XVI. Biosíntesis de aminoácidos
Introducción
Las reacciones metabólicas que conducen a la biosíntesis de los 20 aminoácidos naturales en diferentes organismos se encuentran esquematizadas en la siguiente figura. Todas las reacciones de biosíntesis de aminoácidos comienzan en un intermediario de las rutas centrales del metabolismo de los hidratos de carbono. Esto permite dividir a las rutas de biosíntesis de aminoácidos en 6 grupos o familias. Las rutas centrales mencionadas (se incluyen la glucólisis/gluconeogénesis, la ruta de las pentosas fosfato y el ciclo de Krebs), y los intermediarios importantes dentro de ellas se muestran de negro en el mismo esquema. co2 co2 Eritrosa-4-fosfato Xilulosa-5-fosfato Fructosa-6-fosfato 3-fosfo-Glicerato Fosfoenolpiruvato Piruvato Gliceraldehido-3-fosfato Fosfo-ribosil pirofosfato Histidina 10 Ribosa-5-fosfato Serina Glicina Leucina Cisteína Corismato Triptofano Prefenato Fenilalanina Tirosina Alanina Oxalacetato α-Cetoglutarato Succinil-CoA Acetil-CoA α-Cetoisovalerato Valina Isoleucina Metionina Treonina Asparagina Aspartato Homoserina β-Semialdehido Aspártico Diaminopimelato Lisina Lisina Glutamato Glutamina Ornitina Prolina Arginina 7 2 2 1 5 3 1 2 4 3 (en fungi) 9 3 5 3 2 1 6 1 4 2 4 1
Cada una de las flechas dentro de la ruta central indican una reacción bioquímica. Están diferenciadas las reacciones reversibles de las que no lo son. Además, se muestran en el ciclo de Krebs las dos etapas donde se libera el CO2.
Cada familia de aminoácidos está representada por un color diferente, y los 20 aminoácidos se encuentran recuadrados en un color del mismo tono.
Dentro de cada familia también se señalan las reacciones reversibles y las irreversibles. Aquí, cada par de flechas indicando reacciones reversibles implica una única reacción metabólica, el resto de las flechas está acompañada por un número, que indica la cantidad de etapas que existen entre los dos intermediarios unidos por la flecha. Desde el piruvato, salen además, dos flechas punteadas. Estas flechas indican que parte del esqueleto carbonado (pero no la mayoría) de la isoleucina y del diaminopimelato, contienen átomos de carbono correspondientes al piruvato. Se puede notar que la lisina es el único de los 20 aminoácidos naturales que posee dos rutas totalmente diferentes. En bacterias y plantas, la lisina pertenece a la familia del Aspartato, mientras que en hongos a la del α-cetoglutarato.
El estudio preciso de cada una de las rutas puede parecer de una gran complejidad. Sin embargo, veremos que existen una serie de reglas comunes que facilitan el estudio de estas rutas. En todo caso no seremos aquí tan rigurosos con todos los intermediarios puestos en juego y si en cambio enfocaremos el estudio hacia la comprensión de esas reglas que nos permitan reconocer la lógica de una determinada ruta de síntesis. Veremos, entonces, un conjunto de ejemplos de rutas metabólicas que intentaremos aprender con todos los detalles pero buscando siempre cuales son las estrategias metabólicas importantes dentro de ellas.
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44++. Todos los aminoácidos naturales comparten la presencia de un grupo amino unido al carbono α como punto en común. Este nitrógeno es incorporado al esqueleto carbonado que luego dará lugar al aminoácido por medio de reacciones de aminación directa o por reacciones de transaminación. En estas últimas el dador de grupos aminos es otro aminoácido, mientras que en las primeras el nitrógeno que se incorpora corresponde al NH4+ inorgánico. Como vimos anteriormente, este NH4+, es producido por las reacciones de fijación biológica de nitrógeno. Hay al menos dos mecanismos de incorporación del NH4+ inorgánico dentro de la materia orgánica. Ambos mecanismos implican reacciones donde una de las moléculas involucradas es el aminoácido glutamato.La ruta más simple para la incorporación del grupo amino en un esqueleto carbonado, tal como ocurre en la mayoría de las bacterias cuando crecen en un medio conteniendo altas concentraciones de NH4+, implica la aminación reductiva del intermediario del ciclo de Krebs, α-cetoglutarato, para formar glutamato. Esta ruta puede usar NADH o NADPH como coenzimas en diferentes organismos.
La enzima que interviene es la glutamato deshidrogenasa, que cataliza la reacción en los dos sentidos. Por ello, esta reacción no se utiliza necesariamente en el sentido biosintético tal cual como esta escrito más abajo. De hecho, como dijimos en el párrafo anterior, en las bacterias sólo se utiliza en el sentido de incorporación del NH4+ cuando la concentración de éste en el medio es lo suficientemente alta.
