6.6: Nucleótidos
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Fuente: BiochemFFA_6_6.pdf. Todo el libro de texto está disponible de forma gratuita de los autores en http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy
Diversas funciones de nucleótidos
Los nucleótidos se consideran con mayor frecuencia como los bloques de construcción de los ácidos nucleicos, ADN y ARN. Si bien esto, es, por supuesto, una función vital, los nucleótidos también juegan otros papeles importantes en las células. Los trifosfatos ribonucleósidos como ATP, CTP, GTP y UTP son necesarios, no solo para la síntesis de ARN, sino como parte de intermedios activados como UDP-glucosa en vías biosintéticas. El ATP es también la “moneda energética” universal de las células, y el acoplamiento de reacciones energéticamente desfavorables con la hidrólisis del ATP hace posible las muchas reacciones en nuestras células que requieren un aporte de energía. Los nucleótidos adenina sirven como componentes de NAD (P) + y FAD. Los nucleótidos también pueden servir como reguladores alostéricos y metabólicos. Las vías de síntesis y descomposición de los nucleótidos y las moléculas derivadas de ellos son así, de vital importancia para las células. La regulación de la síntesis de nucleótidos, especialmente para desoxirribonucleótidos, es importante para asegurar que los cuatro nucleótidos se realicen en las proporciones adecuadas, ya que los desequilibrios en las concentraciones de nucleótidos pueden conducir a aumentos en las tasas de mutación.
Las vías del metabolismo de los nucleótidos están organizadas en dos grupos principales y uno menor. Estos incluyen, respectivamente, el metabolismo de 1) purinas; 2) pirimidinas; y 3) desoxirribonucleótidos. Cada grupo puede subdividirse en vías que producen nucleótidos a partir de precursores simples (vías de novo) y otras que utilizan fragmentos de nucleótidos para volver a ensamblar los completos (vías de salvamento). Notablemente, las vías de síntesis de novo para todos los nucleótidos comienzan con la síntesis de ribonucleótidos. Los desoxirribonucleótidos se elaboran a partir de los ribonucleótidos.
Metabolismo de nucleótidos purinas
La síntesis de nucleótidos de purina por la vía de novo comienza con la adición de un pirofosfato al carbono 1 de ribosa-5-fosfato, creando fosforibosilpirofosfato (PRPP). La reacción es catalizada por PRPP sintetasa. Algunos numeran la vía metabólica de las purinas comenzando con la siguiente reacción. Por lo tanto, hemos dado a esta reacción el número de cero en la Figura 6.172.
En la siguiente etapa (reacción 1 en la Figura 6.172), el pirofosfato se reemplaza por una amina de glutamina en una reacción catalizada por la amidotransferasa PRPP (PPAT). El producto es 5-fosforribosilamina (5-PRA).
El PPAT es una enzima reguladora importante para la biosíntesis de purinas. Los productos finales de la vía, AMP y GMP inhiben la enzima y PRPP la activa. Curiosamente, la inhibición completa de la enzima requiere la unión tanto de AMP como de GMP.
La unión de solo uno de los dos nucleótidos permite que la enzima permanezca parcialmente activa para que se pueda sintetizar el nucleótido faltante. A través de esta enzima, se controlan las cantidades relativas de ATP y GTP.
La 5-PRA es químicamente muy inestable (semivida de 38 segundos a 37°C), por lo que se ha propuesto que se traslada directamente de la amidotransferasa de PRPP a la GAR sintetasa para la siguiente reacción.
En esta reacción (#2), se agrega glicina a la estructura de crecimiento por encima de la ribosa-5-fosfato para crear ribonucleótido de glicinamida (GAR). Esta reacción, que requiere ATP, es catalizada, como se señala, por la enzima GAR sintetasa.
En la reacción #3, se transfiere un grupo formilo al GAR a partir de N10-formil-tetrahidrofolato (N10-formil-THF o fTHF) mediante fosforribosilglicinamida formiltransferasa (GART).
A continuación, el oxígeno de doble enlace en el anillo es reemplazado por una amina en una reacción catalizada por fosforribosilformilglicinamidina sintasa (PFAS) que utiliza glutamina y produce glutamato. La reacción requiere energía del ATP (parte superior de la siguiente columna).
En humanos, la GAR sintetasa, fosforribosilglicinamida formiltransferasa y la enzima que cataliza la siguiente reacción (#5), las actividades de AIR sintetasa están todas en la misma proteína conocida como proteína biosintética de purina trifuncional adenosina-3.
