15. BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS
1. (a) Describa cómo se lleva a cabo la fijación de nitrógeno explicando: en forma de que molécula entra el nitrógeno a la síntesis de aa, que microorganismos realizan este proceso y la estructura y función del complejo de nitrogenasa.
El nitrógeno entra en la síntesis de aminoácidos, purinas, pirimidinas y otras biomoléculas en forma reducida, por ejemplo, como NH4+. Los organismo superiores son incapaces de convertir N2 a esta forma. Solo un pequeño número de microorganismos, todos procariontes, pueden fijar el nitrógeno atmosférico.
Esta conversión, llamada fijación de nitrógeno, es realizada por bacterias, como las de la especie
Azotobacter, y algas azul-verde. Algunos de estos microorganismos, por ejemplo las bacterias simbióticas Rhizobium, invaden las raíces de las plantas leguminosas (chícharo, frijol, habas, lentejas, garbanzo) y
forman nódulos en las raíces, donde se lleva a cabo la fijación del nitrógeno, cuyo producto reducido (NH4)
es aprovechado por las bacterias como por las plantas.
El enlace N≡N, tiene una energía de 225 kcal/mol y es muy resistente al ataque químico y, por lo tanto, es muy poco reactivo. El proceso industrial de fijación es muy usado en las fábricas de fertilizantes, N2 + 3H2 ⇔ 2 NH3, se realiza a 500oC y a una presión de 300 atmósferas con un catalizador de hierro. Por lo
tanto la fijación biológica del nitrógeno requiere de una enzima compleja que se denomina complejo
nitrogenasa.
La reducción del nitrógeno a NH3 es un proceso que requiere de 6 electrones: N2 + 6e- + 6H+à 2H3
Sin embargo, la reductasa es imperfecta, y se forma H2 junto con NH3. Por lo que se requieren dos
electrones adicionales.
N2 + 8 e- + 8H+à 2NH3 + H2
La estequiometría de la reacción catalizada por el complejo de nitrogenasa es:
N2 + 8 e- + 16 ATP + 16 H2O ⇒ 2 NH3 + 16 ADP + 16 Pi + 8H+ + H2
Este complejo consiste de dos clases de componentes: una reductasa (dinitrogenasa reductasa), la cual provee de un alto poder reductor, y la nitrogenasa (dinitrogenasa) que usa los electrones para reducir el N2 a NH4+. Cada componente es una proteína hierro-azufre, en la cual el hierro está unido al
azufre del residuo de cisteína y a azufre inorgánico.
La dinitrogenasa reductasa (también llamada proteína Fe) consiste de dos polipéptidos idénticos de 30 kd y tiene una masa de 60 kd. Contiene centros redox Fe4-S4 y puede ser oxidado y reducido por un
electrón. El papel de la reductasa es transferir electrones de donadores de alto potencial, como la ferredoxina, a la dinitrogenasa. A su vez, los electrones que dona la ferredoxina, pueden provenir de la oxidación del piruvato mediante la siguiente reacción:
4 piruvato + 4 CoA à 4 Acetil CoA + 4 CO2 + 8 e
La hidrólisis de ATP dispara la transferencia de electrones al componente dinitrogenasa. El sitio de unión de ATP/ADP está presente en la interface de las dos subunidades. Los racimos Fe4-S4 también están
presentes en la interface de las dos subunidades y aceptan electrones de la ferredoxina y los transfieren a la dinitrogenasa.
En el diagrama los átomos de Fe aparecen en verde y los de azufre inorgánico en rojo. Los átomos de Fe también están unidos a azufre de cisteínas (en amarillos) de la cadena polipeptídica.
MoFe. En el esquema, las subunidades α aparece en azul y las subunidades β en amarillo. En su centro
redox contiene 2 Mo, 32 Fe y 30 S por tetrámero.
En la interface αβ están localizado el racimo P que consiste de dos cubos Fe4-S4, y que en el esquema,
aparecen en verde. Los electrones entran al racimo P y de allí pasan al cofactor FeMo, un centro redox muy raro, que en esquema aparece en rojo. El cofactor FeMo consiste de dos racimos [M-3Fe-3S], que están unidos por tres átomos de azufre. El Mo ocupa el sitio M en un racimo y el Fe ocupa esta misma posición en el otro racimo.
El cofactor FeMo es el sitio de la fijación del nitrógeno. Es probable que el N2 se una a la cavidad central
de este cofactor. El establecimiento de múltiples interacciones Fe-N en este complejo, debilita los enlaces N≡N y, por lo tanto, disminuye la barrera de activación para la reducción.
Algunas bacterias contienen una forma de nitrogenasa que contiene vanadio en vez de molibdeno. En la mayoría de los microorganismos que fijan nitrógeno, la fuente de electrones de alto potencial en esta reducción de seis electrones es la ferredoxina reducida. La ferredoxina reducida es producida en los cloroplastos por la acción del fotosistema I.
De manera alterna, la ferredoxina puede generarse por procesos oxidativos. El complejo nitrogenasa es muy sensible a la inactivación por O2. La dinitrogenasa reductasa es inactiva en el aire con una vida
media de 30 S. La dinitrogenasa tiene una vida media de 10 min en el aire. Existen varias manera de resolver este problema.
Las plantas leguminosas mantienen una muy baja concentración de oxigeno en los nódulos de sus raíces uniendo el O2 a la leghemoglobina, una proteína homóloga a la hemoglobina.
La siguiente secuencia de la fijación de nitrógeno parece razonable:
1o. La ferredoxina reducida transfiere sus electrones al componente reductasa del complejo.
2o. El ATP se une a la dinitrogenasa reductasa y desplaza el potencial redox de la enzima de 0.20 a -0.40 V al alterar su conformación.
3o. Los electrones son transferidos a la dinitrogenasa, el ATP es hidrolizado, y la dinitrogenasa reductasa se disocia de la dinitrogenasa.
4o. Finalmente, el N2 unido a la dinitrogenasa es reducido a NH4+.
2. (a) ¿Cuáles son las reacciones catalizadas por glutamato deshidrogenasa, glutamina sintetasa, y por glutamato sintasa?
El siguiente paso en la asimilación del nitrógeno en biomoléculas es la incorporación de NH4+ en aa. El glutamato y la glutamina juegan un papel central en este proceso. La mayoría de los grupos α-amino de la
mayoría de los aa provienen del grupo α-amino de glutamato por transaminación. La Gln, el otro donador principal de nitrógeno, dona el nitrógeno de su cadena lateral. La reacción catalizada por glutamato deshidrogenasa (enzima revisada en la degradación de aminoácidos) permite la síntesis de L-glutamato:
NH4+ + α-cetoglutarato + NADPH + H+ ⇔ L-glutamato + NADP+ + H20
El ion amonio se incorpora en glutamina por la acción de la glutamina sintetasa sobre el glutamato:
L-glutamato + NH4+ + ATP ⇒ glutamina + ADP + Pi + H+
La glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa están presentes en todos los organismos. La mayoría de los procariontes también contienen la enzima glutamato sintasa que cataliza la aminación de α-CG. Esta enzima está ausente en organismos superiores. El donador de nitrógeno en esta reacción es glutamina, de tal manera que se forman 2 moléculas de glutamato
α-CG + glutamina + NADPH + H+ ⇒ 2 glutamato + NADP+
(b) ¿Cuál es la reacción balanceada de las reacciones secuenciales de glutamina sintetasa y glutamato sintasa?
Cuando el ion amonio es limitante, la mayoría del glutamato es hecho por acción secuencial de la sintetasa de glutamina y de la glutamato sintasa. La suma de estas reacciones es
NH4+ + α-CG + NADPH + ATP ⇒ L-glutamato + NADP+ + ADP + Pi
3. Explique cómo se regula alostérica y covalentemente la actividad de la sintetasa de glutamina en E.
coli enfatizando:
(a) ¿Cuál es la estructura de esta enzima, cuáles son los compuestos que son sintetizados usando como fuente de nitrógeno el grupo amino de la glutamina y cómo modulan la actividad de esta enzima?
La glutamina sintetasa es una enzima multimérica que tiene 12 subunidades idénticas de 50 kd c/u
arregladas en 2 anillos hexagonales colocados uno enfrente del otro.
