Reacciones comunes en el metabolismo.

Transcripción

1 eacciones comunes en el metabolismo. 1. Deshidrogenasas a. Dependientes de niacina Existen dos coenzimas derivadas de la vitamina niacina, El AD y el AD, Ambas son importantes transportadores de electrones, el AD generalmente asociado a reacciones degradativas mientras que el AD generalmente asociado a reacciones biosintéticas. de alcohol a ceto AD AD AD AD En la oxidación de alcohol a ceto, en general la coenzima interviniente es el AD. Ejemplo: Lactato deshidrogenasa, alcohol deshidrogenasa de aldehido a ácido i i AD AD AD AD AD AD AT AT La oxidación de aldehídos a ácidos carboxílicos se realiza utilizando un par de etapas que incluyen la conservación de parte de la energía asociada con la oxidación en la forma de un enlace fosfoanhidro en el AT. Ejemplo: gliceraldehido-- deshidrogenasa. desaminación oxidativa del glutamato: AD AD glutamato α-cetoglutarato

2 Isomerizaciones asociadas a deshidrogenasas La isomería del carbono que se oxida pasa de tetraédrica o sp4 en el alcohol a planar o sp2, en el aldehido. or ello, algunas reacciones de isomerización (por ejemplo en la reacción clave de AD AD UD-Glucosa 4-epimerasa UD-Glucosa AD AD 2 2 Intermediario oxidado 2 2 UD-Galactosa la epimerización entre glucosa y galactosa) utilizan un mecanismo en el cual se obtiene un intermediario de reacción oxidado (y planar) que puede ser convertido en alguno de los dos epímeros dependiendo del plano desde donde se porduzca el ataque para regenerar el grupo alcohólico. b. Dependientes de ivoflavina Dos derivados de esta vitamina (B2) actúan como cofactores, el flavin mononucleótido (FM) y el flavin adenin dinucleótido (FAD). Ambas coenzimas contienen un anillo de isoaloxacina que funciona como sitio funcional. En realidad el FM, no es un verdadero nucleótido, sino un derivado reducido de estos, ya que el anillo de isoloxacina no está unido a un azúcar sino al polialcohol ribitol (obtenido por reducción del 1 de la ribosa). En general las coenzimas se encuentran unidas por enlaces no covalentes a las enzimas aunque hay algunos casos donde se encuentran enlazadas covalentes. La importancia bioquímica de estas coenzimas reside en su versatilidad redox, incluyendo transferencias electrónicas y la activación del 2 molecular para reacciones de oxigenación. Una manifestación especialmente importante de su versatilidad redox es su capacidad de servir como punto de enlace entre las transferencias electrónicas de a dos electrones por vez (como usualmente ocurren en el metabolismo citosólico) y las transferencias electrónicas de a un electrón por vez (que predominan en los transportadores asociados a membranas). Así, las flavinas son utilizadas en una variedad de reacciones redox en las células, entre ellas: Deshidrogenasas Estas enzimas no usan 2 como aceptor electrónico, los ejemplos más clásicos son la succinato deshidrogenasa que transfiere los e- a las quinonas y la acil-oa deshidrogenasa que transfiere electrones al AD. En general estas son reacciones asociadas a enzimas de membrana y el aceptor de los electrones de las flavinas es la oenzima Q como por ejemplo en la succinato deshidrogenasa.

