wir in eine Sackgasse, in der wir ein totes Enzym haben, das nicht tot sein darf, weil es f├╝r die Herstellung anderer Desoxyribonukleotide notwendig ist. Nun, es wird durch eine Aktion in die reduzierte Form in ein Molek├╝l namens Thioredoxin zur├╝ckverwandelt. Thioredoxin kann Ribonukleotid-Reduktase reduzieren und oxydieren und wird dabei oxydiert. Nun, man k├Ânnte denken, muss das recycelt werden? Die Antwort lautet: Ja, das sollte es. Um das Thioredoxin in reduzierter Form wiederherzustellen, werden Elektronen letztlich von jedem DPH 'gespendet'. Sie gelangen ├╝ber mehrere Schritte zum Thioredoxin, und auch hier gilt, dass diese Schritte nicht wichtig sind, sondern es darauf an kommt, dass das Thioredoxin regeneriert wird, so dass es die Ribonukleotid-Reduktase regenerieren kann, wie Sie hier sehen. Ribonukleotid-Reduktase ist ein faszinierendes Enzym in Bezug auf die Anzahl der Dinge, die es macht, obwohl es ein relativ kleines Protein ist.

    02:45 Es hat 2 Untereinheiten, eine gro├če Untereinheit und eine kleine Untereinheit. Die gro├če Untereinheit wird R1 genannt und hat 2 allosterische Stellen. Die allosterischen Stellen sind nat├╝rlich Stellen, die andere Molek├╝le binden. Diese Molek├╝le beeinflussen die Aktivit├Ąt des Enzyms. Das aktive Zentrum befindet sich zumindest teilweise in den gro├čen Untereinheiten.

    03:05 Es ist ein bischen geteilt zwischen der gro├čen und der kleinen Untereinheit. Die Hauptfunktion der kleinen Untereinheit ist, dass es eine Tyrosin-Aminos├Ąure enth├Ąlt, die radikalisiert wird und diese Radikalisierung des Tyrosins ist f├╝r den Reaktionsmechanismus notwendig, der die Desoxyribonukleotide produziert. RNR, die Ribonukleotid-Reduktase, wie sie genannt wird, kontrolliert das Gleichgewicht aller Desoxyribonukleotide und zwar, wie wir noch sehen werden, mit einer komplexen allosterischen Steuerung. Der Reaktionsmechanismus f├╝r Ribonukleotid Reduktase ist auf diesem Bildschirm abgebildet. Es ist ein komplizierter Prozess, aber es ist wichtig, damit Sie verstehen, wie das Enzym seine Aufgabe erf├╝llt. Wir erinnern uns, dass, wie hier gezeigt, die Ribonukleotid-Reduktase zu Beginn in reduzierter Form vorliegt und am Ende der Reaktion in einer oxydierten Form vorliegt. Erinnern Sie sich, dass ich sagte, dass die Ribonukleotid-Reduktase in der oxydierten Form wieder in die reduzierte Form umgewandelt werden muss. Das geschieht durch die Wirkung von Thioredoxin. Nun, wie kommt es zu all diesen Dingen? Erinnern Sie sich, dass ich auch gesagt habe, dass der Prozess mit dem Tyrosylradikal in der kleinen Untereinheit des Ribonukleotids beginnt.

    04:16 Wir k├Ânnen das Radikal hier sehen. Dieses Radikal zieht tats├Ąchlich Protonen aus dem Ring von Kohlenstoff Nummer 3 der Ribose. Wie du auch an dem Pfeil sehen kannst, der sich nach oben bewegt. Also, Tyrosin zieht den Wasserstoff ab, nimmt dabei das Elektron mit und hinterl├Ąsst ein Radikal, das sich im Ring befindet. Dieses Radikal im Ring ist in der n├Ąchsten Abbildung an dem Molek├╝l mit einem kleinen Punkt ├╝ber dem Kohlenstoff Nummer 3 zu sehen. Nun, das schafft eine gewisse Instabilit├Ąt auf der Ribose. Diese Instabilit├Ąt der Ribose bewirkt, dass die Hydroxylposition 2 einen Wasserstoff von der Sulfhydryl der Ribonukleotidreduktase nimmt. Sie werden feststellen, dass an dieser Stelle H2O entsteht, wie es im 3. Molek├╝l zu sehen ist. Wir k├Ânnen sehen, dass dieser Prozess stattfindet und dass H2O instabil ist.

    05:06 Das H2O geht verloren, so dass der Verlust des H2O nun zu einer Ribose f├╝hrt, die das Radikal auf eine andere Position ├╝bertr├Ągt, die unter der von Position 2 liegt. Nun, dieses Radikal ist auf der Suche nach Wasserstoff und wir k├Ânnen sehen, dass dieser Wasserstoff hier von dem Schwefel des Sulfhydryl an der Ribonukleotidreduktase genommen wurde, um den Gesamtzucker zu stabilisieren. Nun, an diesem Punkt, haben wir jetzt den Desoxyribosezucker hergestellt. Das Radikal muss regeneriert werden. Und dieses Radikal wird regeneriert, indem der andere Teil des Radikals an den Desoxyribosezucker gebunden wird, was hier geschieht.

    05:44 Dadurch wird das Enzym Ribonukleotid-Reduktase vollst├Ąndig in die Radikalzustand versetzt und muss einfach durch Thioredoxin reduziert werden.


    About the Lecture

    The lecture Deoxyribonucleotide Synthesis and Ribonucleotide Reductase by Kevin Ahern, PhD is from the course Purine and Pyrimidine Metabolism. It contains the following chapters:

    • Deoxyribonucleotide Synthesis
    • Ribonucleotide Reductase
    • RNR Reaction Mechanism

    Included Quiz Questions

    1. It requires ribonucleotide reductase.
    2. It starts with ribonucleoside monophosphates.
    3. It produces dTTP from dCTP.
    4. Ribonucleotide reductase requires one water molecule to convert from its reduced form to an oxidized form.
    5. It requires the enzyme ribonucleotide hydroxylase.
    1. It has allosteric sites on the large subunit.
    2. It has a small subunit called R1.
    3. The small subunit has three allosteric sites.
    4. The large subunit has three allosteric sites.
    5. The large subunit has a tyrosine which is important in the reaction mechanism.
    1. It involves the transfer of electrons through sulfhydryls.
    2. It requires a phenylalanine radical.
    3. It involves the donation of electrons to the enzyme from the ribonucleotide.
    4. The reduced form of RNR has a hydroxyl radical that is important for the reaction mechanism.
    5. The reduction of sulfhydryl is necessary to generate the oxidized form of RNR.
    1. Reduced thioredoxin
    2. Oxidized thioredoxin
    3. Radicalized tyrosine
    4. Oxidized tyrosyl radicals
    5. Reduced tyrosyl radicals

    Author of lecture Deoxyribonucleotide Synthesis and Ribonucleotide Reductase

     Kevin Ahern, PhD

    Kevin Ahern, PhD


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