SÍNTESIS DE PURINAS Metabolismo Ácidos Nucleicos

METABOLISMO ÁCIDOS NUCLEICOS

Requerimientos de Nucleótidos

Las células que se dividen rápidamente necesitan grandes cantidades de RNA y DNA. Estas células tienen grandes requerimientos de nucleótidos. Por esta razón, las vías de síntesis de nucleótidos son blancos atractivos para el tratamiento del cáncer y las infecciones por microorganismos. Muchos antibióticos y drogas anticancerígenas son inhibidoras de la síntesis de nucleótidos.

Requerimientos de Nucleótidos

No hay reservas de nucleótidos (sólo 1% disponible) y la absorción intestinal de bases es mínima (un 5% de lo presente en la dieta)

Por lo tanto es fácil comprender que las bases nitrogenadas, púricas y pirimídicas, se han de sintetizar según se necesiten para sintetizar DNA y RNA

Hay rutas de biosíntesis de novo y de recuperación. Las de biosíntesis de novo son rutas idénticas en todos

los seres vivos

Biosíntesis de Nucleótidos o Los organismos pueden sintetizar nucleótidos de purina y pirimidina de novo, es decir a partir de molèculas pequeñas

o Por esto, las purinas y las pirimidinas no son requeridas en la dieta. o No constituyen nutrientes esenciales.

o También pueden, de manera muy limitada, utilizar nucleótidos de la dieta, vía de salvamento o de ahorro.

o Los ácidos nucleicos ingeridos son digeridos con endonucleasas de origen pancreático (desoxirribonucleasasy ribonucleasas), por fosfodiesterasas y nucleósido fosforilasas. o El epitelio intestinal tiene fosfatasa alcalina y otras enzimas que degradan los nucleósidos, produciendo la liberación de bases libres. o Las bases obtenidas, si no se utilizan, se degradan a nivel intestinal. o Solo 5% de los nucleótidos ingeridos pasa a la circulación, como base libre o nucleósido, por eso la síntesis de novo de purinas y pirimidinas es muy importante.

• RUTA DE NOVO – Síntesis de nucleótidos de purina y pirimidina a partir de

precursores de bajo peso molecular en cantidades suficientes para satisfacer las necesidades de cada organismo

– Estas rutas son idénticas en todo el mundo biológico.

• RUTA DE SALVAMENTO – Síntesis de nucleótidos de purina y pirimidina a partir de

los nucleótidos o las bases disponibles, obtenidos por la ingestión de los alimentos o por el catabolismo de los ácidos nucleicos del organismo mismo.

Degradación de Ácidos Nucleicos

• INTRACELULAR – Recambio de las especies de RNA – Reparación del ADN

• MUERTE CELULAR • INGESTION DE ÁCIDOS NUCLEICOS DE

LOS ALIMENTOS – Ribonucleasa pancreática – Desoxiribonucleasa pancreática – Intestino delgado

Vía

s d

e sa

lvam

ento

Fosforibosiltransferasa • Permite sintetizar nucleótidos a partir de las bases

nitrogenadas y de la fosfo-ribosil-pirofosfato. • La degradación del pirofosfato a fosfato inórganico

conduce la reacción hacia la derecha. • La dirección del sustituyente anomérico se invierte

Fosforibosiltransferasa

Vías de Salvamento o ahorro • Las bases libres de purina, adenina, guanina, e hipoxantina, pueden ser

reconvertidas a sus correspondientes nucleótidos mediante el proceso enzimático conocido como fosforibosilación.