3 Q 2 Q E-FAD E-FAD 2 E-FAD E-FAD 2 sp sp 2 Q Q 2 xidasas Estas enzimas tienen como aceptor final al 2, y lo convierten en 2 o 2 2. Esta última es finalmente descompuesta en 2 y ½ 2 por acción de otra enzima asociada con la función oxidasa, la catalasa. Una característica general de las oxidasas es que, cuando un sustrato orgánico se oxida, el oxígeno agregado no proviene del 2 sino del 2. Muchas de las oxidasas son flavoproteinas, asociadas al FAD o al FM. La reacción de la citocromo oxidasa dentro del complejo IV de la cadena de transporte mitocondrial, es un ejemplo del primer tipo, mientras que las aminoácido oxidasas, enzimas que catalizan la desaminación oxidativa de los L- y D- aminoácidos, catalizan reacciones del segundo tipo. 2 2 E-FM E-FM 2 E-FM 2 2 E-FM 2 2 xigenasas Estas enzimas también producen la reacción del sustrato con 2. Sin embargo, a diferencia de las oxidasas, en este caso uno o los dos átomos del 2 terminan incorporados en el sustrato que se oxida. De acuerdo a cuantos átomos de oxígeno incorporan, se clasifican en monooxigenasas o dioxigenasas. Monooxigenasas En estas enzimas el 2 puede actuar como aceptor final. Uno de sus átomos queda unido al sustrato mientras que el otro se transforma en 2. or ejemplo la lactato oxidasa cataliza la reacción: E-FM lactato E-FM AD 2 AD 2 2 salicilato

4 La salicilato oxidasa es una enzima múltiple en la que el oxígeno, además de oxidar al substrato, también oxida al AD. Dioxigenasas El oxígeno molecular también sirve como aceptor final de la transferencia electrónica de las dioxigenasas. Estas enzimas catalizan reacciones redox más complejas en las que están involucradas, además de los nucleótidos de flavina y el 2, varios componentes redox como iones metálicos y centros de Fe-S. or ejemplo, la triptofano-2,-dioxigenasa, una enzima que participa en la ruta de catabolismo del triptofano, permite la apertura del anillo de cinco átomos del aminoácido 2 Triptofano 2 2 Triptofano-2,-dioxigenasa 2 2 -formilkinureina 2. Transferasas a. Transferasas de grupos de un carbono Que utilizan Folato La vitamina ácido fólico es el precursor de la familia de las coenzimas del tetrahidrofolato. Estas moléculas sirven como cosubstratos más que como grupos prost'éticos fuertemente unidos, en reacciones que implican la transferencia de unidades de un carbono.las unidades de un carbono son en generla derivados de formaldehido o del formiato. El formaldehido es altamente reactivo y potencialmente tóxico. or el contrario, en comparación el formiato es prácticamente no reactivo. Estas coenzimas mantienen a estos sustratos en una forma en la que ellos se encuentran suficientemente activados para ser utilizados en reacciones metabólicas pero no tanto como para que llegaran a ser tóxicos. La lista siguiente indica los miembros de esta familia de coenzimas junto con la actividad asociada a cada uno de ellos: 1. Tetrahidrofolato es activado por la reacción con formiato y AT para convertirlo en 10 - formiltetrahidrofolato. En esta molécula el elemento de un carbono activado posee un estado de oxidación de 2, idéntico al que poseía como formiato, ya que lo único que se produjo es el intercambio de una unión - (en el formiato) por una unión - (en la coenzima). tra reacción importante por la que se 2. El 10 -formiltetrahidrofolato actúa como un donor de grupos formilo. Esta molécula es interconvertible con el metenil-tetrahidrofolato por medio de la acción de la ciclohidrolasa.. El metilen-tetrahidrofolato es un donor de grupos hidroximetilos en una gran variedad de reacciones pero también actúa como donor de grupos metilo para la timidilato sintasa que cataliza la metilación del dum para obtener el dtm ( en esta reacción el folato es oxidado a dihiro folato el cual debe ser reducido por AD para obtener la coenzima en su estado activo). El metilen-tetrahidrofolato puede ser obtenido ya sea por la reducción del metenil-tetrahidrofolato utilizando AD o por la reacción de la serina hidroximetil transferasa : serina tetrahidrofolato glicina metilen-tetrahidrofolato.

