folleto unnidad ii metabolismo nucleotidos

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Bioqumica Veterinaria II: Metabolismo Nucleotidos

BIOQUIMICA VETERINARIA II UNIDAD II: METABOLISMO DE NUCLEOTIDOS NUCLEOTIDOS Los nucletidos son molculas orgnicas formadas por la unin covalente de un monosacrido de cinco carbonos (pentosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. El nuclesido es la parte del nucletido formado nicamente por la base nitrogenada y la pentosa. Son los monmeros de los cidos nucleicos (ADN y ARN) en los cuales forman cadenas lineales de miles o millones de nucletidos, pero tambin realizan funciones importantes como molculas libres (por ejemplo, el ATP).

Estructura Cada nucletido es un ensamblado de tres componentes:y

y

Bases nitrogenadas: derivan de los compuestos heterocclicos aromticos purina y pirimidina. o Bases nitrogenadas purnicas: son la adenina (A) y la guanina (G). Ambas forman parte del ADN y del ARN. o Bases nitrogenadas pirimidnicas: son la timina (T), la citosina (C) y el uracilo (U). La timina y la citosina intervienen en la formacin del ADN. En el ARN aparecen la citosina y el uracilo. o Bases nitrogenadas isoaloxacnicas:laflavina (F). No forma parte del ADN o del ARN, pero s de algunos compuestos importantes como el FAD Pentosa: el azcar de cinco tomos de carbono; puede ser ribosa (ARN) o desoxirribosa (ADN). La diferencia entre ambos es que el ARN si posee un grupo OH en el segundo carbono.

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y

cido fosfrico: de frmula H3PO4. Cada nucletido puede contener uno (nucletidos-monofosfato, como el AMP), dos (nucletidos-difosfato, como el ADP) o tres (nucletidos-trifosfato, como el ATP) grupos fosfato.

Transferencia de energa Los nucletidos, por razn de que sus grupos de fosfato le confieren un enlace de alta energa, son fuentes preferidas en las clulas para la transferencia de energa. Los nucletidos se encuentran en un estado estable cuando poseen un solo grupo fosfato. Cada grupo de fosfato adicional que posea un nucletido se encuentra en un estado ms inestable y el enlace del fsforo y fosfato tiende, cuando se rompe por hidrlisis, a liberar la energa que lo une al nucletido. Las clulas poseen enzimas cuya funcin es precisamente hidrolizar nucletidos para extraer el potencial energtico almacenado en sus enlaces. Por tal razn un nucletido de trifosfato es la fuente ms utilizada de energa en la clula. De ellos, el ATP (un nucletido de adenina con tres grupos de fosfato ricos en energa), es el eje central en las reacciones celulares para la transferencia de la energa demandada. El UTP (uracilo + tres fosfatos) y GTP (guanina y tres fosfatos) tambin complacen las demandas de energa de la clula en reacciones con azcares y cambios de estructuras proteicas, respectivamente. Nomenclatura La posicin de los tomos en un nucletido se especifican en relacin a los tomos de carbono en el azcar de ribosa o desoxirribosa. y La purina o pirimidina est localizado en el carbono 1 del azcar. y El grupo fosfato est en el carbono 5. y El grupo hidroxilo se encuentra enlazado al carbono 3 del azcar. Puede ser liberado en forma de agua producto de la formacin del enlace fosfodiester. y Puede existir un grupo hidroxilo adicional enlazado al carbono 2, si la pentosa es una r.