En la reacción #6, se produce la carboxilación de AIR, catalizada por fosforribosilaminoimidazol carboxilasa (PAIC)
Luego se agrega ácido aspártico para donar su grupo amina y el fumarato se perderá en la reacción que sigue a este. La enzima involucrada aquí es fosforribosil-aminoimidazol-succinocarboxamida sintasa (PAICS)
En la siguiente reacción, se libera la capa de carbono del aspartato (como fumarato) y se deja atrás la amina. La reacción es catalizada por adenilosuccinato liasa (ADSL).
La reacción #9 implica otra reacción de formilación, catalizada por fosforribosilaminoimidazolcarboxamida formiltransferasa (ATIC-E1).
A continuación, la inosina monofosfato sintasa (ATIC-E2) cataliza la liberación de agua para formar la primera molécula clasificada como purina - monofosfato de inosina o IMP).
Aunque no aparece en el ADN, IMP sí ocurre, de hecho, en el anticodón de muchos ARNt donde su capacidad para emparejarse con numerosas bases es valiosa para leer el código genético.
IMP es un punto de ramificación entre vías que conducen a GMP o AMP. La vía a GMP procede a través de catálisis por IMP deshidrogenasa de la siguiente manera:
En el último paso de la síntesis de GMP, la GMP sintasa cataliza una transaminación para formar GMP usando energía de ATP.
La fuente de energía que es ATP tiene sentido, ya que la célula presumiblemente está produciendo GMP porque necesita nucleótidos de guanina. Si la célula es baja en nucleótidos de guanina, el GTP sería escaso.
Síntesis de nucleótidos de adenina
Sigue la síntesis de AMP a partir de IMP. Primero, la adenilosuccinato sintetasa cataliza la adición de aspartato a IMP, utilizando energía de GTP.
Luego, la adenilosuccinato liasa divide el fumarato para producir AMP.
En humanos, la proteína bifuncional de biosíntesis de purinas conocida como PURH contiene actividades de las dos últimas enzimas anteriores.
Abreviaturas utilizadas anteriormente
- PRPP = Fosforribosil Pirofosfato
- 5-PRA = 5-fosforribosilamina
- GAR = ribonucleótido de glicinamida
- FGar = Fosforribosil-N-formilglicinamida
- THF = Tetrahidrofolato
- FTHF = N10-formil-tetrahidrofolato
- FGaM = 5'-Fosforibosilformilglicinamidina
- AIR = 5-aminoimidazol ribotida
- CAIR = 5'-fosforribosil-4-carboxy-5-aminoimidazol
- SAICAR = Fosforribosilamino-imidazolesuccinocarboxamida
- AICAR = ribonucleótido de 5-aminoimidazol-4-carboxamida
- FAICAR = 5-formamidoimidazol-4-carboxamida ribotida
- IMP = monofosfato de inosina
Regulación
Vale la pena repetir que la síntesis de GMP a partir de IMP requiere energía de ATP y que la síntesis de AMP a partir de IMP requiere energía de GTP. Además, las enzimas que convierten IMP en intermedios en las vías AMP y GMP son inhibidas por retroalimentación por el nucleótido monofosfato respectivo. Así, la IMP deshidrogenasa es inhibida por GMP (producto final de la rama de la ruta) y la adenilosuccinato sintetasa es inhibida por AMP, el producto final de esa rama de la ruta.
Los niveles de nucleótidos de purina se equilibran mediante la regulación combinada de la amidotransferasa de PRPP, IMP deshidrogenasa, adenilosuccinato sintetasa y los nucleótidos AMP y GMP. La importancia del esquema regulatorio de las purinas se ilustra con dos ejemplos. Primero imagina que tanto AMP como GMP son abundantes. Cuando esto ocurre, la amidotransferasa del PRPP quedará completamente inhibida y no se producirá ninguna síntesis de purinas.
Actividad parcial
Los altos niveles de GMP y los bajos niveles de AMP resultarían en que la amidotransferasa de PRPP sea ligeramente activa, debido al hecho de que GMP llenará un sitio alostérico, pero los niveles bajos de AMP significarán que el segundo sitio alostérico probablemente estará sin llenar. Esta actividad disminuida (pero no completamente inhibida) de la amidotransferasa de PRPP permitirá una producción limitada de 5-PRA y el resto de los intermedios de la vía, por lo que permanecerá activa.
En la rama IMP, sin embargo, los altos niveles de GMP inhibirán la IMP deshidrogenasa, cerrando así esa rama y permitiendo que todos los intermedios se canalicen para hacer AMP. Cuando el nivel de AMP aumenta lo suficientemente alto, el AMP se une a la amidotransferasa de PRPP y junto con GMP, apaga la enzima. Se producirá una inversión si los niveles de AMP son altos, pero los niveles de GMP son bajos.