5 4. el 5 -metil-tetrahidrofolato, puede ser obtenido por reducción del metilentetrahidrofolato y es utilizado como donor de grupos metilo para la reacción de metilación del sulfidrilo de la homocisteína para sintetizar metionina formimino-tetrahidrofolato Estado de oxidación de la unidad de un carbono formil-tetrahidrofolato 2 iclohidrolasa , 10 -metenil-tetrahidrofolato ácido fórmico 2 5 Tetrahidrofolato Serina-hidroximetil Transferasa Serina (Glu) n 5, 10 -metilen-tetrahidrofolato deshidrogenasa Glicina 2 AD AD , 10 -metilen-tetrahidrofolato AD formaldehido 5, 10 -metilen-tetrahidrofolato reductasa AD metil-tetrahidrofolato metanol b. que transfieren grupos aldehido o cetona a. Dependientes de Tiamina pirofosfato (T) El T es un derivado fosforilado de la vitamina B1 o tiamina. Las reacciones en las que interviene la tiamina pirofosfato como cofactor involucran la ruptura o la formación de enlaces - de uno de estos dos tipos: a. 1 1 b

6 Si 1 es un, la molécula señalada en a es un α-cetoácido y la reacción involucrada es una descarboxilación, como por ejemplo la del piruvato (2 = ). omo regla general en la descarboxilación de α-cetoácidos la coenzima asociada a la enzima es la tiamina pirofosfato. El carbono carboxílico se oxida a 2 y el carbono carbonílico se reduce a aldehido. En todo caso, siempre es necesario la presencia de un carbono unido a un oxhidrilo, adyascente a un carbono carnonílico. El mecanismo de reacción involucra la formación y la estabilización de un carbanión sobre el grupo que se une a la coenzima, según el siguiente esquema: E 1 -B : S 1 E 1 -B- S 2 1 E 1 -B : 2 S S S En la transcetolasa se transfiere entre dos moléculas el grupo - 2. El al que estaba unido el grupo normalmente es un y queda oxidado a aldehido. El carbono receptor, normalmente es un aldehido y queda convertido en un b. on mecanismo de catálisis ácido-base Las Aldolasas o transaldolasas pertenecen a este grupo. El mecansimo de catálisis no requiere de ningún cofactor y los aminoácidos del sitio activo que particpan de la reacción corresponden a aquellos que pueden poseer ácidos o bases conjugados. Estas enzimas son muy específicas para sustratos cuya estructura es equivalente a la estructura de los tres o cuatro primeros átomos de la fructosa.

7 Transaldolasa 2 -X Transaldolasa X :B 2 X _ 2-2 gliceraldehido--fosfato B 2-2 Eritrosa-4-fosfato 2 X :B Fructosa-6-fosfato 2-2 Sedoheptulosa-7-fosfato Aldolasa Esta enzima reconoce el extremo de una molécula de azúcar (o similar) que cotenga un derivado de la hidroxiacetona. ompen o forman un enlace - entre un resto de (hidroxiacetona fosfato) y liberan (o unen) el resto de la molécula en la que el 1 (que antes tenía un oxhidrilo) será un aldehido por medio de una catálisis ácido-base similar a la anteriormente mostrada. 2 2 Aldolasa c. Acil transferasas a. que utilizan oenzima A (oas). La mayoría de las acil transferasas son de este tipo. Un ejemplo es la enzima glutamato-acetil transferasa que permite incorporar un grupo acilo sobre el nitrógeno alfa del glutamato para protegerlo de la ciclación en etapas posteriores en la ruta de síntesis de arginina. La oas es el derivado más importante de la vitamina pantotenato. Esta coenzima activa los