Metabolismo Nucletido:Los requerimientos metablicos para los nucletidos y sus bases relacionadas pueden lograrse tanto por la ingesta diettica o por la sntesis de novo a partir de precursores de bajo peso molecular. De hecho, la capacidad recuperar los nucletidos de fuentes internas del cuerpo disminuye cualquier requisito alimenticio por los nucletidos, as las bases de purina y de pirimidina no son requeridas en la dieta. Las vas de recuperacin son una fuente importante de nucletidos para la sntesis de ADN, ARN y cofactores enzimticos. La hidrlisis extracelular de cidos nucleicos injeridos ocurre a travs de las acciones coordinadas de endonucleasas, de fosfodiesterasas y de nuclesidofosforilasas. Las endonucleasas degradan el ADN y el ARN en los sitios internos dando lugar a la produccin de oligonucletidos. Los oligonucletidos son posteriormente digeridos por las fosfodiesterasas que actan desde sus extremos hacia el interior de estos, liberando nuclesidos libres. Las bases son hidrolizadas desde los nuclesidos por la accin de las fosforilasas que producen ribosa-1-fosfato y bases libres. Si los nuclesidos y/o las bases no son reutilizadas las bases de purina se degradan tambin a cido rico y las pirimidinas a -aminoisobutirato, NH3 y CO2.

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Tanto las vas de sntesis de salvataje, como las vas de sntesis de novo de purina y de pirimidina conducen a la produccin de nuclesido-5'-fosfato a travs de la utilizacin de un azcar intermediario activado y de una clase de enzimas llamadas fosforibosiltransferasas. El azcar activado que se utiliza es el 5-fosforibosil-1-pirofosfato, PRPP. El PRPP es generado por la accin de la PRPP sintetasa y requiere de energa en forma de ATP como se muestra

Regulacin de la Sntesis del Nucletido de PurinaLos pasos esenciales limitantes en la biosntesis de purina ocurren en los dos primeros pasos de la va. La sntesis de PRPP por la PRPP sintetasa es inhibida por los nucletidos de purina 5' (predominantemente AMP y GMP). Los efectos combinados de esos dos nucletidos son mucho mayores, e.g., la inhibicin es mxima cuando se logra la concentracin correcta de los nucletidos de adenina y guanina. La reaccin de amidotransferasa catalizada por la PRPP amidotranferasa, tambin se inhibe alostricamente por la unin con el ATP, ADP y AMP en un sitio inhibitorio y por la unin de GTP, GDT y GMP en otro. Al contrario la actividad de la enzima es estimulada por PRPP.Adicionalmente, la biosntesis de purina es regulada en las vas de ramificacin de IMP a AMP y a GMP. La acumulacin del exceso de ATP conduce a la sntesis acelerada de GMP, y el exceso de GTP conduce a la sntesis acelerada de AMP.

Biosntesis del Nucletido de PirimidinaLa sntesis de las pirimidinas es menos compleja que la de las purinas, puesto que la base es mucho ms simple. La primera base terminada se deriva a partir de una mol de glutamina, una mol de ATP y una mol de CO2 (que forman carbamoil fosfato) y una mol de aspartato. Una mol adicional de glutamina y ATP son requeridas en la conversin de UTP a CTP. La va de la biosntesis de pirimidina esta diagramada abajo. El carbamoil fosfato usado para la sntesis del nucletido de pirimidina se deriva de la glutamina y del bicarbonato, dentro del citosol, contrariamente al carbamoil fosfato del ciclo de la urea que se deriva del amonaco y del bicarbonato en la mitocondria. La reaccin del ciclo de la urea es catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa I (CPS-I) mientras que el precursor del nucletido de pirimidina es sintetizado por la CPS-II. El carbamoil fosfato es entonces condensado con el aspartato en una reaccin catalizada por la enzima limitante de la biosntesis del nucletido de pirimidina, la aspartatotranscarbamoilasa (ATCasa).

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Sntesis de fosfato por carbamoil CPS II

Enzima nombres: 1.aspartatotranscarbamoylase, ATCase 2.carbamoilaspartatodeshidratasis 3.dihidroorotato deshidrogenasa 4.orotatophosphoribosyltransferase 5. orotidine-5'-fosfato carboxilasa