Equilibrio adecuado
Regulados de esta manera, los niveles de AMP y GMP pueden mantenerse en un rango de concentración bastante estrecho. Equilibrar adecuadamente los niveles de nucleótidos en las células es crítico. Es probable por esta razón que las células tengan numerosos controles sobre la cantidad de cada nucleótido hecho.
Otros mecanismos
Las células tienen otras dos formas de equilibrar los nucleótidos GMP y AMP. Primero, la enzima GMP reductasa convertirá GMP de nuevo a IMP usando electrones de NADPH.
El IMP, a su vez, puede entonces convertirse en AMP si su concentración es baja. Segundo, AMP se puede convertir de nuevo en IMP por la enzima AMP desaminasa. En este caso, el IMP se puede convertir entonces en GMP.
Es importante mantener proporciones adecuadas de los diferentes nucleótidos. El exceso o escasez de cualquier nucleótido de cualquier nucleótido puede resultar en una mayor tendencia a la mutación.
Para convertir AMP en ATP y GMP en GTP se requiere la acción de las enzimas cinasas. Cada forma de nucleótido monofosfato tiene su propio nucleósido monofosfato quinasa específico. Para los nucleótidos que contienen adenina (formas de ribosa y formas de desoxirribosa), la adenilato quinasa cataliza la reacción relevante.
La reacción de adenilato quinasa es reversible y se utiliza para generar ATP cuando la concentración de ATP de la célula es baja. Cuando el ATP se hace a partir de 2 ADP de esta manera, los niveles de AMP aumentan y esta es una forma en que la célula siente que es baja en energía.
Los monofosfatos de guanosina también tienen su propia quinasa y cataliza la reacción en la parte superior de la página siguiente.
Otras monofosfato quinasas para UMP y CMP usan ATP de manera similar.
Al pasar de la forma difosfato a la forma trifosfato, la imagen es simple: una enzima cataliza la reacción para todos los difosfatos (formas de ribosa y desoxirribosa). Se conoce como nucleósido difosfato quinasa o (más comúnmente) NDK o NDPK y cataliza reacciones de la forma
donde X e Y se refieren a cualquier base.
Reacciones de rescate de purina
No todos los nucleótidos de una célula están hechos desde cero. Las alternativas a las síntesis de novo son las vías de salvamento. Las reacciones de rescate para hacer nucleótidos de purina comienzan con la unión de ribosa a bases de purina usando fosforribosilpirofosfato (PRPP).
La enzima que cataliza esta reacción se conoce como hipoxantina/guanina fosforribosiltransferasa (HGPRT - Figura 6.175) y es interesante desde una perspectiva enzimática así como médica. Primero, la enzima es capaz de catalizar las dos siguientes reacciones importantes de salvamento: convertir la hipoxantina en IMP o la guanina en GMP.
El HGPRT es capaz de unirse a una variedad de sustratos en su sitio activo e incluso parece unirse a sustratos no naturales, como el aciclovir preferentemente sobre los naturales.
Perspectiva médica
Desde una perspectiva médica, la reducción en los niveles de HGPRT conduce a la hiperuricemia, una condición donde la concentración de ácido úrico aumenta en el cuerpo. La falta completa de HGPRT está relacionada con el síndrome de Lesch-Nyhan, una enfermedad rara y heredada en alta concentración de ácido úrico en todo el cuerpo se asocia con trastornos neurológicos acompañantes graves.
La producción reducida de HGPRT ocurre con frecuencia en los machos y tiene una consecuencia menor (gota) que la ausencia completa. Curiosamente, la gota se ha relacionado con una menor probabilidad de contraer esclerosis múltiple, lo que sugiere que el ácido úrico puede ayudar a prevenir o mejorar la enfermedad.
La expresión de HGPRT es estimulada por HIF-1, un factor de transcripción hecho en los tejidos cuando el oxígeno es limitante, lo que sugiere un papel para HGPRT bajo estas condiciones.
Salvamento de adenina
La enzima conocida como adenina fosforribosiltransferasa (APRT) cataliza la reacción correspondiente a HGPRT para rescatar bases de adenina.
Metabolismo de los nucleótidos de
La vía de novo para sintetizar nucleótidos de pirimidina tiene aproximadamente el mismo número de reacciones que la ruta de la purina, pero también tiene una estrategia diferente. Mientras que las purinas se sintetizaron unidas al azúcar ribosa, las bases de pirimidina se hacen aparte de la ribosa y luego se unen posteriormente.
La primera reacción es catalizada por carbamoilfosfato sintetasa (Figura 6.176).
Dos formas diferentes se encuentran en las células eucariotas. La forma I se encuentra en las mitocondrias y la forma II se encuentra en el citoplasma.
La reacción catalizada por carbamoilfosfato sintetasa es la etapa limitante de la velocidad en la biosíntesis de pirimidina y corresponde a la reacción 1 en la Figura 6.178.
