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IGNOU BBCCT-113 Solved Question Paper PDF
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IGNOU BBCCT-113 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (a) पिरीमिडीन क्षारकों और न्यूक्लियोसाइड्स के साल्वेज मार्ग का वर्णन कीजिए। 7 (b) नाइट्रोजन चक्र की व्याख्या कीजिए तथा जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण को परिभाषित कीजिए। 7
Ans. (a) पिरीमिडीन साल्वेज मार्ग एक उपापचयी प्रक्रिया है जिसके द्वारा कोशिकाएं पूर्व-निर्मित पिरीमिडीन क्षारकों (जैसे साइटोसिन, यूरेसिल, और थाइमिन) और न्यूक्लियोसाइड्स का पुन: उपयोग करती हैं, जो न्यूक्लिक एसिड के क्षरण से प्राप्त होते हैं। यह डी नोवो संश्लेषण मार्ग का एक ऊर्जा-कुशल विकल्प है।
इस मार्ग में मुख्य रूप से दो प्रकार के एंजाइम शामिल होते हैं: 1. न्यूक्लियोसाइड किनेसेस (Nucleoside Kinases): ये एंजाइम एक फॉस्फेट समूह को एटीपी से एक पिरीमिडीन न्यूक्लियोसाइड (क्षारक + राइबोज) में स्थानांतरित करते हैं, जिससे एक न्यूक्लियोटाइड बनता है।
- यूरीडीन-साइटिडीन किनेज यूरीडीन और साइटिडीन दोनों को क्रमशः यूएमपी और सीएमपी में फॉस्फोराइलेट करता है। यूरीडीन + ATP → UMP + ADP
- थाइमिडीन किनेज थाइमिडीन को टीएमपी में फॉस्फोराइलेट करता है। यह एंजाइम कोशिका चक्र के S-चरण के दौरान विशेष रूप से सक्रिय होता है। थाइमिडीन + ATP → TMP + ADP
2. पिरीमिडीन फॉस्फोरिबोसिलट्रांसफरेज (Pyrimidine Phosphoribosyltransferase): यह एंजाइम एक मुक्त पिरीमिडीन क्षारक को फॉस्फोरिबोसिल पाइरोफॉस्फेट (PRPP) से जोड़कर सीधे एक न्यूक्लियोटाइड बनाता है। क्षारक + PRPP → न्यूक्लियोटाइड + PPi उदाहरण के लिए, ओरोटेट फॉस्फोरिबोसिलट्रांसफरेज, जो डी नोवो मार्ग का हिस्सा है, ओरोटेट को ओएमपी में परिवर्तित करने के लिए एक साल्वेज जैसी प्रतिक्रिया भी कर सकता है।
यह साल्वेज मार्ग विशेष रूप से उन ऊतकों में महत्वपूर्ण है जो डी नोवो संश्लेषण करने में अक्षम हैं या जिन्हें तेजी से डीएनए संश्लेषण की आवश्यकता होती है, जैसे कि कैंसर कोशिकाएं और कुछ परजीवी।
(b) नाइट्रोजन चक्र (Nitrogen Cycle) वह जैव-भू-रासायनिक चक्र है जिसके द्वारा नाइट्रोजन को विभिन्न रासायनिक रूपों में परिवर्तित किया जाता है, जो वायुमंडल, स्थलीय और समुद्री पारिस्थितिक तंत्रों के बीच घूमता है। नाइट्रोजन सभी जीवन रूपों के लिए एक आवश्यक घटक है, जो अमीनो एसिड, प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड के निर्माण के लिए आवश्यक है।
नाइट्रोजन चक्र के मुख्य चरण हैं:
- नाइट्रोजन स्थिरीकरण (Nitrogen Fixation): वायुमंडलीय नाइट्रोजन (N₂) को अमोनिया (NH₃) में परिवर्तित करना।
- नाइट्रीकरण (Nitrification): अमोनिया का नाइट्राइट (NO₂⁻) और फिर नाइट्रेट (NO₃⁻) में ऑक्सीकरण। यह नाइट्रोसोमोनास और नाइट्रोबैक्टर जैसे जीवाणुओं द्वारा किया जाता है।
- स्वांगीकरण (Assimilation): पौधे और सूक्ष्मजीव मिट्टी से नाइट्रेट और अमोनिया को ग्रहण करते हैं और उन्हें जैविक ऊतकों में शामिल करते हैं।
- अमोनीकरण (Ammonification): जब जीव मर जाते हैं, तो अपघटक (जैसे बैक्टीरिया और कवक) उनके कार्बनिक नाइट्रोजन को वापस अमोनिया में परिवर्तित कर देते हैं।
- विनाइट्रीकरण (Denitrification): स्यूडोमोनास जैसे बैक्टीरिया द्वारा नाइट्रेट को वापस गैसीय नाइट्रोजन (N₂) में परिवर्तित करना, जो फिर वायुमंडल में लौट जाता है।
जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण (Biological Nitrogen Fixation) को उस प्रक्रिया के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें कुछ सूक्ष्मजीव, जिन्हें डायजोट्रॉफ कहा जाता है, वायुमंडलीय नाइट्रोजन गैस (N₂) को अमोनिया (NH₃) में परिवर्तित करते हैं। यह प्रक्रिया नाइट्रोजिनेज नामक एक एंजाइम कॉम्प्लेक्स द्वारा उत्प्रेरित होती है, जो ऑक्सीजन के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। यह एक ऊर्जा-गहन प्रक्रिया है।
N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ + 16 ATP → 2NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pi
जैविक नाइट्रोजन स्थिरीकरण करने वाले जीवों के उदाहरणों में शामिल हैं:
- सहजीवी जीवाणु: जैसे राइजोबियम , जो फलीदार पौधों की जड़ों में रहते हैं।
- मुक्त-जीवित जीवाणु: जैसे एज़ोटोबैक्टर (एरोबिक) और क्लोस्ट्रीडियम (एनारोबिक)।
- सायनोबैक्टीरिया: जैसे एनाबीना और नोस्टॉक ।
Q2. (a) उन अमीनो अम्लों के नाम बताइए जो ऑक्जैलोएसीटेट (C₄ परिवार) और α-कीटोग्लुटारेट (C₅ परिवार) का निर्माण करते हैं। उनकी अभिक्रियाओं की व्याख्या कीजिए। 6 (b) यूरिया चक्र की व्याख्या कीजिए। 8
Ans. (a) अमीनो एसिड के कार्बन कंकाल को कई प्रमुख उपापचयी मध्यवर्ती उत्पादों में अपचयित किया जा सकता है।
ऑक्जैलोएसीटेट (C₄ परिवार) देने वाले अमीनो एसिड: दो अमीनो एसिड, एस्पार्टेट और एस्पैराजीन , सीधे ऑक्जैलोएसीटेट में परिवर्तित होते हैं।
- एस्पैराजीन (Asparagine): एस्पैराजीन को पहले एस्पैरागिनेज एंजाइम द्वारा एस्पार्टेट और अमोनिया में हाइड्रोलाइज किया जाता है। अभिक्रिया: एस्पैराजीन + H₂O → एस्पार्टेट + NH₄⁺
- एस्पार्टेट (Aspartate): एस्पार्टेट फिर एक ट्रांसएमिनेज (जैसे एस्पार्टेट एमिनोट्रांसफरेज) द्वारा उत्प्रेरित एक ट्रांसएमिनेशन प्रतिक्रिया से गुजरता है। यह अपना एमिनो समूह α-कीटोग्लुटारेट को दान करता है, जिससे ऑक्जैलोएसीटेट और ग्लूटामेट बनता है। अभिक्रिया: एस्पार्टेट + α-कीटोग्लुटारेट ↔ ऑक्जैलोएसीटेट + ग्लूटामेट
α-कीटोग्लुटारेट (C₅ परिवार) देने वाले अमीनो एसिड: पांच अमीनो एसिड – ग्लूटामेट, ग्लूटामिन, प्रोलाइन, आर्जिनीन और हिस्टिडीन – α-कीटोग्लुटारेट में अपचयित होते हैं।
- ग्लूटामिन (Glutamine): ग्लूटामिन को ग्लूटामिनेज द्वारा ग्लूटामेट और अमोनिया में हाइड्रोलाइज किया जाता है। अभिक्रिया: ग्लूटामिन + H₂O → ग्लूटामेट + NH₄⁺
- ग्लूटामेट (Glutamate): ग्लूटामेट को ग्लूटामेट डिहाइड्रोजनेज द्वारा ऑक्सीडेटिव डीएमीनेशन के माध्यम से या एक ट्रांसएमिनेशन प्रतिक्रिया द्वारा α-कीटोग्लुटारेट में परिवर्तित किया जा सकता है।
- प्रोलाइन और आर्जिनीन (Proline and Arginine): ये दोनों अमीनो एसिड कई चरणों के माध्यम से ग्लूटामेट-γ-सेमीएल्डिहाइड में परिवर्तित होते हैं, जो फिर ऑक्सीकृत होकर ग्लूटामेट बनता है। इसके बाद ग्लूटामेट को α-कीटोग्लुटारेट में बदल दिया जाता है।
- हिस्टिडीन (Histidine): हिस्टिडीन का अपचय एक बहु-चरणीय मार्ग के माध्यम से होता है जो N-फॉर्मिमिनोग्लूटामेट (FIGLU) बनाता है। FIGLU अपना फॉर्मिमिनो समूह टेट्राहाइड्रोफोलेट (THF) को दान करता है, जिससे ग्लूटामेट और N⁵-फॉर्मिमिनो-THF बनता है। फिर ग्लूटामेट को α-कीटोग्लुटारेट में परिवर्तित किया जाता है।
(b) यूरिया चक्र (Urea Cycle) , जिसे क्रेब्स-हेंसलीट चक्र भी कहा जाता है, स्थलीय कशेरुकियों में होने वाली उपापचयी प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला है जो अतिरिक्त नाइट्रोजन को, विशेष रूप से अमोनिया (NH₃) के रूप में, यूरिया (NH₂)₂CO में परिवर्तित करती है ताकि इसे शरीर से उत्सर्जित किया जा सके। अमोनिया अत्यधिक विषैला होता है, और यूरिया चक्र इसे एक कम विषैले यौगिक में परिवर्तित करके एक महत्वपूर्ण विषहरण कार्य करता है। यह मुख्य रूप से यकृत में होता है।
चक्र में पांच मुख्य चरण होते हैं, जिनमें से पहले दो माइटोकॉन्ड्रिया में और शेष तीन साइटोसोल में होते हैं:
माइटोकॉन्ड्रिया में: 1. कार्बामॉयल फॉस्फेट का संश्लेषण: अमोनिया (NH₄⁺), बाइकार्बोनेट (HCO₃⁻), और दो एटीपी अणु मिलकर कार्बामॉयल फॉस्फेट बनाते हैं। यह प्रतिक्रिया कार्बामॉयल फॉस्फेट सिंथेटेस I (CPS I) द्वारा उत्प्रेरित होती है, जो चक्र का दर-सीमक चरण है। 2ATP + NH₄⁺ + HCO₃⁻ → कार्बामॉयल फॉस्फेट + 2ADP + Pi 2. सिट्रुलीन का निर्माण: कार्बामॉयल फॉस्फेट अपना कार्बामॉयल समूह ऑर्निथिन को दान करता है, जिससे सिट्रुलीन बनता है। यह प्रतिक्रिया ऑर्निथिन ट्रांसकार्बामॉयलेज (OTC) द्वारा उत्प्रेरित होती है। सिट्रुलीन फिर साइटोसोल में चला जाता है। कार्बामॉयल फॉस्फेट + ऑर्निथिन → सिट्रुलीन + Pi
साइटोसोल में: 3. आर्जिनिनोसक्सिनेट का संश्लेषण: सिट्रुलीन एस्पार्टेट (जो दूसरे नाइट्रोजन परमाणु को प्रदान करता है) के साथ संघनित होकर आर्जिनिनोसक्सिनेट बनाता है। यह एटीपी-निर्भर प्रतिक्रिया आर्जिनिनोसक्सिनेट सिंथेटेस द्वारा उत्प्रेरित होती है। सिट्रुलीन + एस्पार्टेट + ATP → आर्जिनिनोसक्सिनेट + AMP + PPi 4. आर्जिनिनोसक्सिनेट का विदलन: आर्जिनिनोसक्सिनेज एंजाइम आर्जिनिनोसक्सिनेट को आर्जिनीन और फ्यूमरेट में तोड़ता है। फ्यूमरेट टीसीए चक्र को जोड़ता है, जिससे दो चक्रों के बीच एक महत्वपूर्ण लिंक बनता है। आर्जिनिनोसक्सिनेट → आर्जिनीन + फ्यूमरेट 5. यूरिया का निर्माण और ऑर्निथिन का पुनर्जनन: आर्जिनेज एंजाइम आर्जिनीन को यूरिया और ऑर्निथिन में हाइड्रोलाइज करता है। यूरिया रक्तप्रवाह में छोड़ा जाता है, गुर्दे में ले जाया जाता है, और मूत्र में उत्सर्जित होता है। ऑर्निथिन माइटोकॉन्ड्रिया में वापस चला जाता है ताकि चक्र का एक और दौर शुरू हो सके। आर्जिनीन + H₂O → यूरिया + ऑर्निथिन