Los compuestos sintetizados usando el grupo amino de la Gln son: Trp, His, carbamil fosfato,
glucosamina 6 fosfato, CTP, AMP los cuales inhiben a la enzima por retroalimentación acumulativa. La Ala y Gli también inhiben a esta enzima y probablemente sirven como indicadores del estado general del metabolismo celular de aminoácidos. La actividad de Gln sintetasa se abate totalmente cuando están
presentes los 8 productos finales.
(b) ¿En que consiste el proceso de adenilación y cuál es el efecto sobre la actividad de esta enzima?
La actividad de glutamina sintetasa es controlada también por modificación covalente reversible (la unión de una unidad de AMP por medio de enlace fosfodiéster al grupo hidroxilo de un residuo específico de Tir397, localizada cerca del sitio activo, en cada subunidad).
La enzima adenilada es mas susceptible a la inhibición por retroalimentación acumulativa que la forma no adenilada. La enzima adenil transferasa cataliza esta inserción de residuos de AMP usando como sustrato ATP y liberando PPi.
(c) ¿Qué enzima promueve la hidrólisis de AMP de la glutamina sintetasa? La misma enzima que cataliza su inserción, esto es la adenil transferasa.
(d) ¿Quién controla la especificidad de la adenil transferasa?
La especificidad de adenil transferasa es controlada por una proteína regulatoria (P) que puede existir en dos formas PA (PII) y PD (PII-UMP). El complejo de PA y adenil transferasa cataliza la unión de
una unidad de AMP a Gln sintetasa, lo cual reduce su actividad. Por el contrario, el complejo de PD y adenil
transferasa remueve el AMP de la enzima adenilada. Estas actividades catalíticas opuestas son llevadas a cabo por sitios catalíticos diferentes en la misma cadena polipeptídica- una característica encontrada antes en el control de los niveles de fructosa 2,6 bifosfato y en la enzima isocitrato deshidrogenasa.
(e) ¿Cuál es el efecto de la unión de UMP a PA?
Esto nos conduce a otro nivel de modificación covalente reversible. PA es convertido en PD por la unión de UMP. Esta reacción es catalizada por uridil transferasa.
(f) ¿Cuál es el efecto de ATP, α-CG y glutamina sobre la actividad de uridil transferasa?
Es estimulada por ATP y α-CG y es inhibida por glutamina.
A su vez, las dos unidades de UMP sobre PD son removida por hidrólisis, una reacción estimulada por
glutamato e inhibida por α-CG. Estas actividades catalíticas opuestas (inserción e hidrólisis de UMP) están presentes en la misma cadena polipeptídica y están controladas de tal manera que las enzimas no catalizan simultáneamente la uridilación e hidrólisis.
4. (a) De los 20 aa indispensables para la síntesis de las proteínas, ¿cuántos debe obtener el humano de la dieta (aa esenciales) y cuántos puede sintetizar (aa no esenciales) y a partir de que sustratos?
Once aa se sintetizan de los intermediarios del ciclo del ácido cítrico y otras intermediarios por reacciones simples. Por el contrario, las bacterias pueden sintetizar el conjunto básico de los 20 aminoácidos.
Aminoácidos esenciales Precursor Aminoácidos NO esenciales Precursor
Histidina Ribosa 5 P Alanina Piruvato
Isoleucina OA Arginina* α-CG, Glu
Leucina OA, Piruvato Asparagina OA, Asp
Lisina OA Aspartato OA
Metionina OA Cisteína** 3PG, Ser
Fenilalanina PEP, E4P Glutamato α-CG
Treonina OA Glutamina α-CG, Glu
Triptofáno PEP, E4P Glicina*** 3PG, Ser
Valina Piruvato Prolina α-CG, Glu
Serina 3PG
Tirosina Phe, (PEP, E4P) *La arginina es esencial en los niños, pero no en los adultos.
** En los mamíferos se sintetiza de metionina y serina.
*** En los vertebrados se puede sintetizar de precursores simples: CO2 y NH4+
(b) ¿Se puede considerar que la arginina es un aminoácido esencial en los adultos?
En los adultos se puede sintetizar suficiente Arg por medio del ciclo de la urea en cantidades suficientes para suplir las necesidades de los adultos, pero no aquellas de un niño en crecimiento
(c) ¿En qué condiciones la tirosina es un aminoácido esencial?
La tirosina es un aa esencial en sujetos que carecen de la enzima fenilalanina hidroxilasa.
5. (a) ¿Cómo se sintetizan los aa no esenciales glutamato, glutamina, alanina, aspartato, asparagina y tirosina.
Los aa no esenciales se sintetizan por reacciones muy simples mientras que la síntesis de los aa esenciales se lleva a cabo por vías muy complejas.
NH4+ + α-cetoglutarato + NADPH + H+ ⇔ L-glutamato + NADP+ + H2O
L-glutamato + NH4+ + ATP ⇒ glutamina + ADP + Pi + H+
piruvato + glutamato ⇔ alanina + α-CG OA + glutamato ⇔ aspartato + α-CG
aspartato + NH4+ + ATP ⇒ asparagina + AMP + PPi + H+
Phe + O2 + NADPH + H+ ⇒ tirosina + NADP+ + H2O
(b) Haga un bosquejo de la síntesis de los demás aminoácidos no esenciales.
GLU à N-acetilglutamato à N-acetil γ-glutamil-P à N-acetilglutamato γ semiladehído à N-acetil ornitina à ornitina à ciclo de la urea à ARGININA (5R + ciclo de la urea) 3PG à 3 P OH piruvato à 3 P serina à SERINA + H4folato à GLI + N5,N10 metilén H4 folato
En hígado de vertebrados, la GLICINA se puede sintetizar por otra ruta:
CO2 + NH4+ + NADH + H+ + N5,N10 metilén H4 folato à GLI + NAD+ + tetrahidrofolato.
En los mamíferos, la cisteína se sintetiza de otros dos aminoácidos: Met y Ser. Metionina + ATP à S adenosilmetionina
S-adenosil metionina + R-H à S adenosil homocisteína + RCH3
S adenosil homocisteína + H2O à homocisteína + adenosina
Homocisteína + serina à cistationina + H2O
Cistatiotina + H2O à CISTEÍNA + NH4+ + α-cetobutirato
(c) ¿Cuál es el donador de grupos amino en la síntesis de asparagina en mamíferos y en bacterias?
En mamíferos el donador de nitrógeno en la síntesis de Asn es Gln y en bacterias es el NH4+. El NH
4+
generado en el sitio activo de la enzima se transfiere directamente al aspartato unido.
(d) ¿Qué vías metabólicas de los carbohidratos proveen intermediarios para la síntesis de aminoácidos?
ciclo de Krebs (α-CG, OA), glicólisis (3PG y piruvato), vía de las pentosas (eritrosa 4 P y ribosa 5P).
(e) ¿Qué aa se forman a partir de α-CG, OA, 3-fosfoglicerato, piruvato y de PEP + eritrosa 4 fosfato en bacterias y en plantas?
α-CG: Glu y de éste Gln, Pro y Arg (NO ESENCIALES) OA: Asp y de éste: Lis, Met, Asn y Tre ⇒ Ile
3 PG: Serina ⇒ Cis y Gli (NO ESENCIALES) piruvato: Ala, Val y Leu.
PEP + eritrosa 4 P: Tir, Trp y Phe ⇒ Tir. ribosa 5 P ⇒ histidina
6. (a) ¿Qué papel desempeñan la S adenosil metionina y el tetrahidrofolato en la síntesis de aa?
El tetrahidrofolato es un acarreador versátil de unidades de 1 carbono activadas en tres estados de oxidación. La S-adenosilmetionina es el principal acarreador de grupos metilo. El tetrahidrofolato acarrea grupos metilo en N5, pero su potencial de transferencia no es lo suficientemente alto en la mayoría
de los procesos biosintéticos.
(b) ¿Cuáles son los tres grupos que constituyen el tetrahidrofolato? Diga si los mamíferos los pueden sintetizar
1. Una pteridina sustituida, 2. p-aminobenzoato y 3. glutamato. Son capaces de sintetizar el anillo de pteridina pero son incapaces de conjugarlo a las otras dos unidades. Obtienen el tetrahidrofolato de la dieta o de microorganismos del tracto intestinal. Las plantas y los animales son incapaces de sintetizar vitamina B12. Esta vitamina solo es sintetizada por microorganismos.