Saldo
La enzima es activada por ATP y PRPP y es inhibida por UMP. Esto ayuda a equilibrar las concentraciones de pirimidina vs. purina. Las altas concentraciones de una purina (ATP) activan la síntesis de pirimidinas. El PRPP aumenta de concentración a medida que aumenta la concentración de purina, por lo que también ayuda a establecer ese equilibrio. UMP es un producto final del metabolismo de la pirimidina, por lo que el proceso es autolimitante. La siguiente enzima en la vía, la aspartato transcarbamilasa (ATCasa) también juega un papel en el mismo equilibrio, como veremos. La reacción que cataliza se muestra a continuación y es la reacción 2 en la Figura 6.178.
ATCasa es una enzima clásica que presenta regulación alostérica e inhibición por retroalimentación, que tiene efectores tanto homotrópicos como heterotrópicos (Figura 6.179 y ver AQUÍ). Con 12 subunidades (6 unidades reguladoras y 6 catalíticas), la enzima existe en dos estados: un estado T de baja actividad y un estado R de alta actividad. La unión del sustrato de aspartato al sitio activo desplaza el equilibrio a favor del estado R.
El aspartato es un efector homotrópico de la enzima, ya que actúa alostéricamente sobre la enzima y es un sustrato para ella también. De igual manera, la unión de ATP a las unidades reguladoras favorece al estado R, mientras que la unión de CTP a las unidades reguladoras favorece al estado T. ATP y CTP son efectores heterotrópicos de la enzima porque no son sustratos para ella, sino que actúan alostéricamente.
Regulación
Como se observó con la primera enzima de la vía, la alta concentración de nucleótidos de purina estimula la síntesis de pirimidinas y la alta concentración de pirimidinas desactiva la vía que las sintetiza.
La dihidroorotasa cataliza la reacción 3 y se encuentra en el citoplasma, al igual que ATCasa.
La reacción 4 ocurre en la mitocondria, por lo que el producto de la reacción 3, dihidroorotato, debe transportarse a la mitocondria desde el citoplasma. En la reacción 4, el dihidroorotato se oxida a orotato. La enzima que cataliza la reacción es la dihidroorotato deshidrogenasa.
La reacción #5, catalizada por orotato fosforribosil transferasa, implica la conexión de orotato a ribosa para producir un nucleótido-orotidina-5'-monofosfato (OMP).
Por último, OMP se convierte en uridina-5'-monofosfato (UMP) por acción de una fascinante enzima conocida como OMP descarboxilasa.
La OMP descarboxilasa se cita frecuentemente como un ejemplo de la increíble capacidad de una enzima para acelerar una reacción. La descarboxilación de OMP, si se permite proceder en ausencia de una enzima, toma alrededor de 78 millones de años. En presencia de OMP descarboxilasa, la reacción se lleva a cabo en 18 milisegundos, un incremento de velocidad de aproximadamente 1017. Sorprendentemente, la enzima logra esto sin ningún cofactor o coenzima de ningún tipo.
El mecanismo de acción de la enzima se muestra en la Figura 6.180. En mamíferos, las actividades de OMP descarboxilasa y orotato fosforribosil transferasa están contenidas en la misma proteína.
Una monofosfato quinasa (UMP/CMP quinasa) cataliza la conversión de UMP a UDP.
La misma enzima también fosforilará CMP a CDP y dCMP a dCDP. Al igual que la reacción de la adenilato quinasa, la reacción anterior, cuando se ejecuta en la dirección inversa, puede ser una fuente de ATP cuando la célula tiene poca energía.
El siguiente paso, catalizado por NDPK, utiliza la energía de cualquier nucleótido trifosfato (XTP) para producir UTP a partir de UDP.
CTP sintasa
UTP es el sustrato para la síntesis de CTP vía catálisis por CTP sintasa.
Esta enzima es inhibida por su producto, asegurando que no se haga demasiado CTP y se active por concentraciones fisiológicas de ATP, GTP y glutamina. Se ha demostrado que una isozima humana, CTPS 1, se inactiva por fosforilación por glucógeno sintasa quinasa 3.
La CTP sintasa tiene dos dominios y es un heterodímero (Figura 6.183). Existe como monómero inactivo a bajas concentraciones enzimáticas o en ausencia de UTP y ATP. Un dominio de la enzima escinde el grupo amina de la glutamina y lo transfiere internamente al UTP. El otro dominio (dominio sintasa) se une a ATP e inicia el mecanismo mostrado en la Figura 6.184 para hacer CTP.
El CTP es el único nucleótido sintetizado de novo directamente como trifosfato, ya que surge directamente de UTP. Dado que los desoxirribonucleótidos están hechos de ribonucleósidos difosfatos, significa que los nucleótidos de desoxicitidina deben hacerse preferentemente a partir de nucleótidos de rescate o CTP debe desfosforilarse primero.