• Dos fosforibosil transferasas importantes están implicadas en la vía de salvamento, o ahorro, de las purinas:

– la adenosina fosforibosil transferasa (APRT), que cataliza la siguiente reacción: adenina + PRPP <——> AMP + PPi

– la hipoxantina-guanina fosforibosil transferasa (HGPRT), que cataliza las siguientes reacciones:

hipoxantina + PRPP <——> IMP + PPi guanina + PRPP <——> GMP + PPi

• Una problema importante de la vía de salvamento de purinas en células de rápida división es la adenosina deaminasa (ADA), que cataliza la deamination de adenosina a inosina. La deficiencia de ADA resulta en el llamado trastorno grave de inmunodeficiencia combinada, SCID

FOSFORILACIÓN DE LOS NUCLEOTIDOS MONOFOSFATOS

AMP + ATP 2 ADP

GMP + ATP GDP + ADP GMP + ATP GDP + ADP

GDP + ATP GTP + ADP ΔG0’ = 0

Adenilato Cinasa

Guanilato Cinasa

Biosíntesis de Nucleótidos de Purina

• El sitio principal de la síntesis de purinas es el hígado. Las enzimas y coenzimas necesarias se encuentran en el citoplasma.

• Las purinas se “construyen” a partir de la ribosa y su síntesis comienza con la conversión de α D-ribosa-5-fosfato a la 5-fosfato-α D-ribosa-1-pirofosfato (fosforibosil-pirofosfato, PRPP) y conduce al primer nucleótido completamente formado, inosina-5'-monofosfato (IMP), que después es transformado a AMP y GMP.

• PRPP es también precursor de la histidina y el triptofano • La síntesis de IMP requiere de cinco ATPs, dos glutaminas,

una glicina, un CO2, un aspartato y dos formatos. • Las partes de formil son cedidas por el tetrahidrofolato (THF)

en forma de N5,N10- metenil-THF y de N10- formil-THF.

Fosfo-ribosil-pirofosfato (PRPP) Metabolito Central en el Metabolismo de Nucleótidos

• PRPP : 5-fosfo-α-D-ribosil-1-pirofosfato • RUTA DE SALVAMENTO ALTERNA

La ribosa-5-fosfato sintetizada en la vía de las pentosas es activada por ATP para formar PRPP. La síntesis de PRPP es un paso controlado, la actividad de la enzima varía con la concentración de muchos metabolitos. La PRPP es precursor de purinas, pirimidinas, histidina y triptofano.

En las células NO hay el análogo deoxirribosafosfato del PRPP, las enzimas

anteriores NO participan directamente en el metabolismo de los desoxirribonucleotidos.

Síntesis de purinas Requiere 10 Enzimas

1) glutamina fosforibosil pirofosfato amidotransferasa 2) glicinamida ribótido sintasa 3) glicinamida ribótido transformilasa 4) formil-glicinamida sintasa 5) amino-imidazol ribótido sintasa 6) amino-imidazol ribótido carboxilasa 7) Succinil-amino-imidazol carboxamida ribótido sintasa 8) adenilo-succinato liasa 9) amino-imidazol carboxamida ribotide transformilasa 10) IMP ciclohidrolasa

BIOSÍNTESIS DE NOVO DE LOS NUCLEÓTIDOS DE PURINA

Con excepción de los tres átomos cedidos por la glicina, todos los demás átomos constituyentes del anillo purínico se derivan cada uno de un precursor diferente en una reacción diferente

PRPP Amido Transferasa El paso limitante en la síntesis de novo de los nucleótidos de purina es la síntesis de la 5-fosforribosil-amina a partir de PRPP y glutamina. El grupo amida, que procede de la cadena lateral de la glutamina, desplaza al grupo pirofosfato unido al C-1 del PRPP, reacción que es favorecida por la rápida hidrólisis del pirofosfato. La orientación del grupo anómero cambia de α a β Nótese que la reacción requiere dos enlaces de alta energía

•Transfiere glicina

•Se utiliza ATP •Necesita como cofactor el 10-formil-THF. Se transfiere el grupo formilo

Las transformilasa (reaciones 3 y 9) forman parte de un complejo multienzimático Una enzima trifuncional también es parte del complejo

Varias enzimas de la síntesis de nucleótidos utilizan glutamina y son un potente blanco para la diseño de agentes anticancerígenos. Estas enzimas tienen actividad de Glutamina Amidotransferasa y catalizan la transferencia, dependiente de ATP, del nitrógeno amídico de la glutamina a un aceptor. Compárese en la figura de la izquierda la estructura de la glutamina con la de algunas drogas que se utilizan como sus análogos en el tratamiento del cáncer

Inhibidores de la GLUTAMINA AMIDOTRANSFERASAS

ATP ADP

ACEPTOR

En muchas reacciones se requieren también derivados del ácido fólico (Pteroil-glutámico)

Y, por lo tanto, los antifolatos, como el inhibidor de la dihidrofolato reductasa Methotrexate, tienen utilidad como drogas anticancerígenas.