(c) ¿Cuáles son las unidades de un carbono que son acarreadas por tetrahidrofolato?
Metilo -CH3 Mas reducido (= metanol)
Metileno -CH2- Intermedio (= formaldehído)
Formil Formimino Metenil -CHO -CHNH -CH=
Mas oxidado (= ácido fórmico)
(d) ¿Cuáles son los nitrógenos a los que están unidos las unidades de 1 carbono en el tetrahidrofolato? N5 o N10 o ambos, N5 o N10.
(e) ¿Quién acarrea las unidades de carbono mas oxidadas? La biotina acarrea al CO2.
(f) ¿Cómo se puede sintetizar N10-formiltetrahidrofolato y N5,N10 metiléntetrahidrofolato?
Tetrahidrofolato + Ser ⇒ Gli + N5,N10 metiléntetrahidrofolato Tetrahidrofolato + Formato + ATP ⇒ N10-formiltetrahidrofolato + ADP
(g) ¿Cuál es la principal fuente de unidades de 1 carbono? La conversión de serina a glicina.
7. (a) ¿Cómo se sintetiza S-adenosilmetionina y que característica poco común presenta la misma?
Metionina + ATP ⇒ 5 adenosilmetionina + Pi + PPi
Este grupo metilo se activa por la carga positiva en el átomo de azufre adyacente, que hace a la molécula mucho mas reactiva que N5 metiltetrahidrofolato.
Esta síntesis es poco común ya que el ATP se rompe en Pi y en PPi (todos los enlaces O-P del ATP se rompen en esta reacción de activación, lo cual aumenta mucho la reactividad del grupo metilo.
(b) ¿Cómo se forma S-adenosilhomocisteína y homocisteína?
S-adenosilmetionina + R ⇒ R-CH3 + S adenosilhomocisteína + H2O ⇒ adenosina + homocisteína.
La S-adenosilhomocisteína se forma cuando el grupo metilo de S-adenosilmetionina es transferido a un aceptor como fosfatidiletanolamina. S-adenosilhomocisteína se hidroliza a homocisteína y adenosina.
(c) ¿Cómo se puede regenerar metionina a partir de homocisteína?
Homocisteína + N5 metiltetrahidrofolato ⇒ metionina + tetrahidrofolato. La enzima es la homocisteína metiltransferasa
(d) ¿Cuál es la coenzima en la reacción catalizada por homocisteína metiltransferasa?
Metilcobalamina derivada de vitamina B12
(e) ¿Cuál es la otra reacción descrita en la que interviene esta coenzima?
Rearreglo de metilmalonilCoA a succinil CoA (metilmalonilCoA mutasa). Son las dos únicas reacciones en que participan coenzimas de B12.
(f) ¿Por qué son muy reactivos los grupos metilo de S-adenosilmetionina?
Por el gasto de tres enlaces fosfato del ATP en su síntesis.
(g) Mencione algunos aceptores de este grupo metilo.
Grupos amino del neurotransmisor norepinefrina ⇒ epinefrina y residuo de glutamato de una proteína regulatoria en la quimiotaxis para formar γ-metilglutamato.
8. Explique cuál es la vía de síntesis de los aa aromáticos en las bacterias contestando las siguientes preguntas
(a) Cuáles son los aminoácidos aromáticos y en donde se sintetizan?
Los aa aromáticos fenilalanina y triptofáno son aa esenciales para los mamíferos y son sintetizados en las plantas y microorganismos por rutas mucho mas complejas que los aa no esenciales. Los aa esenciales en los humanos se derivan principalmente de las plantas
(b) ¿Cómo se inicia la síntesis de los aminoácidos aromáticos?
Con la condensación de PEP con eritrosa 4P, a partir de la cual se deriva la formación del intermediario sikimato, el cual posteriormente da lugar a corismato.
eritrosa 4 P + PEP ⇒⇒⇒⇒ Sikimato ⇒ Fosfosikimato + PEP ⇒ ⇒corismato
(c) ¿Cuántas moléculas de fosfoenolpiruvato se requieren para la síntesis de corismato?
R= 2.
(d) ¿Cuáles son los dos productos que se pueden formar a partir de corismato y cómo se forman?
Prefenato y Antranilato.
Una mutasa convierte el corismato en prefenato. Esta enzima cambia la posición de un sustituyente en el anillo.
El corismato adquiere un grupo amino de la cadena lateral de glutamina (que sale como glutámico) y libera piruvato para formar antranilato. Gln es el donador de grupos amino en muchas reacciones biosintéticas.
Corismato + Gln ⇒ antranilato + Glu
(c) ¿De qué aa es precursor el prefenato y el antranilato?
Prefenato de Phe y Tir y antranilato de Trp.
El prefenato es el precursor inmediato del anillo aromático de Phe y Tir. La deshidratación y descarboxilación de prefenato produce fenilpiruvato. De manera alterna, el prefenato puede descarboxilarse oxidativamente para producir p-hidroxifenilpiruvato. Estos cetoácidos pueden transaminarse para producir Phe y Tir, respectivamente.
Por otro lado, el antranilato reacciona con el PRPP para iniciar la síntesis de Trp.
Antranilato + PRPP ⇒ N5-fosforribosil antranilato + PPi
PRPP es una forma activada de ribosa fosfato. Es un intermediario clave en la síntesis de histidina, nucleótidos de purina y nucleótidos de pirimidina.
El residuo de ribosa de fosforribosilantranilato sufre un rearreglo para producir
1-(o-carboxifenilamino)-1-desoxirribulosa 5 fosfato. Este intermediario es deshidratado y descarboxilado a indol-3-glicerol fosfato, el cual reacciona con serina para formar Trp.
(d) ¿Qué grupo prostético se requiere en la síntesis de Trp?
R = Piridoxal fosfato. Este es requerido por la subunidad β2 de la triptofáno sintetasa cuya composición
es α2β2 (forma una base de Schiff).
(e) ¿Cómo se sintetiza el PRPP? Ribosa 5P + ATP ⇔ PRPP + AMP
9. (a) ¿Cuáles son los sustratos en la síntesis de histidina en las bacterias? ATP y PRPP.
(b) ¿Cuántos átomos de carbono de la histidina provienen de PRPP? Cinco.
(c) ¿Quién dona los átomos de nitrógeno del anillo de imidazol de la histidina? R = adenina y glutamina.
(d) ¿Cuál es el producto de la vía de síntesis de histidina involucrado en la síntesis de las purinas? R = 5 amino imidazol-4-carboxamida ribonucleótido.
10. (a) ¿Cómo se regula la biosíntesis de isoleucina?
La enzima que cataliza el primer paso en su síntesis a partir de treonina (treonina desaminasa, una enzima que depende de PLP) cataliza el paso regulatorio de la vía y es inhibida alostéricamente por isoleucina.
(b) Explique los siguientes mecanismos de control por retroalimentación.
b1. control por retroalimentación secuencial. Controla la síntesis de aa aromáticos en Bacillus subtilis. El primer paso divergente en la síntesis de Phe, Tir y Trp es inhibido por los productos finales
(pasos C a D o C a F). Si los tres están presentes en exceso, el corismato y el prefenato se acumulan. Estos intermediarios, a su vez, inhiben el primer paso en común de toda la vía (condensación de PEP y eritrosa 4 P) (Paso A ⇒ B).
b2. multiplicidad de enzimas. El paso A ⇒ B es catalizado por enzimas diferentes. Para bloquear
totalmente la conversión de A ⇒ B se requiere de un aumento en los niveles de Z y Y. En E coli la condensación de PEP y eritrosa 4 es catalizada por tres enzimas diferentes. Una es inhibida por Phe, otra por Tir y la última por Trp. Además, hay dos mutasas que convierten corismato en prefenato, una es inhibida por Phe y la otra por Tir.
b3. control por retroalimentación concertado. El primer paso (A ⇒ B) es inhibido por altos niveles de
Y y Z si están presentes simultáneamente. Un alto nivel de cualquier producto no inhibe este primer paso. Ejemplo. Inhibición de aspartilcinasa bacteriana por treonina y lisina, los productos finales.
b4. control por retroalimentación acumulativa. El primer paso (A ⇒ B) es inhibido parcialmente por
c/u de los productos finales, c/u actúa independientemente de los otros. Si Y disminuye la velocidad a un 60% (de 100 a 60/seg) y Z disminuye en 40% (de 100 a 40/seg). Y + Z disminuye 0.6 x 0.4 = 24/seg.
