7.2: Síntesis de nucleótidos
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Los nucleótidos son los bloques de construcción fundamentales esenciales para la síntesis de ADN y ARN. Cada nucleótido contiene tres grupos funcionales: un azúcar, una base y un fosfato (figura 7.4).
Los nucleótidos se pueden dividir en dos grupos: pirimidinas y purinas. La familia de las pirimidinas incluye timina (T), citosina (C) y uracilo (U), que solo se incorpora al ARN. Estos compuestos contienen una base nitrogenada de un solo anillo que se empareja con una contraparte nucleotídica de purina. La timina se empareja con adenina formando dos enlaces de hidrógeno, en contraste con la citosina, que se empareja con guanina para formar tres enlaces de hidrógeno. Las purinas, tanto guanina (G) como adenina (A), son estructuras de doble anillo y más difíciles de descomponer en el cuerpo. Como tal, la vía de salvamento para el metabolismo de las purinas es de importancia (figura 7.5).
A continuación se describirá la síntesis de nucleótidos, pero uno de los requisitos fundamentales de la síntesis de purinas o pirimidinas es la necesidad de un azúcar de cinco carbonos (ribosa). Este azúcar se genera a través de la oxidación de glucosa a través de la vía de pentosa fosfato
Para la síntesis de purinas, la base se sintetiza y se une al azúcar, mientras que para la síntesis de pirimidina, el grupo de azúcar se agrega después de que se produce la base. En cualquier caso, la ribosa es el azúcar agregado, y este debe convertirse a la forma de desoxirribosa antes de que las bases puedan usarse para la síntesis de ADN.
Conversión de nucleótidos de ribosa en desoxirribosa
Todas las bases se sintetizan en forma de ribosa y se utilizan directamente para la transcripción. Se pueden convertir a la forma desoxídica, que es necesaria para la replicación del ADN. La enzima, ribonucleótido reductasa, convierte la forma difosfato de una base de ribosa en la forma desoxibase. La enzima tiene dos sitios de regulación: un sitio de actividad enzimática y un sitio de especificidad de sustrato. El sitio de actividad enzimática debe tener ATP/ADP unido para que la enzima sea activa, mientras que el sitio de especificidad de sustrato se unirá a diferentes nucleótidos influyendo en la preferencia de sustrato enzimático, alterando por lo tanto en qué base se está actuando dependiendo de las necesidades celulares.
Generación de 5-fosforribosil-1-fosfato (PRPP)
La ribosa 5-fosfato no se usa directamente para la síntesis de purina ni pirimidina, sino que se usa para sintetizar la “pentosa activa” — 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP). La conversión es catalizada por la enzima fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP) sintasa. El PRPP es el azúcar activado de cinco carbonos utilizado para la síntesis de nucleótidos y proporciona tanto el grupo azúcar como el fosfato a los nucleótidos (figura 7.6).
Regulación de PRPP sintasa
La enzima, PRPP sintetasa, es activada por Pi (fosfato inorgánico) e inhibida por las bases purinas adenina y guanina.
Síntesis de purinas
Las purinas están compuestas por una estructura bicíclica que se sintetiza a partir de carbono y nitrógeno donados a partir de diversos compuestos como dióxido de carbono, glicina, glutamina, aspartato y tetrahidrofolato (TH 4). La síntesis de purinas comienza con la síntesis de 5ʼfosforribosilamina a partir de PRPP y glutamina. La enzima glutamina fosforribosilpirofato amidotransferasa (GPAT) cataliza esta reacción y es el paso comprometido en la síntesis de purinas (figura 7.7). La síntesis continúa por nueve etapas adicionales culminando en la síntesis de monofosfato de inosina (IMP), que contiene la base hipoxantina. IMP se utiliza para generar AMP y GMP. La síntesis de AMP y GMP requiere energía en forma de base alternativa (es decir, la síntesis de GMP requiere ATP mientras que la síntesis de AMP requiere energía en forma de GTP). La síntesis de AMP y GMP está regulada por la inhibición de retroalimentación (figuras 7.7 y 7.8). Esto permite el mantenimiento de nucleótidos en una proporción relativa que se requiere para los procesos celulares. Los nucleótidos monofosfatos generados pueden convertirse a las formas di y trifosfato mediante quinasas específicas de nucleótidos, que transferirán grupos fosfato para mantener un equilibrio de las formas mono, di y trifosfato.
Regulación de la síntesis de purinas
La enzima reguladora GPAT es activada alostéricamente por PRPP e inhibida por IMP, AMP y GMP. Los tres deben estar presentes para inhibir la actividad de esta enzima.
Degradación de purinas
Al igual que los aminoácidos, los nucleótidos contienen nitrógeno y deben degradarse de manera que permita la eliminación adecuada del nitrógeno ya sea a través del ciclo de la urea o por la síntesis de un compuesto no tóxico.