समग्र अभिक्रिया: NH₄⁺ + HCO₃⁻ + एस्पार्टेट + 3ATP + 2H₂O → यूरिया + फ्यूमरेट + 2ADP + AMP + 2Pi + PPi
Q3. (a) “यकृत शरीर का उपापचयी केंद्र है।” इस कथन की व्याख्या कीजिए। 7 (b) पिरीमिडीन न्यूक्लियोटाइडों के अपचय की व्याख्या कीजिए। 7
Ans. (a) कथन “यकृत शरीर का उपापचयी केंद्र है” बिल्कुल सही है क्योंकि यकृत लगभग सभी प्रमुख उपापचयी मार्गों के नियमन और एकीकरण में एक अद्वितीय और केंद्रीय भूमिका निभाता है। इसकी रणनीतिक स्थिति (आंत से रक्त सीधे पोर्टल शिरा के माध्यम से यकृत में आता है) और इसकी विविध एंजाइमैटिक क्षमताएं इसे शरीर की उपापचयी जरूरतों को प्रबंधित करने के लिए आदर्श बनाती हैं।
यकृत की केंद्रीय भूमिका निम्नलिखित प्रमुख क्षेत्रों में स्पष्ट होती है: 1. कार्बोहाइड्रेट उपापचय: यकृत रक्त शर्करा के स्तर को बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है। भोजन के बाद (अवशोषण अवस्था), यह ग्लूकोज को ग्रहण करता है और इसे ग्लाइकोजन के रूप में संग्रहीत करता है ( ग्लाइकोजेनेसिस )। उपवास के दौरान (अवशोषण के बाद की अवस्था), यह संग्रहीत ग्लाइकोजन को तोड़कर ग्लूकोज जारी करता है ( ग्लाइकोजेनोलिसिस ) और गैर-कार्बोहाइड्रेट स्रोतों जैसे लैक्टेट, ग्लिसरॉल और अमीनो एसिड से नया ग्लूकोज बनाता है ( ग्लूकोनियोजेनेसिस )।
2. लिपिड उपापचय: यकृत लिपिड उपापचय का मुख्य स्थल है। यह अतिरिक्त कार्बोहाइड्रेट और प्रोटीन को फैटी एसिड में परिवर्तित करता है ( लिपोजेनेसिस ), जिसे बाद में ट्राइग्लिसराइड्स के रूप में संग्रहीत किया जाता है। उपवास के दौरान, यह फैटी एसिड ऑक्सीकरण ( बीटा-ऑक्सीकरण ) करता है और कीटोन बॉडीज (जैसे एसीटोएसीटेट) का उत्पादन करता है, जिसे मस्तिष्क और मांसपेशियों द्वारा ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग किया जा सकता है। यकृत कोलेस्ट्रॉल संश्लेषण और इसके परिवहन के लिए लाइपोप्रोटीन (VLDL) के उत्पादन के लिए भी जिम्मेदार है।
3. अमीनो एसिड और प्रोटीन उपापचय: यकृत अमीनो एसिड उपापचय का प्रमुख स्थल है। यह शरीर की जरूरतों के अनुसार अमीनो एसिड को आपस में परिवर्तित करता है और गैर-आवश्यक अमीनो एसिड का संश्लेषण करता है। यह अमीनो एसिड से नाइट्रोजन को हटाने और इसे यूरिया चक्र के माध्यम से कम विषैले यूरिया में परिवर्तित करने के लिए जिम्मेदार है। इसके अलावा, यकृत अधिकांश प्लाज्मा प्रोटीन, जैसे एल्ब्यूमिन, क्लॉटिंग कारक और ट्रांसपोर्ट प्रोटीन का संश्लेषण करता है।
4. विषहरण और चयापचय: यकृत शरीर से दवाओं, विषाक्त पदार्थों और चयापचय के अपशिष्ट उत्पादों (जैसे बिलीरुबिन) को संशोधित (जैसे साइटोक्रोम P450 एंजाइम द्वारा) और समाप्त करके एक महत्वपूर्ण विषहरण अंग के रूप में कार्य करता है।
इन विविध और एकीकृत कार्यों के कारण, यकृत को सही मायने में शरीर का उपापचयी केंद्र माना जाता है।
(b) पिरीमिडीन न्यूक्लियोटाइडों, अर्थात् साइटिडीन मोनोफॉस्फेट (CMP), यूरीडीन मोनोफॉस्फेट (UMP), और थाइमिडीन मोनोफॉस्फेट (TMP) का अपचय, उन्हें उनके घटक भागों में तोड़ने और नाइट्रोजन युक्त क्षारकों को आगे चयापचय करने की प्रक्रिया है। मनुष्यों में प्यूरीन के विपरीत, पिरीमिडीन वलय टूट जाता है और घुलनशील अंत उत्पादों के रूप में उत्सर्जित होता है।
अपचय मार्ग के चरण इस प्रकार हैं: 1. डिफॉस्फोराइलेशन और डीएमीनेशन: सबसे पहले, न्यूक्लियोटाइड को 5′-न्यूक्लियोटिडेज द्वारा उनके संबंधित न्यूक्लियोसाइड्स (साइटिडीन, यूरीडीन, थाइमिडीन) में डिफॉस्फोराइलेट किया जाता है। साइटिडीन को साइटिडीन डिएमिनेज द्वारा यूरीडीन में परिवर्तित किया जा सकता है। CMP → साइटिडीन → यूरीडीन
UMP → यूरीडीन
2. न्यूक्लियोसाइड का क्षारक में विभाजन: न्यूक्लियोसाइड को न्यूक्लियोसाइड फॉस्फोरिलेज द्वारा उनके मुक्त क्षारक और राइबोज-1-फॉस्फेट (या डीऑक्सीराइबोज-1-फॉस्फेट) में विभाजित किया जाता है। यूरीडीन + Pi ↔ यूरेसिल + राइबोज-1-फॉस्फेट
थाइमिडीन + Pi ↔ थाइमिन + डीऑक्सीराइबोज-1-फॉस्फेट
3. पिरीमिडीन क्षारक का अपचय: अब मुक्त क्षारक, यूरेसिल और थाइमिन, यकृत में अपचयित होते हैं।
- यूरेसिल का अपचय: यूरेसिल को डाइहाइड्रोपिरीमिडीन डिहाइड्रोजनेज (NADPH का उपयोग करके) द्वारा डाइहाइड्रोयूरेसिल में घटाया जाता है। फिर, डाइहाइड्रोपिरीमिडीनेज द्वारा वलय को तोड़कर β-यूरेइडोप्रोपियोनेट बनाया जाता है। अंत में, β-यूरेइडोप्रोपियोनेज इस अणु को β-एलेनिन , CO₂, और NH₄⁺ में विभाजित करता है। यूरेसिल → डाइहाइड्रोयूरेसिल → β-यूरेइडोप्रोपियोनेट → β-एलेनिन + CO₂ + NH₄⁺
- थाइमिन का अपचय: थाइमिन एक समान मार्ग का अनुसरण करता है। इसे पहले डाइहाइड्रोथाइमिन में घटाया जाता है, फिर वलय को तोड़कर β-यूरेइडोआइसोब्यूटिरेट बनाया जाता है। अंत में, यह β-एमिनोआइसोब्यूटिरेट , CO₂, और NH₄⁺ में विभाजित हो जाता है। थाइमिन → डाइहाइड्रोथाइमिन → β-यूरेइडोआइसोब्यूटिरेट → β-एमिनोआइसोब्यूटिरेट + CO₂ + NH₄⁺
अंतिम उत्पाद (β-एलेनिन और β-एमिनोआइसोब्यूटिरेट) पानी में घुलनशील होते हैं और मूत्र में उत्सर्जित हो सकते हैं या आगे चयापचय किए जा सकते हैं। β-एलेनिन कोएंजाइम A का एक घटक है।
Q4. (a) SCIDs (गंभीर संयुक्त प्रतिरक्षाहीनता रोग) की व्याख्या कीजिए। 4 (b) प्यूरीन न्यूक्लियोटाइडों के अपघटन की अभिक्रियाओं सहित व्याख्या कीजिए। 10 (Typo correction)
Ans. (a) SCID (Severe Combined Immuno-Deficiency Disease) , जिसे गंभीर संयुक्त प्रतिरक्षाहीनता रोग कहा जाता है, आनुवंशिक विकारों का एक समूह है जो प्रतिरक्षा प्रणाली के गंभीर दोषों की विशेषता है। यह “संयुक्त” है क्योंकि यह शरीर की दोनों प्रमुख प्रतिरक्षा कोशिकाओं – T-लिम्फोसाइट्स और B-लिम्फोसाइट्स – के कार्य और विकास को प्रभावित करता है। T-कोशिकाएं कोशिका-मध्यस्थ प्रतिरक्षा के लिए महत्वपूर्ण हैं और B-कोशिकाओं को एंटीबॉडी का उत्पादन करने में मदद करती हैं, जबकि B-कोशिकाएं ह्यूमोरल प्रतिरक्षा के लिए जिम्मेदार हैं।
SCID वाले शिशु गंभीर और बार-बार होने वाले संक्रमणों, जैसे निमोनिया, मेनिन्जाइटिस और रक्तप्रवाह संक्रमण के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं, जो अक्सर उन सूक्ष्मजीवों के कारण होते हैं जो एक स्वस्थ प्रतिरक्षा प्रणाली वाले व्यक्ति में बीमारी का कारण नहीं बनते हैं।
SCID का सबसे आम चयापचय कारण एडेनोसिन डिएमिनेज (ADA) नामक एंजाइम की कमी है। यह एंजाइम प्यूरीन साल्वेज मार्ग का हिस्सा है और एडेनोसिन और डीऑक्सीएडेनोसिन को तोड़ने के लिए जिम्मेदार है।
ADA की कमी का तंत्र:
- जब ADA की कमी होती है, तो इसका सबस्ट्रेट, डीऑक्सीएडेनोसिन , शरीर में, विशेष रूप से लिम्फोसाइट्स में जमा हो जाता है।
- यह अतिरिक्त डीऑक्सीएडेनोसिन किनेसेस द्वारा डीऑक्सीएडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (dATP) में फॉस्फोराइलेट हो जाता है।
- dATP का उच्च स्तर राइबोन्यूक्लियोटाइड रिडक्टेज नामक एक महत्वपूर्ण एंजाइम को रोकता है।
- यह एंजाइम डीएनए संश्लेषण के लिए आवश्यक सभी चार डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स (dCTP, dGTP, dTTP) के उत्पादन के लिए जिम्मेदार है।
- डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स की कमी के कारण, लिम्फोसाइट्स अपने डीएनए की प्रतिकृति नहीं बना पाते हैं और विभाजित नहीं हो पाते हैं। यह उनकी परिपक्वता और प्रसार को रोकता है, जिससे गंभीर लिम्फोपेनिया (लिम्फोसाइट्स की कमी) और एक गैर-कार्यात्मक प्रतिरक्षा प्रणाली होती है।
उपचार के बिना, SCID से पीड़ित बच्चे आमतौर पर जीवन के पहले वर्ष के भीतर संक्रमण से मर जाते हैं। उपचार के विकल्पों में बोन मैरो ट्रांसप्लांटेशन और एंजाइम रिप्लेसमेंट थेरेपी शामिल हैं।
(b) प्यूरीन न्यूक्लियोटाइडों, मुख्य रूप से एडिनोसिन मोनोफॉस्फेट (AMP) और ग्वानोसिन मोनोफॉस्फेट (GMP) का अपघटन, एक बहु-चरणीय मार्ग है जो मनुष्यों और अन्य प्राइमेट्स में अंतिम उत्पाद के रूप में यूरिक एसिड का निर्माण करता है। यह प्रक्रिया मुख्य रूप से यकृत में होती है।
अपघटन मार्ग इस प्रकार है:
1. न्यूक्लियोटाइड से न्यूक्लियोसाइड में रूपांतरण:
- AMP को पहले 5′-न्यूक्लियोटिडेज द्वारा इसके फॉस्फेट समूह को हटाकर एडेनोसिन में परिवर्तित किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, AMP को AMP डिएमिनेज द्वारा इनोसिन मोनोफॉस्फेट (IMP) में डीएमीनेट किया जा सकता है।
- GMP को 5′-न्यूक्लियोटिडेज द्वारा ग्वानोसिन में परिवर्तित किया जाता है।
- IMP को भी 5′-न्यूक्लियोटिडेज द्वारा इनोसिन में परिवर्तित किया जाता है।
2. न्यूक्लियोसाइड से क्षारक में रूपांतरण:
- एडेनोसिन को एडेनोसिन डिएमिनेज (ADA) द्वारा इनोसिन में डीएमीनेट किया जाता है। (ADA की कमी SCID का कारण बनती है)।
- इनोसिन और ग्वानोसिन को प्यूरीन न्यूक्लियोसाइड फॉस्फोरिलेज (PNP) द्वारा उनके संबंधित प्यूरीन क्षारकों, हाइपोक्सैन्थिन और ग्वानिन में विभाजित किया जाता है। इस प्रक्रिया में राइबोज-1-फॉस्फेट भी मुक्त होता है। इनोसिन + Pi → हाइपोक्सैन्थिन + राइबोज-1-फॉस्फेट ग्वानोसिन + Pi → ग्वानिन + राइबोज-1-फॉस्फेट
3. क्षारकों का यूरिक एसिड में रूपांतरण:
- ग्वानिन को ग्वानिन डिएमिनेज द्वारा जैन्थिन में डीएमीनेट किया जाता है।
- हाइपोक्सैन्थिन को जैन्थिन ऑक्सीडेज एंजाइम द्वारा जैन्थिन में ऑक्सीकृत किया जाता है।
- अब, दोनों मार्गों से उत्पन्न जैन्थिन को उसी जैन्थिन ऑक्सीडेज एंजाइम द्वारा यूरिक एसिड में आगे ऑक्सीकृत किया जाता है। हाइपोक्सैन्थिन + O₂ + H₂O → जैन्थिन + H₂O₂ जैन्थिन + O₂ + H₂O → यूरिक एसिड + H₂O₂
अंतिम उत्पाद:
यूरिक एसिड मनुष्यों में प्यूरीन अपघटन का अंतिम उत्पाद है। यह पानी में कम घुलनशील होता है। यूरिक एसिड का उच्च स्तर (हाइपरयूरिसीमिया) गाउट नामक स्थिति को जन्म दे सकता है, जिसमें यूरिक एसिड क्रिस्टल जोड़ों में जमा हो जाते हैं, जिससे दर्दनाक सूजन होती है। अधिकांश अन्य स्तनधारियों में यूरेट ऑक्सीडेज (यूरिकेज) नामक एंजाइम होता है, जो यूरिक एसिड को अधिक घुलनशील यौगिक, एलेंटोइन में परिवर्तित करता है, लेकिन मनुष्यों में यह एंजाइम नहीं होता है।
Q5. (a) निम्नलिखित न्यूक्लियोटाइड संश्लेषण के अवरोधकों की क्रियाविधि और दवा में इनके उपयोग की व्याख्या कीजिए (कोई चार): 8 (i) हाइड्रॉक्सीयूरिया (ii) मीथोट्रेक्सेट (iii) 6-मर्कैप्टोप्यूरिन (iv) सल्फा ड्रग्स (v) 5-फ्लुओरोयूरेसिल (b) राइबोन्यूक्लियोटाइड्स से डिऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स के संश्लेषण की व्याख्या कीजिए। 6
Ans. (a) न्यूक्लियोटाइड संश्लेषण अवरोधक वे दवाएं हैं जो कैंसर कोशिकाओं जैसी तेजी से विभाजित होने वाली कोशिकाओं के प्रसार को रोकने के लिए न्यूक्लियोटाइड के उत्पादन में हस्तक्षेप करती हैं।
(i) हाइड्रॉक्सीयूरिया (Hydroxyurea):
- क्रियाविधि: हाइड्रॉक्सीयूरिया विशेष रूप से राइबोन्यूक्लियोटाइड रिडक्टेज (RNR) एंजाइम को रोकता है। यह एंजाइम राइबोन्यूक्लियोसाइड डाइफॉस्फेट्स (ADP, GDP, CDP, UDP) को उनके संबंधित डीऑक्सी-फॉर्म्स (dADP, dGDP, dCDP, dUDP) में परिवर्तित करने के लिए महत्वपूर्ण है, जो डीएनए संश्लेषण के लिए आवश्यक हैं। हाइड्रॉक्सीयूरिया एंजाइम की सक्रिय साइट में एक टाइरोसिल मुक्त रेडिकल को निष्क्रिय कर देता है, जिससे डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स का उत्पादन रुक जाता है और कोशिका चक्र G1/S सीमा पर रुक जाता है।
- औषधीय उपयोग: इसका उपयोग कुछ प्रकार के कैंसर, जैसे क्रोनिक माइलॉयड ल्यूकेमिया और सिकल सेल एनीमिया के इलाज के लिए किया जाता है (जहां यह भ्रूण हीमोग्लोबिन के उत्पादन को बढ़ाकर काम करता है)।
(ii) मीथोट्रेक्सेट (Methotrexate):
- क्रियाविधि: मीथोट्रेक्सेट फोलिक एसिड का एक संरचनात्मक एनालॉग है। यह डाइहाइड्रोफोलेट रिडक्टेज (DHFR) नामक एंजाइम को प्रतिस्पर्धी रूप से और मजबूती से रोकता है। DHFR टेट्राहाइड्रोफोलेट (THF) को पुन: उत्पन्न करने के लिए आवश्यक है, जो एक महत्वपूर्ण कोएंजाइम है। THF के व्युत्पन्न, जैसे N⁵,N¹⁰-मेथिलीन-THF, थाइमिडिलेट (dUMP से dTMP) और प्यूरीन न्यूक्लियोटाइड्स के संश्लेषण के लिए आवश्यक हैं। DHFR को रोककर, मीथोट्रेक्सेट THF की आपूर्ति को समाप्त कर देता है, जिससे डीएनए संश्लेषण और कोशिका विभाजन रुक जाता है।
- औषधीय उपयोग: यह व्यापक रूप से कैंसर कीमोथेरेपी (जैसे ल्यूकेमिया) और रुमेटीइड गठिया और सोरायसिस जैसे ऑटोइम्यून रोगों के इलाज के लिए उपयोग किया जाता है।
(iii) 6-मर्कैप्टोप्यूरिन (6-mercaptopurine):
- क्रियाविधि: 6-मर्कैप्टोप्यूरिन एक प्यूरीन एनालॉग है। शरीर में, यह एंजाइम HGPRT द्वारा अपने सक्रिय रूप, थियोइनोसिन मोनोफॉस्फेट (TIMP) में परिवर्तित हो जाता है। TIMP कई एंजाइमों को रोकता है जो प्यूरीन डी नोवो संश्लेषण में शामिल होते हैं, जिसमें ग्लूटामिन-PRPP एमिडोट्रांसफरेज (पहला चरण) और IMP का AMP और GMP में रूपांतरण शामिल है। यह डीएनए और आरएनए में भी शामिल हो सकता है, जिससे दोषपूर्ण न्यूक्लिक एसिड बनते हैं।
- औषधीय उपयोग: इसका उपयोग मुख्य रूप से एक्यूट लिम्फोब्लास्टिक ल्यूकेमिया (ALL) के उपचार में किया जाता है।
(v) 5-फ्लुओरोयूरेसिल (5-fluorouracil, 5-FU):
- क्रियाविधि: 5-FU एक पिरीमिडीन एनालॉग है जो शरीर के अंदर कई सक्रिय मेटाबोलाइट्स में परिवर्तित हो जाता है। इसका मुख्य मेटाबोलाइट, फ्लुओरोडीऑक्सीयूरीडीन मोनोफॉस्फेट (FdUMP) , थाइमिडिलेट सिंथेस एंजाइम का एक शक्तिशाली अवरोधक है। FdUMP, एंजाइम और कोएंजाइम N⁵,N¹⁰-मेथिलीन-THF के साथ एक स्थिर सहसंयोजक टर्नरी कॉम्प्लेक्स बनाता है, जो एंजाइम को निष्क्रिय कर देता है। यह dUMP से dTMP के संश्लेषण को रोकता है, जिससे डीएनए संश्लेषण के लिए आवश्यक थाइमिन की कमी हो जाती है (“थाइमिनलेस डेथ”)।
- औषधीय उपयोग: इसका उपयोग विभिन्न प्रकार के ठोस ट्यूमर, जैसे कोलोरेक्टल, स्तन, और सिर और गर्दन के कैंसर के इलाज के लिए किया जाता है।
(b) डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स, जो डीएनए के बिल्डिंग ब्लॉक्स हैं, का संश्लेषण राइबोन्यूक्लियोटाइड्स के सीधे अपचयन से होता है। यह महत्वपूर्ण प्रक्रिया राइबोन्यूक्लियोटाइड रिडक्टेज (RNR) नामक एक एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित होती है।
प्रक्रिया:
- सबस्ट्रेट्स: RNR के सबस्ट्रेट्स राइबोन्यूक्लियोसाइड डाइफॉस्फेट्स होते हैं: ADP, GDP, CDP, और UDP। (थाइमिडीन के लिए, UDP पहले dUDP में परिवर्तित होता है, फिर dUMP में, और अंत में थाइमिडिलेट सिंथेस द्वारा dTMP में)।
- अभिक्रिया: एंजाइम राइबोज शुगर के 2′-कार्बन पर हाइड्रॉक्सिल समूह (-OH) को एक हाइड्रोजन परमाणु (-H) से प्रतिस्थापित करता है। यह एक जटिल रेडिकल-आधारित तंत्र के माध्यम से होता है। राइबोन्यूक्लियोसाइड डाइफॉस्फेट + NADPH + H⁺ → डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोसाइड डाइफॉस्फेट + NADP⁺ + H₂O (समग्र संतुलन)
- अपचायक एजेंट: 2′-OH समूह के अपचयन के लिए इलेक्ट्रॉनों के एक स्रोत की आवश्यकता होती है। यह स्रोत आमतौर पर थियोरेडॉक्सिन नामक एक छोटा प्रोटीन होता है। RNR प्रतिक्रिया के दौरान, थियोरेडॉक्सिन में दो सल्फहाइड्रील (-SH) समूह एक डाइसल्फाइड बांड (-S-S-) बनाने के लिए ऑक्सीकृत हो जाते हैं। RNR(oxidized) + Thioredoxin(reduced) → RNR(reduced) + Thioredoxin(oxidized)
- थियोरेडॉक्सिन का पुनर्जनन: ऑक्सीकृत थियोरेडॉक्सिन को फिर थियोरेडॉक्सिन रिडक्टेज नामक एक एंजाइम द्वारा उसके अपचयित रूप में पुन: उत्पन्न किया जाता है, जो अंतिम इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में NADPH का उपयोग करता है। कुछ जीवों में, ग्लूटारेडॉक्सिन प्रणाली एक समान भूमिका निभाती है।
- नियामक: RNR गतिविधि को जटिल रूप से नियंत्रित किया जाता है ताकि कोशिका की जरूरतों के अनुसार डीऑक्सीराइबोन्यूक्लियोटाइड्स का संतुलित पूल बनाए रखा जा सके। एंजाइम में एलोस्टेरिक साइटें होती हैं जो विभिन्न न्यूक्लियोटाइड ट्राइफॉस्फेट्स (जैसे ATP, dATP, dGTP, dTTP) से जुड़ती हैं। ये बाइंडिंग एंजाइम की समग्र गतिविधि और विभिन्न सबस्ट्रेट्स (ADP, GDP, आदि) के प्रति इसकी विशिष्टता दोनों को नियंत्रित करती हैं, जिससे सुनिश्चित होता है कि सभी चार dNTPs सही अनुपात में उत्पादित होते हैं। उदाहरण के लिए, dATP का उच्च स्तर एक शक्तिशाली सामान्य अवरोधक है, जो ADA की कमी में लिम्फोसाइट विषाक्तता की व्याख्या करता है।
Q6. (a) हीम जैवसंश्लेषण की व्याख्या कीजिए। 8 (b) निम्नलिखित के कारणों और लक्षणों पर चर्चा कीजिए: 6 (i) फेनिलकीटोन्यूरिया (ii) होमोसिस्टीन्यूरिया (iii) मेपल सिरप मूत्र रोग
Ans. (a) हीम जैवसंश्लेषण , जिसे पोर्फिरिन संश्लेषण भी कहा जाता है, वह उपापचयी मार्ग है जो हीम का उत्पादन करता है। हीम एक आवश्यक प्रोस्थेटिक समूह है जो हीमोग्लोबिन, मायोग्लोबिन और साइटोक्रोम जैसे कई महत्वपूर्ण प्रोटीनों में पाया जाता है। यह मार्ग मुख्य रूप से अस्थि मज्जा (हीमोग्लोबिन के लिए) और यकृत (साइटोक्रोम के लिए) में होता है।
यह एक 8-चरणीय प्रक्रिया है जो माइटोकॉन्ड्रिया में शुरू होती है, साइटोसोल में जारी रहती है, और माइटोकॉन्ड्रिया में समाप्त होती है।
मार्ग के चरण:
माइटोकॉन्ड्रिया में: 1. δ-एमिनोलेवुलिनेट (ALA) का निर्माण: मार्ग की शुरुआत ग्लाइसिन और सक्सिनिल-CoA (TCA चक्र से) के संघनन से होती है ताकि δ-एमिनोलेवुलिनेट (ALA) बन सके। यह प्रतिक्रिया ALA सिंथेस (ALAS) द्वारा उत्प्रेरित होती है और यह मार्ग का दर-सीमक और मुख्य नियामक चरण है। हीम का उच्च स्तर ALAS के संश्लेषण और गतिविधि को रोकता है (फीडबैक अवरोध)।