Una enzima que puede hacer esto es una enzima unida a membrana conocida como apirasa, que convierte secuencialmente CTP en CDP y luego CMP.
Reacciones de rescate de pirimid
La síntesis de rescate de pirimidina permite a las células rehacer nucleótidos de trifosfato de pirimidina a partir de las bases de pirimidina C o U, nucleósidos o nucleótidos. Las figuras 1.85 y 6.186 representan las reacciones de la vía de salvamento. Como es evidente en la Figura 1.86, existen múltiples formas de hacer las mismas moléculas. Por ejemplo, el uracilo se puede convertir en uridina mediante la reacción 11 o por la reacción 12.
La figura representa no solo la síntesis de CTP y UTP a partir de componentes básicos, sino que también muestra cómo estos nucleótidos pueden dividirse en trozos más pequeños.
En muchos casos, la misma enzima actúa sobre las moléculas de citidina, uridina y desoxicitidina.
Enzimas de nota
Existen varias enzimas de interés en la vía de salvamento. Siete enzimas, por ejemplo, trabajan tanto en uracilo como citosina que contienen nucleósidos/nucleótidos. Estos incluyen NTP fosfatasa (reacción 2), NDPK (reacción 3), apirasa (reacción 4), NDP fosfatasa (reacción 5), UMP/CMP quinasa (reacción 6), 5' nucleotidasa específica de pirimidina (reacción 7) y uridina/citidina quinasa (reacción 8). Las enzimas para las reacciones 6 y 8 también pueden usar desoxirribonucleósidos/desoxirribonucleótidos como sustratos.
La citidina desaminasa (reacción #9) convierte la citidina en uridina al eliminar un grupo amina de la base de citosina y, por lo tanto, es un contador para la reacción UTP a CTP catalizada por CTP sintetasa. Las reacciones contrarrestadas permiten a las células equilibrar las concentraciones de nucleósidos/nucleótidos en cualquier dirección si se desequilibran.
Otras dos reacciones en la figura son dignas de mención. Tanto UTP como CTP se convierten en el proceso de descomposición a UMP y CMP, respectivamente. Ambas reacciones son importantes para el metabolismo de desoxirribonucleótidos. En cada caso, los derivados monofosfato se fosforilan, creando derivados de difosfato (UDP y CDP) que son sustratos para RNR que producen dUDP y dCDP, respectivamente. dUDP se fosforila a dUTP y luego se elimina pirofosfato por dUTPasa para producir dUMP. dUMP es un sustrato para la síntesis de timidina (ver AQUÍ). dCdP es convertido a dCTP por NDPK
Metabolismo de desoxirribonucleótidos
Los desoxirribonucleótidos, los bloques de construcción del ADN, están hechos casi exclusivamente a partir de ribonucleósidos difosfatos. Una sola enzima llamada ribonucleótido reductasa (RNR) es responsable de la conversión de cada una de estas a una forma desoxi (Figura 6.187). Los sustratos de la enzima son ribonucleósidos difosfatos (ADP, GDP, CDP o UDP) y los productos son desoxirribonucleósidos difosfatos (DAdP, dGDP, dCDP o dUDP). Los nucleótidos de timidina se sintetizan a partir de duDP
RNR tiene dos pares de dos subunidades idénticas: R1 (subunidad grande) y R2 (subunidad pequeña). R1 tiene dos sitios de unión alostéricos y un sitio catalítico. R2 forma un radical tirosina necesario para el mecanismo de reacción de la enzima.
Existen tres clases de enzimas RNR y difieren en la naturaleza o medios para generar un radical utilizado en el mecanismo catalítico de la enzima. Los RNR de clase I se encuentran en eucariotas, eubacterias, bacteriófagos y virus. Todos usan un centro de hierro ferroso que pierde un electrón (convirtiéndose en hierro férrico) para generar un radical libre en un anillo de tirosina. Estas enzimas sólo funcionan en condiciones aeróbicas.
Los RNR de Clase II utilizan 5'-desoxiadenosil cobalamina (vitamina B12) para generar un radical y trabajar en condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Se encuentran en eubacterias, arquebacterias y bacteriófagos. Los RNR de clase III generan un radical glicina usando S-adenosilmetionina (SAM) y un centro hierro-azufre. Funcionan en condiciones anaeróbicas y son utilizadas por arquebacterias, eubacterias y bacteriófagos. Los sustratos para enzimas de clase I son ribonucleósidos difosfatos. Las enzimas de clase II funcionan sobre ribonucleósidos difosfatos o ribonucleósidos trifosfatos. Las enzimas Clase III trabajan en ribonucleósidos trifosfatos.
