Metabolismo Celular: Rutas Bioquímicas Clave para la Energía y Regulación Hormonal

Metabolismo de Ácidos Grasos

Activación de Ácidos Grasos

Se produce en el citosol celular. La acilación reversible (que se vuelve irreversible al quitar el grupo pirofosfato) de los ácidos grasos (AG) catalizada por acil-CoA sintetasas (situadas en la membrana mitocondrial externa y retículo endoplasmático), requiere 2 ATP (sale AMP + grupo pirofosfato) para formar acilgraso-CoA. Así ya puede traspasar la membrana mitocondrial externa.

Transporte a la Matriz Mitocondrial

Se produce en los AG grandes y en las acil-CoA que no son permeables a la membrana mitocondrial interna y necesitan de transporte especializado.

1. Los ácidos grasos del citosol (en forma de acilgraso-CoA) se dirigen a la membrana mitocondrial externa, donde pasan por un transportador (poros) al espacio intermembrana.
2. En el espacio intermembrana los Acilgraso-CoA se unen a la acil carnitina aciltransferasa I (unida a la membrana externa, el Malonil-CoA producido en la síntesis de AG la inhibe) que recicla la CoA (vuelve al citosol) intercambiándola por carnitina, se forma Acilgraso-carnitina que puede atravesar ya la membrana interna.
3. En la membrana interna mitocondrial un canal proteico permite el paso de la Acilgraso-carnitina a la matriz mitocondrial.
4. En la matriz mitocondrial la acción de la carnitina aciltransferasa II (unida a la membrana interna) intercambia la carnitina por CoA (no es el anterior, este es mitocondrial), obteniendo de nuevo Acilgraso-CoA. La carnitina queda libre y vuelve al espacio intermembrana.

β-Oxidación de Ácidos Grasos

Tiene como función la producción de Acetil-CoA a partir de la degradación de AG. También se obtiene de los hidratos de carbono (HC) por glucólisis y conversión del piruvato (piruvato deshidrogenasa) y de las proteínas por desaminación de aminoácidos (el aminoácido libre entra al ciclo de la urea para producir intermediario fumarato que pasa a oxalacetato y este a piruvato que genera Acetil-CoA al igual que la glucólisis). La beta oxidación también produce NADH y FADH2 en sus pasos de deshidrogenación, se encuentra acoplada a la cadena respiratoria. El acetil-CoA (igual debe salir al citosol por sistema de transporte carboxilato) actúa como sustrato primario del ciclo del ácido cítrico (también de la biosíntesis de nuevos AG en citosol) que genera el poder reductor del NADH y FADH2 (también CO2). Este se utiliza en la cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria para generar energía por gradiente de protones que se utilizará en la fosforilación oxidativa para sintetizar ATP con acción de la ATP sintasa. La oxidación se produce en la matriz mitocondrial con los AG de cadena par a los que en cada ciclo sustrae 2 carbonos, es el proceso contrario a la biosíntesis de AG.

Proceso de la β-Oxidación

1. Deshidrogenación inicial o formación de doble enlace: se realiza para dar un derivado enoil. La enzima acil-CoA deshidrogenasa transfiere electrones del acilgraso-CoA al FAD+ que se reduce a FADH2. Este se oxida para ceder sus electrones a la flavoproteína transportadora de electrones (ETF) que los cede a la cadena respiratoria que por fosforilación oxidativa produce 2 ATP.
2. Hidratación: hidratación del doble enlace resultante en el carbono β mediada por la enoil-CoA-hidratasa, se forma β-hidroxiacil-CoA.
3. Deshidrogenación: del grupo OH para dar β-ceto-acil-CoA a través de la β-hidroxi-CoA-deshidrogenasa. Depende de NAD+ que se reduce a NADH que será utilizado en la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa para generar 3 ATP.
4. Fragmentación tiolítica: una segunda molécula de CoA fragmenta el enlace carbono beta, mediante la enzima β-cetotiolasa. Formando acetil-CoA y acil-CoA (AG más corto).
5. Salida del Acetil-CoA: para la síntesis de nuevos AG y para el ciclo del ácido cítrico en procariotas debe ser transportado al citosol por el sistema de transporte carboxilato en forma de citrato con posterior reconversión. Para el ciclo del ácido cítrico en eucariotas, no, ya que se produce en la matriz.

Reacción Global de la β-Oxidación

AG + CoA + (FAD+) + (NAD+) + H2O = AG (n-2) + acetil-CoA + FADH2 + NADH + H+.