8 sustratos para las reacciones de transferencia de grupos acilos o de enolización a través de su esterificación con el grupo sulfidrilo terminal de la coenzima. En la figura se ve la imagen de la oa obtenida del programa ASML. El código de color es el siguiente: -gris, -rojo, -azul, -naranja, S-amarillo. El único átomo de S que contiene la coenzima A es el sulfhidrilo reactivo donde se unen a los acilos. Un ejemplo de la acción de la oas es la reacción de condensación entre dos moléculas de acetil-oa 2 --SoA ----SoA oas La coenzima activa la enolización de una de las moléculas de acetil-oa, de modo que pueda actuar como nucleófilo, y activa el carbonil del segundo acetato, de manera que actue como electrófilo, de manera que: 1. La carga que se desarrolla en el recientemente formado enolato, es más estable que la que podría establecerse en una molécula de acetato, la cual tendría otra carga negativa adyacente. 2. or la misma razón, el ataque nucleofílico sobre el segundo carbonilo, es mas favorable que si se realizara sobre el correspondiente carboxilato.. El anion oas- es un grupo saliente más estable, comparado con el hidroxilato. 4. La reacción tiene dos reactivos y dos productos, por lo que está entrópicamente favorecida si se la compara con la condensación de dos acetatos libres que implican dos reactivos pero solo un producto. El tioester sirve a este propósito aún mejor que el correspondiente oxoéster, debido a que el átomo de S dona una menor densidad electrónica sobre el carbonilo adyacente que lo que lo haría el más electronegativo átomo de. Estas actividades se supone que pueden llegar a aumentar la actividad catalítica en el orden de veces. Además, el resto de la oas podría ayudar a estabilizar los estados de transición de otras maneras. b. Que utilizan ácido lipoico. Esta coenzima posee un anillo de 5 miembros, dos de los cuales son átomos de S unidos por un enlace tioéter. Es capáz de transferir tanto electrones como grupos acilo activados a otra molécula conteniedo tioles, como la oas. En el proceso de transferencia esta coenzima es reducida transitoriamente a ácido dihidrolipoico (conteniendo los dos átomos de S en la forma de tioles) el cual es reoxidado por medio de la utilización de coenzimas de niacina o de flavina.

9 d. Transaminasas Las podemos clasificar según el grupo dador del nitrógeno y también en base a la conformación del átomo de carbono que funciona como aceptor. En la tabla siguiente se puede observar esta clasificación. Además, los cambios en el estado redox de los productos con respecto a los sustratos son diferentes para los tres tipos de transaminasas. DAD AET DUT- DAD DUT AET EAIÓ MUMETE ALADA glutamato ceto 1 2 α-cetoglutarato 2 2 amino-derivado aspartato 2 2 ceto 1 2 fumarato imino-derivado 1 2 AT AD i o AT AM i glutamina enol 1 2 glutamato enamino-derivado AT AD i a. Transaminasas del tipo I o del glutamato orresponden a las transaminaciones más comunes e implican el intercambio de grupos ceto por amino entre dos sustratos orgánicos. Desde el punto de vista de la biosíntesis de aminoácidos, el dador de grupos amino más general es el glutamato que se convierte en la reacción en α-cetoglutarato, y por lo tanto su carbono α se oxida. or el contrario el sustrato es un α-oxoácido que se convierte en un compuesto más reducido, el correspondiente α- aminoácido. El mecanismo de reacción está explicado más adelante junto con las liasas dependientes de fosfato de piridoxal. El glutamato puede ceder su grupo amino a otros compuestos con un ceto, además de a los α-cetoácidos. En este tipo de transaminaciónes tanto el dador como el aceptor del grupo amino cambian de estado de oxidación. El balance redox global es nulo. b. Transaminasas de tipo II o del aspartato En este tipo de transaminaciones el aceptor es también un ceto, pero en este caso es convertido a una imina, sin cambiar su estado de oxidación. or su parte el compuesto dador de nitrógeno, el aspartato, es convertido en fumarato, también sin cambiar su estado de oxidación global. Sin embargo si existe un cambio de estado de oxidación en los dos átomos de carbono centrales de la molécula de aspartato, el 2 se reduce una unidad, mientras que el se oxida en la misma proporción. or lo mismo, en este tipo de transaminaciónes aunque ni el dador ni el aceptor del grupo amino cambian de estado de oxidación, si existe un cambio en la estructura redox del dador de nitrógenos. El balance redox global es nulo. uando el aspartato es el dador de nitrógeno, como en la síntesis de arginina o en la síntesis de AM, se produce una reacción de intercambio en el que el dador se convierte en fumarato mientras que el aceptor (un ceto) se convierte en primera instancia en un imino. Tomando como ejemplo este último caso:

10 AD AD α-cetoglutarato glutamato 2 xalacetato 2 Malato IM 2 2 Aspartato GT GD i 2 2 Fumarato AM 2 Vemos que debido a la necesidad de regeneración del aspartato a partir del fumarato, se genera poder reductor en el proceso de transaminación como si estuviéramos en una ruta de oxidación de los sustratos. Ese poder reductor proviene de una molécula de glutamato que se oxida a α-cetoglutarato, en forma neta por cada vuelta del ciclo que mostramos. En algunos casos (como en la síntesis de arginina) estas reacciones están acopladas a la hidrólisis de enlaces de alta energía, a veces a uno y otras a dos de estos enlaces. c. Transaminasas de tipo III o de la glutamina uando el dador de grupos amino es la glutamina, no cambia el estado de oxidación ni del dador ni del aceptor del grupo amino. En general estas reacciones están acopladas a la hidrólisis del AT. La glutamina se convierte en glutamato (igual estado redox) y el sustrato puede modificarse por medio del intercambio de una unión - por otra - 2 o en menor proporción de casos de una unión = por otra =, conservando también su estado redox. d. Aminaciones reductivas La incorporación de 4 inorgánico en el oxalacetato es una reacción redox que requiere del gasto de una molécula de AD. e. Kinasas a. Intercambiadoras de fosfoanhidros Ejemplo: fosfogliceratoquinasa. b. Tiokinasas Ejemplo: succinil-oa tiokinasa. c. Fosforilación de Ejemplo: hexoquinasa en 6 o fructoquinasa en 1

11 . idrolasas iclasas Ejemplo: dihidroorotato sintasa. Generadoras de un enlace de alta energía Ejemplo: enolasa. Isomerasas Ejemplo: aconitasa. xidación de un metileno. Ejemplo: succinato deshidrogenasa fumarasa. 4. Liasas/Descarboxilasas Las descarboxilasas eliminan un grupo ácido carboxílico de un compuesto reemplazando la unión - por una -. Muchas descarboxilasas/carboxilasas tienen como cofactor a la biotina (ejemplo M descarboxilasa) o no tienen ningun cofactor. a. Liasas Dependientes de Fosfato de iridoxal Esta coenzima es derivada de la vitamina B6. El grupo activo es el aldehido, que forma una 4 b 2 1 base de Schiff con el grupo amino de los α-aminoácidos. Esta base de Schiff permite estabilizar la formación de un carbanión en los átomos de α o β del aminoácido. Esto facilita la ruptura y el consiguiente intercambio de cualquiera de los enlaces marcados por las flechas azules o rojas de esta figura: Los tipos de actividades que son catalizadas por enzimas que utilizan al fosfato de piridoxal como cofactor son las siguientes: a Tipo de Enzima Transaminasas: acemasas: Liasas (tipo aldolasa): β-descarboxilasa: ejemplo oxalacetato glutamato ---> L-aspartato α-cetoglutarato L-alanina ---> D-alanina glicina formil-tf ---> L-serina L-aspartato ---> 2 L-alanina El mecanismo general de estas reacciones es el que se muestra más abajo. Todos los mecanismos comienzan por la reacción señalada como 1, que implica la formación de la base de Schiff.

12 El resto del mecanismo es utilizada solo en parte por cada uno de los tipos de reacción que individualizamos en la tabla más arriba. β α 2 Sustratos β α 2 Base de Schiff - β α β 2 2 e β β 4 α f α α β 2 - α β α 2 β α 2.. a b c β 2 α d or ejemplo las transaminasas utilizan solo las reacciones 1, 2 y. En estas enzimas, la hidrólisis del compuesto señalado como d. produce la amina derivada del piridoxal (piridoxamina) y libera un α-cetoácido. La piridoxamina puede a su vez reaccionar con otro α- cetoácido para regenerar un compuesto del tipo d. Este compuesto puede ahora revertir las reacciones, perdiendo un protón del carbono aldehídico del piridoxal, luego tautomerizándose (para formar un carbanión en el α, un compuesto del tipo a.) y captando un protón para regenerar una base de Schiff, que contiene el esqueleto carbonado del α-cetoácido que fue incorporado en último término. La hidrólisis de esta base de Schiff regenerará el fosfato de piridoxal y liberará un α-aminoácido. En las reacciones de racemización el tipo de reacciones utilizadas es solamente la 1 y la 2. En el compuesto marcado como b., el α inicialmente tetraédrico está convertido en un carbono planar (sp 2 ). De esta manera el de la reacción 2. puede ser reincorporado de cualquiera de los dos lados del plano para regenerar la base de Schiff. La hidrólisis de esta base generará entonces cualquiera de los dos compuestos racémicos. b. que utilizan Biotina Esta vitamina está normalmente unida a la enzima a través de una larga cadena hidrocarbonada. El grupo funcional para la carboxilación es el átomo de nitrógeno 1 de un grupo imidazol. La biotina sirve como agente carboxilante que utiliza el bicarbonato como sustrato y fuente del grupo carboxilo. En la primera etapa el bicarbonato es activado: AT bicarbonato carbonil-fosfato AD