La glutamina sintetasa de E. coli es un ejemplo de inhibición por retroalimentación acumulativa.
11. ¿De qué aa se derivan los anillos de purinas y pirimidinas, la esfingosina, la histamina, la tiroxina (tetraiodotironina), la epinefrina, la melanina, la serotonina (5 hidroxitriptamina), y el anillo de nicotinamida del NAD+ ?
Anillo de purina: De los 9 átomos del anillo de purinas, 6 provienen de los siguientes aa: De glicina C4, C5, y N7; aspartato N1 y glutamina N3 y N9.
Anillo de pirimidinas: De los 6 átomos del anillo de pirimidinas, 5 provienen de los siguientes aa: N1, C4, C5, y C6 del aspartato y N3 de glutamina (que lo dona al carbamil fosfato el cual se condensa posteriormente con aspartato).
Las poliaminas espermina y espermidina (usadas en el empaquetamiento del ADN) se derivan de metionina y ornitina.
Esfingosina (intermediario en la síntesis de esfingolípidos): De serina.
Histamina (un potente vasodilatador): Por descarboxilación de histidina. La histamina es liberada en grandes cantidades como parte de la respuesta alérgica y estimula la secreción de ácido en el estómago. Se ha diseñado un análogo de la histamina, la cimetidina (también conocido como Tagamet). Esta droga promueve la curación de las úlceras duodenales al inhibir la secreción de ácido en ele estómago.
Dopamina, norepinefrina y epinefrina (catecolaminas y neurotransmisores) de tirosina.
Los niveles de catecolaminas, se correlacionan, entre otras cosas, con cambios en la presión sanguínea en animales. La enfermedad neurológica llamada enfermedad de Parkinson está asociada con una disminución en la producción de dopamina, y ha sido tratada por administración de L-DOPA. Una sobreproducción de dopamina en el cerebro está asociada con desórdenes psicológicos como la esquizofrenia.
Tiroxina (una hormona) y melanina (un pigmento polimérico): de tirosina.
El ácido γ-amino butírico (GABA), un neurotransmisor inhibitorio, de la descarboxilación del glutámico. Su baja producción está asociada con la epilepsia por lo que se usa en su tratamiento.
Serotonina (un neurotransmisor) y el anillo de nicotinamida: de triptofáno. Gln aporta el grupo amida del anillo de nicotinamida.
16. BIOSÍNTESIS DE NUCLEÓTIDOS
1. (a) Señale cinco procesos metabólicos en donde los nucleótidos juegan un papel clave.
a1) Son precursores activados de ADN y ARN;
a2) Los derivados de los nucleótidos son intermediarios activados en la biosíntesis de nuevos compuestos: UDP-glucosa y CDP-diacilglicerol, de glucógeno y fosfoglicéridos, respectivamente. S-adenosilmetionina lleva un grupo metilo.
a3) El ATP es un acarreador universal de energía. El GTP impulsa el movimiento de macromoléculas como la translocación de cadenas de péptidos nacientes sobre los ribosomas y la activación de proteínas acopladas a señales.
a4) Los nucleótidos de adenina son componentes de tres coenzimas muy importantes: NAD+, FAD y coenzima A.
a5) Son reguladores metabólicos. El AMPc es mediador ubicuo de la acción de muchas hormonas. Las modificaciones covalentes, como fosforilación de la glucógeno sintetasa y la adenilación de la sintetasa
de glutamina.
(b) ¿Cuál es la diferencia entre nucleósido y nucleótido?
Nucleósido: base púrica o pirimídica unida a una pentosa. Nucleótidos: éster fosfato de un nucleósido.
(c) ¿Cuál es el origen de c/u de los átomos del anillo de purina? Paso 1. glutamina (grupo amida): N9
Paso 2. glicina: C4, C5 y N7
Paso 3. N10 formil tetrahidrofolato: C8
Paso 4. glutamina (grupo amida):, N3
Paso 5. formación del primer anillo Paso 6. CO2: C6
Paso 7. aspartato: N1
Paso 8. eliminación de fumarato Paso 9. N10 formil tetrahidrofolato C2
Paso 10. formación del segundo anillo
(d) ¿Qué molécula es la donadora de grupos ribosa fosfato en la síntesis de las purina y en que reacción se sintetiza? 5 fosforribosil 1 pirofosfato (PRPP).
Ribosa 5 P + ATP ---> 5 fosforribosil 1 PPi + AMP.
(Catalizado por sintetasa de PRPP o ribosa fosfato pirofosfocinasa)
(e) ¿En que otro proceso metabólico interviene ésta molécula? En la síntesis de triptofáno e histidina.
(f) ¿En que vía metabólica se sintetiza ribosa 5 fosfato? En la vía de las pentosas.
(g) ¿Cuál es la reacción regulada en la síntesis de las purinas y quién cataliza este paso?
La formación de 5 fosforribosilamina a partir de PRPP y glutamina.
PRPP + Gln ⇒ 5 fosforribosil 1 amina + PPi + Glu
(Catalizado por amidofosforribosil transferasa).
2. Describa los 10 pasos en la formación de novo del anillo de purinas hasta la formación de IMP. Primera etapa: Formación de 5-aminoimidazol ribonucleótido a partir de PRPP.
1.1 Desplazamiento de PPi del PRPP por el grupo amino de la cadena lateral de Gln. PRPP + Glutamina (Enz. amido-fosforribosil-transferasa) ⇒ Glu + 5-Fosforribosil-1-amina.
1.2 Adición de Glicina
5 Fosforribosil-amina ⇒ Glicinamida ribonucleótido
1.3 Formilación por N10-formiltetrahidrofolato.
Glicinamida ribonucleótido ⇒ Formilglicinamida ribonucleótido.
1.4 Transferencia de un átomo de nitrógeno de la Gln
Formilglicinamida ribonucleótido ⇒ Formilglicinamidina ribonucleótido
1.5 Deshidratación y formación del anillo
Formilglicinamidina ribonucleótido ⇒ 5 aminoimidazol ribonucleótido.
Las enzimas que catalizan los pasos 2, 3 y 5 están presentes en una sola cadena polipeptídica en los vertebrados.
Segunda etapa: Formación del inosinato a partir de 5-aminoimidazol ribonucleótido
1.6 Carboxilación (CO2).
5-aminoimidazol ribonucleótido ⇒ 5 aminoimidazol-4 carboxilato ribonucleótido.
1.7 Adición de aspartato.
5-aminoimidazol-4 carboxilato ribonucleótido ⇒ 5 aminoimidazol-4-N-succinocarboxamida ribonucleótido
1.8 Eliminación de fumarato (dejando el grupo amino del aspartato)
5-aminoimidazol-4-N-succinocarboxamida ribonucleótido ⇒ 5-aminoimidazol-4-carboxamida
ribonucleótido.
1.9 Formilación por N10-formiltetrahidrofolato.
5-aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido ⇒ 5-Formaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido.
1.10 Deshidratación y formación del anillo.
5-Formaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido ⇒ Inosinato (IMP).
3. Explique cómo se sintetiza el AMP y el GMP a partir de IMP mencionando: (a) ¿Qué sustitución se lleva a cabo en el C-6 del IMP para dar lugar al AMP?
Un grupo amino sustituye al oxígeno del carbonilo de C-6. El donador de este grupo amino es el aspartato (reacción catalizada por adenilosuccinato sintetasa), en una reacción subsecuente se libera fumarato (al igual que en la formación del anillo de purinas y en la formación de arginosuccinato en el ciclo de la urea), intermediario del ciclo de Krebs. La remoción del fumarato de adenilosuccinato y de 5-aminoimadazol-4-N-succinocarboxamida ribonucleótido es catalizada por la misma enzima (adenilosuccinato liasa).