En las enzimas de clase I, RNR es una enzima dimérica dependiente de hierro con cada unidad monomérica conteniendo una subunidad grande (conocida como α o R1) y una subunidad pequeña (conocida como β o R2). La subunidad R1 contiene sitios de unión reguladores para efectores alostéricos (ver más abajo), mientras que la subunidad R2 alberga un residuo de tirosina que forma un radical crítico para el mecanismo de reacción de la enzima. Los electrones necesarios en la reacción se transmiten del NADPH a la enzima por una de dos vías, reduciendo un enlace disulfuro en la enzima a dos sulfhidrilos. En el primer mecanismo de transferencia, el NADPH pasa electrones al glutatión, que los pasa a glutaredoxina, que luego los dona a la enzima RNR utilizada en la reacción. En el segundo mecanismo, el NADPH pasa electrones al FAD, que los utiliza para reducir la tiorredoxina, que luego pasa los electrones a RNR con el mismo resultado final que en la primera vía: reducción de un suflhidrilo en RNR.
En el mecanismo de reacción (Figura 6.188), una cadena lateral de tirosina en la unidad R2 debe radicalizarse para comenzar. Este cambio electrónico se transmite a través de la subunidad R2 pequeña al sitio activo de la subunidad R1 grande. Se cree que varias cadenas laterales de aminoácidos aromáticos juegan un papel en ese proceso. Los átomos de hierro en la subunidad R2 ayudan a la creación y estabilización del radical. El radical tirosina contiene un electrón desapareado deslocalizado a través de su anillo aromático.
La transferencia de la inestabilidad electrónica a la unidad R1 resulta en la radicalización de una cisteína (para formar un radical tiilo) en el sitio activo. El radical tiilo, así formado, abstrae un átomo de hidrógeno (protón más electrón) del carbono 3 de ribosa sobre el ribonucleósido difosfato unido, creando un átomo de carbono radical. La radicalización del carbono #3 favorece la liberación del grupo hidroxilo en el carbono #2 como agua. El protón extra proviene del sulfhidrilo de la cisteína de la enzima. En el siguiente paso del proceso, un protón y dos electrones de la misma cisteína se transfieren al carbono #2 y luego el carbono #3 recupera el protón originalmente retirado de él para producir un desoxirribonucleósido difosfato. El grupo tiilo de la enzima gana un electrón de R2 y el enlace disulfuro creado en la reacción debe ser reducido nuevamente por electrones del NADPH para catalizar nuevamente.
Regulación
Además del inusual mecanismo de reacción de RNR, la enzima también tiene un complejo sistema de regulación, con dos conjuntos de sitios de unión alostéricos, ambos encontrados en la subunidad R1. Debido a que una sola enzima, RNR, es responsable de la síntesis de los cuatro desoxirribonucleótidos, es necesario contar con mecanismos para asegurar que la enzima produzca la cantidad correcta de cada dNDP. Esta es una consideración crítica, ya que los desequilibrios en los precursores de ADN pueden llevar a la mutación.
En consecuencia, la enzima debe responder a los niveles de cada desoxirribonucleótido, haciendo selectivamente más de los que escasean, e impidiendo la síntesis adicional de los que son abundantes. Estas demandas se satisfacen al tener dos mecanismos de control separados sobre la enzima, uno que determina sobre qué sustrato se actuará, y otro que controla la actividad de la enzima.
Dos sitios alostéricos
La RNR se regula alostéricamente a través de dos sitios de unión molecular: un sitio de unión de especificidad (se une a los dNTP e induce cambios estructurales en la enzima que determina qué sustratos se unen preferentemente en el sitio catalítico y un sitio de control de actividad (controla si la enzima está activa o no). El sitio de control de actividad funciona como un simple interruptor de encendido/apagado: ATP activa la catálisis, dATP la inactiva. (Sin embargo, un subconjunto de enzimas de clase I no se ve afectado por dATP).
La inactivación de RNR por dATP es un factor importante en la enfermedad conocida como Enfermedad de Inmunodeficiencia Combinada Severa (SCID). En SCID, la enzima de rescate adenosina desaminasa es deficiente, lo que lleva a un aumento en la concentración de dATP en las células del sistema inmune. dATP apaga la RNR en estas células, deteniendo así su proliferación y dejando al individuo afectado con un sistema inmune muy débil o nulo.
Efectores alostéricos
Cuando el dTTP es abundante (Figura 6.189), se une al sitio de especificidad de RNR e inhibe la unión y reducción de CDP y UDP pero estimula la unión y reducción del GDP en el sitio activo de la enzima. Por el contrario, la unión de ATP o dATP en el sitio de especificidad estimula la unión y reducción de CDP y UDP en el sitio activo. Por último, la unión de dGTP al sitio de especificidad (sitio de especificidad B) induce la unión y reducción de ADP en el sitio activo.