साइटोसोल में: 2. पोर्फोबिलिनोजेन (PBG) का निर्माण: ALA के दो अणु ALA डिहाइड्रेटेज द्वारा संघनित होकर पोर्फोबिलिनोजेन (PBG) नामक एक पाइरोल युक्त अणु बनाते हैं। 3. हाइड्रॉक्सीमेथिलबिलेन का निर्माण: PBG के चार अणु सिर-से-पूंछ तरीके से जुड़कर एक रैखिक टेट्रापाइरोल, हाइड्रॉक्सीमेथिलबिलेन बनाते हैं। यह पोर्फोबिलिनोजेन डिएमिनेज (जिसे हाइड्रॉक्सीमेथिलबिलेन सिंथेस भी कहा जाता है) द्वारा उत्प्रेरित होता है। 4. यूरोपोर्फिरिनोजेन III का निर्माण: रैखिक हाइड्रॉक्सीमेथिलबिलेन को यूरोपोर्फिरिनोजेन III सिंथेस द्वारा चक्रीय और असममित यूरोपोर्फिरिनोजेन III में परिवर्तित किया जाता है। 5. कोप्रोपोर्फिरिनोजेन III का निर्माण:
यूरोपोर्फिरिनोजेन डिकार्बोक्सिलेज यूरोपोर्फिरिनोजेन III के एसिटेट साइड चेन्स को मिथाइल समूहों में डिकार्बोक्सिलेट करके कोप्रोपोर्फिरिनोजेन III बनाता है।
माइटोकॉन्ड्रिया में: 6. प्रोटोपोर्फिरिनोजेन IX का निर्माण: कोप्रोपोर्फिरिनोजेन III माइटोकॉन्ड्रिया में वापस चला जाता है, जहां कोप्रोपोर्फिरिनोजेन ऑक्सीडेज दो प्रोपियोनेट साइड चेन्स को विनाइल समूहों में परिवर्तित करके प्रोटोपोर्फिरिनोजेन IX बनाता है। 7. प्रोटोपोर्फिरिन IX का निर्माण:
प्रोटोपोर्फिरिनोजेन ऑक्सीडेज प्रोटोपोर्फिरिनोजेन IX को ऑक्सीकृत करके प्रोटोपोर्फिरिन IX बनाता है। 8. हीम का निर्माण: अंतिम चरण में, फेरोकेलेटेज एंजाइम प्रोटोपोर्फिरिन IX रिंग के केंद्र में एक फेरस आयन (Fe²⁺) डालता है, जिससे हीम बनता है।
इस मार्ग में एंजाइमों की आनुवंशिक कमियों से पोर्फिरिया नामक रोगों का एक समूह होता है, जिसमें पोर्फिरिन के अग्रदूत जमा हो जाते हैं।
(b) (i) फेनिलकीटोन्यूरिया (Phenylketonuria – PKU):
- कारण: PKU एक ऑटोसोमल रिसेसिव आनुवंशिक विकार है जो फेनिलएलनिन हाइड्रॉक्सिलेज एंजाइम की कमी के कारण होता है। यह यकृत एंजाइम आवश्यक अमीनो एसिड फेनिलएलनिन को टायरोसिन में परिवर्तित करने के लिए जिम्मेदार है। जब एंजाइम की कमी होती है, तो फेनिलएलनिन रक्त और ऊतकों में जमा हो जाता है।
- लक्षण: अतिरिक्त फेनिलएलनिन को वैकल्पिक मार्गों के माध्यम से फेनिलकीटोन्स (जैसे फेनिलपाइरुवेट, फेनिलएसिटेट) में परिवर्तित किया जाता है, जो मूत्र में उत्सर्जित होते हैं। यदि इलाज न किया जाए, तो फेनिलएलनिन का उच्च स्तर गंभीर और अपरिवर्तनीय मस्तिष्क क्षति, बौद्धिक विकलांगता, दौरे, व्यवहार संबंधी समस्याएं और त्वचा पर एक्जिमा का कारण बनता है। प्रभावित शिशुओं के मूत्र और पसीने में एक विशिष्ट “चूहे जैसी” या बासी गंध होती है। नवजात शिशुओं की स्क्रीनिंग और फेनिलएलनिन में कम आहार के साथ प्रारंभिक उपचार से इन गंभीर परिणामों को रोका जा सकता है।
(ii) होमोसिस्टीन्यूरिया (Homocystinuria):
- कारण: यह एक और ऑटोसोमल रिसेसिव विकार है जो मेथियोनीन चयापचय को प्रभावित करता है। सबसे आम कारण सिस्टाथियोनिन β-सिंथेस (CBS) एंजाइम की कमी है। यह एंजाइम होमोसिस्टीन को सेरीन के साथ संघनित करके सिस्टाथियोनिन बनाता है, जो सिस्टीन संश्लेषण मार्ग का एक चरण है। CBS की कमी से रक्त और मूत्र में होमोसिस्टीन और इसके अग्रदूत मेथियोनीन का जमाव हो जाता है।
- लक्षण: लक्षणों में दृष्टि समस्याएं (आंख के लेंस का विस्थापन), कंकाल संबंधी असामान्यताएं (लंबा कद, पतले अंग), बौद्धिक विकलांगता, और थ्रोम्बोम्बोलिज्म (रक्त के थक्के) का एक उच्च जोखिम शामिल है, जो जल्दी स्ट्रोक या दिल के दौरे का कारण बन सकता है। उपचार में विटामिन B6 (CBS के लिए एक कोएंजाइम) की उच्च खुराक, मेथियोनीन-प्रतिबंधित आहार और सिस्टीन अनुपूरण शामिल हो सकते हैं।
(iii) मेपल सिरप मूत्र रोग (Maple Syrup Urine Disease – MSUD):
- कारण: MSUD एक ऑटोसोमल रिसेसिव विकार है जो ब्रांच्ड-चेन α-कीटो एसिड डिहाइड्रोजनेज (BCKDH) कॉम्प्लेक्स की कमी के कारण होता है। यह एंजाइम तीन ब्रांच्ड-चेन अमीनो एसिड (BCAAs) – ल्यूसीन, आइसोल्यूसीन , और वैलीन – के अपचय में एक महत्वपूर्ण कदम के लिए जिम्मेदार है। एंजाइम की कमी से इन अमीनो एसिड और उनके संबंधित α-कीटो एसिड का रक्त और मूत्र में जमाव हो जाता है।
- लक्षण: इस बीमारी का नाम मूत्र की एक विशिष्ट मीठी गंध से मिलता है, जो मेपल सिरप की याद दिलाती है, जो कीटो एसिड के जमा होने के कारण होती है। लक्षणों में खराब भोजन, सुस्ती, उल्टी और गंभीर न्यूरोलॉजिकल समस्याएं शामिल हैं, जो कोमा और मृत्यु तक बढ़ सकती हैं यदि तुरंत इलाज न किया जाए। उपचार में BCAAs (ल्यूसीन, आइसोल्यूसीन, वैलीन) में बहुत कम आहार का सख्ती से पालन करना शामिल है।
Q7. (a) कैटेकोलामीन्स क्या होते हैं? संक्षिप्त में इनकी संश्लेषण तथा अपचय की व्याख्या कीजिए। 6 (b) ट्रिप्टोफैन से सेरोटोनिन और मेलाटोनिन के संश्लेषण का चित्रण कीजिए। 4 (c) क्रिएटिन्स पर एक संक्षिप्त टिप्पणी लिखिए। 4
Ans. (a) कैटेकोलामीन्स (Catecholamines) मोनोअमीन न्यूरोट्रांसमीटर और हार्मोन का एक समूह है जिनमें एक कैटेकोल (एक बेंजीन रिंग जिसमें दो相邻 हाइड्रॉक्सिल समूह होते हैं) और एक एमाइन साइड-चेन होता है। शरीर में तीन मुख्य कैटेकोलामीन्स हैं: डोपामाइन, नॉरपेनेफ्रिन (नॉरएड्रेनालाईन) , और एपेनेफ्रिन (एड्रेनालाईन) । वे “लड़ो या भागो” प्रतिक्रिया, मनोदशा, ध्यान और गति के नियमन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
संश्लेषण: कैटेकोलामीन्स का संश्लेषण अमीनो एसिड टायरोसिन से होता है, जो मुख्य रूप से एड्रिनल मेडुला और न्यूरॉन्स में होता है। 1. टायरोसिन → L-DOPA: पहला और दर-सीमक चरण टायरोसिन का L-3,4-डाइहाइड्रोक्सीफेनिलएलनिन (L-DOPA) में हाइड्रॉक्सिलेशन है। यह टायरोसिन हाइड्रॉक्सिलेज द्वारा उत्प्रेरित होता है, जिसके लिए टेट्राहाइड्रोबायोप्टेरिन (BH4) एक कोफ़ैक्टर के रूप में आवश्यक होता है। 2. L-DOPA → डोपामाइन: L-DOPA का एरोमैटिक L-अमीनो एसिड डिकार्बोक्सिलेज (जिसे DOPA डिकार्बोक्सिलेज भी कहा जाता है) द्वारा डिकार्बोक्सिलेशन किया जाता है, जिससे डोपामाइन बनता है। इस एंजाइम को पाइरिडोक्सल फॉस्फेट (PLP) की आवश्यकता होती है। 3. डोपामाइन → नॉरपेनेफ्रिन: नॉरएड्रेनर्जिक न्यूरॉन्स में, डोपामाइन को सिनैप्टिक वेसिकल्स में ले जाया जाता है और डोपामाइन β-हाइड्रॉक्सिलेज द्वारा नॉरपेनेफ्रिन में परिवर्तित किया जाता है। इस प्रतिक्रिया में एस्कॉर्बेट (विटामिन सी) और तांबा (Cu²⁺) की आवश्यकता होती है। 4. नॉरपेनेफ्रिन → एपेनेफ्रिन: एड्रिनल मेडुला में, नॉरपेनेफ्रिन को फेनिलएथेनॉलअमीन N-मिथाइलट्रांसफरेज (PNMT) द्वारा एपेनेफ्रिन में मिथाइलेट किया जाता है। मिथाइल समूह S-एडेनोसिलमेथियोनिन (SAM) द्वारा दान किया जाता है।
अपचय: कैटेकोलामीन्स को दो मुख्य एंजाइमों द्वारा तेजी से निष्क्रिय किया जाता है:
- मोनोअमाइन ऑक्सीडेज (MAO): यह एंजाइम माइटोकॉन्ड्रिया की बाहरी झिल्ली पर स्थित होता है और ऑक्सीडेटिव डीएमीनेशन द्वारा कैटेकोलामीन्स को उनके संबंधित एल्डिहाइड में परिवर्तित करता है।
- कैटेकोल-O-मिथाइलट्रांसफरेज (COMT): यह एंजाइम, जो मुख्य रूप से साइटोसोल में पाया जाता है, कैटेकोल रिंग के 3-हाइड्रॉक्सिल समूह में एक मिथाइल समूह (SAM से) स्थानांतरित करता है।
MAO और COMT किसी भी क्रम में कार्य कर सकते हैं। अंतिम चयापचय उत्पाद वैनिलिलमैंडेलिक एसिड (VMA) होता है, जिसे मूत्र में उत्सर्जित किया जाता है।
(b) सेरोटोनिन और मेलाटोनिन का संश्लेषण: सेरोटोनिन (5-हाइड्रॉक्सिट्रिप्टामाइन, 5-HT) और मेलाटोनिन आवश्यक अमीनो एसिड ट्रिप्टोफैन से संश्लेषित होते हैं।
सेरोटोनिन का संश्लेषण: यह मुख्य रूप से मस्तिष्क के न्यूरॉन्स और आंत की एंटरोक्रोमाफिन कोशिकाओं में होता है। 1. ट्रिप्टोफैन → 5-हाइड्रॉक्सिट्रिप्टोफैन (5-HTP): पहला और दर-सीमक चरण ट्रिप्टोफैन हाइड्रॉक्सिलेज द्वारा उत्प्रेरित होता है। यह एंजाइम ट्रिप्टोफैन को 5-हाइड्रॉक्सिट्रिप्टोफैन में परिवर्तित करने के लिए ऑक्सीजन और टेट्राहाइड्रोबायोप्टेरिन (BH4) का उपयोग करता है। 2. 5-HTP → सेरोटोनिन (5-HT): 5-HTP को एरोमैटिक L-अमीनो एसिड डिकार्बोक्सिलेज द्वारा तेजी से डिकार्बोक्सिलेट करके सेरोटोनिन बनाया जाता है। इस एंजाइम को पाइरिडोक्सल फॉस्फेट (PLP) की आवश्यकता होती है।
चित्रण:
ट्रिप्टोफैन → [ट्रिप्टोफैन हाइड्रॉक्सिलेज] → 5-हाइड्रॉक्सिट्रिप्टोफैन → [एरोमैटिक L-अमीनो एसिड डिकार्बोक्सिलेज] → सेरोटोनिन
मेलाटोनिन का संश्लेषण: मेलाटोनिन, नींद-जागने के चक्र को नियंत्रित करने वाला हार्मोन, मुख्य रूप से रात में पीनियल ग्रंथि में सेरोटोनिन से संश्लेषित होता है। 1. सेरोटोनिन → N-एसिटिलसेरोटोनिन: सेरोटोनिन को सेरोटोनिन N-एसिटिलट्रांसफरेज (SNAT) द्वारा एसिटिलेट किया जाता है, जो एसिटिल-CoA का उपयोग करता है। यह चरण रात में सक्रिय होता है। 2. N-एसिटिलसेरोटोनिन → मेलाटोनिन: N-एसिटिलसेरोटोनिन को हाइड्रॉक्सीइंडोल-O-मिथाइलट्रांसफरेज (HIOMT) द्वारा मिथाइलेट किया जाता है, जो S-एडेनोसिलमेथियोनिन (SAM) से एक मिथाइल समूह दान करता है, जिससे मेलाटोनिन बनता है।