(b) ¿Que compuesto de alta energía se hidroliza para permitir esta reacción?
El GTP es el donador de un enlace fosfato de alta energía en la síntesis de adenilosuccinato (intermediario formado a partir de inosinato y aspartato.
IMP + aspartato + GTP à adenilosuccinato + GDP + Pi (adenilosuccinato sintetasa) adenilosuccinato à adenilato (AMP) + fumarato (adenilosuccinato liasa)
(c) ¿Qué intermediario se forma en la síntesis de GMP, quién es el aceptor de hidrógenos en esta oxidación, el donador del grupo amino y qué compuesto de alta energía se hidroliza?
En intermediario que se forma es xantilato que se produce por la oxidación del seguido de la inserción del grupo amino en C-2. El NAD+ es el aceptor de hidrógenos en esta oxidación. El grupo amino en la cadena lateral de glutamina es transferido a xantilato. Dos enlaces de alta energía se consumen en esta reacción, debido a que el ATP se rompe en AMP y PPi.
IMP + H2O + NAD+ à xantilato (XMP) + NADH + H+ (IMP deshidrogenasa)
XMP + Gln + ATP à GMP + Glu +AMP + PPi (XMP-glutamina amidotransferasa)
(d) ¿En qué reacciones bioquímicas se lleva a cabo el reemplazamiento de un átomo de oxígeno del carbonilo por un grupo amino?
En la conversión de inosinato en adenilato (C-6) y guanilato (C-2), un átomo de oxígeno del carbonilo es reemplazado por un grupo amino. Un cambio similar ocurre en la síntesis de formilglicinamida ribonucleótido a partir de su precursor amida, en la formación de CTP a partir de UTP (síntesis de pirimidinas) y en la conversión de citrulina a arginina (vía arginosuccinato) en el ciclo de la urea. El tema mecanístico común de estas reacciones es la conversión del oxígeno del carbonilo en un derivado que puede ser rápidamente desplazado por un grupo amino.
4. (a) ¿De dónde se originan las bases púricas libres?
De la degradación hidrolítica de los ácidos nucleicos y nucleótidos.
(b) ¿Cuál es el propósito de las vías de salvamento (reutilización) de las purinas?
Reutilizar las bases púricas libres para sintetizar los nucleótidos de purinas por medio de esta vía que es mucho mas simple que las reacciones de la vía de síntesis de novo. En estas vía de salvamento, el residuo de ribosa fosfato del PRPP es transferido a la purina para formar el correspondiente nucleótido, con la liberación simultánea de PPi.
(c) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas adenina fosforribosiltransferasa e hipoxantina guanina fosforribosil transferasa (enzimas que catalizan reacciones de la vía de salvamento?
Adenina + PRPP ⇒ Adenilato + PPi (AFRT) Hipoxantina + PRPP ⇒ Inosinato + PPi (HGFRT) Guanina + PRPP ⇒ Guanilato + PPi (HGFRT)
(d) OPCIONAL ¿Qué ejemplo de uso eficiente y versátil del anillo de purinas nos proporciona la biosíntesis de histidina?
La porción de seis miembros del anillo de purinas del ATP contribuye, en parte, al anillo del imidazol de histidina. El resto del esqueleto de purina no se descarta, sino que se conserva en el compuesto 5-aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido, un intermediario en la síntesis de novo de las purinas.
5. Explique cómo se regula la síntesis de los nucleótidos de purina mencionando los inhibidores de
(a) las enzimas 5 fosforribosil 1 pirofosfato sintetasa (ribosa fosfato pirofosfocinasa) y glutamina PRPP amidotransferasa. La síntesis de los nucleótidos de purina está controlada por retroinhibición en varios sitios. La 5-fosforribosil-1-pirofosfato sintetasa es inhibida por AMP, GMP e IMP. El paso regulado en la síntesis de los nucleótidos de purina es la conversión de PRPP en fosforribosilamina (por la transferencia de la cadena lateral del grupo amino de la Gln). La Gln PRPP amidotransferasa es inhibida por retroalimentación por muchos ribonucleótidos de purina. Sobresale el hecho de que el AMP y el GMP, los productos finales de la vía, están inhibiendo sinergísticamente la enzima.
(b) la conversión de IMP a adenilosuccinato (adenilosuccinato sintetasa) y de inosinato (IMP) a xantilato (IMP deshidrogenasa).
Inosinato es el punto de ramificación en la síntesis de AMP y GMP. El AMP inhibe la conversión de inosinato en adenilosuccinato, su precursor inmediato. De igual manera, el GMP inhibe la conversión de inosinato a xantilato, su precursor inmediato. El GTP es un sustrato en la síntesis de AMP, mientras que el ATP es un sustrato en la síntesis de GMP. Esta relación recíproca de sustratos tiende a balancear la síntesis de ribonucleótidos de adenina y de guanina.
6. (a) ¿Cuál es el origen de los átomos del anillo de pirimidinas?
N1, C4, C5 y C6 provienen de aspartato y C2 y N3 de carbamilfosfato.
(b) Contraste el orden en el que se ensambla el anillo de purinas (síntesis de novo) con la ribosa 5 fosfato con el orden en el que se ensambla el anillo de pirimidinas con ribosa 5 fosfato.
El anillo de pirimidina se ensambla primero y entonces se une a ribosa fosfato, en contraste con la síntesis de novo de los nucleótidos de purina, en donde el anillo se va ensamblando estando presente la ribosa 5 fosfato.
(c) ¿Cómo se inicia la síntesis del anillo de pirimidinas? Con la formación del carbamilfosfato.
(d) ¿En que otra vía metabólica participa el carbamil fosfato y cuáles son las diferencias en la síntesis de este compuesto en ambas vías?
En la síntesis de urea. El carbamil fosfato usado en la síntesis de pirimidinas se forma en el citosol, mientras que el usado para hacer urea se forma en la mitocondria por una carbamilfosfato sintetasa diferente. Otra diferencia notable es que el donador de nitrógeno es glutamina y no NH4+. Además, el N-acetilglutamato NO es un activador alostérico en la síntesis citosólica.
Glutamina + 2 ATP + HCO3- ⇒ Carbamilfosfato + 2 ADP + Pi + glutamato.
(e) ¿Cuál es el paso limitante en la síntesis del anillo de pirimidinas y qué enzima lo cataliza?
Es la formación de N-carbamilaspartato a partir de aspartato y carbamilfosfato, reacción catalizada por aspartato transcarbamilasa.
carbamilafosfato + aspartato ⇒ N-carbamilaspartato + Pi
(f) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas dihidroorotasa y dihidrootato deshidrogenasa?
N-carbamilaspartato ⇔ H2O + Dihidroorotato + NAD+⇔ Orotato + NADH + H+
(g) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas orotato fosforribosil transferasa y oroditilato descarboxilasa?
Orotato + PRPP ⇒ Orotidilato + PPi + H+-⇒ Uridilato (UMP) + CO 2
7. (a) Describa la organización de las enzimas involucradas en la síntesis de pirimidinas en los organismos superiores.
Cinco de las seis enzimas están agrupadas en dos complejos: Uno de ellos (CAD) está formado por carbamilfosfato sintetasa, aspartato transcarbamilasa y dihidroorotasa unidos en una sola cadena polipeptídica de 240 kd. El otro complejo está formado por orotato-fosforribosil-transferasa y orotilidato
(b) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas nucleósido monofosfato cinasa (e.g. UMP cinasa), adenilato cinasa y nucleósido difosfocinasa?
nucleósido monofosfato cinasa UMP + ATP ⇔ UDP + ADP adenilato cinasa interconvierte AMP, ADP y ATP. AMP + ATP ⇒ 2 ADP
nucleósido difosfocinasa XDP + YTP ⇔ XTP + YDP. P.e. UDP + ATP ⇔ UTP + ADP
(c) ¿Que enzima cataliza la síntesis de CTP, a partir de UTP y quién es el donador de grupos amino en mamíferos y en bacterias?
La citidilato sintetasa. La glutamina es el donador de grupos amino en mamíferos y el NH4+ lo es en bacterias.
