Bioquímica de los nucleótidos: biosíntesis de pirimidinas y purinas, catabolismo y replicación del ADN

Biosíntesis de Nucleótidos Pirimidínicos

La síntesis de novo de pirimidinas genera el anillo pirimidínico a partir de carbamil fosfato y aspartato. Requiere los aminoácidos glutamina y aspartato, y produce UTP y CTP.

Precursores comunes de purinas y pirimidinas

Ambas rutas comparten algunos precursores comunes: PRPP, glutamina, CO2, aspartato y, para la timina, el derivado de tetrahidrofolato.

Reacciones de la ruta de síntesis de pirimidinas

1. Glutamina + ATP + CO2 → Carbamil fosfato (carbamil fosfato sintetasa II)
2. Carbamil fosfato + Aspartato → Aspartato transcarbamilasa → Carbamilaspartato
3. Carbamilaspartato → Dihidroorotato + H2O
4. Dihidroorotato → dihidroorotato deshidrogenasa → Orotato
5. Orotato → orotato fosforribosil transferasa → OMP
6. OMP → OMP descarboxilasa → UMP
7. UMP + ATP → CTP sintasa → UDP (y posteriormente CTP)
8. UDP + NADPH + H+ → ribonucleótido reductasa → dUDP
9. dUDP + N5,N10-metilen H4F → timidilato sintasa → TMP

Origen de los átomos del anillo pirimidínico

• Ácido aspártico: aporta N-1, C-4, C-5 y C-6
• CO2: aporta C-2
• Glutamina: aporta N-3
• N5,N10-metilen H4F: aporta el CH3 de la timina
• Glutamina: aporta el NH2 de la citosina

Regulación

• La carbamil fosfato sintasa II es inhibida por UTP y por nucleótidos de purina, y activada por PRPP.
• La aspartato transcarbamilasa es inhibida por CTP y activada por ATP.

Leflunomida

La leflunomida es un inmunodepresor utilizado en la artritis reumatoide; inhibe la dihidroorotato deshidrogenasa.

Vía de recuperación de pirimidinas

Las pirimidinas pueden ser recuperadas mediante la enzima pirimidina fosforribosil transferasa, aislada de eritrocitos humanos, que utiliza como sustrato orotato, uracilo y timina (la citosina no es sustrato).

• Uridina + ATP → UMP + ADP
• Citidina + ATP → CMP + ADP
• Timidina + ATP → TMP + ADP

Catabolismo de pirimidinas

Los productos finales son altamente solubles: CO2, NH3, β-alanina y β-aminoisobutirato. La sobreproducción de pirimidinas causa poca anormalidad clínica detectable.

Vía degradativa de pirimidinas

1. Citosina + H2O → Uracilo
2. Uracilo + NADPH + H+ → Dihidrouracilo
3. Dihidrouracilo + H2O → β-ureidopropionato
4. β-ureidopropionato + H2O → CO2 + NH3 + β-alanina
5. Timidina + NADPH + H+ → Dihidrotimidina
6. Dihidrotimidina + H2O → β-ureidoisobutirato
7. β-ureidoisobutirato + H2O → CO2 + NH3 + β-aminoisobutirato

Acción de la ribonucleótido reductasa

La ribonucleótido difosfato reductasa es una enzima constituida por varias subunidades y es específica para la reducción de ribonucleótidos difosfato (ADP, GDP, CDP y UDP) a sus respectivos desoxirribonucleótidos difosfato (dADP, dGDP, dCDP y dUDP). Su coenzima es la tiorredoxina, un péptido que contiene dos grupos sulfhidrilo separados por dos aminoácidos en cada cadena peptídica.

Síntesis de timina monofosfato

Ocurre a partir de dUMP por acción de la timidilato sintasa, que utiliza N5,N10-metilen tetrahidrofolato como donante del grupo metilo.

Agentes quimioterapéuticos

La síntesis de novo de nucleótidos purínicos y pirimidínicos es crítica para mantener la función y replicación celular. Los compuestos que interfieren con esta vía han sido sintetizados o aislados de bacterias y hongos.

Clasificación

• Antimetabolitos: análogos estructurales de bases púricas y pirimidínicas. La mercaptopurina es un análogo de purina muy usado como antitumoral; su actividad citotóxica se da con la formación de ribonucleótido de 6-mercaptopurina. El 5-fluorouracilo es un análogo pirimidínico que debe ser activado y transformarse en nucleótido para tener sus propiedades antitumorales.
• Antifolatos: interfieren con la regeneración de tetrahidrofolato a partir de dihidrofolato por inhibición de la dihidrofolato reductasa. El metotrexato provoca disminución de nucleótidos de purina y de timina.
• Antagonistas de la glutamina: en reacciones donde la glutamina sirve como donador de un grupo amino, siendo crítica en la síntesis de novo de nucleótidos púricos.