β-Oxidación Peroxisómica

Se observa en células eucariotas, no está acoplada a la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria con posterior fosforilación oxidativa (no síntesis de ATP). En el paso de deshidrogenación inicial la enzima acil-CoA deshidrogenasa transfiere los electrones del acilgraso-CoA al O2 que se reduce a peróxido de hidrógeno, en vez de al FAD+. Luego la enzima catalasa forma agua y oxígeno desprendiendo solo energía en forma de calor.

Regulación del Metabolismo de Ácidos Grasos

Regulación de la Oxidación de Ácidos Grasos

La disponibilidad de AG como sustrato en la matriz mitocondrial es el factor limitante de la beta oxidación. Por ello la regulación se basa en la disponibilidad de AG:

• El Malonil-CoA producido en la síntesis de AG (a partir de Acetil-CoA y bicarbonato mediante la enzima acetil-CoA carboxilasa) inhibe la acil carnitina transferasa que formaría el Acilgraso-carnitina a partir de Acilgraso-CoA (acilación AG), impidiendo su entrada por la membrana interna a la matriz mitocondrial donde se produce la beta oxidación, que disminuye por falta de sustrato.
• La triacilglicerol lipasa cataliza la hidrólisis de los triacilgliceroles (TG) de los depósitos adiposos para formar AG que serán oxidados en la mitocondria, por lo que también varía la disponibilidad de sustrato.
• El control hormonal se ejerce sobre la acetil-CoA carboxilasa que produce el malonil-CoA inhibiendo o estimulando la degradación de AG. También actúa sobre la triacilglicerol lipasa que regula el almacenamiento de AG en forma de TG.
• En situaciones de nivel de glucosa en sangre bajo (ayuno o ejercicio, se necesita energía) se segrega glucagón pancreático que promueve la acción de la Proteína Quinasa A (por aumento de AMPc) que activa la fosforilasa quinasa que fosforila la carboxilasa inactivándola. Se detiene la producción de Malonil-CoA, no se inhibe pues el transporte a la matriz ni la beta oxidación para producir energía. El glucagón también estimula la triacilglicerol lipasa (aumento de AMPc) promoviendo la liberación de AG de sus depósitos, mayor disponibilidad para la oxidación.
• En situaciones de nivel de glucosa en sangre alto (posprandial, no se necesita más producción de energía) se segrega insulina pancreática que promueve la acción de la fosfoproteína fosfatasa 1 (disminución de AMPc) que inactiva la fosforilasa quinasa. Esto provoca el predominio de la forma desfosforilada de la acetil-CoA carboxilasa o activa, aumentando la producción de Malonil-CoA que inhibe el transporte a la matriz y con ello la beta oxidación. La insulina también inhibe la triacilglicerol lipasa (disminución de AMPc), promoviendo el almacenamiento de AG en forma de TG en el tejido adiposo.

Síntesis de Ácidos Grasos

Se realiza en el citosol celular a partir de Acetil-CoA + malonil-CoA y bicarbonato, requiere ATP y el poder reductor del NADPH. Es el proceso inverso a la beta oxidación pero con coenzimas diferentes. Los AG serán utilizados para la síntesis de TG y fosfolípidos.

Requisitos para la Síntesis de Ácidos Grasos

1. Presencia del Acetil-CoA en el citosol celular: Tanto en la beta oxidación de los AG (el Acetil-CoA se genera en la matriz mitocondrial por lo que debe transportarse al citosol para la síntesis de AG) como en la glucólisis de HC (el piruvato se convierte a acetil-CoA en la matriz mitocondrial mediante descarboxilación oxidativa mediada por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa) como en la desaminación oxidativa de aminoácidos (produce piruvato con posterior conversión a Acetil-CoA igual que en la glucólisis) el Acetil-CoA se produce en la matriz, debe salir al citosol para la síntesis. Para ello utiliza el sistema de transporte de tricarboxilato que permite la salida del Acetil-CoA al citosol en forma de citrato con posterior conversión.
2. Síntesis de malonil-CoA: Necesario como intermediario para la síntesis de nuevos AG por lo que regula la producción. Se produce a partir de Acetil-CoA y bicarbonato por acción de la acetil-CoA carboxilasa.
3. Proteína transportadora de acilos (ACP): a la que se unen el malonil-CoA y el acetil-CoA para poder ser condensados por la β-cetoacil-ACP sintasa.

Proceso de la Síntesis de Ácidos Grasos

7 reacciones: Cada malonil se elimina 1 CO2.

