Biosíntesis de purinas.

Transcripción

1 Biosíntesis de purinas. Las primeras investigaciones de la biosíntesis de las purinas incluyeron un marcado isotópico. El ácido úrico fue la primera purina en ser descubierta. En 1776, Karl W. Scheele y Torbern Bergman demostraron que este compuesto está presente en la orina humana y en las piedras de la vejiga. Un siglo después, se descubrió que la mayor parte del nitrógeno ingerido por las gallinas adultas era excretado como ácido úrico. Los químicos del siglo diecinueve comprobaron que, en los pájaros y en muchos reptiles, el principal producto final del metabolismo del nitrógeno es el ácido úrico, análogo a la urea en el metabolismo de los mamíferos. En 1936,. A. Krebs (cuando no!) y sus colegas realizaron experimentos que sirvieron de base para la comprobación completa de la vía que produce los nucleótidos de purina. Demostraron que en las palomas, la incorporación de amoniaco ( 3 ) en ácido úrico se hace en dos etapas. rimero el amoniaco es incorporado en hipoxantina en el hígado. Enseguida, la hipoxantina es oxidada en el riñón a ácido úrico en una reacción catalizada por la xantina oxidasa. asta los años 50, muchos químicos consideraban que las purinas de los ácidos nucleicos provenían de una vía diferente a la usada por los pájaros, que forman la hipoxantina como un intermediario de la excreción de nitrógeno. o obstante, los experimentos con moléculas precursoras marcadas isotópicamente demostraron que las purinas de los ácidos nucleicos y el ácido úrico provenían de los mismos precursores y vías. Entonces, se utilizaron homogenados de hígado de paloma un tejido en el cual se sintetizan activamente las purinas como una fuente conveniente de enzimas para el estudio de las etapas en la biosíntesis de las purinas. La vía encontrada en el hígado de las aves también fue encontrada en otros organismos. En los años 40 se utilizaron isótopos de carbono y de nitrógeno para marcar compuestos sencillos como 13, 13 - (formiato), 13 []-glicina y 15 []-glicina, que fueron incorporados en los estudios metabólicos. Estos compuestos se administraron a palomas y ratas, y después de su incorporación y procesamiento metabólico, se aisló el ácido úrico excretado y se lo degradó químicamente para detectar la posición en el ácido úrico de los átomos marcados de carbono y de nitrógeno. Así pudo dilucidarse la procedencia de cada uno de los átomos del esqueleto básico de las purinas. El carbono del dióxido de carbono es incorporado en -6, el carbono del formiato en - y -8, el -1 provenía del aspartato, -3 y - 9, del nitrógeno amido de la glutamina y -4, -5, y -7, de la glicina. Glicina Aspartato Glutamina Formiato