Metabolismo de Nucleótidos

Los nucleótidos se forman por la unión de una base nitrogenada, una pentosa y ácido fosfórico.

Bases nitrogenadas

• Bases púricas: adenina y guanina
• Bases pirimidínicas: citosina, uracilo y timina

Azúcares pentosa

Ribosa y desoxirribosa.

Funciones metabólicas

1. Papel energético: el ATP se usa para impulsar reacciones metabólicas, procesos de contracción muscular y como dador de fosfato necesario para generar otros nucleósidos trifosfatados.
2. Unidad monomérica de los ácidos nucleicos: los nucleósidos trifosfato son sustrato de las reacciones catalizadas por ARN y ADN polimerasa.
3. Componente de coenzimas: como NAD, NADP y FAD.
4. Mediador fisiológico: la adenosina es importante en la regulación del flujo sanguíneo coronario; el ADP es crítico para la agregación plaquetaria; el cAMP y cGMP actúan como segundos mensajeros.
5. Función como precursor: el GTP es precursor de la formación del cofactor tetrahidrobiopterina, necesario para hidroxilaciones.
6. Intermediario activado: la UDP-glucosa es clave en la síntesis de glucógeno, y la S-adenosilmetionina actúa como donador de metilo.
7. Efecto alostérico: muchos pasos regulados de vías metabólicas están controlados por la concentración intracelular de nucleótidos.

Biosíntesis de nucleótidos

Existen dos formas:

• Síntesis de novo: inicia con sus precursores metabólicos: aminoácidos, ribosa 5-fosfato, CO2 y NH3.
• Vía de recuperación: recicla los nucleósidos y bases libres provenientes de la degradación de ácidos nucleicos.

Síntesis de novo de purinas

El anillo de la purina se ensambla sobre una molécula de ribosa 5-fosfato. La purina se sintetiza como mononucleótido, a diferencia de la base libre, y se sintetiza a partir de intermediarios anfibólicos. Requiere CO2 respiratorio, N5,N10-meteniltetrahidrofolato, aspartato y glutamina. Se forma PRPP y ocurren 10 reacciones para formar IMP:

• Ribosa 5-P + ATP → PRPP (PRPP sintasa) → PRPP + AMP
• IMP + aspartato → Adenilsuccinato
• Adenilsuccinato → Monofosfato de adenosina (AMP)
• IMP + NAD+ → Monofosfato de xantosina + NADH + H+
• Xantosina MP + glutamina → Monofosfato de guanosina (GMP) + glutamato

Enzimas importantes

1. PRPP sintasa
2. PRPP amidotransferasa
3. Adenilato sintasa
4. IMP deshidrogenasa

Regulación de la biosíntesis

1. AMP, ADP, GMP y GDP inhiben la PRPP sintasa y la PRPP amidotransferasa.
2. AMP regula por retroalimentación negativa a la adenilosuccinato liasa; GMP inhibe a la IMP deshidrogenasa.
3. AMP y GMP inhiben la hipoxantina fosforribosiltransferasa.

Inhibidores de la síntesis de nucleótidos púricos

• Azaserina: análogo de glutamina que inhibe la glutamina aminotransferasa.
• Metotrexato y aminopterina: análogos del ácido fólico que inhiben la dihidrofolato reductasa.
• Sulfonamidas: análogos del PABA, componente del ácido fólico.
• Alopurinol: inhibe la xantina oxidasa; se usa en el tratamiento de la gota.
• Fluorouracilo: inhibe la timidilato sintasa; quimioterápico.

Vía de recuperación de nucleótidos púricos

Adenina, guanina e hipoxantina pueden recuperarse, previniendo la producción por catabolismo de nucleótidos púricos. Las enzimas involucradas son:

• Adenina fosforribosil transferasa (APRTasa): Adenina + PRPP → AMP + PPi
• Hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa (HGPRTasa): Guanina + PRPP → GMP + PPi; Hipoxantina + PRPP → IMP + PPi

La liberación de pirofosfato y su inmediata hidrólisis hacen que la reacción sea irreversible.

Importancia biomédica

Las bases púricas y pirimidínicas no se incorporan a los ácidos nucleicos sin antes biosintetizarse o catabolizarse.