Reacciones 4 y 5 •Amidotransferasa

•Dependiente de ATP

•Cierre del anillo imidazol de la purina

•Dependiente de ATP

+H2O

5

AIR Sintasa

REACCIÓN 6

•Descarboxilación reversible

•No requiere biotina

•AIR carboxilasa

SAICAR Sintasa Inicia la transferencia de un nitrógeno del aspartato mediante un

mecanismo idéntico al que se emplea para convertir citrulina en arginina en el ciclo de la Urea.

Requiere ATP 7.- Se transfiere todo el aspartato al 4-Carboxi-5-amidoimidazol

ribonucleótido para formar SAICAR

7

Adenilo-succinato liasa 8.- Reacción de eliminación α,β que

da lugar al AICAR

8

REACCIÓN 7 y 8

SAICAR carboxilasa

Dan lugar a la transferencia de un nitrógeno del aspartato mediante un mecanismo idéntico al que se emplea para convertir citrulina en arginina en el ciclo de la Urea.

1. Se realiza en dos pasos 2. Se transfiere todo el aspartato al 4-

Carboxi-5-amidoimidazol ribonucleotido (Reacción 7)

3. Reacción de eliminación α,β que da lugar al AICAR (reacción 8) y a Fumarato

SAICAR carboxilasa

Dan lugar a la transferencia de un nitrógeno del aspartato mediante un mecanismo idéntico al que se emplea para convertir citrulina en arginina en el ciclo de la Urea.

1. Se realiza en dos pasos 2. Se transfiere todo el aspartato al 4-

Carboxi-5-amidoimidazol ribonucleotido (Reacción 7)

3. Reacción de eliminación α,β que da lugar al AICAR (reacción 8) y a Fumarato

7

8

Reacción transformilasa Transferencia de un grupo formilo

Reacción de condensación interna Produce el primer compuesto de PURINA

Interconversión de purinas, a partir del IMP

Regulación de la Síntesis de los Nucleótidos de Purina

• Los pasos limitantes en la biosíntesis de purinas se encuentran en los dos primeros pasos de la vía.

• La síntesis de PRPP por la PRPP sintetasa es inhibida por los 5' nucleótidos de purina (predominantemente AMP y GMP).

• Los efectos combinados de estos dos nucleótidos son mucho mayores, e.g., la inhibición es máxima cuando se logra la concentración correcta de los nucleótidos de adenina y guanina.

• La reacción de amidotransferasa catalizada por la PRPP amidotranferasa, se inhibe alostéricamente por la unión con ATP, ADP y AMP en un sitio inhibitorio y por la unión con GTP, GDT y GMP en otro.

• La actividad de la enzima es estimulada por PRPP. • Existe, además, la regulación de la síntesis final de AMP y GMP

a partir del IMP, mencionada anteriormente

REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS • Se regula por retroalimentación negativa de los

primeros pasos • La PRPP sintetasa se inhibe por diversos nucleótidos de

purina en especial: – AMP – ADP – GDP

• La PRPP amidotransferasa se inhibe alostericamente por: – AMP – ADP – GMP – GDP

Regulación síntesis AMP - GMP • El IMP representa un punto de ramificación para la biosíntesis de

purinas, y puede ser convertido tanto en AMP como en GMP a través de dos rutas metabólicas distintas.

• La vía que conduce al AMP requiere energía en forma de GTP. • Aquella que lleva al GMP requiere energía en forma de ATP. • Esta relación en la síntesis de AMP y GMP, permite que la célula

controle las proporciones de estos nucleótidos para que sean aproximadamente equivalentes.

• La acumulación de un exceso de GTP tendrá como consecuencia una síntesis acelerada de AMP a partir del IMP, con el consiguiente gasto de GTP, y la disminución en la síntesis de GMP.