2 omo ya dijimos, la biosíntesis de purinas se realiza sobre la ribosa-fosfato, por lo que en la primer reacción de esta ruta se requiere fosforribosil pirofosfato (R). or lo mismo, el producto final de esta ruta biosintética no es la base hipoxantina, sino su 5 -ribonucleótido, denominado inosina 5 -monofosfato (IM o inosinato). La hipoxantina detectada en el hígado de aves por Krebs y sus colegas se formó por la acción de las enzimas de degradación que catalizan la remoción de los grupos azúcar y fosfato de los nucleótidos. La vía de novo de la síntesis de la purina comprende una serie de intermediarios que contienen el azúcar unido a esqueletos incompletos de lo que finalmente constituirá el anillo básico de las purinas. Debido a su complejidad e inutilidad práctica nos abstendremos de incluir los nombres completos de cada uno de los intermediarios en esta ruta de síntesis. Sin embargo, sí nos detendremos en analizar sus estructuras químicas y las reacciones en las que intervienen. En la figura se ilustra la vía de novo para el IM, que es ensamblado en diez etapas (indicadas con los números en rojo). El orden en el cual los átomos son adicionados es el siguiente: -9 de glutamina; -4, -5 y -7 de glicina; -8 de 10- formiltetrahidrofolato; -3 de glutamina; -6 del, -1 de aspartato; - de l0- formiltetrahidrofolato. ótese que primero se completa el anillo imidazol de 5 átomos (etapa 5) y después la estructura del anillo de seis miembros (etapa 10). Explicaremos con detalle sólo algunas pocas etapas. La vía se inicia con el desplazamiento del grupo pirofosforilo de R por el nitrógeno amídico de la glutamina, reacción catalizada por la glutamina-r amidotransferasa (etapa 1 en la figura de más abajo). El grupo amino del producto fosforribosilamina, es entonces acilado por la glicina para formar glicinamida ribonucleótido (etapa ). El mecanismo de esta reacción, implica la formación de un intermediario glicil-fosfato, que finalmente permite incorporar el grupo glicina sobre el nitrógeno de la fosforribosilamina. Este mecanismo, se asemeja al de la glutamina sintetasa, la cual tiene al glutamil-fosfato como intermediario, antes de formar el enlace entre el glutamilo y el nitrógeno. Enseguida (etapa 3), un grupo formilo aportado por el 10-formiltetrahidrofolato es incorporado sobre el grupo amino destinado a convertirse en el -7 del IM. En la etapa 4, una amida es convertida en una amina, (R)- =, en una reacción dependiente de AT que requiere glutamina como el donador de nitrógeno. La enzima que cataliza esta etapa, una amidotransferasa, es inhibida irreversiblemente por los antibióticos que son análogos de la glutamina, por ejemplo, la azaserina y la 6-diazo-5-oxo-norleucina. Estos compuestos, reaccionan con un grupo sulfhidrilo de la enzima modificando, por una unión covalente, el sitio activo. La etapa 5 es una reacción de deshidratación que permite cerrar el anillo y requiere AT. En la etapa 6, el es incorporado fijándose en el carbono que se convertirá en el -5 de la purina. En algunos organismos, esta carboxilación es inusual ya que ni la biotina, ni el AT son necesarios. El -5 del anillo imidazol es un nucleófilo activado porque en parte es una enamina ( =), con el grupo que es análogo al grupo de un enol. El mecanismo por el cual este nucleófilo reacciona con el electrofílico se muestra en la siguiente figura. En las dos etapas que siguen (7 y 8), el grupo amino del aspartato es incorporado dentro del sistema anular de la purina en crecimiento. rimero, el aspartato se une al grupo carboxilo recientemente adicionado para formar una amida, específicamente una succinilcarboxamida. Entonces, una liasa, adenilosuccinato liasa, cataliza una reacción no hidrolítica de ruptura que libera

3 fumarato. Este proceso en dos etapas da como resultado la transferencia de un grupo amino que contiene el nitrógeno destinado a convertirse en -1 del IM. 5-fosfo-ribosil-1-pirofosfato R Gln Glicina 1 Glu AT AD + i 3 10-formiltetrahidrofolato Tetrahidrofolato Glu 4 Gln AD + i AT + 5 AT AD + i Apartato 6 7 AT AD + i 8 Inosina-5'-monofosfato IM 10 9 Tetrahidrofolato 10-formiltetrahidrofolato Fumarato

4 En la etapa 9, la cual se asemeja a la etapa 3, el 10-formiltetrahidrofolato dona un grupo formilo al grupo amino nucleófilo de la aminoimidazol carboxamida ribonucleótido. En la última etapa, 10, el nitrógeno amídico se condensa con el grupo formilo cerrando el anillo que completa el sistema purina del IM. La síntesis de novo de IM consume considerable energía. El AT es convertido en AM durante la síntesis del R. También las etapas, 4, 5 y 7 son dirigidas por la conversión de AT en AD. Si se analiza la síntesis de purinas desde la etapa inicial de la incorporación del 4 +, se requiere energía adicional del AT para la síntesis de glutamina a partir de glutamato y amoniaco. Síntesis del AM y GM. Estos nucleótidos se sintetizan a partir de IM, por medio de dos rutas diferentes. ada una de las rutas, requiere de dos reacciones enzimáticas. La biosíntesis de AM a partir de IM comprende dos etapas que se asemejan estrechamente a las etapas 7 y 8 de la biosíntesis de IM. rimero, el grupo amino del aspartato se condensa con el grupo ceto de IM en una reacción catalizada por adenilosuccinato sintetasa dependiente de GT (reacción 11). Entonces la eliminación de fumarato del adenilosuccinato es catalizada por adenilosuccinato liasa, la misma enzima que cataliza la etapa 8 de la vía de novo(reacción 1). En la biosíntesis de arginina en el ciclo de la urea participan etapas similares a estas reacciones de transferencia de amino. Inosina-5'-monofosfato IM Apartato GT 11 11' GD + i AD + AD + + En la conversión de IM en GM, el - es oxidado en una reacción que cataliza la IM deshidrogenasa (reacción 11 ). Esta reacción se efectúa por adición de una molécula de agua al doble enlace - = -3 y la oxidación del hidrato por AD +. El producto de la oxidación es xantosina monofosfato (XM). En seguida, en una reacción dependiente de AT, catalizada por la GM sintetasa, el nitrógeno amídico de la glutamina sustituye al oxígeno del - de XM (reacción 1 ). En esta Adenosil-succinato Xantosina-5'-monofosfato XM Gln 1 1' AT+ Fumarato Glu AM + i AT GT Kinasas Adenosina-5'-monofosfato AM Kinasas, Fosforilación oxidativa Guanosina-5'-monofosfato GM