Otros organismos, rara vez se encuentran en presencia de altas concentraciones de NH4+ en su medio externo. Por ello, las plantas, muchas bacterias y los hongos, a pesar de poseer esta enzima en sus células, sólo la utilizan en el sentido contrario a la reacción mostrada, o sea en el proceso de una ruta degradativa, de eliminación de nitrógeno orgánico.
En realidad la ruta por medio de la cual el NH4+ se incorpora a los esqueletos
orgánicos comienza con en la reacción catalizada por la glutamina sintasa. Mediante
esta reacción, el NH4+ es incorporado sobre una molécula de glutamato para rendir
glutamina, con el gasto de una molécula de ATP. En la etapa siguiente la glutamina transfiere el grupo NH3 recién incorporado a una molécula de α-cetoglutarato. Por
medio de esta reacción, catalizada por la glutamato sintasa, tanto la glutamina como el α-cetoglutarato se convierten en glutamato. La suma de las dos reacciones mostradas es prácticamente la misma que la reacción de la glutamato deshidrogenasa, con la única diferencia del gasto de un ATP asociado al proceso que estamos analizando. Aparentemente este gasto le permite a la célula captar el NH4+ mucho más eficientemente y aún a concentraciones muy bajas.
La reacción catalizada por la glutamina sintetasa es bastante compleja e implica dos o más etapas intermedias. Se ha observado que el γ-glutamil-fosfato es un intermediario ligado al enzima:
ATP + ácido glutámico ADP + γ-glutamil-fosfato
En la siguiente etapa, el grupo fosfato es desplazado del carbono γ por un NH4+ generando la glutamina. γ-glutamil-fosfato + NH4+ glutamina + Pi C O O C CH2 CH2 C O O O NH4 + NADPH + H+ + + C O O C CH2 CH2 C O O N H3 + H H2O NADP+ + + NH4+ ATP + + C O O C CH2 CH2 C NH2 O N H3 + H ADP + Pi + C O O C CH2 CH2 C O O O NADPH + H+ + + C O O C CH2 CH2 C O O N H3 + H NADP+ + glutamina sintasa C O O C CH2 CH2 C O O N H3 + H C O O C CH2 CH2 C NH2 O N H3 + H 2 glutamato sintasa glutamina glutamato glutamato glutamina α-cetoglutarato
En E. coli donde esta enzima regula completamente el flujo del nitrógeno dentro de la célula la glutamina sintetasa es regulada a varios niveles que incluyen tanto regulaciones alostéricas como modificaciones covalentes.
Por un lado la enzima es modulada alostéricamente por 8 compuestos que actúan cómo retroinhibidores: carbamil-fosfato; glucosamina-6-fosfato; Triptofano; Alanina; Glutamato; Histidina; CTP y AMP. Todos ellos ejercen una modulación del mismo signo pero el efecto de cada uno de ellos sobre la actividad de la enzima es únicamente parcial. Además el efecto regulador es cooperativo de modo que la inhibición provocada por dos de los inhibidores en conjunto es mayor que la que resultaría de la suma de las inhibiciones parciales en la misma condición.
Por otro lado, la glutamina sintetasa (GS) es modulada covalentemente por adenililación de una Tyr específica; cuando la enzima es adenilada se inactiva. El mecanismo de regulación implica una cascada de modificaciones covalentes en el que intervienen al menos otras dos actividades enzimáticas. La adenilación (y la inactivación) de la GS es catalizada por una enzima que se denomina Adenil-transferasa (AT).
Esta enzima es a su vez regulada por modificación covalente. La enzima AT puede tener dos actividades, una de ellas es la mencionada actividad de transferasa, mientras que la otra es una actividad de hidrolasa de grupos adenilos.
GS activa GS inactiva OH O-AMP ATP PPi H2O AMP PI I OH AT transferasa AT hidrolasa PI I O-UMP UT hidrolasa UT transferasa H2O UMP PPi UTP [α-cetoglutarato] [glutamato] baja [α-cetoglutarato] [glutamato] alta
De esta manera, AT puede actuar tanto en la adenilación (inactivación) o en la desadenilación (activación) de la GS. La otra actividad de la enzima AT aparece cuando la misma está modificada por uridilación. El sitio de uridilación de la enzima AT se encuentra en una subunidad proteica sin actividad catalítica, denominada PII, que se mantiene unida a la enzima. La enzima que produce la uridilación de PII es una uridil transferasa (UT) que también posee dos actividades, transferasa e hidrolasa. El factor que modifica la actividad de la UT es la relación de concentraciones intracelulares de [α-cetoglutarato]/[glutamato].