चित्रण:
सेरोटोनिन → [SNAT] → N-एसिटिलसेरोटोनिन → [HIOMT] → मेलाटोनिन
(c) क्रिएटिन और क्रिएटिन फॉस्फेट: क्रिएटिन (Creatine) एक नाइट्रोजन युक्त कार्बनिक अम्ल है जो तीन अमीनो एसिड – आर्जिनीन, ग्लाइसिन , और मेथियोनीन से संश्लेषित होता है। इसका संश्लेषण गुर्दे और यकृत में एक दो-चरणीय प्रक्रिया में होता है।
संश्लेषण: 1. गुर्दे में: ग्लाइसिन और आर्जिनीन मिलकर ग्लाइसिन एमिडिनोट्रांसफरेज द्वारा ग्वानिडीनोएसिटेट बनाते हैं। 2. यकृत में: ग्वानिडीनोएसिटेट को यकृत में ले जाया जाता है, जहां इसे ग्वानिडीनोएसिटेट मिथाइलट्रांसफरेज द्वारा मिथाइलेट करके क्रिएटिन बनाया जाता है। मिथाइल समूह S-एडेनोसिलमेथियोनिन (SAM) द्वारा प्रदान किया जाता है।
कार्य: क्रिएटिन रक्तप्रवाह के माध्यम से मुख्य रूप से कंकाल की मांसपेशियों और मस्तिष्क जैसे उच्च ऊर्जा मांग वाले ऊतकों तक पहुँचाया जाता है। इन ऊतकों में, यह क्रिएटिन किनेज एंजाइम द्वारा क्रिएटिन फॉस्फेट (या फॉस्फोक्रिएटिन) में परिवर्तित हो जाता है।
क्रिएटिन + ATP ↔ क्रिएटिन फॉस्फेट + ADP
क्रिएटिन फॉस्फेट एक उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बफर के रूप में कार्य करता है। जब मांसपेशियों को गहन गतिविधि के दौरान तुरंत ऊर्जा की आवश्यकता होती है, तो क्रिएटिन फॉस्फेट तेजी से अपने फॉस्फेट समूह को ADP में स्थानांतरित कर सकता है ताकि ATP को पुन: उत्पन्न किया जा सके। यह एटीपी का एक तत्काल, लेकिन सीमित, भंडार प्रदान करता है।
अपशिष्ट उत्पाद: क्रिएटिन और क्रिएटिन फॉस्फेट दोनों अनायास और गैर-एंजाइमी रूप से क्रिएटिनिन नामक एक चक्रीय यौगिक में परिवर्तित हो जाते हैं। क्रिएटिनिन का कोई शारीरिक कार्य नहीं है और यह एक उपापचयी अपशिष्ट उत्पाद है। इसे रक्त से गुर्दों द्वारा फ़िल्टर किया जाता है और मूत्र में उत्सर्जित किया जाता है। रक्त में क्रिएटिनिन का स्तर गुर्दे के कार्य का एक उपयोगी संकेतक है।
Q8. (a) गैर-आवश्यक अमीनो अम्ल क्या होते हैं? ग्लूटामेट कुल के अमीनो अम्ल के जैवसंश्लेषण का वर्णन कीजिए। 7 (b) निम्नलिखित पर संक्षिप्त टिप्पणियाँ लिखिए: 7 (i) गाउट (ii) लेस्च-न्याहान संलक्षण
Ans. (a) गैर-आवश्यक अमीनो अम्ल (Non-essential amino acids) वे अमीनो अम्ल हैं जिन्हें मानव शरीर स्वयं संश्लेषित कर सकता है और इसलिए उन्हें आहार में शामिल करना अनिवार्य नहीं है। शरीर इन अमीनो अम्लों का उत्पादन आम उपापचयी मध्यवर्ती उत्पादों से करता है। मनुष्यों में 11 गैर-आवश्यक अमीनो अम्ल हैं: एलेनिन, आर्जिनीन, एस्पैराजीन, एस्पार्टेट, सिस्टीन, ग्लूटामेट, ग्लूटामिन, ग्लाइसिन, प्रोलाइन, सेरीन और टायरोसिन (हालांकि टायरोसिन को फेनिलएलनिन से बनाया जाता है, जो एक आवश्यक अमीनो अम्ल है)।
ग्लूटामेट कुल का जैवसंश्लेषण: ग्लूटामेट परिवार में ग्लूटामेट, ग्लूटामिन, प्रोलाइन और आर्जिनीन शामिल हैं। इन सभी का संश्लेषण टीसीए चक्र के मध्यवर्ती उत्पाद α-कीटोग्लुटारेट से होता है।
1. ग्लूटामेट का संश्लेषण: ग्लूटामेट को α-कीटोग्लुटारेट से दो मुख्य तरीकों से संश्लेषित किया जा सकता है:
- अपचायक एमिनेशन (Reductive Amination): ग्लूटामेट डिहाइड्रोजनेज एंजाइम NADPH का उपयोग करके अमोनिया (NH₄⁺) को सीधे α-कीटोग्लुटारेट में जोड़कर ग्लूटामेट बनाता है। यह प्रतिक्रिया प्रतिवर्ती है और अमीनो एसिड अपचय में भी महत्वपूर्ण है। α-कीटोग्लुटारेट + NH₄⁺ + NADPH → ग्लूटामेट + NADP⁺ + H₂O
- ट्रांसएमिनेशन (Transamination): एक एमिनोट्रांसफरेज एंजाइम किसी अन्य अमीनो एसिड से एक एमिनो समूह को α-कीटोग्लुटारेट में स्थानांतरित करता है, जिससे ग्लूटामेट और एक नया α-कीटो एसिड बनता है।
2. ग्लूटामिन का संश्लेषण: ग्लूटामिन को ग्लूटामेट से ग्लूटामिन सिंथेटेस द्वारा संश्लेषित किया जाता है। यह एंजाइम ATP की ऊर्जा का उपयोग करके ग्लूटामेट में एक और अमोनिया समूह जोड़ता है। यह प्रतिक्रिया कई जैवसंश्लेषण मार्गों के लिए नाइट्रोजन दान करने और अमोनिया को विषहरण करने के लिए महत्वपूर्ण है। ग्लूटामेट + NH₄⁺ + ATP → ग्लूटामिन + ADP + Pi
3. प्रोलाइन का संश्लेषण: प्रोलाइन को कई चरणों में ग्लूटामेट से संश्लेषित किया जाता है। सबसे पहले, ग्लूटामेट को ग्लूटामेट-γ-सेमीएल्डिहाइड में परिवर्तित किया जाता है। यह मध्यवर्ती फिर अनायास चक्रीय होकर Δ¹-पाइरोलिन-5-कार्बोक्सिलेट बनाता है, जिसे बाद में NADPH द्वारा प्रोलाइन में अपचयित किया जाता है।
4. आर्जिनीन का संश्लेषण: यद्यपि आर्जिनीन को यूरिया चक्र के हिस्से के रूप में संश्लेषित किया जाता है, लेकिन चक्र में इसका अधिकांश भाग यूरिया बनाने के लिए टूट जाता है। शरीर की जरूरतों के लिए आर्जिनीन का शुद्ध संश्लेषण भी ग्लूटामेट से होता है, जो ऑर्निथिन में परिवर्तित हो जाता है (प्रोलाइन मार्ग के समान मध्यवर्ती उत्पादों के माध्यम से)। ऑर्निथिन फिर यूरिया चक्र में प्रवेश करता है और आर्जिनीन में परिवर्तित हो जाता है। विकास की अवधियों के दौरान, संश्लेषण की दर अपर्याप्त हो सकती है, जिससे यह सशर्त रूप से आवश्यक हो जाता है।
(b) (i) गाउट (Gout): गाउट, जिसे वातरक्त भी कहा जाता है, एक प्रकार का सूजन संबंधी गठिया है जो रक्त में यूरिक एसिड के उच्च स्तर (हाइपरयूरिसीमिया) के कारण होता है। यूरिक एसिड मनुष्यों में प्यूरीन न्यूक्लियोटाइडों के अपघटन का अंतिम उत्पाद है। जब यूरिक एसिड का स्तर बहुत अधिक हो जाता है, तो यह मोनोसोडियम यूरेट क्रिस्टल के रूप में क्रिस्टलीकृत हो सकता है। ये सुई के आकार के क्रिस्टल जोड़ों (विशेषकर बड़े पैर के अंगूठे), टेंडन और आसपास के ऊतकों में जमा हो जाते हैं।
इन क्रिस्टलों का जमाव एक तीव्र सूजन प्रतिक्रिया को ट्रिगर करता है, जिससे प्रभावित जोड़ में गंभीर दर्द, लालिमा, गर्मी और सूजन होती है, जिसे गाउट का दौरा कहा जाता है। हाइपरयूरिसीमिया या तो यूरिक एसिड के अत्यधिक उत्पादन (उच्च प्यूरीन आहार, कुछ आनुवंशिक स्थितियों के कारण) या गुर्दे द्वारा कम उत्सर्जन (गुर्दे की बीमारी, कुछ दवाओं के कारण) के परिणामस्वरूप हो सकता है।
गाउट के उपचार का उद्देश्य तीव्र हमलों से राहत देना (NSAIDs या कोल्सीसिन के साथ) और भविष्य के हमलों को रोकना है। दीर्घकालिक प्रबंधन में अक्सर एलोप्यूरिनॉल जैसी दवाएं शामिल होती हैं, जो जैन्थिन ऑक्सीडेज को रोककर यूरिक एसिड के उत्पादन को कम करती हैं, साथ ही आहार और जीवन शैली में बदलाव भी शामिल हैं।
(ii) लेस्च-न्याहान संलक्षण (Lesch-Nyhan Syndrome): लेस्च-न्याहान संलक्षण एक दुर्लभ, X-लिंक्ड रिसेसिव आनुवंशिक विकार है जो प्यूरीन साल्वेज मार्ग में एक एंजाइम, हाइपोक्सैन्थिन-ग्वानिन फॉस्फोरिबोसिलट्रांसफरेज (HGPRT) की गंभीर कमी के कारण होता है। HGPRT एंजाइम प्यूरीन क्षारकों, हाइपोक्सैन्थिन और ग्वानिन को उनके संबंधित न्यूक्लियोटाइड्स (IMP और GMP) में पुनर्चक्रित करने के लिए जिम्मेदार है, जिससे उन्हें अपघटन से बचाया जा सकता है।
जब HGPRT की कमी होती है, तो हाइपोक्सैन्थिन और ग्वानिन का पुनर्चक्रण नहीं हो पाता है और इसके बजाय वे यूरिक एसिड में अपघटित हो जाते हैं। इसके अतिरिक्त, कम पुनर्चक्रण के कारण PRPP (एक सबस्ट्रेट) और कम IMP/GMP (अवरोधक) का स्तर बढ़ जाता है, जो डी नोवो प्यूरीन संश्लेषण मार्ग को बहुत उत्तेजित करता है। इन दोनों प्रभावों के परिणामस्वरूप यूरिक एसिड का अत्यधिक उत्पादन होता है, जिससे गंभीर हाइपरयूरिसीमिया होता है।
लक्षणों में गाउट जैसे गठिया और गुर्दे की पथरी शामिल हैं। हालांकि, लेस्च-न्याहान संलक्षण की सबसे विनाशकारी विशेषताएं गंभीर न्यूरोलॉजिकल लक्षण हैं, जिनमें शामिल हैं:
- अनैच्छिक मांसपेशी संकुचन (डायस्टोनिया)
- असंयमित गति (कोरियाएथेटोसिस)
- सबसे विशिष्ट लक्षण, बाध्यकारी आत्म-उत्पीड़न व्यवहार (जैसे उंगलियों और होंठों को काटना)।
न्यूरोलॉजिकल क्षति का सटीक कारण पूरी तरह से समझा नहीं गया है, लेकिन यह भ्रूण के विकास के दौरान डोपामिनर्जिक न्यूरॉन्स के कार्य में गड़बड़ी से संबंधित माना जाता है। एलोप्यूरिनॉल यूरिक एसिड के स्तर को नियंत्रित कर सकता है, लेकिन यह न्यूरोलॉजिकल लक्षणों का इलाज नहीं करता है, जिनका कोई प्रभावी उपचार नहीं है।
IGNOU BBCCT-113 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Describe the salvage pathway of pyrimidine bases and nucleosides. 7 (b) Explain the nitrogen cycle and define biological nitrogen fixation. 7
Ans. (a) The pyrimidine salvage pathway is a metabolic process by which cells reuse pre-formed pyrimidine bases (such as cytosine, uracil, and thymine) and nucleosides, which are obtained from the degradation of nucleic acids. This is an energy-efficient alternative to the de novo synthesis pathway. The pathway primarily involves two types of enzymes: 1. Nucleoside Kinases: These enzymes transfer a phosphate group from ATP to a pyrimidine nucleoside (base + ribose), forming a nucleotide.