• Inversamente, puesto que la conversión de IMP a GMP requiere de ATP, la acumulación excesiva de ATP conduce a la síntesis acelerada de GMP y la disminución en la síntesis de AMP.

REGULACIÓN • GMP inhibe la conversión de IMP a XMP

• AMP inhibe la síntesis de adenilosuccinato

DEGRADACIÓN DE PURINAS

Degradación de Purinas Los ácidos nucleicos ya existentes en el organismo son hidrolizados

por endo y exonucleasas que dan mononucleótidos que a su vez son degradados a nucleósidos por la Fosfomonoesterasa, esta enzima libera guanosina y adenosina.

Estos 2 nucleósidos no pueden seguir exactamente la misma vía. La adenosina debe ser desaminada previamente por la Adenosina

Desaminasa para formar inosina. Sobre la inosina actúa la Nucleósido Fosforilasa que la despoja de

su ribosa y da hipoxantina. La Nucleósido Fosforilasa actúa directamente sobre la guanosina

liberando guanina.

Xantino Oxidasa

Desde la hipoxantina y la guanina, como bases púricas, se forma un compuesto llamado xantina, que da origen al ácido úrico.

Estos últimos 2 pasos son catalizados por la Xantina Oxidasa (esta enzima contiene FAD, molibdeno y hierro no hemo).

La actividad de la Xantino Oxidasa da lugar a la formación de ácido úrico y luego al urato monosódico.

FORMACIÓN DEL ÁCIDO ÚRICO

• La degradación de purinas da lugar a ácido úrico

• AMP se desamina para producir IMP (Músculo)

• AMP se hidroliza para producir adenosina (Resto de los tejidos)

FORMACIÓN DEL ÁCIDO ÚRICO

* Abundante en Cerebro e Hígado de mamíferos

*

CATABOLISMO DEL ACIDO ÚRICO A AMONIACO Y CO2

TRANSTORNOS CLÍNICOS DEL METABOLISMO DE LAS PURINAS

GOTA: Acumulación excesiva del ácido úrico

• El ácido úrico y sus sales de urato son muy insolubles. • Ventaja para los animales que ponen huevos (eliminación de

exceso de nitrógeno) • Humanos: 3/1000 sufren hiperuricemia • Elevación crónica del ácido úrico en sangre (GOTA) • Formación de cristales de urato sódico en el líquido sinovial

de las articulaciones • Inflamación de las articulaciones (artritis) • Degeneración de articulaciones • Sobre producción de nucleótidos de purina • Se puede deber a varios defectos enzimáticos

Falta de inhibición por los

nucleótidos de purina

Falta de inhibición por los

nucleótidos de purina

ALOPURINOL, análogo estructural de la hipoxantina

SINDROME DE LESCH-NYHAN • Rasgo ligado al sexo • El gen de la HGPRT esta en el cromosoma X • Artritis gotosa grave • Disfunción dramática del sistema nervioso • Discapacidad para el aprendizaje • Comportamiento hostil o agresivo • Autodestrucción, los pacientes se muerden los

extremos de los dedos, los labios y otras partes del cuerpo

• Vulnerables a las enfermedades infeciosas. • Afectados los linfocitos B y T • Ausencia hereditaria de la enzima degradativa adenosina

desaminasa (ADA) • Aumento en la deoxiadenosina lo que inhibe la síntesis

de deoxinucleotidos • No permite la replicación del ADN • No permite la proliferación de los linfocitos

SÍNDROME DE INMUNODEFICIENCIA COMBINADA GRAVE

La renovación celular se acompaña de la hidrólisis de los nucleótidos por enzimas llamadas nucleotidasas.

Las purinas no reutilizadas por las vías de salvamento son transformadas en compuestos que pueden ser excretados.

En el hombre, las purinas son degradadas a ácido úrico por la actividad de la xantino oxidasa una flavoproteína que contiene fierro y molibdeno

La actividad de esta enzima puede ser bloqueada por un inhibidor, el allopurinol, muy utilizado en terapéutica en caso de hiperproducción de ácido úrico, como es el caso de la gota y de algunos síndromes mieloproliferativos