Regulacin de la Biosntesis de PirimidinaLa regulacin de la sntesis de pirimidina ocurre principalmente en el primer paso que es catalizado por la aspartatotranscarbamoilasa, ATCasa. Inhibido por el CTP y activado por el ATP, la ATCasa es una protena multifuncional en las clulas de mamferos. Es capaz de catalizar la formacin de carbamoil fosfato, carbamoilaspartato, y dihidroorotato. La actividad de la carbamoilsintetasa de este complejo es llamada carbamoil fosfato sintetasa II (CPS-II) contrariamente a la CPS-I, que est involucrada en el ciclo de la urea. La ATCasa, y por lo tanto la actividad de la CPS-II, es localizada en el citoplasma y prefiere glutamina como substrato. La CPS-I del ciclo de la urea se localiza en la mitocondria y

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utiliza el amonaco. El dominio CPS-II es activado por el ATP e inhibido por UDP, UTP, dUTP, y CTP. El papel de la glicina en la regulacin de la ATCasa es actuar como inhibidor competitivo del sitio de enlace de la glutamina. Como en la regulacin de la sntesis de purina, los niveles de ATP tambin regulan la biosntesis de pirimidina en el nivel de formacin de la PRPP. Un incremento en el nivel de PRPP da lugar a una activacin de la sntesis de pirimidina. Hay tambin regulacin de OMP decarboxilasa: esta enzima es inhibida competitivamente por el UMP y, a un menor grado, por el CMP. Finalmente, la CTP sintasa es inhibida por el CTP y activada por el GTP.

Catabolismo y Salvamento de los Nucletidos de PirimidinaEl catabolismo de los nucletidos de pirimidina conduce en ltima instancia a la -alanina (cuando CMP y UMP son degradados) o al -aminoisobutirato (cuando dTMP es degradado) y NH3 y CO2. La -alanina y el -aminoisobutirato sirven como donantes de NH2 en la transaminacin del -cetoglutarato a glutamato. Una siguiente reaccin convierte los productos a malonil-CoA (que puede ser desviado a la sntesis de cidos grasos) o a metilmalonil-CoA (que es convertido a succinil-CoA y puede ser desviado al ciclo del TCA). El salvamento de las bases de pirimidina tiene menor significacin clnica que el de las purinas, debido a la solubilidad de los subproductos del catabolismo de pirimidina. Sin embargo, segn lo indicado arriba, la va de la sntesis de salvamento del nucletido de timidina es especialmente importante en la preparacin para la divisin celular. El uracilo puede ser salvado para formar UMP a travs de la accin concertada de la uridinafosforilasa y de la uridinacinasa, como se indica: uracilo+ ribosa-1-fosfato uridina + Pi uridina+ ATP > UMP + ADP La deoxiuridina es tambin un substrato para la uridinafosforilasa. La formacin de dTMP, mediante salvamento de dTMP requiere de timina fosforilasa y la previamente encontrada timidinacinasa: timina + desoxirribosa-1-fosfato timidina + Pi timidina + ATP >dTMP + ADPEl salvamento de deoxicitidina es catalizado por la deoxicitidinacinasa:

deoxicitidina + ATP dCMP + ADP La deoxiadenosina y la deoxiguanosina son tambin substratos para la deoxicitidinacinasa, aunque el Km para estos substratos es mucho mayor que para la deoxicitidina.

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La principal funcin de las pirimidina nucletido cinasas es mantener un balance celular entre el nivel de los nuclesidos de pirimidinas y los pirimidinanucleosidomonofosfatos. Sin embargo, debido a que las concentraciones promedio en las clulas y el plasma de los nuclesidos de pirimidina, as como tambin, de la ribosa-1-fosfato, son bajas, el salvamento de las pirimidinas por estas cinasas es relativamente ineficiente.

Significado Clnico del Metabolismo de PirimidinaPorque los productos del catabolismo de pirimidina son solubles, pocos desrdenes resultan del exceso en los niveles de sntesis o catabolismo. Dos desrdenes heredados que afectan la biosntesis de pirimidina son el resultado de deficiencias en la enzima bifuncional que cataliza los dos ltimos pasos de la sntesis de UMP, orotatofosforibosiltransferasa y OMP decarboxilasa. Estas deficiencias resultan en aciduriaortica que causa retardo en el crecimiento, y anemia severa causada por eritrocitos hipocrmicos y la mdula megaloblstica. La leucopenia es tambin comn en aciduriasorticas. Los desrdenes pueden ser tratados con uridina y/o citidina, que conducen al incremento en la produccin de UMP por medio de la accin de las nucleosidocinasas. El UMP entonces inhibe la CPSII, atenuando as la produccin de cido ortico.