5 etapa, el grupo ceto del - del XM se tautomeriza a enol antes de la transaminación. La síntesis de los nucleótidos de purina es regulada mediante retroinhibición. Diversas enzimas que catalizan las etapas de la biosíntesis de los nucleótidos de purina presentan, in vitro, un comportamiento cinético alostérico. La R sintetasa es inhibida por AM, GM e IM. La enzima que cataliza la primera etapa en la ruta de la síntesis de nucleótidos de purina, la glutamina-r amidotransferasa, también es inhibida alostéricamente por estos y otros nucleótidos purina. Las vías que van del IM al AM y del IM al GM también son reguladas por retroinhibición. La adenilosuccinato sintetasa es inhibida, in vitro, por el AM o por AT, productos finales de esta rama, y la IM deshidrogenasa es inhibida tanto por XM como GM. bsérvese que los productos finales inhiben tanto las etapas iniciales comunes como a las enzimas después del punto de ramificación. Además, el GT es sustrato en la síntesis de AM (etapa 11) y el AT es sustrato en la síntesis del GM (etapa 1 ), lo que permitiría equilibrar las concentraciones de nucleótidos de purina en la célula. Degradación de purinas. La degradación de purinas en primates, aves y reptiles origina ácido úrico. Aunque la mayor parte de las moléculas libres de purinas y pirimidinas se economizan, algunas moléculas son catabolizadas. Estas moléculas son originadas por un exceso de nucleótidos ingeridos o por el recambio intracelular (síntesis y degradación continuas), de los ácidos nucleicos. En las aves, los reptiles y los primates (incluyendo a los humanos), los nucleótidos de purina son convertidos en ácido úrico, el cual es excretado. ara las aves y los reptiles, el ácido úrico es también el producto de excreción para la eliminación del nitrógeno excedente proveniente del catabolismo de los aminoácidos, una función llevada a cabo por la urea en los primates. Las aves y los reptiles carecen de las enzimas que catalizan la degradación posterior del ácido úrico, pero muchos organismos degradan el ácido úrico a otros productos. En la figura de abajo se han resumido aquellas vías que van del AM y del GM al ácido úrico. La remoción hidrolítica de fosfato de AM y GM produce adenosina y guanosina respectivamente. La adenosina es desaminada a inosina por la acción de la adenosina desaminasa. De modo similar, AM se desamina a IM por la acción de la AM desaminasa. La hidrólisis de IM produce inosina, la cual puede ser convertida en hipoxantina por fosforólisis. La fosforólisis de la guanosina produce guanina. Ambas reacciones de fosforólisis (así como la fosforólisis de varios desoxinucleótidos) son catalizadas por nucleótido de purina fosforilasa y produce ribosa 1-fosfato (o desoxirribosa 1-fosfato), así como una base. La adenosina no es un sustrato de la purina nucleósido fosforilasa de mamíferos. La hipoxantina formada a partir de inosina, es oxidada a xantina y la xantina es oxidada a ácido úrico, el producto final de esta degradación. Las dos reacciones son catalizadas por la misma enzima, en algún caso interviene la xantina oxidasa y en otro la xantina deshidrogenasa. En la reacción catalizada por la xantina oxidasa, los electrones son transferidos al para formar peróxido de hidrógeno,. La xantina oxidasa, una enzima extracelular en los mamíferos, parece ser una forma alterada de la enzima intracelular xantina deshidrogenasa, la cual genera los mismos productos que la xantina oxidasa, pero transfiere los electrones al AD + para formar AD. Las actividades de estas dos enzimas se llevan a cabo ampliamente en la naturaleza y presentan una amplia especificidad de sustratos.