Catabolismo de purinas

Los humanos convierten adenosina y guanosina en ácido úrico:

• Adenosina → Inosina + NH4+
• Inosina → Hipoxantina + Ribosa 1-P
• Hipoxantina + H2O → Xantina + H2O2
• Xantina + H2O → Ácido úrico + H2O2

Generalidades del ácido úrico

La enzima que interviene es la xantina oxidasa. La excreción diaria es de 400 a 600 mg. La aspirina y el alcohol inhiben la excreción renal por competición. En algunos mamíferos, el ácido úrico es transformado en alantoína por la uricasa.

Gota

La sobreproducción de ácido úrico genera depósitos de cristales de urato en las articulaciones, que son fagocitados por macrófagos y polimorfonucleares, iniciando inflamación. La gota primaria se trata con dieta y medicamentos como el alopurinol, que es transformado en aloxantina, la cual inhibe la xantina oxidasa; así se excretan xantina e hipoxantina, más solubles que el ácido úrico.

Duplicación del ADN (Replicación)

La reproducción requiere la transmisión fiel de la información genética de padres a hijos. Los virus utilizan esta maquinaria para replicar su ADN, alterando el ADN de la célula infectada. El material genético puede ser ADN o ARN.

La adenina se aparea con la timina y la guanina siempre con la citosina. Cada hebra parental sirve como molde para la síntesis de una nueva hebra complementaria.

Elementos necesarios para la replicación

• Enzima principal: ADN polimerasa
• Desoxirribonucleósido 5-trifosfato
• Fragmento polinucleotídico iniciador (primer), que es ARN
• Proteínas adicionales: primasa, helicasa, proteínas REP y SSB, ligasa, topoisomerasa y ADN girasa

ADN polimerasa

Es la enzima con capacidad de copiar con exactitud una hebra molde de ADN. En procariotas se identifican tres variedades:

• ADN polimerasa I: con actividad exonucleasa; elimina el iniciador (primer).
• ADN polimerasa II: participa en la reparación; no se conoce bien su actividad.
• ADN polimerasa III: añade nucleótidos. Es responsable de la síntesis de ADN en E. coli.

Características

La ADN polimerasa sintetiza ADN solo en dirección 5′→3′, añadiendo a la cadena en crecimiento un dNTP en el grupo 3′-OH. No puede iniciar la síntesis de ADN de novo; necesita un iniciador preformado, que es sintetizado por la ARN primasa.

Enzimas que participan en la replicación

• Topoisomerasa: cataliza la rotura y unión reversible de hebras de ADN. Topoisomerasa I reduce el número de superenrollamientos negativos; Topoisomerasa II (ADN girasa) corta dos cadenas y luego pasa una a través de la otra.
• Helicasa: cataliza el desenrollamiento de la doble cadena separándola.
• Primasa: coloca fragmentos cortos de ARN en los fragmentos de Okazaki de la hebra rezagada.
• Ligasa: se encarga de unir los fragmentos de Okazaki.

Proteínas accesorias

Proteína de enganche deslizante, proteína de enganche de carga y proteínas de unión al ADN monocatenario.

Proceso de replicación del ADN

1. El ADN es desenrollado por la topoisomerasa.
2. Las dos cadenas se separan por acción de la helicasa.
3. La primasa coloca un pequeño fragmento de ARN que luego es removido por una polimerasa con actividad exonucleasa.
4. La ADN polimerasa III coloca nucleótidos complementarios en dirección 5′→3′ en ambas cadenas; el crecimiento de ambas cadenas se lleva a cabo en direcciones opuestas.

Inhibidores de la replicación del ADN

• Actinomicina D
• Quinolonas (con anillo 4-quinolona), novobiocina y cumermicina
• Doxorrubicina y amsacrina
• Ácido fosfonoacético, fosfoformato y aciclovir (aciclogua­nosina)

Resumen de funciones enzimáticas

• Topoisomerasa: desenrolla y enrolla el ADN, cortándolo y volviéndolo a unir.
• Helicasa: rompe los puentes de hidrógeno y separa la doble cadena.
• ADN polimerasa III: coloca nucleótidos, reconocimiento y corrección del ensamblaje.
• Primasa: coloca fragmentos cortos de ARN en los fragmentos de Okazaki.
• Ligasa: une los fragmentos de Okazaki.
• ADN polimerasa I: retira el fragmento corto de ARN y lo reemplaza por ADN.
• ADN polimerasa II: rellena brechas y facilita la síntesis de ADN dirigida por plantilla dañada.