1. Acetil-CoA carboxilasa: formación del Malonil-CoA.
2. Malonil-CoA transacilasa: conversión del Malonil-CoA a Malonil-ACP.
3. Acetil-CoA-ACP transacilasa: Conversión de Acetil-CoA a Acetil-ACP.
4. Reacción de condensación del malonil-ACP con el Acetil-CoA mediante β-cetoacil-ACP sintasa.
5. Reducción mediante β-cetoacil-ACP reductasa para dar 3-hidroxiacil ACP.
6. Deshidratación mediante 3-hidroxiacil-ACP deshidratasa para dar trans-enoil-ACP.
7. Reducción a butiril-ACP mediante la enoil-ACP reductasa.
8. En el segundo ciclo el butiril-ACP se condensa con otro Malonil-ACP para formar hexanoil-ACP.
9. En el ciclo número 7 se produce por adición de sucesivos malonil-ACP el palmitoil-ACP que forma Palmitato.

Reacción Final de la Síntesis de Ácidos Grasos

Regulación de la Síntesis de Ácidos Grasos

Depende de las necesidades energéticas del organismo según la energía obtenida de la alimentación, además de la disponibilidad de Acetil-CoA y Malonil-CoA.

En Situaciones de Necesidad Energética

(niveles de glucosa bajos en sangre, se necesita energía) se produce la segregación de glucagón, adrenalina y noradrenalina, para disminuir la síntesis de AG (almacén de energía) y aumentar la liberación de AG del tejido adiposo (TG).

1. Provocan aumento del AMP cíclico, que promueve la acción de la Proteína Quinasa A.
   1. Provoca la activación de la fosforilasa quinasa que fosforila la acetil-CoA carboxilasa inactivándola, deteniendo la producción de Malonil-CoA y con ello la síntesis de AG (a su vez promueve el transporte a la matriz de Acetil-CoA y con ello la beta oxidación) para aumentar el Acetil-CoA. Este actúa como sustrato del ciclo del ácido cítrico que genera el poder reductor del NADH y FADH2 (también CO2) utilizado en la cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria para generar energía por gradiente de protones que se utilizará en la fosforilación oxidativa para sintetizar ATP con acción de la ATP sintasa.
   2. Provoca la estimulación de triacilglicerol lipasa (aumento de AMPc) promoviendo la liberación de AG de sus depósitos de TG aumentando la disponibilidad para la beta oxidación que aumenta su producción de acetil-CoA.

En Situaciones de Exceso Energético

(niveles de glucosa altos en sangre, no se necesita más producción de energía) se produce la secreción de insulina para aumentar la síntesis de AG (almacén de energía) y disminuir la liberación de AG de los depósitos de TG.

1. Provoca disminución del AMPc, que promueve la acción de la fosfoproteína fosfatasa 1.
   1. Inactiva la fosforilasa quinasa. Esto provoca el predominio de la forma desfosforilada de la acetil-CoA carboxilasa o activa, aumentando la producción de Malonil-CoA y con ello la síntesis de AG (a su vez inhibe el transporte a la matriz y con ello la beta oxidación) para disminuir el Acetil-CoA y con ello la producción de energía en la fosforilación oxidativa.
   2. La disminución de AMPc inhibe la triacilglicerol lipasa, promoviendo el almacenamiento de AG en forma de TG en el tejido adiposo.

Biosíntesis del Colesterol

El acetato del acetil-CoA se convierte en unidades de isopreno.

Ciclo de la Biosíntesis de Colesterol

1. Formación del hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA) mediante enzimas sintasa y tiolasa.
2. Reducción: regula la velocidad de la biosíntesis. El HMG-CoA + 2 NADPH se transforma en mevalonato, con acción de la enzima HMG-CoA reductasa.
3. Fosforilación del mevalonato + ATP para dar fosfomevalonato con la acción de la enzima mevalonato-5-fosfotransferasa.
4. Formación del pirofosfato a partir de fosfomevalonato + ATP para dar 5-pirofosfomevalonato con la acción de la fosfomevalonato quinasa.
5. Deshidratación y descarboxilación a partir de 5-pirofosfomevalonato + ATP para dar isopentenil pirofosfato gracias a la acción de la pirofosfomevalonato descarboxilasa.
6. Formación del escualeno: condensación de las unidades de isopreno mediante la preniltransferasa, la escualeno sintasa para dar como resultado final lanosterol o colesterol.

Usos del Colesterol

Precursor de vitamina D y hormonas esteroideas (progesterona, andrógenos...). Se utiliza para la formación de ésteres de colesterol y ácidos biliares.