13 Después el grupo carboxilo activado se une a la biotina a través del 1 recién mencionado, y desde allí es transferido a otra molécula orgánica como por ejemplo en la carboxilación del piruvato a oxalacetato: Enz 1 Enz i carbonil-fosfato S biotina S 2 S Enz 2 2 S biotina Enz La biotina se encuentra unida a la enzima en forma covalente, a travéz de una unión amida con el resto amino de una lisina de la proteína. De esta manera el centro activo de la biotina (el sitio de unión al 2 ) esta ligado a la enzima a través de un largo brazo que contiene en forma mayoritaria metilenos (8 en total, 4 de la lisina y 4 de la biotina) y que por lo mismo posee una gran flexibilidad y posibilidad de movimientos. En general los sitios catalíticos de estas dos actividades (reacciones 1 y 2 en la figura) están bien separados, de manera que la biotina se encuentra particularmente bien localizada (con su largo brazo de unión a la enzima) para hacer de puente entre ambos. 5. Transferencia electrónica a. De a un electrón por vez Las proteínas que contienen iones metálicos, como hierro, u, Mg o Mn, transfieren en general los electrones de a uno por vez a su aceptor. Entre estas tenemos a los citocromos, las proteínas de los clusters de Fe-S, las clorofilas (y sus derivados no asociados a iones las feofitinas), y los componentes de la rueda de Mn. En general estas trasportadores de a un electron por vez están asociados a membranas. b. De a dos electrones por vez Estas transferencias se dan en general en el metabolismo en solución. La mayoría de las deshidrogenasas celulares que utilizan derivados de la niacina o de la riboflavina como coenzimas intervienen en este tipo de procesos.

14 c. De a uno o dos electrones por vez Los nucleótidos de flavina (FM o FAD) así como la coenzima Q, son capaces de intervenir en transferencias electrónicas de a dos electrones al mismo tiempo o de sólo un electrón por vez. En este último caso se genera un intermediario (que incluso puede tener una carga negativa como en el caso de la oq) que contiene un electrón desapareado. Estos intermediarios del FAD, FM o de la oq, son semiquinonas que, a diferencia de las formas totalmente oxidadas o totalmente reducidas de las coenzimas, son normalmente incapaces de moverse libremente a - A FM (en negro) o FAD (en negro y azul) los átomos reactivos están en rojo 2 través de la membrana. Generalmente, estas semiquinonas tienen sitios de anclaje a una proteína, perteneciente a alguno de los complejos donde actúan, siempre en un sitio adyascente a una de las soluciones acuosas en contacto con la membrana, ya sea la matriz o el espacio intermembrana. 5 1 Flavoquinona (FM o FAD) 5 1 Flavohidroquinona (FM 2 o FAD 2 ) B 5 1 Flavosemiquinona (FM. o FAD. ) e - e Ubiquinona (oenzima Q) lastoquinona e - e - 2 e - 2 e - ambios en los estados de oxidación de la Ubiquinona De esta manera estas coenzimas están adaptadas para hacer de nexo entre las reacciones redox que ocurren en el citosol (de a dos electrones) y las que ocurren en las membranas (de a un electrón).