6 3 AM IM GM XM AM aminohidrolasa 5'-nucleotidasa Adenosina aminohidrolasa Adenosina Inosina Guanosina Xantosina 3 Ribosa-1 fosfato ipoxantina Xantina oxidasa + urina fosforilasa Ribosa-1 fosfato 3 Guanina Guanina aminohidrolasa Ribosa-1 fosfato Xantina Xantina oxidasa + Ácido úrico Sus sitios activos contienen sistemas de transferencia de electrones bastante complejos, que incluyen un centro de hierro-azufre, una molibdoproteína y FAD. En la mayoría de las células, la guanina es desaminada a xantina, en una reacción que es catalizada por la enzima guanasa (guanina aminohidrolasa) pero aquellos animales que no tienen esta enzima excretan guanina como producto de degradación de algunas purinas. or ejemplo, los cerdos excretan guanina, pero en cambio sí metabolizan la adenina hasta alantoína, el principal producto del catabolismo de las purinas en la mayor parte de los mamíferos. La gota es una enfermedad de los humanos causada por la sobreproducción o la excreción inadecuada del ácido úrico. El ácido úrico es relativamente insoluble, y cuando su concentración en la sangre es elevada, puede cristalizar en el cartílago

7 y los tejidos blandos, especialmente en el riñón, en los dedos de los pies y en las articulaciones. La gota tiene varias causas, entre ellas la deficiencia parcial en la actividad de la hipoxantina-guanina-fosforribosiltransferasa. Esta enzima es la que permite recuperar las bases púricas que se están degradando cuando llegan al nivel de hipoxantina o de xantina, o sea inmediatamente antes de su conversión en el producto final, el ácido úrico. Así en esta enfermedad se obtiene una recuperación menor de las purinas y una mayor producción catabólica de ácido úrico. La enfermedad, también puede ser causada por una regulación defectuosa de la biosíntesis de purinas. La gota puede ser tratada por la administración de alopurinol, un isómero posicional -7, -8, sintético de la hipoxantina. Debido a que el alopurinol es un inhibidor potente de la xantina deshidrogenasa, su presencia evita la formación de niveles anormalmente elevados de ácido úrico. La hipoxantina y la xantina son más solubles que el ácido úrico, y por consiguiente pueden ser excretadas. En la mayor parte de los organismos, el ácido úrico puede ser oxidado más tarde. La urato oxidasa cataliza la conversión, dependiente de, del ácido úrico a alantoína,, y. En este proceso, se abre el anillo de pirimidina del ácido úrico. La alantoína es el producto principal de la degradación de purinas en la mayor parte de los mamíferos (aunque no en los humanos, para quienes el producto final es el ácido úrico). También es excretado por las tortugas, algunos insectos, y los gastrópodos. La enzima alantoinasa cataliza la apertura hidrolítica del anillo imidazol de la alantoina para producir alantoato, la base conjugada del ácido alantoico. Algunos peces de espina (teleosteos) tienen actividad de alantoinasa, pero no pueden degradar el alantoato y por lo tanto excretan alantoato como el producto final de la degradación de purinas. Ácido úrico Urato oxidasa Alantoinasa Alantoicasa Ureasa Alantoína Ácido alantoico Glioxilato Urea + 3 La mayor parte de los peces, los anfibios y las moluscos de agua dulce son capaces de metabolizar el alantoato en una etapa más. Estas especies contienen la enzima alantoicasa, la cual cataliza la hidrólisis del alantoato a una molécula de glioxilato y dos moléculas de urea. Así, en estos organismos, la urea es el producto final del catabolismo de las purinas. Finalmente, diversos organismos que incluyen plantas, crustáceos, y muchos invertebrados marinos pueden hidrolizar la urea en una reacción que cataliza la ureasa. Los productos de esta reacción son dióxido de carbono y amoniaco. La ureasa se encuentra solamente en organismos en los cuales la hidrólisis de la urea no trae consigo la toxicidad del amoniaco. or ejemplo, en las plantas, el amoniaco generado a partir de la urea, es asimilado con rapidez por la acción de la glutamina sintetasa. En 1964, Michael Lesch y William yhan, describieron una enfermedad metabólica severa caracterizada por retardo mental, elasticidad semejante a parálisis, y una rara tendencia hacia la automutilación. Los individuos que padecen esta enfermedad, llamada síndrome de Lesch-yhan, raramente sobreviven a la infancia. Las características bioquímicas prominentes de la enfermedad son la