Los estudiantes a veces confunden el sitio activo de RNR con el sitio de control de actividad (a veces llamado sitio de actividad). El sitio activo es donde se cataliza la reacción, y mejor podría llamarse el sitio catalítico, mientras que el sitio de actividad es un sitio de unión alostérico para ATP o dATP que controla si la enzima está activa. Los altos niveles de dATP son un indicador de que hay suficientes dNTP disponibles, por lo que la enzima se inhibe para detener la producción de más. Los bajos niveles de dATP permiten la unión de ATP y la activación de la enzima.
Además de la regulación por desoxirribonucleótidos y ATP, el RNR puede ser inhibido directamente por la hidroxiurea.
Síntesis de dTTP
La síntesis de dTTP por la vía de novo implica un proceso de múltiples etapas de UDP a dTTP. Comienza con UDP, que es convertido a dUDP por RNR. dUDP es fosforilado por NDPK para producir dUTP, que es rápidamente descompuesto por dUTPasa para producir dUMP. Las reacciones restantes se muestran en la Figura 6.190.
Las enzimas importantes en la ruta incluyen dUTPasa y timidilato sintetasa; dUTPasa es importante para mantener baja la concentración de dUTP para que no termine en el ADN. La ADN polimerasa puede usar dUTP tal como lo hace dTTP, e incorporarlo en una cadena de ADN, frente a los nucleótidos de adenina.
La timidilato sintetasa es importante porque es una diana (directa e indirectamente) para las terapias contra el cáncer. Como se muestra en la Figura 6.191, un grupo metilo de N5, N10-metileno-tetrahidrofolato (a menudo llamado tetrahidrofolato) se dona a dUMP, produciendo dTMP y dihidrofolato (DHF). Las moléculas de folato están en cantidades limitadas en las células y deben ser recicladas, porque si no lo son, entonces la reacción para hacer dTMP no puede ocurrir. El reciclaje de dihidrofolato a tetrahidrofolato ocurre por la reacción mostrada en la Figura 6.192.
La enzima implicada en la conversión de dihidrofolato a tetrahidrofolato, dihidrofolato reductasa (DHFR - Figura 6.192), es una diana de fármacos anticancerígenos ya que al detener la regeneración de tetrahidrofolato a partir de dihidrofolato (de otro modo un callejón sin salida), se puede detener la producción de nucleótidos de timidina y, como como resultado, detener la síntesis de ADN, evitando así que una célula cancerosa se divida. Los inhibidores competitivos de DHFR incluyen metotrexato (Figura 6.194) o aminopterina. Las células contienen numerosos folatos para realizar un metabolismo de carbono y las vías por las que se reciclan todas se muestran en la Figura 6.193.
5-fluorouracilo
Otro inhibidor importante de la síntesis de timidina se usa para tratar el cáncer. Este compuesto, 5-fluorouracilo (Figura 6.195 y Película 6.3) es un inhibidor suicida de la timidilato sintasa.
Síntesis de salvamento
Además de la síntesis a partir de precursores simples, los nucleótidos también se pueden hacer a partir de piezas de los existentes. Esto es particularmente relevante, ya que el consumo de alimentos introduce en el cuerpo una gran colección de proteínas, lípidos y ácidos nucleicos que se reciclan de manera más eficiente que degradados. Para las proteínas, el proceso es sencillo. La digestión los convierte en bloques constitutivos (aminoácidos) y estos se vuelven a ensamblar en proteínas del organismo consumidor usando el código genético.
Nucleótidos
La estructura multicomponente de los nucleótidos, aunque (base, azúcar, fosfato) significa que las subsecciones de los mismos pueden ser reutilizadas. El fosfato se recicla simplemente ingresando al charco de fosfato de la celda. Por lo general, se vuelve a formar trifosfato (en última instancia) mediante la fosforilación oxidativa y las acciones de cinasa. El salvamento de bases es diferente para purinas y pirimidinas y se discute por separado AQUÍ y AQUÍ.
Catabolismo de nucleótidos
Además de salvamento y ser incorporados en ácidos nucleicos, los nucleótidos también se pueden descomponer en moléculas componentes más simples. Algunas de estas moléculas, como el ácido úrico, pueden tener un impacto significativo en los organismos (ver AQUÍ).
Catabolismo de purina
La descomposición de los nucleótidos de purina comienza con nucleósidos monofosfatos, los cuales pueden producirse por descomposición de un ARN, por ejemplo, por una nucleasa (Figura 6.196).