Una relación de [α-cetoglutarato]/[glutamato] > 1 indica que existe escasez de nitrógeno orgánico en la célula por lo que la GS se debería activar (estado desadenilado de la GS). Para ello la AT debería poseer actividad de hidrolasa (estado uridilado de la subunidad PII de la AT) y entonces la UT debería poseer actividad de transferasa. En cambio una relación [α-cetoglutarato]/[glutamato] < 1, indica un exeso de nitrógeno orgánico en la célula por lo que la GS se debería inactivar. Para ello, siguiendo el mismo razonamiento la UT debería poseer actividad de hidrolasa.
Es interesante notar que la actividad de la UT no es modificada por el cambio de la concentración de un metabolito en si, sino más bien por una relación de concentraciones. Una posible explicación de este hecho podría obtenerse si tanto el α-cetoglutarato como el glutamato se unieran al mismo sitio alostérico y compitieran por el.
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Existen dos tipos de reacciones comunes a varios grupos de compuestos nitrogenados. Uno de ellos es el de las reacciones de transaminación y el otro corresponde a las reacciones de transferencia de unidades de un carbono.Veremos en forma general los dos tipos de reacciones antes de comenzar con el estudio de las rutas metabólicas en particular.
a. Transaminasas
Las podemos clasificar según el grupo dador del nitrógeno y también en base a la conformación del átomo de carbono que funciona como aceptor. En la tabla siguiente se puede observar esta clasificación. Además, los cambios en el estado redox de los productos con respecto a los sustratos son diferentes para los tres tipos de transaminasas.
DADOR ACEPTOR
PRODUCTO-DADOR PRODUCTO ACEPTOR REACCIÓN COMUNMENTE ACOPLADA TIPO 1 glutamato C CH2 N H2 H CH2 COOH COOH ceto C O R1 R2 α-cetoglutarato C CH2 O CH2 COOH COO H amino-derivado C H R1 R2 N H2 TIPO 2 aspartato C CH2 N H2 H COOH COOH ceto C O R1 R2 fumarato CH C H COOH COOH imino-derivado C NH R1 R2 ATP à ADP + Pi o ATP à AMP + PPi
DADOR ACEPTOR PRODUCTO-DADOR PRODUCTO ACEPTOR REACCIÓN COMUNMENTE ACOPLADA TIPO 3 glutamina C CH2 N H2 H CH2 C COOH N H2 O enol C OH R1 R2 glutamato C CH2 N H2 H CH2 COOH COOH enamino-derivado C NH2 R1 R2 ATP à ADP + Pi o ninguna
1. Transaminasas del tipo I o del glutamato
Corresponden a las transaminaciones más comunes e implican el intercambio de grupos ceto por amino entre dos sustratos orgánicos. Desde el punto de vista de la biosíntesis de aminoácidos, el dador de grupos amino más general es el glutamato que se convierte en la reacción en α-cetoglutarato, y por lo tanto su carbono α se oxida. Por el contrario el sustrato es un α-oxoácido que se convierte en un
compuesto más reducido, el correspondiente α-aminoácido. El mecanismo de reacción está explicado más adelante junto con las liasas dependientes de fosfato de piridoxal. El glutamato puede ceder su grupo amino a otros compuestos con un ceto, además de a los α-cetoácidos.
En este tipo de transaminaciones tanto el dador como el aceptor del grupo amino cambian de estado de oxidación. El balance redox global es nulo.
2. Transaminasas de tipo II o del aspartato
En este tipo de transaminaciones el aceptor es también un ceto, pero en este caso es convertido a una imina, sin cambiar su estado de oxidación. Por su parte el compuesto dador de nitrógeno, el aspartato, es convertido en fumarato, también sin cambiar su estado de oxidación global. Sin embargo si existe un cambio de estado de oxidación en los dos átomos de carbono centrales de la molécula de aspartato, el C2 se reduce una unidad, mientras que el C3 se oxida en la misma proporción.
Por lo mismo, en este tipo de transaminaciones aunque ni el dador ni el aceptor del grupo amino cambian de estado de oxidación, si existe un cambio en la
estructura redox del dador de nitrógenos. El balance redox global es nulo.
Cuando el aspartato es el dador de nitrógeno, como en la síntesis de arginina o en la síntesis de AMP, se produce una reacción de intercambio en el que el dador se
O N N N NH O POH2C H OH O H O N N N NH N POH2C H OH O H CH CH2 HOOC COOH O N N N NH NH POH2C H OH O H O N N N N NH2 POH2C H OH O H N H2 CH CH2 COOH COOH GTP GDP + Pi Aspartato C H CH COOH COOH Fumarato IMP AMP O H CH CH2 COOH COOH Malato O C CH2 COOH COOH Oxalacetato NAD+ NADH + H+ glutamato α-cetoglutarato H2O
convierte en fumarato mientras que el aceptor (un ceto) se convierte en primera instancia en un imino. Tomando como ejemplo este último caso:
Vemos que debido a la necesidad de regeneración del aspartato a partir del fumarato, se genera poder reductor en el proceso de transaminación como si
estuviéramos en una ruta de oxidación de los sustratos. Ese poder reductor proviene de una molécula de glutamato que se oxida a α-cetoglutarato, en forma neta por cada vuelta del ciclo que mostramos.