Regulación de la Síntesis de Colesterol

El paso limitante de la velocidad de síntesis es la enzima HMG-CoA reductasa, perteneciente al paso de reducción a mevalonato en la biosíntesis del colesterol.

Regulación de la HMG-CoA Reductasa

Regulado por:

• A corto plazo: (inhibición competitiva ya que cuando hay colesterol disminuye reductasa, modulación covalente por fosforilación, efectos alostéricos como insulina o glucagón).
• A largo plazo: (control retroalimentación según la cantidad de enzima).

Las estatinas inhiben esta enzima, parando la síntesis. La insulina estimula la enzima, el glucagón la disminuye.

Ciclo de la Urea

El ciclo de la urea es la forma de excretar el nitrógeno en vertebrados. Se excreta en forma de amoniaco en peces y ácido úrico en aves y reptiles. El ciclo de la urea se realiza en los hepatocitos que contienen las enzimas necesarias, repartido entre el citosol y la matriz mitocondrial. Una vez producida, entra a circulación sistémica para ser filtrada y excretada por los riñones a través de la orina.

Requisitos para la Síntesis de Urea

Para la síntesis de la urea (contiene dos grupos N y un C) es necesaria:

1. La transferencia de dos grupos amino, uno proveniente del amoniaco (producido por las bacterias intestinales de la degradación de las proteínas u obtenido por transaminación del glutamato mediado por glutamato deshidrogenasa) y otro proveniente del aspartato (obtenido por la misma reacción de transaminación que el NH3).
2. La transferencia de un carbono obtenido del bicarbonato.

Reacciones del Ciclo de la Urea

El ciclo se compone de 5 reacciones: 2 en la mitocondria (1 y 2) y 3 en el citosol.

Reacciones según la Enzima Participante

Reacción global: NH3 + HCO3- + aspartato = urea + fumarato.

1. Carbamoil fosfato sintetasa I (CPSI): Reacción irreversible que actúa como paso limitante del ciclo. Se produce en la matriz y consume 2 ATP. Cataliza la condensación de NH3 y HCO3 para formar carbamoil fosfato y adquisición del primer átomo de N de la molécula de la urea. Hay 2 isoformas de la CPS, la I es mitocondrial, la que participa en este ciclo. La CPSII es citosólica y participa en síntesis de purinas.
2. Ornitina transcarbamoilasa: Cataliza la transferencia del grupo carbamoil desde el carbamoil fosfato a la ornitina, que debe entrar a la matriz mitocondrial desde el citosol. Como producto se forma la citrulina que sale al citosol celular.
3. Argininosuccinato sintetasa: En el citosol celular cataliza la condensación (requiere 1 ATP) del grupo amino del aspartato con el grupo ureido de la citrulina para formar argininosuccinato y adquirir el segundo átomo de N de la urea.
4. Argininosuccinasa: Cataliza la escisión de una molécula de fumarato a partir del argininosuccinato obteniendo como producto arginina. El fumarato sale del ciclo para convertirse a oxalacetato utilizado como intermediario de la gluconeogénesis, mediado por la enzima fumarasa (a malato) y malato deshidrogenasa (a oxalacetato).
5. Arginasa: Hidroliza la arginina (se introduce molécula de H2O) para producir urea y ornitina. Esta ornitina se regenera en el citosol la utilizada por la ornitina transcarbamoilasa.
6. La urea sale a circulación sanguínea donde es filtrada y excretada vía renal a través de la orina.

Reacción Global Final del Ciclo de la Urea

CO2 + NH4+ + 3 ATP + aspartato + 2 H2O = urea + 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi + fumarato.

Regulación del Ciclo de la Urea

El punto de control corresponde a la reacción irreversible del ciclo, cuya enzima actúa como limitante. Es la reacción de condensación de NH3 y HCO3 en la matriz mitocondrial por la carbamoil fosfato sintetasa I (CPSI) (consume 2 ATP), para producir carbamoil fosfato y adquirir el 1er átomo de N para la urea. El N-acetilglutamato (acetil-CoA + glutamato) estimula alostéricamente (aumenta unión al sitio catalítico) la enzima, acelerando el ciclo y aumentando la producción de urea. Por ello un aumento de glutamato o Acetil-CoA aumentaría la síntesis y la estimulación. El resto de las enzimas (aunque son en cierto modo irreversibles) están controladas por la disponibilidad de sustrato, por lo que si alguna enzima del ciclo no funciona se acumulará su sustrato primario.