Metabolismo de AMP y GMP convergen en xantina. Primero, el AMP es desfosforilado por nucleotidasa para crear adenosina, que luego es desaminada por adenosina desaminasa para producir inosina. Alternativamente, el AMP se puede desaminar por AMP desaminasa para producir IMP.
IMP es también un intermedio en la vía de síntesis para el anabolismo de purinas. La desfosforilación de IMP (también por nucleotidasa) produce inosina. La inosina tiene ribosa despojada de ella por la acción de la purina nucleótido fosforilasa para liberar hipoxantina. La hipoxantina se oxida a xantina en una reacción generadora de peróxido de hidrógeno catalizada por xantina oxidasa.
El catabolismo de GMP procede independientemente, aunque de manera similar. Primero, el fosfato se elimina por la nucleotidasa para producir guanosina. La guanosina se despoja de ribosa para producir guanina base libre, la cual es desaminada por la guanina desaminasa (también llamada guanasa) para producir xantina.
La xantina oxidasa entra en escena por segunda vez en la siguiente reacción catalizando una segunda reacción por un mecanismo similar a la oxidación de hipoxantina descrita anteriormente. Se muestra en la página siguiente.
Ácido úrico
El ácido úrico es problemático en algunos organismos superiores (incluidos los humanos) porque no es muy soluble en agua. Consecuentemente precipita de la solución, formando cristales (Figura 6.198). Esos cristales pueden acumularse en las articulaciones y (frecuentemente) en el dedo gordo del pie. Tal condición se conoce como gota.
Curiosamente, puede haber una correlación negativa entre la gota y la esclerosis múltiple contraída. Este efecto protector puede deberse a la protección antioxidante que brinda el ácido úrico. El ácido úrico es la principal forma de excreción de nitrógeno para las aves. Los perros de dalmación también excretan ácido úrico en lugar de urea y pueden sufrir dolor articular como resultado de afecciones similares a la gota.
La gota se trata con un análogo de hipoxantina conocido como alopurinol (Figura 6.199). Inhibe la acción de la xantina oxidasa, lo que favorece el aumento de la concentración de hipoxantina. Este último se utiliza en la síntesis de salvamento para hacer purinas adicionales.
El ácido úrico puede ser excretado en la orina (en humanos) o descompuesto en alantoína por la enzima uricasa. Dado que los humanos carecen de la enzima para producir alantoína (la urea en humanos es producida por el ciclo de la urea), su presencia en el cuerpo significa que fue producida por medios no enzimáticos. Esto se toma como un indicador de estrés oxidativo, ya que la alantoína se produce de forma no enzimática por oxidación del ácido úrico.
Catabolismo de pirimidina
El catabolismo de los nucleótidos de uridina y timidina se muestra anteriormente (Figura 6.200). El catabolismo de los nucleótidos de citidina procede a través de uridina por desaminación de citosina. Las bases libres, timina y uracilo, son liberadas por la enzima ribosilpirimidina nucleosidasa En la vía reductora, la reducción de uracilo y timina por NADPH da dihidrotimina y dihidrouracilo respectivamente. La adición de agua a estos crea 3-ureidoisobutirato y 3-ureidopropionato respectivamente. La hidrólisis de ambos intermedios produce ión amonio y dióxido de carbono (que se convierten en urea) más 3-aminoisobutirato para la vía de timina y β-alanina para el producto de la vía uracilo. El 3-aminoisobutirato se produce durante el ejercicio y activa la expresión de genes termogénicos en la grasa blanca celdas.
La β-alanina es un precursor limitante de la velocidad de carnosina, un dipéptido de histidina y β-alanina (Figura 6.201). La carnosina funciona como un antioxidante que elimina especies reactivas de oxígeno. También actúa como un agente antiglicante para prevenir contra la unión de moléculas de azúcar a las proteínas. Estos son factores en las enfermedades degenerativas y pueden jugar un papel en el envejecimiento.
Azúcares
Por último, pero no menos importante, los azúcares ribosa y desoxirribosa pueden reciclarse (ribosa) o catabolizarse (ribosa y desoxirribosa). En el caso de la ribosa, se puede volver a unir a bases mediante enzimas fosforilasa, como la uridina fosforilasa, o convertirse en PRPP para el mismo propósito, para crear nucleósidos. La ribose-5-fosfato es un intermedio en la vía de la pentosa fosfato, permitiendo que se convierta en otros azúcares o se descomponga en la glucólisis.
La desoxirribosa-5-fosfato se puede romper en dos pedazos por la desoxirribosa-5-fosfato aldolasa. Los productos de esta reacción son gliceraldehído-3-fosfato y acetaldehído. El primero se puede oxidar en la glucólisis y el segundo se puede convertir en acetil-CoA para su posterior metabolismo.