- Uridine-cytidine kinase phosphorylates both uridine and cytidine to UMP and CMP, respectively. Uridine + ATP → UMP + ADP
- Thymidine kinase phosphorylates thymidine to TMP. This enzyme is particularly active during the S-phase of the cell cycle. Thymidine + ATP → TMP + ADP
2.
Pyrimidine Phosphoribosyltransferase:
This enzyme directly forms a nucleotide by attaching a free pyrimidine base to phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP).
Base + PRPP → Nucleotide + PPi
For example, orotate phosphoribosyltransferase, part of the
de novo
pathway, can also perform a salvage-like reaction to convert orotate to OMP.
The salvage pathway is especially important in tissues that are incapable of
de novo
synthesis or require rapid DNA synthesis, such as cancer cells and some parasites.
(b) The
Nitrogen Cycle
is the biogeochemical cycle by which nitrogen is converted into various chemical forms, circulating between the atmosphere, terrestrial, and marine ecosystems. Nitrogen is an essential component for all life forms, required for the synthesis of amino acids, proteins, and nucleic acids.
The main stages of the nitrogen cycle are:
- Nitrogen Fixation: The conversion of atmospheric nitrogen (N₂) into ammonia (NH₃).
- Nitrification: The oxidation of ammonia to nitrite (NO₂⁻) and then to nitrate (NO₃⁻). This is carried out by bacteria such as Nitrosomonas and Nitrobacter .
- Assimilation: Plants and microorganisms take up nitrate and ammonia from the soil and incorporate them into biological tissues.
- Ammonification: When organisms die, decomposers (like bacteria and fungi) convert their organic nitrogen back into ammonia.
- Denitrification: The reduction of nitrate back into gaseous nitrogen (N₂) by bacteria like Pseudomonas , which then returns to the atmosphere.
Biological Nitrogen Fixation
is defined as the process in which certain microorganisms, called diazotrophs, convert atmospheric nitrogen gas (N₂) into ammonia (NH₃). This reaction is catalyzed by an enzyme complex called
nitrogenase
, which is highly sensitive to oxygen. It is an energy-intensive process.
N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ + 16 ATP → 2NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 Pi
Examples of organisms that perform biological nitrogen fixation include:
- Symbiotic bacteria: such as Rhizobium , which live in the roots of leguminous plants.
- Free-living bacteria: such as Azotobacter (aerobic) and Clostridium (anaerobic).
- Cyanobacteria: such as Anabaena and Nostoc .
Q2. (a) Name the amino acids that yield oxaloacetate (C₄ family) and alpha-ketoglutarate (C₅ family). Explain their reactions. 6 (b) Explain Urea cycle. 8
Ans. (a) The carbon skeletons of amino acids can be catabolized into several major metabolic intermediates. Amino Acids Yielding Oxaloacetate (C₄ family): Two amino acids, aspartate and asparagine , are converted directly into oxaloacetate.
- Asparagine: Asparagine is first hydrolyzed by the enzyme asparaginase to aspartate and ammonia. Reaction: Asparagine + H₂O → Aspartate + NH₄⁺
- Aspartate: Aspartate then undergoes a transamination reaction catalyzed by a transaminase (e.g., aspartate aminotransferase). It donates its amino group to α-ketoglutarate, forming oxaloacetate and glutamate. Reaction: Aspartate + α-ketoglutarate ↔ Oxaloacetate + Glutamate
Amino Acids Yielding α-ketoglutarate (C₅ family):
Five amino acids—
glutamate, glutamine, proline, arginine,
and
histidine
—are catabolized to α-ketoglutarate.
- Glutamine: Glutamine is hydrolyzed by glutaminase to glutamate and ammonia. Reaction: Glutamine + H₂O → Glutamate + NH₄⁺
- Glutamate: Glutamate can be converted to α-ketoglutarate either through oxidative deamination by glutamate dehydrogenase or by a transamination reaction.
- Proline and Arginine: Both of these amino acids are converted through several steps into glutamate-γ-semialdehyde , which is then oxidized to form glutamate. Glutamate is subsequently converted to α-ketoglutarate.
- Histidine: The catabolism of histidine proceeds through a multi-step pathway that forms N-formiminoglutamate (FIGLU). FIGLU donates its formimino group to tetrahydrofolate (THF), yielding glutamate and N⁵-formimino-THF. Glutamate is then converted to α-ketoglutarate.
(b) The
Urea Cycle
, also known as the Krebs-Henseleit cycle, is a series of metabolic reactions in terrestrial vertebrates that converts excess nitrogen, particularly in the form of ammonia (NH₃), into urea ((NH₂)₂CO) for excretion from the body. Ammonia is highly toxic, and the urea cycle serves a crucial detoxification function by converting it into a less toxic compound. It occurs primarily in the liver.
The cycle consists of five main steps, with the first two occurring in the mitochondria and the remaining three in the cytosol:
In the Mitochondria:
1.
Synthesis of Carbamoyl Phosphate:
Ammonia (NH₄⁺), bicarbonate (HCO₃⁻), and two ATP molecules combine to form carbamoyl phosphate. This reaction is catalyzed by
Carbamoyl Phosphate Synthetase I (CPS I)
, which is the rate-limiting step of the cycle.
2ATP + NH₄⁺ + HCO₃⁻ → Carbamoyl Phosphate + 2ADP + Pi
2.
Formation of Citrulline:
Carbamoyl phosphate donates its carbamoyl group to ornithine, forming citrulline. This reaction is catalyzed by
Ornithine Transcarbamoylase (OTC)
. Citrulline is then transported to the cytosol.
Carbamoyl Phosphate + Ornithine → Citrulline + Pi
In the Cytosol:
3.
Synthesis of Argininosuccinate:
Citrulline condenses with aspartate (which provides the second nitrogen atom) to form argininosuccinate. This ATP-dependent reaction is catalyzed by
Argininosuccinate Synthetase
.
Citrulline + Aspartate + ATP → Argininosuccinate + AMP + PPi
4.
Cleavage of Argininosuccinate:
The enzyme
Argininosuccinase
cleaves argininosuccinate into arginine and fumarate. The fumarate links to the TCA cycle, creating a crucial link between the two cycles.
Argininosuccinate → Arginine + Fumarate
5.
Formation of Urea and Regeneration of Ornithine:
The enzyme
Arginase
hydrolyzes arginine to urea and ornithine. Urea is released into the bloodstream, transported to the kidneys, and excreted in the urine. Ornithine is transported back into the mitochondria to begin another round of the cycle.
Arginine + H₂O → Urea + Ornithine
Overall Reaction:
NH₄⁺ + HCO₃⁻ + Aspartate + 3ATP + 2H₂O → Urea + Fumarate + 2ADP + AMP + 2Pi + PPi
Q3. (a) “The liver is the metabolic hub of the body.” Explain the statement. 7 (b) Explain the catabolism of pyrimidine nucleotides. 7
Ans. (a) The statement “The liver is the metabolic hub of the body” is accurate because the liver plays a unique and central role in the regulation and integration of nearly all major metabolic pathways. Its strategic location (blood from the gut flows directly to the liver via the portal vein) and its diverse enzymatic capabilities make it ideal for managing the body’s metabolic needs. The liver’s central role is evident in the following key areas: 1. Carbohydrate Metabolism: The liver is crucial for maintaining blood glucose levels. After a meal (absorptive state), it takes up glucose and stores it as glycogen ( glycogenesis ). During fasting (post-absorptive state), it breaks down stored glycogen to release glucose ( glycogenolysis ) and synthesizes new glucose from non-carbohydrate sources like lactate, glycerol, and amino acids ( gluconeogenesis ). 2. Lipid Metabolism: The liver is the main site of lipid metabolism. It converts excess carbohydrates and proteins into fatty acids ( lipogenesis ), which are then stored as triglycerides. During fasting, it performs fatty acid oxidation ( beta-oxidation ) and produces ketone bodies (e.g., acetoacetate), which can be used as an energy source by the brain and muscles. The liver is also responsible for cholesterol synthesis and the production of lipoproteins (VLDL) for its transport. 3. Amino Acid and Protein Metabolism: The liver is the major site of amino acid metabolism. It interconverts amino acids according to the body’s needs and synthesizes non-essential amino acids . It is responsible for removing nitrogen from amino acids and converting it into the less toxic urea via the urea cycle . Furthermore, the liver synthesizes most plasma proteins, such as albumin, clotting factors, and transport proteins. 4. Detoxification and Metabolism: The liver acts as a vital detoxification organ by modifying (e.g., by cytochrome P450 enzymes) and eliminating drugs, toxins, and waste products of metabolism (like bilirubin) from the body. Because of these diverse and integrated functions, the liver is rightly considered the metabolic hub of the body. (b) The catabolism of pyrimidine nucleotides, namely cytidine monophosphate (CMP), uridine monophosphate (UMP), and thymidine monophosphate (TMP), is the process of breaking them down into their constituent parts and further metabolizing the nitrogenous bases. Unlike purines in humans, the pyrimidine ring is cleaved and excreted as soluble end products. The steps in the catabolic pathway are as follows: 1. Dephosphorylation and Deamination: First, the nucleotides are dephosphorylated by 5′-nucleotidases to their respective nucleosides (cytidine, uridine, thymidine). Cytidine can be converted to uridine by cytidine deaminase . CMP → Cytidine → Uridine UMP → Uridine 2. Cleavage of Nucleoside to Base: The nucleosides are cleaved by nucleoside phosphorylases into their free base and ribose-1-phosphate (or deoxyribose-1-phosphate). Uridine + Pi ↔ Uracil + Ribose-1-phosphate Thymidine + Pi ↔ Thymine + Deoxyribose-1-phosphate 3. Degradation of Pyrimidine Bases: The free bases, uracil and thymine, are now degraded in the liver.