Metabolismo de Nucleótidos

Rutas de Salvamento

La síntesis de nucleótidos se realiza en casi todas las células mediante:

1. Rutas de síntesis de novo: (utilizan el intermediario común 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP o pentosa + 2 grupos P) para la síntesis de ribonucleótidos).
2. Rutas de salvamento: que reutilizan las bases nitrogenadas (de la degradación en intestino) para formar mononucleótidos que sintetizarán nuevos ácidos nucleicos, y para formar ácido úrico (púricas) y propionato (pirimidínicas) como productos de su degradación.

Los nucleótidos son moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de una pentosa, de uno a tres grupos fosfato (ácido fosfórico) y una base nitrogenada. Siendo el nucleósido la parte de la pentosa y la base nitrogenada. La unión de nucleótidos trifosfato forma cadenas denominadas ácidos nucleicos (ADN o ARN). La pentosa puede ser ribosa o desoxirribosa, la base nitrogenada puede ser púrica (adenina y guanina) y pirimidínica (timina, citosina y uracilo), también se utiliza como base la flavina para formar FAD+. Se usan para obtener energía de sus grupos fosfato (como ATP o GTP) y para sintetizar cofactores de otras vías metabólicas como FAD+ o NAD+.

Proceso de las Rutas de Salvamento

1. El ácido nucleico se degrada a cadenas de nucleótidos más cortas por acción de las endonucleasas.
2. Estos fragmentos por acción de las fosfodiesterasas forman mononucleótidos (base N + pentosa + 1 grupo P).
   1. Estos nucleósidos pueden volver a formar nucleótidos trifosfato que se condensan formando nuevos ácidos nucleicos.
3. Los mononucleósidos se escinden de forma reversible mediante la fosforribosiltransferasa dando lugar a una base nitrogenada + PRPP (pentosa + 2 grupos P) que sale de la ruta.
   1. Las bases nitrogenadas se reutilizan o pueden formar ácido úrico si son púricas o propionato si son pirimidínicas.
4. Los mononucleótidos también se pueden escindir de forma reversible (acción nucleotidasa, contrario a nucleósido quinasa) en nucleósidos (pentosa + base) + grupo fosfato libre.
5. El nucleósido se fosforila (fosforilasas) produciendo R1P (pentosa + grupo P) + base nitrogenada.

Síntesis de Ribonucleótidos de Purinas

La síntesis de nucleótidos se realiza en casi todas las células mediante:

1. Rutas de síntesis de novo: (utilizan el intermediario común 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP o pentosa + 2 grupos P), para la síntesis de ribonucleótidos).
2. Rutas de salvamento: que reutilizan las bases nitrogenadas para formar mononucleótidos que sintetizarán nuevos ácidos nucleicos, y para formar ácido úrico (púricas) y propionato (pirimidínicas) como productos de su degradación.

Se diferencian dos tipos de síntesis de novo según la base nitrogenada que utilizan: la síntesis de ribonucleótidos de purina y de pirimidina.

Proceso de Síntesis de Ribonucleótidos de Purinas

Las purinas o bases púricas son un tipo de base nitrogenada junto con las pirimidinas, en concreto son la adenina y la guanina. Componen los nucleótidos, moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de una pentosa (en el caso de los ribonucleótidos una ribosa), de uno a tres grupos fosfato (ácido fosfórico) y una base nitrogenada. A partir de bases púricas se obtienen los primeros nucleótidos de purina AMP y GMP (adenosín/guanosín monofosfato) que se fosforilan para formar ADP, ATP y GDP, GTP.

Para su síntesis se genera un precursor común, el PRPP (5-fosforribosil-1-pirofosfato), que finalmente genera inosín monofosfato o IMP (estructura hexágono fusionado a pentágono con diversos grupos funcionales) que derivará en AMP y GMP en proporción equilibrada.

1. Activación de la ribosa-5-fosfato para formar PRPP: la ribosa fosfato pirofosfoquinasa o PRPP sintetasa (requiere ATP y Mg2+ como cofactores) cataliza la conversión de α-D-ribosa-5-fosfato procedente de la fase oxidativa de la vía de las pentosas fosfato a 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP). Es la reacción limitante de la síntesis ya que genera el precursor común.
2. Adquisición del N9 de la purina: Reacción que regula la síntesis de novo ya que controla la conversión inicial del PRPP. La enzima amidofosforribosil transferasa (cofactor glutamina que cede grupo amino y sale como glutamato) permuta el grupo pirofosfato (dos grupos P) del PRPP por un grupo amino de la glutamina generando β-5-fosforribosilamina.
3. A partir de aquí se van adquiriendo grupos funcionales cuyo origen está en la molécula del IMP. Adquisición del C4, C5, N7.
4. Adquisición del C8.
5. Adquisición del N3.
6. Adquisición del anillo imidazólico.
7. Adquisición del C6.
8. Adquisición del N1.
9. Eliminación del fumarato.
10. Adquisición del C2.
11. Ciclación para formar IMP que derivará en los AMP y GMP como nucleótidos de purinas.

