Metabolismo Ácidos Nucleicos SÍNTESIS DE PURINAS

Transcripción

1 Metabolismo Ácidos Nucleicos SÍNTESIS DE PURINAS

2 METABOLISMO ÁCIDOS NUCLEICOS

3 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.

4 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

5 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.

6 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.

7 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

8 Vías de salvamento

9 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

10 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

11 FOSFORILACIÓN DE LOS NUCLEOTIDOS MONOFOSFATOS GMP + ATP GMP + ATP Guanilato Cinasa GDP + ADP GDP + ADP AMP + ATP Adenilato Cinasa 2 ADP GDP + ATP GTP + ADP ΔG 0 = 0

12 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 CO 2, 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.

13 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.

14 En las células NO hay el análogo deoxirribosafosfato del PRPP, las enzimas anteriores NO participan directamente en el metabolismo de los desoxirribonucleotidos.

15 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

16 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

17 PRPP Amido Transferasa El paso limitante en la síntesis de novo de los nucleótidos de purina es la síntesis de la 5-fosforribosilamina 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

18 Transfiere glicina Se utiliza ATP Necesita como cofactor el 10-formil- THF. Se transfiere el grupo formilo

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

20 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

21 Inhibidores de la GLUTAMINA AMIDOTRANSFERASAS ATP ADP ACEPTOR

22 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.

23 Reacciones 4 y 5 Amidotransferasa Dependiente de ATP Cierre del anillo imidazol de la purina Dependiente de ATP 5 AIR Sintasa +H 2 O

24 REACCIÓN 6 Descarboxilación reversible No requiere biotina AIR carboxilasa

25 SAICAR Sintasa 7 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

26 Adenilo-succinato liasa 8.- Reacción de eliminación α,β que da lugar al AICAR 8

27 REACCIÓN 7 y 8 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

28 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 8 SAICAR carboxilasa 7

29 Reacción transformilasa Transferencia de un grupo formilo Reacción de condensación interna Produce el primer compuesto de PURINA

30 Interconversión de purinas, a partir del IMP

31 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

32 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

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35 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.

36 REGULACIÓN GMP inhibe la conversión de IMP a XMP AMP inhibe la síntesis de adenilosuccinato

37 DEGRADACIÓN DE PURINAS

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39 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.

40 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.

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42 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)

43 FORMACIÓN DEL ÁCIDO ÚRICO * * Abundante en Cerebro e Hígado de mamíferos

44 CATABOLISMO DEL ACIDO ÚRICO A AMONIACO Y CO2

45 TRANSTORNOS CLÍNICOS DEL METABOLISMO DE LAS PURINAS

46 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

47 Falta de inhibición por los nucleótidos de purina Falta de inhibición por los nucleótidos de purina ALOPURINOL, análogo estructural de la hipoxantina

48 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

49 SÍNDROME DE INMUNODEFICIENCIA COMBINADA GRAVE 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

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51 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