- Degradation of Uracil: Uracil is reduced to dihydrouracil by dihydropyrimidine dehydrogenase (using NADPH). The ring is then cleaved by dihydropyrimidinase to form β-ureidopropionate . Finally, β-ureidopropionase cleaves this molecule into β-alanine , CO₂, and NH₄⁺. Uracil → Dihydrouracil → β-Ureidopropionate → β-Alanine + CO₂ + NH₄⁺
- Degradation of Thymine: Thymine follows a similar pathway. It is first reduced to dihydrothymine, then the ring is cleaved to form β-ureidoisobutyrate . Finally, this is cleaved to β-aminoisobutyrate , CO₂, and NH₄⁺. Thymine → Dihydrothymine → β-Ureidoisobutyrate → β-Aminoisobutyrate + CO₂ + NH₄⁺
The end products (β-alanine and β-aminoisobutyrate) are water-soluble and can be excreted in urine or metabolized further. β-alanine is a component of coenzyme A.
Q4. (a) Explain SCIDs (Severe Combined Immuno-Deficiency Disease). 4 (b) Discuss purine nucleotides degradation with reactions. 10 (Typo correction)
Ans. (a) SCID (Severe Combined Immuno-Deficiency Disease) is a group of genetic disorders characterized by profound defects in the immune system. It is “combined” because it affects the function and development of both major types of immune cells—the T-lymphocytes and B-lymphocytes . T-cells are critical for cell-mediated immunity and helping B-cells to produce antibodies, while B-cells are responsible for humoral immunity. Infants with SCID are extremely susceptible to severe and recurrent infections, such as pneumonia, meningitis, and bloodstream infections, often caused by microorganisms that would not cause illness in a person with a healthy immune system. The most common metabolic cause of SCID is a deficiency in an enzyme called Adenosine Deaminase (ADA) . This enzyme is part of the purine salvage pathway and is responsible for breaking down adenosine and deoxyadenosine. Mechanism of ADA deficiency:
- When ADA is deficient, its substrate, deoxyadenosine , accumulates in the body, particularly in lymphocytes.
- This excess deoxyadenosine is phosphorylated by kinases to deoxyadenosine triphosphate (dATP) .
- High levels of dATP inhibit a crucial enzyme called ribonucleotide reductase .
- This enzyme is responsible for producing all four deoxyribonucleotides (dCTP, dGTP, dTTP) required for DNA synthesis.
- Lacking the building blocks for DNA, lymphocytes cannot replicate their DNA and divide. This prevents their maturation and proliferation, leading to severe lymphopenia (a lack of lymphocytes) and a non-functional immune system.
Without treatment, children with SCID usually die from infection within the first year of life. Treatment options include bone marrow transplantation and enzyme replacement therapy.
(b) The degradation of purine nucleotides, primarily adenosine monophosphate (AMP) and guanosine monophosphate (GMP), is a multi-step pathway that results in the formation of
uric acid
as the final product in humans and other primates. The process occurs mainly in the liver.
The degradation pathway is as follows:
1.
Conversion of Nucleotides to Nucleosides:
- AMP can first be converted to adenosine by removal of its phosphate group by 5′-nucleotidase . Alternatively, AMP can be deaminated to inosine monophosphate (IMP) by AMP deaminase .
- GMP is converted to guanosine by 5′-nucleotidase .
- IMP is also converted to inosine by 5′-nucleotidase .
2.
Conversion of Nucleosides to Bases:
- Adenosine is deaminated to inosine by adenosine deaminase (ADA) . (A deficiency in ADA causes SCID).
- Inosine and guanosine are cleaved by purine nucleoside phosphorylase (PNP) into their respective purine bases, hypoxanthine and guanine . This process also releases ribose-1-phosphate. Inosine + Pi → Hypoxanthine + Ribose-1-phosphate Guanosine + Pi → Guanine + Ribose-1-phosphate
3.
Conversion of Bases to Uric Acid:
- Guanine is deaminated to xanthine by guanine deaminase .
- Hypoxanthine is oxidized to xanthine by the enzyme xanthine oxidase .
- Now, the xanthine produced from both pathways is further oxidized to uric acid by the same enzyme, xanthine oxidase . Hypoxanthine + O₂ + H₂O → Xanthine + H₂O₂ Xanthine + O₂ + H₂O → Uric Acid + H₂O₂
Final Product:
Uric acid is the end product of purine degradation in humans. It has low solubility in water. High levels of uric acid (hyperuricemia) can lead to a condition called
gout
, in which uric acid crystals precipitate in joints, causing painful inflammation. Most other mammals have an enzyme called urate oxidase (uricase), which converts uric acid to the more soluble compound, allantoin, but this enzyme is absent in humans.
Q5. (a) Explain the mechanism of action and medicinal uses of the following nucleotide synthesis inhibitors (any four): 8 (i) Hydroxyurea (ii) Methotrexate (iii) 6-mercaptopurine (iv) Sulpha drugs (v) 5-fluorouracil (b) Explain the synthesis of Deoxyribonucleotides from Ribonucleotides. 6
Ans. (a) Nucleotide synthesis inhibitors are drugs that interfere with the production of nucleotides to halt the proliferation of rapidly dividing cells, such as cancer cells. (i) Hydroxyurea:
- Mechanism of Action: Hydroxyurea specifically inhibits the enzyme ribonucleotide reductase (RNR) . This enzyme is critical for converting ribonucleoside diphosphates (ADP, GDP, CDP, UDP) into their corresponding deoxy-forms (dADP, dGDP, dCDP, dUDP), which are essential for DNA synthesis. Hydroxyurea quenches a tyrosyl free radical in the enzyme’s active site, halting the production of deoxyribonucleotides and arresting the cell cycle at the G1/S border.
- Medicinal Uses: It is used to treat certain cancers, such as chronic myeloid leukemia, and sickle cell anemia (where it works by increasing the production of fetal hemoglobin).
(ii) Methotrexate:
- Mechanism of Action: Methotrexate is a structural analog of folic acid. It competitively and tightly inhibits the enzyme dihydrofolate reductase (DHFR) . DHFR is required to regenerate tetrahydrofolate (THF), a crucial coenzyme. Derivatives of THF, such as N⁵,N¹⁰-methylene-THF, are essential for the synthesis of thymidylate (dUMP to dTMP) and purine nucleotides. By inhibiting DHFR, methotrexate depletes the supply of THF, thereby halting DNA synthesis and cell division.
- Medicinal Uses: It is widely used in cancer chemotherapy (e.g., leukemia) and for treating autoimmune diseases like rheumatoid arthritis and psoriasis.
(iii) 6-mercaptopurine:
- Mechanism of Action: 6-mercaptopurine is a purine analog. In the body, it is converted to its active form, thioinosine monophosphate (TIMP), by the enzyme HGPRT. TIMP inhibits several enzymes involved in purine de novo synthesis, including glutamine-PRPP amidotransferase (the first step) and the conversion of IMP to AMP and GMP. It can also be incorporated into DNA and RNA, leading to faulty nucleic acids.
- Medicinal Uses: It is primarily used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL).
(v) 5-fluorouracil (5-FU):
- Mechanism of Action: 5-FU is a pyrimidine analog that is converted to several active metabolites within the body. Its main metabolite, fluorodeoxyuridine monophosphate (FdUMP) , is a potent inhibitor of the enzyme thymidylate synthase . FdUMP forms a stable covalent ternary complex with the enzyme and the coenzyme N⁵,N¹⁰-methylene-THF, inactivating the enzyme. This blocks the synthesis of dTMP from dUMP, leading to a “thymineless death” due to the depletion of thymine required for DNA synthesis.
- Medicinal Uses: It is used to treat a variety of solid tumors, such as colorectal, breast, and head and neck cancers.
(b) The synthesis of deoxyribonucleotides, the building blocks of DNA, occurs by the direct reduction of ribonucleotides. This crucial process is catalyzed by an enzyme called
Ribonucleotide Reductase (RNR)
.
The Process:
- Substrates: The substrates for RNR are ribonucleoside diphosphates : ADP, GDP, CDP, and UDP. (For thymidine, UDP is first converted to dUDP, then to dUMP, and finally to dTMP by thymidylate synthase).
- The Reaction: The enzyme replaces the hydroxyl group (-OH) at the 2′-carbon of the ribose sugar with a hydrogen atom (-H). This occurs through a complex radical-based mechanism. Ribonucleoside diphosphate + NADPH + H⁺ → Deoxyribonucleoside diphosphate + NADP⁺ + H₂O (overall balance)
- Reducing Agent: The reduction of the 2′-OH group requires a source of electrons. This source is typically a small protein called thioredoxin . During the RNR reaction, two sulfhydryl (-SH) groups in thioredoxin become oxidized to form a disulfide bond (-S-S-). RNR(oxidized) + Thioredoxin(reduced) → RNR(reduced) + Thioredoxin(oxidized)
- Regeneration of Thioredoxin: The oxidized thioredoxin is then regenerated back to its reduced form by an enzyme called thioredoxin reductase , which uses NADPH as the ultimate electron donor. In some organisms, the glutaredoxin system plays a similar role.
- Regulation: RNR activity is intricately regulated to maintain a balanced pool of deoxyribonucleotides according to the cell’s needs. The enzyme has allosteric sites that bind various nucleotide triphosphates (e.g., ATP, dATP, dGTP, dTTP). These bindings control both the overall activity of the enzyme and its specificity towards different substrates (ADP, GDP, etc.), ensuring all four dNTPs are produced in the correct ratios. For example, high levels of dATP are a potent general inhibitor, explaining the lymphocyte toxicity in ADA deficiency.
Q6. (a) Explain Heme Biosynthesis. 8 (b) Discuss the causes and symptoms of the following: 6 (i) Phenylketonuria (ii) Homocystinuria (iii) Maple syrup urine disease
Ans. (a) Heme biosynthesis , also called porphyrin synthesis, is the metabolic pathway that produces heme. Heme is an essential prosthetic group found in many important proteins, such as hemoglobin, myoglobin, and the cytochromes. The pathway occurs predominantly in the bone marrow (for hemoglobin) and the liver (for cytochromes). It is an 8-step process that starts in the mitochondria, continues in the cytosol, and finishes in the mitochondria. Steps of the Pathway: In the Mitochondria: 1. Formation of δ-Aminolevulinate (ALA): The pathway begins with the condensation of glycine and succinyl-CoA (from the TCA cycle) to form δ-aminolevulinate (ALA). This reaction is catalyzed by ALA synthase (ALAS) and is the rate-limiting and major regulatory step of the pathway. High levels of heme inhibit the synthesis and activity of ALAS (feedback inhibition). In the Cytosol: 2. Formation of Porphobilinogen (PBG): Two molecules of ALA are condensed by ALA dehydratase to form a pyrrole-containing molecule called porphobilinogen (PBG). 3. Formation of Hydroxymethylbilane: Four molecules of PBG are joined head-to-tail to form a linear tetrapyrrole, hydroxymethylbilane. This is catalyzed by porphobilinogen deaminase (also called hydroxymethylbilane synthase). 4. Formation of Uroporphyrinogen III: The linear hydroxymethylbilane is cyclized by uroporphyrinogen III synthase into the cyclic and asymmetric uroporphyrinogen III. 5. Formation of Coproporphyrinogen III: Uroporphyrinogen decarboxylase decarboxylates the acetate side chains of uroporphyrinogen III to methyl groups, forming coproporphyrinogen III. In the Mitochondria: 6. Formation of Protoporphyrinogen IX: Coproporphyrinogen III moves back into the mitochondria, where coproporphyrinogen oxidase converts two propionate side chains into vinyl groups, forming protoporphyrinogen IX. 7. Formation of Protoporphyrin IX: Protoporphyrinogen oxidase oxidizes protoporphyrinogen IX to form protoporphyrin IX. 8. Formation of Heme: In the final step, the enzyme ferrochelatase inserts a ferrous ion (Fe²⁺) into the center of the protoporphyrin IX ring, yielding heme . Genetic deficiencies in the enzymes of this pathway lead to a group of diseases called porphyrias, characterized by the accumulation of porphyrin precursors. (b) (i) Phenylketonuria (PKU):
- Cause: PKU is an autosomal recessive genetic disorder caused by a deficiency of the enzyme phenylalanine hydroxylase . This liver enzyme is responsible for converting the essential amino acid phenylalanine into tyrosine. When the enzyme is deficient, phenylalanine accumulates in the blood and tissues.