Desrdenes del Metabolismo de PirimidinaDesorden AciduriaOrtica, tipo I Enzima defectuosa Orotatofosforibosiltransferasa y OMP decarboxilasa OMP decarboxilasa Comentarios

AciduriaOrtica, tipo II Orticoaciduria debido a la deficiencia de OTC (moderada, sin componente hematolgico) Aciduria -aminoisobutirica

la enzima del ciclo de la urea, ornitinatranscarbamoilasa, es deficiente

El incremento de la carbamoil fosfato mitocondrial sale y aumenta la biosntesis de pirimidina; encefalopata heptica

transaminasa, afecta la funcin del ciclo de la urea durante la benigno, frecuente en Orientales deaminacin de -amino cidos a -cetocidos el tratamiento con allopurinol y 6azauridina causan aciduriaortica sin componente hematolgico; sus subproductos catablicos inhiben la OMP decarboxilasa

aciduriaortica inducida por drogas OMP decarboxilasa

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Biosntesis del Nucletido de PurinaEl sitio principal de la sntesis de purina est en el hgado. La sntesis de los nucletidos de purina comienza con el PRPP y conduce al primer nucletido completamente formado, inosina-5'-monofosfato (IMP). Esta va esta representada grficamente abajo. La base de purina sin la ribosa unida es la hipoxantina. La base de purina es construida sobre la ribosa mediante varias reacciones de amidotransferasa y transformilacin. La sntesis de IMP requiere de cinco moles de ATP, dos moles de glutamina, una mol de glicina, una mol de CO2, una mol de aspartato y dos moles de formato. Las partes de formil son llevadas en el tetrahidrofolato (THF) en forma de N5,N10- metenil-THF y N10- formil-THF.

Enzima nombres: 1) glutamina phosphoribosylpyrophosphateamidotransferase 2) glycinamideribotidesintasa 3) glycinamideribotidetransformylase 4) formylglycinamidesintasa 5) aminoimidazoleribotidesintasa 6) aminoimidazoleribotidecarboxilasa 7) succinylaminoimidazolecarboxamideribotidesintasa 8) adenylosuccinateliasa 9) aminoimidazolecarboxamidaribotidetransformylase 10) IMP cyclohydrolaseEl IMP representa un punto de ramificacin para la biosntesis de purina, porque puede ser convertido en AMP o GMP a travs de dos distintas vas de reaccin. La va que conduce a AMP requiere energa en forma de GTP; aquella que lleva a GMP requiere energa en forma de ATP. La utilizacin de GTP en la va a la sntesis de AMP permite que la clula controle las proporciones de

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AMP y de GMP para que sean aproximadamente equivalentes. La acumulacin del exceso de GTP llevar a una sntesis acelerada de AMP a partir del IMP, a expensas de la sntesis de GMP. Inversamente, puesto que la conversin de IMP a GMP requiere de ATP, la acumulacin del exceso de ATP conduce a la sntesis acelerada de GMP sobre la sntesis de AMP.

Regulacin de la Sntesis del Nucletido de PurinaLos pasos esenciales limitantes en la biosntesis de purina ocurren en los dos primeros pasos de la va. La sntesis de PRPP por la PRPP sintetasa es inhibida por los nucletidos de purina 5' (predominantemente AMP y GMP). Los efectos combinados de esos dos nucletidos son mucho mayores, e.g., la inhibicin es mxima cuando se logra la concentracin correcta de los nucletidos de adenina y guanina. La reaccin de amidotransferasa catalizada por la PRPP amidotranferasa, tambin se inhibe alostricamente por la unin con el ATP, ADP y AMP en un sitio inhibitorio y por la unin de GTP, GDT y GMP en otro. Al contrario la actividad de la enzima es estimulada por PRPP.