Síntesis de AMP

El IMP mediante la enzima adenilsuccinato sintetasa capta un grupo amino del aspartato produciendo adenilsuccinato. Este pierde una molécula de fumarato por acción de la adenilsuccinato liasa y genera AMP.

Síntesis de GMP

El IMP mediante la enzima IMP deshidrogenasa produce XMP, que capta un grupo amino mediante la GMP sintasa (gasto 1 ATP) produciendo GMP.

Molécula de IMP: Origen de los Átomos Centrales

Muestra el origen de los átomos centrales.

• N1: grupo amino del aspartato.
• C2,8: formiato.
• N3,9: grupo amida de la glutamina.
• C4,5 y N7: glicina.
• C6: HCO3-.

Regulación de la Biosíntesis de Nucleótidos de Purinas

Mediante la regulación de esta ruta de síntesis de novo se controla la producción de nucleótidos de purina. Los puntos de control se sitúan en las dos primeras reacciones, dado que generan el precursor común PRPP (activación de la ribosa-5-fosfato) y el comienzo de la conversión de PRPP a IMP (adquisición del N9). Sus enzimas actúan como limitantes regulando la síntesis.

1. Activación de la ribosa-5-fosfato para formar PRPP: catalizada por la ribosa fosfato pirofosfoquinasa o PRPP sintetasa, se activa con ATP (sustrato necesario para el funcionamiento de la sintetasa) y se inhibe con el aumento de producción de ribonucleótidos de purina frenando su síntesis.
2. Adquisición del N9 de la purina para formar fosforribosilamina: catalizada por la enzima amidofosforribosil transferasa, se inhibe ante concentraciones altas de cualquier ribonucleótido de purina (ATP, AMP, GTP...).

Otro punto de regulación se sitúa en la conversión de IMP a AMP y GMP como primeros ribonucleótidos, un desequilibrio en su producción varía su síntesis. Su producción se realiza de forma equilibrada, por lo que si hay más AMP o ATP (hidrólisis a AMP) aumentará la producción de GMP y si hay más GMP aumentará la producción de AMP.

Síntesis de Ribonucleótidos de Pirimidinas

La síntesis de nucleótidos se realiza en casi todas las células mediante:

1. Rutas de síntesis de novo: (utilizan como intermediario común el 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP o pentosa + 2 grupos P) para la síntesis de ribonucleótidos).
2. Rutas de salvamento: que reutilizan las bases nitrogenadas para formar mononucleótidos que sintetizarán nuevos ácidos nucleicos, y para formar ácido úrico (púricas) y propionato (pirimidínicas) como productos de su degradación.

Se diferencian dos tipos de síntesis de novo según la base nitrogenada que utilizan: la síntesis de ribonucleótidos de purina y de pirimidina.

Proceso de Síntesis de Ribonucleótidos de Pirimidinas

Las pirimidinas son un tipo de base nitrogenada junto con las purinas, en concreto son la timina, citosina y uracilo. Componen los nucleótidos, moléculas orgánicas formadas por la unión covalente de una pentosa (en el caso de los ribonucleótidos una ribosa), de uno a tres grupos fosfato (ácido fosfórico) y una base nitrogenada. A partir de bases pirimidínicas se obtienen el nucleótido primario de pirimidina UMP (uridín monofosfato, hexágono con dos N) que se fosforila para formar UDP, UTP y CTP (UTP con grupo amina).

Síntesis del UMP

Se utiliza el PRPP para la obtención del precursor del UMP, el OMP o orotidín monofosfato.

1. Síntesis de carbamoil fosfato: Catalizada por la enzima carbamoil fosfato sintetasa II (requiere el consumo de 2 ATP), a partir de HCO3- + el grupo amino de la glutamina (sale como glutamato) + H2O.
2. Síntesis de carbamoil aspartato: la aspartato transcarbamoilasa (ATCasa) cataliza la condensación del carbamoil fosfato con aspartato (sale grupo fosfato).
3. A partir de aquí se va formando el UMP. Cierre del anillo para formar dihidroorotato.
4. Oxidación de dihidroorotato.
5. Adquisición de ribosa fosfato: Una transferasa condensa el orotato junto el PRPP para formar OMP.
6. Descarboxilación y formación de UMP: que derivará en UDP y UTP como ribonucleótidos de pirimidinas por fosforilación o transferencia de grupo fosfato desde el ATP.