8 excreción de hasta seis veces la cantidad normal del ácido úrico y una velocidad muy aumentada para la biosíntesis de novo de purinas. La enfermedad es causada por una deficiencia hereditaria de la enzima hipoxantina-guaninafosforribosiltransferasa. Debido a que el gen para esta enzima está en el cromosoma X, la enfermedad está restringida usualmente a los varones. En lugar de ser convertidas a IM y GM respectivamente, la hipoxantina y la guanina son degradadas a ácido úrico. El R utilizado normalmente para economizar la hipoxantina y la guanina contribuye a la síntesis de novo de cantidades excesivas de IM, y el IM en exceso es degradado a más ácido úrico. o se conoce como este solo defecto enzimático causa los diversos síntomas de comportamiento. Los efectos catastróficos de la deficiencia indican que la vía de economía de purinas es más que el simple ahorro de energía adicional a las vías centrales de metabolismo de nucleótidos de purina. Degradación de pirimidinas. Las pirimidinas son catabolizadas a acetil oa y succinil oa. El catabolismo de los nucleótidos de pirimidina se inicia con la hidrólisis a los correspondientes nucleósidos y, catalizada por las 5 -nucleótido fosforilasas. Esta reacción y las reacciones subsiguientes del catabolismo de los nucleótidos de pirimidina se ilustran en la figura siguiente. En el caso de M, la hidrólisis inicial a citidina es seguida de desaminación a uridina es una reacción catalizada por la citidina desaminasa. Los enlaces glucosídicos de la uridina y la timidina son entonces rotos por fosforólisis en reacciones catalizadas por uridina fosforilasa y timidina fosforilasa, respectivamente. La desoxiuridina también puede experimentar fosforólisis catalizada por la uridina fosforilasa. Los productos de estas reacciones fosforolíticas son ribosa 1-fosfato o desoxirribosa 1-fosfato además de uracilo y timina.

9 M UM dum dm 3 itidina Uridina 'deoxiuridina 'deoxicitidina aminohidrolasa M fosforilasa AD + + AD + Ribosa-1 fosfato Uracilo Dihidrouracil deshidrogenasa deoxiribosa 1-fosfato Dihidrouracil hidrasa El catabolismo de la base de las pirimidinas produce intermedios del metabolismo central; así, no se forman productos de excreción distintos. La degradación de ambos, uracilo y timina comprende varias etapas. rimero, el anillo pirimidina es reducido a 5,6-dihidropirimidina en una reacción catalizada por la dihidrouracilo deshidrogenasa, una reductasa diferente de las que participan en la biosíntesis de novo. El anillo reducido es abierto por ruptura hidrolítica del enlace en una reacción catalizada por dihidropirimidinasa. El derivado resultante es un beta aminoácido sustituido o un -carbamoil-β-aminoácido (ureidopropianato o ureidoisobutirato) que es hidrolizado a 4 +, 3 - y un β-aminoácido. La β-alanina y el β-aminoisobutirato (proveniente de la timina) se pueden convertir en acetil oa y succinil oa, respectivamente, las cuales pueden entrar en el ciclo del ácido cítrico y ser convertidas en otros productos. En las bacterias, la β-alanina se puede utilizar en la síntesis de pantotenato, un constituyente de la coenzima A. β-ureido propionasa Dihidrouracilo β-ureidopropionato β-alanina + + 3