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Adicionalmente, la biosntesis de purina es regulada en las vas de ramificacin de IMP a AMP y a GMP. La acumulacin del exceso de ATP conduce a la sntesis acelerada de GMP, y el exceso de GTP conduce a la sntesis acelerada de AMP.

Catabolismo y Salvamento de los Nucletidos de PurinaEl catabolismo de los nucletidos de purina conduce en ltima instancia a la produccin de cido rico que es insoluble y es excretado en la orina como cristales de urato de sodio.

La sntesis de los nucletidos desde las bases de purina y de los nuclesidos de purina ocurre en una serie de pasos conocidos como vas de salvamento. Las bases libres de purina, adenina, guanina, e hipoxantina, pueden ser reconvertidas a sus correspondientes nucletidos mediante fosforibosilacin. Dos enzimas transferasas importantes estn

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implicadas en el salvamento de las purinas: adenosinfosforibosiltransferasa (APRT), que cataliza la siguiente reaccin: adenina + PRPP AMP + PPi y, la hipoxantina-guanina fosforibosiltransferasa (HGPRT), que cataliza las siguientes reacciones: hipoxantina + PRPP IMP + PPi guanina + PRPP GMP + PPi Una crtica importante de la enzima purina salvamento en clulas de rpida divisin es la adenosina deaminasa (ADA), que cataliza la deamination de adenosina a inosina. La deficiencia de ADA en los resultados en el llamado trastorno grave inmunodeficiencia combinada, SCIDCatabolismo de purinas nucletidos

Salvamento vas de nucletidos purina

Las purina nucletido fosforilasas pueden tambin contribuir al salvamento de las bases a travs de una reversin de las vas del catabolismo. Sin embargo, esta va es menos significativa que las catalizadas por las fosforibosiltransferasas. La sntesis de AMP a partir de IMP y el salvamento de IMP va el catabolismo de AMP tienen el efecto neto de desaminar al aspartato a fumarato. Este proceso ha sido llamado ciclo del nucletido de purina (vase el diagrama abajo). Este ciclo es muy importante en las clulas musculares. El incremento en la actividad muscular crea una demanda para un incremento en el Ciclo del TCA, para generar ms NADH para la produccin de ATP. Sin embargo, el msculo carece de la mayora de las enzimas de las principales reacciones anapletricas. El msculo reabastece los intermediarios del ciclo del TCA en la forma de fumarato generado por el ciclo del nucletido de purina.

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El ciclo del nucletido de purina tiene una importante funcin en el ejercicio muscular. La generacin de fumarato provee al msculo esqueltico una fuente de substrato anapletrico para el Ciclo del TCA. Para continuar la operacin del ciclo durante el ejercicio, la protena muscular debe ser utilizada para suplir el amino nitrgeno para la generacin de aspartato. La generacin de aspartato ocurre mediante las reacciones estndares de transaminacin que convierte los aminocidos con -cetoglutarato para formar glutamato y glutamato con oxaloacetato para formar aspartato. La mioadenilatodeaminasa es la isoenzima msculo especfica de AMP deaminasa, y las deficiencias en mioadenilatodeaminasa conducen a fatiga post-ejercicio, calambres y mialgias.