- Symptoms: The excess phenylalanine is diverted into alternative pathways, forming phenylketones (like phenylpyruvate, phenylacetate) which are excreted in the urine. If untreated, the high levels of phenylalanine cause severe and irreversible brain damage, intellectual disability, seizures, behavioral problems, and eczema. Affected infants have a characteristic “mousy” or musty odor in their urine and sweat. Newborn screening and early treatment with a diet low in phenylalanine can prevent these severe outcomes.
(ii) Homocystinuria:
- Cause: This is another autosomal recessive disorder affecting methionine metabolism. The most common cause is a deficiency of the enzyme cystathionine β-synthase (CBS) . This enzyme condenses homocysteine with serine to form cystathionine, a step in the synthesis of cysteine. CBS deficiency leads to the accumulation of homocysteine and its precursor methionine in the blood and urine.
- Symptoms: Symptoms include vision problems (dislocation of the eye’s lens), skeletal abnormalities (tall stature, long thin limbs), intellectual disability, and a high risk of thromboembolism (blood clots), which can lead to early strokes or heart attacks. Treatment may include high doses of vitamin B6 (a coenzyme for CBS), a methionine-restricted diet, and cysteine supplementation.
(iii) Maple Syrup Urine Disease (MSUD):
- Cause: MSUD is an autosomal recessive disorder caused by a deficiency in the branched-chain α-keto acid dehydrogenase (BCKDH) complex. This enzyme is responsible for a crucial step in the catabolism of the three branched-chain amino acids (BCAAs)— leucine, isoleucine, and valine . Enzyme deficiency leads to the accumulation of these amino acids and their corresponding α-keto acids in the blood and urine.
- Symptoms: The disease gets its name from a distinctive sweet odor of the urine, reminiscent of maple syrup, due to the buildup of keto acids. Symptoms include poor feeding, lethargy, vomiting, and severe neurological problems, which can progress to coma and death if not treated promptly. Treatment involves strict adherence to a diet very low in BCAAs (leucine, isoleucine, valine).
Q7. (a) What are catecholamines? Briefly explain their synthesis and catabolism. 6 (b) Illustrate the synthesis of serotonin and melatonin from tryptophan. 4 (c) Write a short note on creatines. 4
Ans. (a) Catecholamines are a group of monoamine neurotransmitters and hormones that contain a catechol (a benzene ring with two adjacent hydroxyl groups) and an amine side-chain. The three main catecholamines in the body are dopamine, norepinephrine (noradrenaline), and epinephrine (adrenaline) . They play crucial roles in the “fight-or-flight” response, mood, attention, and movement regulation. Synthesis: Catecholamines are synthesized from the amino acid tyrosine , primarily in the adrenal medulla and neurons. 1. Tyrosine → L-DOPA: The first and rate-limiting step is the hydroxylation of tyrosine to L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA). This is catalyzed by tyrosine hydroxylase , which requires tetrahydrobiopterin (BH4) as a cofactor. 2. L-DOPA → Dopamine: L-DOPA is decarboxylated by aromatic L-amino acid decarboxylase (also called DOPA decarboxylase) to form dopamine. This enzyme requires pyridoxal phosphate (PLP). 3. Dopamine → Norepinephrine: In noradrenergic neurons, dopamine is transported into synaptic vesicles and converted to norepinephrine by dopamine β-hydroxylase . This reaction requires ascorbate (vitamin C) and copper (Cu²⁺). 4. Norepinephrine → Epinephrine: In the adrenal medulla, norepinephrine is methylated to epinephrine by phenylethanolamine N-methyltransferase (PNMT) . The methyl group is donated by S-adenosylmethionine (SAM). Catabolism: Catecholamines are rapidly inactivated by two main enzymes:
- Monoamine Oxidase (MAO): This enzyme is located on the outer membrane of mitochondria and converts catecholamines to their corresponding aldehydes by oxidative deamination.
- Catechol-O-Methyltransferase (COMT): This enzyme, found mainly in the cytosol, transfers a methyl group (from SAM) to the 3-hydroxyl group of the catechol ring.
MAO and COMT can act in either order. The final metabolic product is
vanillylmandelic acid (VMA)
, which is excreted in the urine.
(b)
Synthesis of Serotonin and Melatonin:
Serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) and melatonin are synthesized from the essential amino acid
tryptophan
.
Synthesis of Serotonin:
Occurs mainly in neurons of the brain and enterochromaffin cells of the gut.
1.
Tryptophan → 5-Hydroxytryptophan (5-HTP):
The first and rate-limiting step is catalyzed by
tryptophan hydroxylase
. This enzyme uses oxygen and tetrahydrobiopterin (BH4) to convert tryptophan to 5-hydroxytryptophan.
2.
5-HTP → Serotonin (5-HT):
5-HTP is rapidly decarboxylated by
aromatic L-amino acid decarboxylase
to form serotonin. This enzyme requires pyridoxal phosphate (PLP).
Illustration:
Tryptophan → [Tryptophan hydroxylase] → 5-Hydroxytryptophan → [Aromatic L-amino acid decarboxylase] → Serotonin
Synthesis of Melatonin:
Melatonin, the hormone that regulates the sleep-wake cycle, is synthesized from serotonin in the pineal gland, primarily at night.
1.
Serotonin → N-acetylserotonin:
Serotonin is acetylated by
serotonin N-acetyltransferase (SNAT)
, which uses acetyl-CoA. This step is activated at night.
2.
N-acetylserotonin → Melatonin:
N-acetylserotonin is methylated by
hydroxyindole-O-methyltransferase (HIOMT)
, which donates a methyl group from S-adenosylmethionine (SAM), to form melatonin.
Illustration:
Serotonin → [SNAT] → N-acetylserotonin → [HIOMT] → Melatonin
(c)
Creatine and Creatine Phosphate:
Creatine is a nitrogenous organic acid that is synthesized from three amino acids:
arginine, glycine,
and
methionine
. Its synthesis occurs in a two-step process in the kidney and liver.
Synthesis:
1.
In the kidney:
Glycine and arginine combine to form guanidinoacetate, catalyzed by
glycine amidinotransferase
.
2.
In the liver:
Guanidinoacetate is transported to the liver, where it is methylated by
guanidinoacetate methyltransferase
to form creatine. The methyl group is provided by S-adenosylmethionine (SAM).
Function:
Creatine is transported via the bloodstream to tissues with high energy demands, mainly skeletal muscle and the brain. In these tissues, it is converted to
creatine phosphate
(or phosphocreatine) by the enzyme
creatine kinase
.
Creatine + ATP ↔ Creatine Phosphate + ADP
Creatine phosphate acts as a high-energy phosphate buffer. When muscles need immediate energy during intense activity, creatine phosphate can rapidly transfer its phosphate group to ADP to regenerate ATP. It provides an immediate, but limited, reservoir of ATP.
Waste Product:
Both creatine and creatine phosphate spontaneously and non-enzymatically cyclize to form a compound called
creatinine
. Creatinine has no physiological function and is a metabolic waste product. It is filtered from the blood by the kidneys and excreted in the urine. The level of creatinine in the blood is a useful indicator of kidney function.
Q8. (a) What are non-essential amino acids? Describe biosynthesis of amino acids in the glutamate family. 7 (b) Write short notes on the following: 7 (i) Gout (ii) Lesch-Nyhan syndrome
Ans. (a) Non-essential amino acids are amino acids that can be synthesized by the human body and therefore are not required to be part of the diet. The body produces these amino acids from common metabolic intermediates. There are 11 non-essential amino acids in humans: alanine, arginine, asparagine, aspartate, cysteine, glutamate, glutamine, glycine, proline, serine, and tyrosine (although tyrosine is made from phenylalanine, an essential amino acid). Biosynthesis of the Glutamate Family: The glutamate family includes glutamate, glutamine, proline, and arginine . All of these are synthesized from the TCA cycle intermediate α-ketoglutarate . 1. Synthesis of Glutamate: Glutamate can be synthesized from α-ketoglutarate in two main ways:
- Reductive Amination: The enzyme glutamate dehydrogenase directly incorporates ammonia (NH₄⁺) into α-ketoglutarate using NADPH to form glutamate. This reaction is reversible and is also key in amino acid catabolism. α-ketoglutarate + NH₄⁺ + NADPH → Glutamate + NADP⁺ + H₂O
- Transamination: An aminotransferase enzyme transfers an amino group from another amino acid to α-ketoglutarate, yielding glutamate and a new α-keto acid.
2.
Synthesis of Glutamine:
Glutamine is synthesized from glutamate by
glutamine synthetase
. This enzyme adds another ammonia group to glutamate, using the energy of ATP. This reaction is crucial for donating nitrogen for many biosynthetic pathways and for detoxifying ammonia.
Glutamate + NH₄⁺ + ATP → Glutamine + ADP + Pi
3.
Synthesis of Proline:
Proline is synthesized from glutamate in several steps. First, glutamate is converted to
glutamate-γ-semialdehyde
. This intermediate then spontaneously cyclizes to form Δ¹-pyrroline-5-carboxylate, which is subsequently reduced by NADPH to
proline
.
4.
Synthesis of Arginine:
Although arginine is synthesized as part of the urea cycle, most of it is cleaved in the cycle to make urea. The net synthesis of arginine for bodily needs also starts from glutamate, which is converted to
ornithine
(via intermediates similar to the proline pathway). Ornithine then enters the urea cycle and is converted to arginine. During periods of growth, the rate of synthesis may be insufficient, making it conditionally essential.
(b)
(i) Gout:
Gout is a form of inflammatory arthritis caused by
high levels of uric acid in the blood (hyperuricemia)
. Uric acid is the final product of purine nucleotide degradation in humans. When uric acid levels become too high, it can crystallize as
monosodium urate crystals
. These needle-shaped crystals deposit in joints (especially the big toe), tendons, and surrounding tissues.
The deposition of these crystals triggers an intense inflammatory response, leading to severe pain, redness, heat, and swelling in the affected joint, known as a gout attack. Hyperuricemia can result from either
overproduction
of uric acid (due to high-purine diet, certain genetic conditions) or
underexcretion
by the kidneys (due to kidney disease, certain drugs).
Treatment for gout aims to relieve acute attacks (with NSAIDs or colchicine) and prevent future attacks. Long-term management often involves medications like
allopurinol
, which reduces uric acid production by inhibiting xanthine oxidase, as well as diet and lifestyle changes.
(ii) Lesch-Nyhan Syndrome:
Lesch-Nyhan syndrome is a rare, X-linked recessive genetic disorder caused by a severe deficiency of the enzyme
hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (HGPRT)
in the purine salvage pathway. The HGPRT enzyme is responsible for recycling the purine bases, hypoxanthine and guanine, back into their respective nucleotides (IMP and GMP), thus “salvaging” them from degradation.
When HGPRT is deficient, hypoxanthine and guanine cannot be recycled and are instead degraded to uric acid. Additionally, the lack of recycling leads to increased levels of PRPP (a substrate) and decreased levels of IMP/GMP (inhibitors), which greatly stimulates the
de novo
purine synthesis pathway. Both effects result in a massive
overproduction of uric acid
, leading to severe hyperuricemia.
Symptoms include gout-like arthritis and kidney stones. However, the most devastating features of Lesch-Nyhan syndrome are the severe
neurological symptoms
, which include:
- Involuntary muscle contractions (dystonia)
- Uncoordinated movements (choreoathetosis)
- The most distinctive symptom, compulsive self-mutilation behavior (such as biting of fingers and lips).
The exact cause of the neurological damage is not fully understood but is thought to be related to dysfunction in dopaminergic neurons during fetal development. Allopurinol can control the uric acid levels, but it does not treat the neurological symptoms, for which there is no effective treatment.
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