UTP + Gln + ATP + H2O à CTP + ADP + Pi + 2H+
(d) ¿Cómo se regula la síntesis de pirimidinas en las bacterias?
En E. coli, el paso limitante en la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina es la formación de N-carbamilaspartato a partir de aspartato y carbamilfosfato. La aspartato transcarbamilasa, la enzima que cataliza esta reacción, es inhibida por retroalimentación por CTP, el producto final de la vía. La carbamilfosfato sintetasa II es inhibida por retroalimentación por UMP.
8. (a) ¿Cuál es el sustrato en la síntesis de los desoxirribonucleósidos difosfato, quién proporciona los equivalentes reductores para esta reacción y en qué carbón se produce?
Los desoxirribonucleótidos (precursores de la síntesis de ADN) se forman por la reducción de ribonucleótidos. El radical hidroxilo 2’ del residuo de ribosa es reemplazado por un átomo de hidrógeno. En E. coli y en mamíferos, los sustratos en esta reacción son los ribonucleótidos difosfatos. La estequiometría global de la reacción es:
Ribonucleótido difosfato + NADPH + H+ ⇒ Desoxirribonucleósido difosfato + NADPH + H+ + H 2O
(b) ¿Cómo son transferidos los equivalentes reductores del NADPH a los ribonucleótidos para formar los desoxirribonucleótidos? Señale el papel de tiorredoxina reductasa, tiorredoxina, glutarredoxina reductasa, glutarredoxina y ribonucleótido reductasa.
El mecanismo de reacción anterior es mas complejo que el implicado en esta ecuación. En E. coli, los electrones del NADPH son transferidos al sustrato a través de una serie de grupos sulfhidrilo. La ribonucleótido reductasa cataliza la etapa final, que tiene la estequiometría.
Ribonucleótido difosfato + R-(2) SH ⇒ Desoxirribonucleósido difosfato + R-S-S- + H2O
Los electrones son transferidos del NADPH a los grupos sulfhidrilo son acarreados de la siguiente
manera: Un acarreador del poder reductor es tioredoxina, una proteína de 12 kd con dos residuos de cisteína expuestos cerca uno del otro. Los grupos sulfhidrilo son oxidados a un disulfuro en la reacción catalizada por ribonucleótido reductasa. A su vez, la tioredoxina reducida es regenerada por el flujo de electrones de NADPH. Esta reacción es catalizada por tioredoxina reductasa, una flavoproteína. Los electrones fluyen del NADPH al FAD de la reductasa y entonces al disulfuro de la tioredoxina oxidada.
La tioredoxina es un donador de electrones no solo en la reducción de ribonucleótidos. Esta proteína
juega un papel importante en el control de las reacciones oscuras de la fotosíntesis. En los cloroplastos, la tioredoxina oxidada es reducida por ferredoxina. La tioredoxina regula la actividad de enzimas en muchas clases de células reduciendo enlaces disulfuro.
La tioredoxina no es el único acarreador de poder reductor a la ribonucleótido reductasa. Se encontró
desoxirribonucleótidos. Esta observación condujo al aislamiento de un segundo sistema acarreador, el cual resultó ser el tripéptido glutatión.
La glutatión reductasa cataliza la reducción del glutatión oxidado (forma disulfuro) por NADPH. Una
flavina participa en esta reacción redox, como en la catalizada por la tioredoxina reductasa. La
glutaredoxina, transfiere el poder reductor de glutatión a ribonucleótido reductasa, La glutaredoxina y
tioredoxina son proteínas homólogas.
La ribonucleótido reductasa consiste de dos subunidades: B1 (un dímero de 172 kd) y B2 (un dímero de 87 kd).
9. (a) ¿Cuál es la reacción catalizada por la timidilato sintetasa y cuál es el papel del N5, N10 metilén tetrahidrofolato en esta reacción?
El uracilo no es un componente del ADN. En lugar de uracilo, el ADN contiene timina, el análogo metilado de uracilo. La formación de timina ocurre al nivel de desoxirribonucleósido fosfato: (desoxiuridilato, dUMP, es metilado a desoxitimidilato, dTMP, por timidilato sintetasa). El donador de metilos en esta reacción es N5,N10-metilén tetrahidrofolato y no S-adenosilmetionina.
El grupo metilo insertado en el desoxiuridilato está mas reducido que el grupo metileno en el derivado de tetrahidrofolato. Los dos electrones para realizar esta reducción proviene del residuo de tetrahidrofolato mismo en la forma de un ion hidruro que es removido del anillo. Este hidrógeno llega a ser parte del grupo metilo de dTMP. En esta reacción el tetrahidrofolato es oxidado a dihidrofolato.
De esta manera, el N5,N10 metilén tetrahidrofolato sirve tanto como un donador de electrones y de una
unidad de carbono.
(b) ¿Qué papel juega la enzima dihidrofolato reductasa en la conversión de dUMP a dTMP
El N5,N10 metilén tetrahidrofolato debe regenerarse a expensas dihidrofolato para volver a ser donador de grupos metilo. Esta reacción de regeneración es realizada por la enzima dihidrofolato reductasa usando NADPH como agente reductor.
dihidrofolato + NADPH + H+ ⇒ tetrahidrofolato + NADP+
(c) ¿Qué reacciones son inhibidas y cuál es el mecanismo de acción e importancia clínica de (c1) fluorouracilo, (c2) aminopterina y (c3) metotrexate?
(c1) El fluorouracilo (o fluorodesoxiuridina), una droga anticáncer usada clínicamente, es convertida
in vivo en flurodesoxiuridilato (F-dUMP). Este análogo de dUMP inhibe irreversiblemente a la timidilato
sintetasa después de actuar como un sustrato normal a través de parte del ciclo catalítico. Primero un grupo sulfhidrilo de la enzima se une covalentemente al C-6 del F-dUMP.
Entonces el metiléntetrahidrofolato se une a C-5 de este intermediario. En el caso de dUMP, un ion hidruro del folato se desplaza al grupo metilén, y se elimina un protón del C-5 del nucleótido. Sin embargo, el F+ no puede sustraerse del F-dUMP, por la enzima y así se bloquea la catálisis en la etapa del complejo
formado por F-dUMP, metiléntetrahidrofolato y el grupo sulfhidrilo de la enzima.
c2 y c3. La síntesis de dTMP también se puede bloquear inhibiendo la regeneración del tetrahidrofolato. Los análogos del dihidrofolato como aminopterina y metotrexate (ametopterina) son inhibidores competitivos potentes de la enzima dihidrofolato reductasa. El metotrexate es una droga útil en el tratamiento de muchos tumores que crecen rápidamente, como la leucemia aguda y el coriocarcinoma. Sin embargo, el metotrexate es muy tóxico ya que mata a las células que se replican rápidamente si son malignas o no. Las células germinales de la médula ósea, las células epiteliales del tracto gastrointestinal y de los folículos del pelo son vulnerables a la acción de este antagonista de folatos, lo que explica muchos de sus efectos tóxicos colaterales.
Por qué el fluorouracilo en sí no es un inhibidor, la vía del salvamento de las purinas lo convierte en F-dUMP, el cual se une a la enzima y esta forma un complejo junto con THF en donde se bloquea la catálisis.
10. Explique cómo se sintetizan el NAD+, el FAD y la coenzima A mencionando
(a) ¿Cuál es la primera reacción en la síntesis de NAD+?
La formación de nicotinato ribonucleótido a partir de nicotinato y PRPP.
(b) ¿De dónde se deriva el nicotinato o niacina? Del triptofáno.
(c) ¿Cómo se produce y cuáles son las características de la pelagra?
Una deficiencia dietaria de triptófano y nicotinato puede conducir a pelagra, una enfermedad caracterizada por dermatitis, diarrea y demencia. Un tumor endocrino que consume grandes cantidades de triptofáno en sintetizar serotonina (5-OH triptamina), una hormona y neurotransmisor, produce síntomas parecidos a pelagra.
(d) ¿Quiénes donan el residuo AMP y el residuo amino del NAD+?
Un residuo de AMP es transferido del ATP al nicotinato ribonucleótido para formar desamido-NAD+. El
paso final es la transferencia de un grupo amida de glutamina al grupo carboxilo para formar NAD+.