La degradación de los nucleótidos de la dieta ocurre en el intestino, mientras que los nucleótidos de la síntesis de novo se degradan en el hígado. El proceso fundamental implica el desmantelamiento de la estructura de azúcar, fosfato y base en sus propias unidades respectivas (figura 7.9). En el caso de la degradación de purinas, la base se excreta en forma de ácido úrico. La purina nucleósido fosforilasa convierte la inosina y guanosina en sus respectivas bases (hipoxantina y guanina). Finalmente, la xantina oxidasa oxidará la hipoxantina a xantina (la guanina se puede desaminar a xantina), y la xantina puede oxidarse adicionalmente a ácido úrico por la misma enzima. El ácido úrico se excreta en la orina.
El exceso de ácido úrico, hiperuricemia, puede causar la precipitación de cristales de ácido úrico en las articulaciones provocando una reacción inflamatoria que causa dolor agudo o gota. La mayoría de los individuos diagnosticados con gota se presentan debido a la subexcreción de ácido úrico. Y esto puede ser causado por la presencia de otras patologías, como la acidosis láctica o el uso de diuréticos. Las presentaciones menos comunes de gota se asocian con la sobreproducción de ácido úrico, la cual puede ser causada por un aumento de la actividad de PRPP sintetasa o deficiencia en la enzima de reciclaje de purinas HGPRT causada por el síndrome de Lesch-Nyhan (figura 7.10).
La hiperuricemia secundaria también se observa en individuos con trastornos mieloproliferativos sometidos a terapia donde existe un exceso de recambio celular (la lisis celular conduce a una acumulación de nucleótidos) o en casos de enfermedad de Von Gierke o intolerancia a la fructosa, lo que aumenta el sustrato para la síntesis de PRPP. Los inhibidores de la xantina oxidasa, como el alopurinol, se utilizan como parte del manejo de la gota.
Salvamento de purinas
La capacidad de reciclar nucleótidos es específicamente importante en el caso de las purinas ya que la síntesis de novo utiliza mucho más ATP que salvamento. El producto de degradación de las bases de purina es el ácido úrico, que es un compuesto insoluble, y la acumulación puede dar lugar a varios trastornos clínicos como se discutió anteriormente. Como tal, las bases de purina también pueden sufrir una reacción de rescate donde las bases se reciclan y se utilizan en un nuevo proceso. Para reducir la cantidad de producción de ácido úrico, las purinas pueden ser rescatadas y reconvertidas de nuevo a su forma de trifosfato para ser reutilizadas. Hay dos enzimas primarias involucradas en la vía de salvamento: adenina fosforribosiltransferasa (APRT) y xantina-guanina fosforribosiltransferasa (HGPRT) (figura 7.10). Estas enzimas recombinarán la base (ya sea adenina, guanina o hipoxantina) con PRPP para generar AMP, GMP o IMP respectivamente. La adenosina es el único nucleósido que puede refosforilarse a su forma de monofosfato usando adenosina quinasa (figura 7.11). Todos los demás nucleósidos deben degradarse a su base libre antes de que puedan ser rescatados.
Síntesis de pirimidinas
A diferencia de la síntesis de purinas, las bases de pirimidina se sintetizan antes de agregar los grupos de azúcar ribosa y fosfato en forma de PRPP (figura 7.12). El paso inicial de las vías implica la síntesis de fosfato de carbamoil a partir de glutamina, dióxido de carbono y 2 ATP. La carbamoil fosfato sintetasa II (CSPII) cataliza esta reacción. (Obsérvese que hay una enzima análoga en las mitocondrias para el ciclo de la urea denominada carbamoil fosfato sintetasa I, que también genera carbamoil fosfato). De importancia clínica es el orotado intermedio. Las elevaciones del orotato (ácido orótico) son consistentes con deficiencias enzimáticas en esta vía o deficiencias del ciclo de la urea como un defecto en la ornitina transcarbamilasa. En el caso de una deficiencia del ciclo de la urea, un exceso de fosfato de carbamoil puede ingresar a la síntesis de pirimidina conduciendo a una acumulación de orotato. Después de la síntesis de fosfato de carbamoil, una serie de reacciones posteriores producen monofosfato de uracilo, que es el intermedio de la síntesis de pirimidina.
UMP, al igual que IMP, sirve como intermedio para la síntesis de pirimidina y puede sufrir fosforilación secuencial para formar UTP, que puede convertirse en citidina (CTP). Alternativamente, UMP puede convertirse en una forma desoxi (dUDP) para ser utilizada como sustrato para la síntesis de timidina. La conversión de dUDP a dTMP es catalizada por timidilato sintasa, la cual requiere folato (N5, N10 metilen tetrahidrofolato) como donante de metilo e hidrógeno para completar esta conversión (figura 7.13).