Síntesis de Proteínas

La secuencia de bases nitrogenadas en una molécula de ADN determina la secuencia de aminoácidos de una proteína.

Transcripción

La molécula de ARNm se sintetiza mediante el proceso de transcripción del ADN, donde una de las dos hebras sirve como patrón para sintetizar la molécula de ARNm.

Iniciación

Comienza con la enzima ARN polimerasa, que localiza el inicio de un gen. El inicio está constituido por una secuencia de 3 nucleótidos TAC; a esta región cercana se le denomina región TATA, porque origina una proteína denominada factor de transcripción que facilita la actividad de la enzima en este proceso.

Elongación

Durante la elongación se va sintetizando una cadena única de ARNm, complementaria a la cadena molde de ADN.

Traducción

• ARNt: moviliza los aminoácidos necesarios; transporta los aminoácidos hasta el ribosoma, incorporándolos a la proteína en formación según indique la secuencia de ARNm. Hay más de 20 ARNt diferentes.
• ARNm: actúa como plataforma para el ribosoma.
• ARNr: junto con un grupo de proteínas, forma el ribosoma.

Las tres etapas de la traducción

1. Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm. El primer ARNt, que lleva el aminoácido metionina, se acopla con el codón iniciador AUG. Luego se ubica la subunidad grande; el complejo ARNt-metionina ocupa el sitio P, mientras el sitio A permanece vacío. Así se forma el complejo de iniciación.
2. Elongación: consiste en el alargamiento de la cadena proteica. Entra un aminoacil-ARNt cuyo anticodón es complementario al codón situado a continuación del iniciador y ocupa el sitio A, que se encuentra libre. Luego se forma un enlace peptídico entre el aminoácido del sitio P y el nuevo aminoácido del sitio A. Esta reacción es catalizada por la peptidil transferasa, cuya actividad catalítica reside en el ARN de la subunidad. Como consecuencia, el segundo ARNt queda unido al dipéptido formado, y luego se produce la translocación del ribosoma a lo largo del ARNm en sentido 5′→3′.
3. Terminación: tiene lugar cuando el ribosoma llega a un codón de terminación no reconocido por ningún ARNt. Un factor de liberación de naturaleza proteica se sitúa en el sitio A y hace que la peptidil transferasa separe por hidrólisis la cadena polipeptídica del ARNt.

Las tres etapas de la síntesis de proteínas requieren ATP, que se obtiene a partir de la hidrólisis de GTP a GDP.

Regulación de la expresión génica

Es más compleja en eucariotas que en procariotas y, por ello, es menos conocida. El modelo mejor conocido en procariotas es el operón, compuesto por:

• Promotor: secuencia de nucleótidos del ADN a la que se une la ARN polimerasa para iniciar la transcripción de un gen.
• Genes estructurales: codifican la síntesis de proteínas implicadas en el mismo proceso metabólico. Se transcriben sin interrupción, de modo que el ARNm resultante lleva información para varias proteínas y recibe el nombre de ARNm policistrónico.
• Operador: secuencia de nucleótidos situada entre el promotor y los genes estructurales.
• Gen regulador: puede estar situado en cualquier lugar del cromosoma bacteriano y codifica la proteína que actúa como represor.

Inhibidores de la síntesis proteica

• Cloranfenicol: inhibe la síntesis proteica principalmente al impedir la actividad de la peptidil transferasa; actúa en bacterias y secundariamente en eucariotas.
• Cicloheximida: actúa solo en eucariotas; no tiene uso terapéutico. Inhibe la actividad de la peptidil transferasa.
• Tetraciclina: inhibe la síntesis proteica en bacterias al interferir con la unión del aminoacil-ARNt al sitio A de la subunidad ribosomal mayor; también actúa en eucariotas.
• Estreptomicina: antibiótico que inhibe la síntesis proteica en bacterias; producido por Streptomyces griseus.
• Neomicina y amikacina: antibióticos que inhiben el proceso de translocación.
• Eritromicina: inhibe el proceso de translocación.
• Rifampicina: inhibe la ARN polimerasa, bloqueando la transcripción.

Diferencias en la Carbamil Fosfato Sintetasa

1. Mitocondria
2. Citosol

Nucleótidos Pirimidínicos y Funciones de los Nucleótidos

Los nucleótidos pirimidínicos incluyen citosina, uracilo y timina.

Funciones de los nucleótidos púricos y pirimidínicos

• Servir como precursores de ácidos nucleicos.
• Servir como fuente de energía.
• Actuar como mediadores al funcionar como mensajeros.