Molécula de UMP: Origen de los Átomos Centrales

Muestra el origen de los átomos centrales:

• N1 y C4,5,6: Aspartato.
• C2: HCO3-.
• N3: glutamina.

Puede provocar aciduria orótica: cuando se acumula orotato, por déficit de enzimas en reacción 5 y 6.

Regulación de la Biosíntesis de Nucleótidos de Pirimidina

Mediante la regulación de esta ruta de síntesis de novo se controla la producción de nucleótidos de pirimidina.

En Animales

El punto de control es la reacción 1 de síntesis de carbamoil fosfato, catalizada por la enzima limitante carbamoil fosfato sintetasa II. Esta se inhibe con el aumento de producción de ribonucleótidos de pirimidina UDP y UTP, se activa con ATP y PRPP. La OMP descarboxilasa en la reacción 6 de descarboxilación y formación del uridín monofosfato (UMP). Se inhibe con UMP y CMP, se activa con PRPP.

En Bacterias

El punto de control es la reacción 2 de síntesis de carbamoil aspartato mediante la enzima aspartato transcarbamoilasa (ATCasa). Se activa con ATP (sustrato necesario para el funcionamiento de la enzima) y se inhibe con CTP.

Enfermedades Relacionadas con Nucleótidos

Provocadas por la alteración de la excreción, síntesis o metabolismo.

Gota

Acumulación de ácido úrico como cristales insolubles que precipitan en los riñones al filtrarse formando cálculos, también se acumula en las articulaciones provocando dolor e inflamación. Debido a falta de excreción o aumento de síntesis en ruta de salvamento (deriva de bases nitrogenadas púricas).

Cetogénesis

Situación en relación con el ciclo de Krebs o del ácido cítrico, la ruta oxidativa más importante de la respiración celular en células aeróbicas. Recupera la energía de hidratos de carbono (glucólisis con posterior conversión del piruvato con el complejo piruvato deshidrogenasa a Acetil-CoA), ácidos grasos (la beta oxidación mitocondrial produce Acetil-CoA) y aminoácidos (desaminación oxidativa genera transaminación de aminoácidos que produce Acetil-CoA, piruvato o acetoacetato con posterior conversión), a partir de un sustrato primario común proveniente de estos, el Acetil-CoA, que genera 2 CO2 + 3 NADH + 1 FADH2 como productos finales. El poder reductor del NADH y FADH2 producidos se utiliza en la cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria para generar energía por gradiente de protones que se utilizará en la fosforilación oxidativa para sintetizar ATP con acción de la ATP sintasa.

Causas de la Cetogénesis

La cetogénesis se produce cuando se acumula acetil-CoA debido a la falta de intermediario oxalacetato para la condensación a citrato mediante la enzima citrato sintasa para continuar el ciclo. Esto provoca que vaya más lento y con ello disminuye la producción de ATP en la fosforilación oxidativa (mayor % energía celular) teniendo que suministrar al organismo con otro sustrato energético (cuerpos cetónicos en hepatocitos). El intermediario se repone en el propio ciclo, y también con la ayuda de una reacción anaplerótica exterior al ciclo, que convierte el piruvato (proveniente de la glucólisis) en oxalacetato mediante la enzima piruvato carboxilasa. Esta enzima se estimula a altas concentraciones de Acetil-CoA (como en cetogénesis) para reponer más intermediario, por lo que una acumulación de Acetil-CoA indica un fallo en la reposición mediante la reacción anaplerótica.

• En situaciones en las que no hay glucosa suficiente en sangre (ayuno, diabetes) no se producirá la glucólisis u obtención del piruvato, además se estimulará la gluconeogénesis o formación de glucosa consumiendo oxalacetato agravando más la cetogénesis.
• Elevadas concentraciones de Acetil-CoA actúan sobre la interconversión de piruvato a fosfoenolpiruvato, su doble función activa la gluconeogénesis (activa piruvato carboxilasa) e inhibe la glucólisis (inhibe la piruvato quinasa y piruvato deshidrogenasa).
• También un nivel de glucosa bajo en sangre provoca un aumento de la secreción de glucagón que produce un aumento del AMPc (adenilato ciclasa). Este aumenta la fosforilación enzimática activando la fructosa-2,6-bifosfatasa e inhibiendo la fosfofructoquinasa 2 que convierte la fructosa-6-fosfato (F6P) en fructosa-2,6-bifosfato (F2,6BP). Esto provoca disminución de la fructosa 2,6 bifosfato (doble función) aumentando la gluconeogénesis (activa fructosa-1,6-bifosfatasa) y disminuyendo glucólisis (inactiva la fosfofructoquinasa 1).