Los defectos en la síntesis de pirimidina se presentan con mayor frecuencia como un aumento del ácido orótico en la orina. Las deficiencias en la unión de PRPP al orotato (o la descarboxilación del monofosfato de orotato) pueden resultar en la acumulación de ácido orótico; de manera similar, las deficiencias del ciclo de la urea, que conducen a una acumulación de fosfato de carbamoil, pueden aumentar el flujo a través de la síntesis de pirimidina y provocar un aumento en ácido orótico. La acumulación de ácido orótico se utiliza como indicador clínico de deficiencias de pirimidina o deficiencias en el ciclo de la urea.
Regulación de la síntesis de pirimidina
La reacción catalizada por CSPII es la etapa reguladora en la ruta y es activada por PRPP y ATP e inhibida por UTP.
Importancia clínica de los inhibidores del ciclo del folato y síntesis de dTMP
La síntesis de dTMP para la síntesis de ADN es el paso limitante de la velocidad para el proceso de replicación y, por lo tanto, la interrupción de esta conversión es muy efectiva para reducir la proliferación celular. La inhibición de la timidilato sintasa por 5-fluorouracilo (5-FU) es un tratamiento anticanceroso común. El 5-FU funciona como un análogo de timina y se unirá irreversiblemente a la enzima. De manera similar, el metotrexato es un inhibidor de la dihirofolato reductasa (DHFR), que forma parte del ciclo de folato necesario para reducir el dihidrofolato a tetrahidrofolato. La inhibición de este proceso reduce el sustrato necesario para la reacción de timidilato sintasa y tiene un efecto similar al de la inhibición de por 5-FU (figura 7.13).
Resumen de la regulación de vías
| Vía metabólica | Enzima reguladora principal | Efectores alostéricos | Efectos hormonales |
|---|---|---|---|
| Síntesis de pirimidina | CPSII | PRPP, ATP (+), UTP (-) | Ninguno |
| Síntesis de purina | PRPP sintetasa | Pi (+), Bases purinas (-) | Nota: La PRPP sintetasa es necesaria tanto para la síntesis de purina como de pirimidina |
| GPAT | PRPP (+), IMP, AMP, GMP (-) |
Cuadro 7.2: Resumen de la regulación de vías.
Referencias y recursos
Texto
Ferrier, D. R., ed. Opiniones ilustradas de Lippincott: Bioquímica, 7a ed. Filadelfia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins, 2017, Capítulo 13: Vía de Pentosa Fosfato y NAPDH, Capítulo 22: Metabolismo de nucleótidos.
Le, T. y V. Bhushan. Primeros Auxilios para el USMLE Paso 1, 29a ed. Nueva York: McGraw Hill Education, 2018, 35—37, 79.
Lieberman, M., y A. Peet, eds. Bioquímica Médica Básica de Marks: Un Enfoque Clínico, 5ª ed. Filadelfia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins, 2018, Capítulo 27: Vía de pentosa fosfato, Capítulo 39: Síntesis de purina y pirimidina.
Figuras
Gris, Kindred, Figura 7.5 Visión general de las bases de purina y pirimidina. 2021. Estructura química de Henry Jakubowski. https://archive.org/details/7.5_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.6 Síntesis de PRPP y regulación de PRPP sintetasa. 2021. https://archive.org/details/7.6_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.7 Descripción general de la síntesis de purinas. La reacción catalizada por GPAT es la enzima reguladora de la vía. 2021. https://archive.org/details/7.7_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.8 Síntesis de purinas y regulación de glutamina:fosforribosilpirofosfato amidotransferasa. 2021. https://archive.org/details/7.8_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.9 Desglose de nucleótidos. 2021. https://archive.org/details/7.9_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.10 Salvamento de base nucleotídica. La reacción catalizada por HGPRT es clínicamente relevante ya que las deficiencias pueden causar acumulación de ácido úrico. 2021. https://archive.org/details/7.10_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.11 Vías específicas de nucleótidos para el salvamento de bases. 2021. https://archive.org/details/7.11_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.12 Visión general de la síntesis de pirimidina. La reacción catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa I es la enzima reguladora de la vía. 2021. https://archive.org/details/7.12_20210926. CC BY 4.0.
Gris, Kindred, Figura 7.13 Interacción de la síntesis de timidilato con el ciclo de folato. SHMT: Serina hidroximetiltransferasa; DHFR: Dihidrofolato reductasa. 2021. https://archive.org/details/7.13_20210926. CC BY 4.0.
Lieberman M, Peet A. Figura 7.4 Estructura básica de los nucleótidos. Adaptado bajo Uso Justo de la Bioquímica Médica Básica de Marks. 5a Ed. pp 216. Figura 12.3 Estructuras nucleosídicas y nucleotídicas mostradas con ribosa como azúcar. 2017. Estructura química de Henry Jakubowski.