(e) ¿Cuál es la primera reacción en la síntesis de FAD y de dónde proviene el residuo de AMP en la segunda reacción?
El FAD es sintetizado a partir de riboflavina y 2 moléculas de ATP. La riboflavina es fosforilada por ATP para dar riboflavina 5’-fosfato (también llamado FMN). El FAD es entonces formado por la transferencia de un residuo de AMP de una segunda molécula de ATP a riboflavina 5’-fosfato.
Riboflavina + ATP ⇒ riboflavina 5’-fosfato + ADP Riboflavina 5’-fosfato + ATP ⇒ FAD + PPi
(f) ¿Cómo se inicia la síntesis de coenzima A y de dónde proviene el grupo SH y el residuo de AMP de esta coenzima?
Con la fosforilación de pantotenato para producir 4’ fosfopantotenato. El pantotenato se requiere en la dieta de los animales, mientras que es sintetizado por plantas y microorganismos. En segundo lugar, se adiciona un residuo de cisteína, reacción impulsada por la hidrólisis del ATP, al extremo carboxilo de 4’ fosfopantotenato para formar 4’ fosfopantotenil cisteína, el cual se descarboxila para formar 4’-fosfopanteteína.
En seguida se transfiere un residuo de AMP proveniente del ATP para formar defosfocoencima A. Finalmente, la fosforilación de su grupo OH 3’ a expensas del ATP produce coenzima A. La cisteína es la que aporta el grupo SH de la molécula de coenzima A.
11.(a) ¿Cuáles son las enzimas involucradas en la degradación de las purinas? Señale los intermediarios en esta vía de degradación.
Los nucleótidos son degradados hidrolíticamente a nucleósidos por nucleotidasas (5’ nucleotidasa) (AMP a adenosina). La nucleósido fosforilasa cataliza la ruptura fosforolítica de nucleósidos a bases libres y ribosa 5-fosfato (o desoxirribosa 1-fosfato) (inosina a hipoxantina). La fosforribomutasa isomeriza la ribosa 1-fosfato a ribosa 5-fosfato, un sustrato de la síntesis de PRPP. Algunas de las bases
son reutilizadas para formar nucleótidos por la vía de salvamento. La vía de degradación de AMP incluye
un paso adicional.
El AMP se desamina a IMP por adenilato desaminasa. El grupo 5’-fosfato del IMP se hidroliza y el enlace glicosídico se rompe por Pi para producir la base libre hipoxantina.
La xantina oxidasa, una flavoproteína que contiene molibdeno y hierro, oxida la hipoxantina a xantina y entonces a urato. El oxígeno molecular, el oxidante en ambas reacciones, es reducido a H2O2,
que se descompone en agua y oxígeno por acción de la catalasa. La xantina es también un intermediario en la formación de urato de guanina. El humanos, el urato es el producto final de la degradación de purinas y es excretado en la orina.
AMPàadenosina+Pi àInosina+NH3 àhipoxantina+ribosa à xantina+H2O2à ácido úrico + H2O2
GMP à guanosina + Pi àguanina + ribosa à xantina à ácido úrico.
(b) ¿En qué especies el producto final del catabolismo de las purinas es alantoína y en que especies es urea?
El rompimiento de las purinas no se detiene en ácido úrico en algunas especies. A diferencia de los primates, pájaros, reptiles e insectos que excretan ácido úrico como producto terminal del catabolismo de las purinas,
los mamíferos no primates excretan alantoína, que se forma por oxidación de urato (reacción catalizada por urato oxidasa).
Los peces teleostos excretan alantoato, que se forma por hidratación de alantoína (catalizado por
alantoinasa).
La degradación continúa en anfibios y la mayoría de los peces en donde el alantoato es hidrolizado a dos moléculas de urea y una de glioxilato (reacción catalizada por alantoicasa).
Finalmente, algunos invertebrados marinos hidrolizan la urea en amonio y bióxido de carbono (reacción catalizada por ureasa).
12.Explique la vía de degradación de las pirimidinas.
La timina es degradada a β-aminoisobutirato, por tres reacciones consecutivas catalizadas por 1. dihidrouracilo deshidrogenasa, 2. dihidropirimidinasa y 3. β-ureidopropionasa.
Timina -1à dihidrotimina -2àβ-ureidoisobutirato -3à β-aminoisobutirato à (aminotransferasa) à metilmalonilsamiladehído à metilmalonilCoA.
El β-aminoisobutirato es metabolizado como si fuera un aa. El grupo amino es removido por transaminación con α-CG para producir metilmalonato semiladehído, el cual se convierte en metilmalonil CoA.
La conversión de este compuesto a succinil CoA (intermediario del ciclo de Krebs) ya se ha discutido en la degradación de aa de cadena ramificada y en la degradación de ácidos grasos de cadena impar. El átomo de nitrógeno de timina es excretado en forma de urea, ya que el otro producto de la transaminación, el glutamato, cede su grupo amino, en la reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa, en forma de amonio, el cual se utiliza para formar carbamil fosfato, precursor de la urea.
13.(a) ¿Cómo puede contribuir al desarrollo de la enfermedad llamada gota, la deficiencia de la enzima hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa?
La gota es una enfermedad que afecta las articulaciones y los riñones. La característica principal de la gota es un elevado nivel de urato en el suero. Parece que la gota es una expresión de una variedad de errores innatos del metabolismo que se caracterizan por la producción excesiva de urato. Algunos pacientes con ésta anormalidad tienen una deficiencia parcial de hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa (HGPRT), la enzima que cataliza la síntesis por salvamento de IMP y GMP. La deficiencia de HGPRT conduce a una disminución en la síntesis de GMP e IMP por la vía del salvamento y a un aumento en el nivel de PRPP.
Hay una marcada aceleración de la biosíntesis de purinas por la vía de novo. Unos pocos pacientes con gota tienen unos niveles anormalmente altos de fosforribosilpirofosfato sintetasa activa. El control alostérico de la sintetasa está deteriorado en estos pacientes. Esto resulta en una excesiva producción de PRPP, lo cual a su vez acelera la velocidad de síntesis de novo de las purinas.
(b) ¿Cuáles son los efectos metabólicos de la administración de alopurinol?
El alopurinol, usado en el tratamiento de la gota, es un análogo de hipoxantina en el cual los átomos de N y C en las posiciones 7 y 8 están intercambiados. El mecanismo de acción es el siguiente: actúa primero como un sustrato y después como un inhibidor de la xantina oxidasa.
Esta enzima hidroxila alopurinol a aloxantina, que permanece fuertemente unido al sitio activo. El átomo de Mo de la xantina oxidasa es mantenido en el estado de oxidación +4 por la unión de la aloxantina en lugar de retornar al estado de oxidación +6 como sucede en un ciclo catalítico normal. Este es otro ejemplo de inhibición suicida.
Por lo tanto, la síntesis de urato, a partir de hipoxantina y xantina, disminuye muy pronto después de la administración de alopurinol.
La concentración sérica de xantina e hipoxantina aumenta después de la administración de alopurinol, mientras que la del urato disminuye. La formación de piedras (cálculos) de ácido úrico se abate totalmente por el alopurinol y hay una mejoría en la artritis. También hay una disminución en la velocidad total de síntesis de purinas.
También, la velocidad de síntesis de purinas disminuye debido a que el alopurinol secuestra al PRPP al reaccionar con este y formar el ribonucleótido correspondiente (alopurinol ribonucleótido).
Por lo tanto, el nivel de PRPP, el sustrato limitante en la síntesis de novo de las purinas está disminuido. Además el alopurinol ribonucleótido inhibe la conversión de PRPP en fosforribosilamina (reacción catalizada por amidofosforribosiltransferasa).
(c) ¿Cuáles son las consecuencias de la ausencia casi total de la enzima hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa?
Son devastadoras. La expresión mas sorprendente de este error innato del metabolismo es el síndrome de Lesch-Nyhan que se caracteriza por una conducta compulsiva y autodestructiva. A la edad de dos o tres, los niños con esta enfermedad empiezan a morderse los dedos y los labios.
La tendencia a la automutilación es tan extrema que es necesario protegerlos con medidas tales como la envoltura de sus manos con gasa. También tienden a ser agresivos contra otros.