Proceso de la Cetogénesis

Como alternativa a la producción de energía a partir de la fosforilación oxidativa, la cetogénesis produce un sustrato energético aprovechable por cerebro, músculos, riñón... que se adaptan para obtener energía de su degradación, los cuerpos cetónicos producidos en los hepatocitos.

1. Dos moles de Acetil-CoA se condensan con la enzima tiolasa para formar acetoacetil-CoA.
2. La HMG-CoA sintasa (punto de control de la cetogénesis o producción de cuerpos cetónicos) con la entrada de otro Acetil-CoA produce HMG-CoA. Será utilizado como sustrato primario para la biosíntesis de colesterol en el citosol, o en mitocondrias de hepatocitos para la síntesis de cuerpos cetónicos: acetoacetato por acción de la HMG-CoA liasa. La descarboxilación de este genera acetona, y la reducción genera beta-hidroxibutirato.

Efectos de la Insulina

El aumento de glucosa (no es necesaria la producción de energía) en sangre provoca la secreción de la insulina para disminuir este nivel.

Sobre los Triacilgliceroles (TG) y Ácidos Grasos (AG)

Aumenta la síntesis de AG (almacén de energía) y disminuye la liberación de AG de los depósitos de TG.

1. Provoca disminución del AMPc, que promueve la acción de la fosfoproteína fosfatasa 1.
   1. Inactiva la fosforilasa quinasa. Esto provoca el predominio de la forma desfosforilada de la acetil-CoA carboxilasa o activa, aumentando la producción de Malonil-CoA y con ello la síntesis de AG (a su vez inhibe el transporte a la matriz y con ello la beta oxidación) para disminuir el Acetil-CoA y con ello la producción de energía en la fosforilación oxidativa.
   2. La disminución de AMPc inhibe la triacilglicerol lipasa, promoviendo el almacenamiento de AG en forma de TG en el tejido adiposo.

Funciones en el Metabolismo de Hidratos de Carbono en el Músculo

1. Favorece la entrada de glucosa al músculo. Disminuye la glucemia en sangre.
   1. Vuelve permeable al músculo, en periodo posprandial o durante el ejercicio. Es debido a que activa el transportador de membrana (GLUT4).
2. Incrementa el depósito de glucosa.
   1. Aumenta glucogénesis (síntesis de glucógeno) por activación de la glucógeno sintasa.
   2. Disminuye la degradación de glucógeno a glucosa (glucogenólisis) porque inactiva la fosforilasa del glucógeno.

Metabolismo de Hidratos de Carbono en el Hígado

1. Favorece la entrada de glucosa al hepatocito. Aumenta la actividad de la glucocinasa. Disminuye la glucemia en sangre.
2. Incrementa el depósito de glucosa.
   1. Aumenta la síntesis de glucógeno (glucogénesis) por activación de la glucógeno sintasa. Disminuye la degradación de glucógeno (glucogenólisis) por inactivación de la fosforilasa del glucógeno.
   2. Incrementa la glucólisis, para su uso en el ciclo del ácido cítrico. Disminuye la gluconeogénesis (síntesis de glucosa por precursores del ácido cítrico).
3. Favorece la síntesis de ácidos grasos para almacenar el exceso de glucosa.

En el Metabolismo de Lípidos

1. Favorece la entrada de glucosa y lipoproteínas al adipocito, disminuye la glucemia en sangre.
   1. Aumenta la síntesis de ácidos grasos por conversión de glucosa a piruvato y este a Acetil-CoA que produce ácidos grasos. La glucosa también puede convertirse más rápido a TG con la glicerol fosfatasa.
   2. Las lipoproteínas formarán ácidos grasos.
2. Incrementa el depósito de lípidos en tejido adiposo.
   1. Estimula la conversión de ácidos grasos a TG que se almacenan en el adipocito.
   2. Inhibe la degradación de TG a ácidos grasos y glicerol inhibiendo la lipoproteína lipasa.
   3. Inhibe la liberación de ácidos grasos a sangre.

En el Metabolismo de Proteínas

1. Favorece la síntesis y depósito de proteínas: aumenta la producción de ARNm, favorece el transporte de aminoácidos al interior del músculo, inhibe el catabolismo proteico, disminuye la gluconeogénesis (síntesis de glucosa a partir de aminoácidos).
2. Favorece el crecimiento junto con la hormona del crecimiento (GH).