En algunos casos (como en la síntesis de arginina) estas reacciones están acopladas a la hidrólisis de enlaces de alta energía, a veces a uno y otras a dos de estos enlaces.
3. Transaminasas de tipo III o de la glutamina
Cuando el dador de grupos amino es la glutamina, no cambia el estado de oxidación ni del dador ni del aceptor del grupo amino. En general estas reacciones están acopladas a la hidrólisis del ATP. La glutamina se convierte en glutamato (igual estado redox) y el sustrato puede modificarse por medio del intercambio de una unión C-OH por otra C-NH2 o en menor proporción de casos de una unión C=O
por otra C=NH, conservando también su estado redox. b. Transferencia de unidades de un carbono.
Las unidades de un carbono se pueden encontrar en los estados de oxidación +4, +2, 0, –2 o –4. El estado de oxidación –4 (CH4) no corresponde a ningun
intermediario metabólico, aunque algunos organismos lo producen como desecho de su metabolismo mientras que otros son capaces de utilizarlo como dador de electrones del que pueden obtener energía.
Estado de oxidación +4 +2 0 -2 -4 Equivalente en solución Bicarbonato C O O H O H Carbamato C O O H N H2 Formiato C O H O H Formaldehido C O H H Metanol CH3OH Metano CH4 • Carboxi-Biotina (como CO2)
• Formil-THF • Metilen-THF • Metil-THF – Como es meatbolizado en la célula • Carbamil-fosfato C O O NH2 P OH O H O • S-adenosil-metionina
Salvo raras excepciones, las unidades de un carbono que se transfieren, lo hacen sobre átomos más electronegativos que el carbono, normalmente sobre N, S
u O. De esta manera se mantiene el estado de oxidación que poseen esas unidades en el intermediario correspondiente.
Los derivados del tetrahidrofolato (THF), se producen en la reacción de la enzima serina-hidroximetil-transferasa (ver en el próximo teórico), y además se interconvierten entre sí tal como se muestra en la siguiente figura:
Por su parte, el carbamil fosfato es sintetizado por la enzima carbamil fosfato sintetasa. Que posee el siguiente mecanismo de reacción
N5 C CH2 N H N H N CH2 N 10 N H2 O H C H H R N 5 C CH2 N H N H N CH2 N H 10 N H2 O H CH3 R N 5 C CH2 N H N H N CH2 N+ 10 N H2 O H C H R N H 5 C CH2 N H N H N CH2 N 10 N H2 O H C O R H N H 5 C CH2 N H N H N CH2 N 10 N H2 O H C N H R H OH C O H H C O H OH C H H H C O NH N H 5 C CH2 N H N H N CH2 N H 10 N H2 O H OH C O H Tetrahidrofolato Serina Glicina Serina-hidroximetil Transferasa N5,N10-metilen-Tetrahidrofolato N5-metil-Tetrahidrofolato N5,N10-metenil-Tetrahidrofolato N10-formil-Tetrahidrofolato N10-formimino-Tetrahidrofolato (Glu)n H2O NH3 Ciclohidrolasa NADPH + H+ NADP+ NADH + H+ NAD+ N5,N10-metilen-Tetrahidrofolato deshidrogenasa N5,N10-metilen-Tetrahidrofolato reductasa Estado de oxidación de la unidad de un carbono ácido fórmico formaldehido metanol ATP ADP Sustrato Sustrato formilado H2O Transaminasa Deaminasa +2 0 -2 Sustrato Sustrato metilado OH C O O H O C O N H2 P OH C O N H2 O C O O H P Pi NH3
Ácido Carbónico Carbonil-fosfato Carbamato Carbamil-fosfato ATP
ADP CO2 + H2O
Carbamil Fosfato Sintasa
ATP ADP
Existen dos tipos de carbamil fosfato sintetasas. Los de tipo I, poseen un mecanismo idéntico al descripto en la figura anterior, mientras que los del tipo II se diferencian únicamente en que el sustrato a partir del cual se incorpora el NH2 del
carbamato proviene de la glutamina (que se convierte en glutamato perdiendo su amino γ) en lugar del NH3. En los eucariotes se puede encontrar los dos tipos de
carbamil fosfato sintetasas en una misma célula. Las de tipo I funcionan en una ruta degradativa que se encuentra en la mitocondria, y las de tipo II funcionan en una ruta biosintética que se encuentra en el citosol.