La deficiencia mental y la espasticidad son otras características de este síndrome. Los niveles elevados de urato en el suero conducen a la formación de cálculos en las etapas tempranas de la vida, seguido por los síntomas de la gota años mas tarde.
Las consecuencias bioquímicas de la ausencia virtual de HGPRT son una sobreproducción de urato y una elevada concentración de PRPP. También se presenta un marcado aumento de la síntesis de
novo de purinas.
La relación ente la ausencia de la transferasa y los signos neurológicos antes descritos son un enigma. Es posible que el cerebro sea muy dependiente de la vía de salvamento para la síntesis de IMP y GMP.
Los niveles normales de HGPRT son mayores en cerebro que en cualquier otro tejido. Por el contrario, la actividad de la amidotransferasa, que cataliza el paso regulado en la vía de novo, es mas bien baja en el cerebro. El alopurinol disminuye la síntesis de urato en el síndrome de Lesch-Nyhan. Sin embargo, no afecta la velocidad de síntesis de novo de purinas, y NO alivia la expresión neurológica de la enfermedad.
Los pacientes con el síndrome de Lesch-Nyhan no convierten el alopurinol en el ribonucleótido debido a que carecen de HGPRT. De aquí que la administración de alopurinol no disminuye el nivel de PRPP en los individuos y así la síntesis de purinas no disminuye.
17. INTEGRACIÓN DEL METABOLISMO
1. Describa cinco estrategias importantes del metabolismo (la estrategia básica del metabolismo es formar ATP, poder reductor y bloques para biosíntesis) señalando:
(a) La formación y función del ATP y del NADPH:
El ATP es el acarreador universal de energía.
El alto potencial de transferencia de fosforilo del ATP, lo capacita para servir como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y biosíntesis. La hidrólisis de una molécula de ATP cambia el cociente de equilibrio de los productos a los reactivos en las reacciones acopladas por un factor de 108. Por lo tanto, la secuencia de reacciones desfavorables termodinámicamente, pueden hacerse altamente favorables, al acoplarlas a la hidrólisis de un número suficiente de moléculas de ATP.
Por ejemplo, se consumen 3 moléculas de ATP en la conversión de mevalonato en isopentenil pirofosfato, la unidad activada de 5 carbonos en la síntesis del colesterol.
El ATP se genera por la oxidación de moléculas de combustible tales como glucosa, ácidos grasos y
aminoácidos.
El intermediario común en la mayoría de estas oxidaciones es acetil CoA. Los carbonos de la unidad acetilo son oxidados completamente a CO2 con la concomitante producción de NADH y FADH2.
Estos acarreadores de electrones transfieren sus electrones a la cadena respiratoria hasta que llegan al O2 (aceptor de los electrones al final de la cadena respiratoria); simultáneamente los protones son
bombeados fuera de la membrana interna mitocondrial (lugar de la cadena de transporte de electrones) para la formación del gradiente de protones. El ATP se sintetiza cuando los protones regresan a la matriz mitocondrial.
La cantidad de ATP en la glicólisis anaeróbica en comparación con la glicólisis aeróbica que incluye la fosforilación oxidativa (es mucho mayor en la glicólisis aeróbica en donde se sintetizan 36 o 38 moléculas de ATP en comparación con las 2 que se sintetizan en la glicólisis anaeróbica). Ventaja de la glicólisis anaeróbica (la glicólisis puede llevarse a cabo por un corto tiempo bajo condiciones anaeróbicas, en contraste con la fosforilación oxidativa, que requiere un aporte continuo de O2).
El NADPH es el principal donador de electrones en la biosíntesis reductora. En la mayoría de las rutas biosintéticas, el producto es mas reducido que sus precursores, y se requiere, además de ATP, poder reductor.
La molécula que proporciona los electrones de alto potencial es generalmente el NADPH. Ejemplos: biosíntesis de ácidos grasos, el grupo ceto se reduce a grupo metileno. La activación de O2
por las oxigenasas de función mixta en las reacciones de hidroxilación ilustra el papel del NADPH como reductor. La vía de las pentosas proporciona mucho del NADPH requerido. Este reductor también se forma por el transporte mitocondrial citrato-piruvato y la enzima málica (citosol).
(b) La biosíntesis de macromoléculas. Las muy diversas moléculas requeridas para la vida se sintetizan a partir de un pequeño conjunto de bloques constructores.
Las vías que generan ATP y NADPH también proporcionan materia prima para la biosíntesis de moléculas mas complejas. E. g. Dihidroxiacetona fosfato formado en la glicólisis produce glicerol para fosfatidilcolina y otros fosfoglicéridos. El fosfoenolpiruvato, otro intermediario de la glicólisis, proporciona parte de los átomos de carbono de los aa aromáticos.
Acetil CoA à ácidos grasos Succinil CoA à porfirinas
Se requiere unidades de 1 carbono a varias etapas de oxidación. El tetrahidrofolato es una fuente de estas unidades en varias estados de oxidación.
La formación de estos derivados, y de S-adenosilmetionina, el principal donador de grupos metilo, está estrechamente relacionado con el metabolismo de aminoácidos. Las vías metabólicas centrales tienen
papeles catabólicos como anabólicos.
(c) La comparación entre las vías de degradación y de síntesis.
La síntesis y degradación de glucógeno y de ácidos grasos se llevan a cabo por vías distintas. Ventajas: son termodinámicamente favorables todo el tiempo. Una vía biosintética se hace exergónica acoplándole la hidrólisis de un número suficiente de moléculas de ATP.
Por ejemplo se gastan 4 enlaces de alta energía mas en la conversión de piruvato a glucosa que de glucosa a piruvato. Los cuatro moléculas de ATP adicionales, aseguran que la gluconeogénesis, al igual que la glicólisis, sea altamente exergónica todo el tiempo.
El punto central es que las vías metabólicas son gobernadas por las actividades de enzimas claves y no por la acción de masas. La separación de las vías biosintéticas y degradativas contribuye grandemente a la efectividad del control metabólico.
2. Señale las principales formas de regulación metabólica incluyendo
(a) interacciones alostéricas. El flujo de moléculas en la mayoría de las vías metabólicas está
determinado principalmente por la cantidad y actividad de ciertas enzimas en vez que por la cantidad de sustrato disponible. Las reacciones esencialmente irreversibles son sitios potenciales de control. La
primera reacción irreversible en una vía (el paso comprometido) es, comúnmente, un elemento de control importante.
Las enzimas que catalizan los pasos comprometidos son reguladas alostéricamente, por ejemplo la fosfofructocinasa-1 en la glicólisis y la acetil CoA carboxilasa en la síntesis de ácidos grasos. Las reacciones subsecuentes en una vía también pueden estar controladas. Las interacciones alostéricas capacitan a tales enzimas para detectar diversas señales y para integrar la información.
(b) modificaciones covalentes. Algunas enzimas regulatorias están controladas, además de las
interacciones alostéricas, por modificaciones covalentes. Por ejemplo, la actividad catalítica de la
glucógeno fosforilasa aumenta con la fosforilación, mientras que la de la glucógeno sintetasa
disminuye.
Estas modificaciones covalentes están catalizadas por enzimas específicas. Otro ejemplo es glutamina sintetasa, la cual es menos activa por la inserción covalente de una unidad de AMP. Nuevamente, la adición y remoción de este grupo modificador es catalizada por enzimas específicas. ¿Por qué la modificación covalente se usa además del control alostérico no covalente? Las modificaciones covalentes de enzimas clave en el metabolismo son la etapa final de las cascadas de amplificación. Consecuentemente las vías metabólicas pueden activarse o desactivarse por pequeñas señales disparadoras, como se muestra por la acción de epinefrina cuando estimula la degradación de glucógeno.
También las modificaciones covalentes usualmente duran mas tiempo (segundos a minutos) que las interacciones alostéricas reversibles (milisegundos a segundos).
(c) niveles de enzimas. Las velocidades de síntesis y degradación de algunas enzimas regulatorias está sujeta a factores hormonales. Agregar ejemplos específicos.
(d) compartamentalización y especialización metabólica de los órganos. Los patrones metabólicos de las células eucariontes están marcadamente afectado por la presencia de compartimientos. Procesos en