Significado Clnico del Metabolismo de PurinaLos problemas clnicos asociados al metabolismo del nucletido en humanos son predominantemente el resultado del catabolismo anormal de las purinas. Las consecuencias clnicas del metabolismo anormal de purina se extienden de desordenes medios a severos e incluso fatales. Las manifestaciones clnicas del catabolismo anormal de purina se presentan desde la insolubilidad del producto derivado de la degradacin, cido rico. La Gota es una condicin que resulta de la precipitacin del urato como cristales monosdicos de urato (MSU) o de dihidrato pirofosfato de calcio (CPPD) en el lquido sinovial de las articulaciones, conduciendo a inflamacin severa y a artritis. La respuesta inflamatoria se debe a la reaccin de los cristales con un sistema inflamatorio lo que resulta en la produccin de interleucina-1 (IL-1 ) y IL-18. La mayora de las formas de gota son el resultado del exceso en la produccin de purina y del catabolismo consiguiente o, a una deficiencia parcial en de la enzima de salvamento, HGPRT. La mayora de las formas de gota pueden ser tratadas administrando el anti-metabolito: alopurinol. Este compuesto es un anlogo estructural de la hipoxantina que inhibe fuertemente la xantina oxidasa. Dos desrdenes severos, ambos absolutamente bien descritos, estn asociados con defectos en el metabolismo de purina: El Sndrome de Lesch-Nyhan y la enfermedad de inmunodeficiencia severa combinada (SCID). El sndrome de Lesch-Nyhan resulta de la prdida del gen HGPRT funcional. El desorden es heredado como rasgo ligado al sexo, con el gen HGPRT en el cromosoma X (Xq26q27.2). Los pacientes con este defecto exhiben no slo sntomas severos de gota sino tambin un severo malfuncionamiento del sistema nervioso. En los casos ms severos, los pacientes recurren a la auto mutilacin. La muerte generalmente ocurre antes que los pacientes alcancen su vigsimo ao.

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La SCID es ms frecuentemente causada (90%) por una deficiencia en la enzima adenosindeaminasa (ADA). sta es la enzima responsable de convertir la adenosina a la inosina en el catabolismo de las purinas. Esta deficiencia conduce selectivamente a una destruccin de los linfocitos B y T, las clulas que sientan las bases de las respuestas inmunes. En ausencia de ADA, la deoxiadenosina es fosforilada para producir niveles de dATP que son 50 veces ms altos que lo normal. Los niveles son especialmente altos en los linfocitos, que tienen cantidades abundantes de enzimas de salvamento, incluyendo nucleosidocinasas. Las altas concentraciones de dATP inhiben la ribonucletidoreductasa (vase abajo), de tal modo que evita que otros dNTPs sean producidos. El efecto neto es de inhibir la sntesis de DNA. Puesto que los linfocitos pueden ser capaces de proliferarse dramticamente en respuesta al reto antignico, la inhabilidad para sintetizar DNA deteriora seriamente las respuestas inmunes, y la enfermedad es generalmente fatal en la infancia a menos que se tomen especiales medidas protectoras. Una inmunodeficiencia menos severa resulta cuando hay una carencia de purina nucletido fosforilasa (PNP), otra enzima degradante de purina. Una de las muchas enfermedades de almacenamiento de glicgeno la enfermedad de von Gierke tambin conduce a la produccin excesiva de cido rico. Este desorden resulta de una deficiencia en la actividad de la glucosa 6-fosfatasa. El incremento en la disponibilidad de glucosa-6-fosfato aumenta el rango del fluido a travs de la va de la pentosa fosfato, produciendo una elevacin en el nivel de ribosa-5-fosfato y por lo tanto de PRPP. Los incrementos en PRPP entonces resultan en exceso de la biosntesis de purina.

Trastornos del Metabolismo de PurinaDesorden Defecto Naturaleza del defecto Comentarios Tres defectos enzimticos diferentes pueden llevar a la Gota: actividad incrementada hiperuricemia PRPP sintetasa deficiencia a HGPRT deficiencia Glucosa-6 fosfatasa HGPRT ADA PNPc APRTd Xantina oxidasac b

Gota

Sndrome de Lesch-Nyhan SCID Inmunodeficiencia Litiasis renal Xantinuria

Ausencia de la enzima Ausencia de la enzima Ausencia de la enzima Ausencia de la enzima Ausencia de la enzima 2,8-dihidroxiadenina, litiasis renal hypouricemiaxantina litiasis renal y

Enfermedad de von Gierke Glucosa-6-fosfatasa a hipoxantina-guanina fosforibosiltransferasa b adenosina deaminasa

deficiencia de la enzima purina nucletido fosforilasa d adenosina fosforibosiltransferasa

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