La biosíntesis

Desoxirribonucleótidos Ribonucleótidos

Constituye un proceso fundamental en todas las células

muchos de ellos participan también en el metabolismo como coenzimas.

Nucleótidos ARN

ADNPrecursores

directos

Además de conocer las propiedades y funciones de los carbohidratos, lípidos y de las proteínas.

La producción de todas estas sustancias depende de una cuarta clase de biomoléculas: llamadas ácidos nucléicos, porque fueron identificados en el núcleo de la célula.

Son moléculas compuestas por muchas subunidades repetidas llamadas nucleótidos.

La naturaleza de estos nucleótidos y la manera en que están unidos entre sí determinan las propiedades de los ácidos nucléicos y les confieren esa capacidad única de actuar como transportadores de la información genética.

Los nucleótidos y las moléculas que tienen relación con ellos llevan a cabo, además de otras tareas vitales, sobre todo como proveedores de energía química y como coenzimas nucleotídicos en muchos procesos bioquímicos.

Todos los Nucleótidos están formados:

Base nitrogenada Grupo fosfato Azúcar, Pentosa

El azúcar (pentosa) componente de los nucleótidos es en general la ribosa o desoxirribosa.

El grupo fosfato, químicamente reactivo, es capaz de formar un enlace covalente con la pentosa de otro nucleótido, de lo que resulta una nueva molécula llamada dinucleótido, luego trinucleótido y siguiendo con este mismo proceso se forman los polinucleótidos como el ADN y ARN.

Contienen una de las 5 posibles bases nitrogenadas:

1. Adenina (A)2. Guanina (G) PURINAS

3. Timina (T)4. Citosina (C) PIRIMIDINAS5. Uracilo (U)

Todas estas bases nitrogenadas contienen estructuras en anillo,

con átomos de nitrógeno y de carbono.

Un aspecto importante de la biosíntesis de los nucleótidos lo constituye la ruta de formación de sus bases nitrogenadas: Purinas y pirimidinas

Casi todos los organismos vivos con la excepción de algunas bacterias, son capaces de sintetizar dichas bases a partir de precursores sencillos.

PURINAS PIRIMIDINASglicinaglutaminaN-2-formilTHFácido asparticoCO2

Las rutas biosintéticas de los nucleótidos están sometidas a una estricta regulación, ya que los 4 desoxirribonucleótidos principales y los 4 ribonucleótidos fundamentales se encuentran insertados en el ADN y ARN de las células.

Estos mecanismos reguladores sirven para producir una “mezcla” adecuada de nucleótidos conveniente para cada tipo de ácido nucléico y para cada tipo de célula.

Tanto los nucleótidos como como sus bases nitrogenadas se emplean con economía

De hecho en la gran mayoría de los organismos no utilizan como fuentes de energía.

Los requerimientos metabólicos para los nucleótidos y sus bases relacionadas pueden lograrse tanto por la ingesta dietética o por la síntesis de novo a partir de precursores de las vías anfibólicas.

De hecho, la capacidad recuperar los nucleótidos de fuentes internas del cuerpo disminuye cualquier requisito alimenticio por los nucleótidos, así las bases de purina y de pirimidina no son esencialmente requeridas en la dieta.

Sin embargo, cuando hay ingesta de ácidos nucléicos y nucleótidos son degradados en el tracto intestinal a mononucleótidos, los cuáles pueden ser absorbidos y excretados a través de la orina.

Ingesta nucleótidos

mononucleótidos

Absorbidos y excretados a través de la

orina

Los nucleótidos se encuentran en alimentos de origen vegetal como animal.

Sus niveles en los alimentos dependen de la complejidad celular de éstos.

Ejemplo; carnes, pescados y semillas contienen grandes cantidades, mientras que leche, levadura, frutas, huevos tienen poca cantidad de estas moléculas.

Las vísceras (hígado, cerebro y riñón), y legumbres tienen altas concentraciones de bases púricas.

adenina e hipoxantina.

En el pescado, las purinas encontradas son monofosfato de inosina (IMP), inosina e hipoxantina.

Existe poca información sobre la concentración en los alimentos de bases pirimídicas.

La purina y la pirimidina son sintetizadas en el organismo de acuerdo a las concentraciones fisiológicas que se necesitan.

Los mecanismos intracelulares regulan el tamaño de los nucleótidos trifosfato (NTPs), los cuáles aumentan durante el crecimiento o generación de tejido cuando las células se dividen rápidamente.

Las primeras investigaciones en la biosíntesis de nucleótidos se hicieron en aves, y mas tarde empezaron a realizarlas en la bacteria de E.coli.

Las vías de recuperación son una fuente importante de nucleótidos para la síntesis de ADN, ARN y cofactores enzimáticos.

Las vías de síntesis de purinas son similares en organismos tan divergentes como E. Coli y humanos.

El sitio principal de la síntesis de purina está en el hígado.

Los precursores de purina son:

GlicinaN-2-FormilTHF, Glutamina, ácido aspárticoCO2

Existen 3 procesos que contribuyen a la biosíntesis de purinas:

1. Síntesis de Novo, a partir de intermediarios de las vías anfibólicas.

2. Pirofosforilación de purinas (PRPP; 5-fosforibosa-pirofosfato) El grupo pirofosfato del ATP se tranfiere intacto a la purina

3. Fosforilación de nucleósidos de purina

La ruta biosintética de los ácidos adenílico y guanílico, comienzan con:

1. La activación de la ribosa 5-fosfato por fosforilación enzimática a expensas del ATP para fromar: 5-fosforibosa 1-pirofosfato

Pirofosforilación enzimática

Inosina monofosfato

(IMP)

10 Rxns

El IMP (inosina monofosfato) primer nucleótido formado en la síntesis de purina, es un compuesto muy importante en el metabolismo y representa un punto de ramificación para la biosíntesis de purinas, porque puede ser convertido en AMP o GMP a través de dos distintas vías de reacción.

AMP

GMP

Monofosfato de Guanina

La conversión de los ácidos adenílico y guanílico en ATP y GTP, respectivamente, tiene efecto por medio de dos transferencias sucesivas de grupos fosfato de energía elevada del ATP, catalizadas por enzima nucleósido-monofosfato-quinasa y por la nucleósido-difosfato-quinasa, respectivamente.

Monofosfato de Guanina

AdenosínaTrifosfato

GuaninaTrifosfato

ATP

GTP

GMP

AMPATP

ATP

La síntesis de Novo se refiere a la formación de moléculas complejas a partir de unas mas sencillas ya existentes.

Por ejemplo, los nucleótidos no son necesarios en la dieta, ya que pueden construirse a partir de pequeñas moléculas precursoras, como formiato y aspartato. 

metionina , por el contrario, es necesaria en la dieta porque si bien puede ser degradada y luego regenerada a partir de homocisteína , no puede ser sintetizada de novo.

“Novo” significa "de los nuevos", de nuevo, desde cero, o desde el principio.

En los nucleótidos de purina se sinteriza el anillo de purina desde el inicio a partir de precursores metabólicos.

Comienza con la formación del dador de unidades de ribosa. 

La ribosa 5-fosfato procedente de la vía de las pentosas fosfato da lugar, con hidrólisis de ATP, a la formación del dador de unidades de ribosa: 5-fosforribosil pirofosfato.

A partir y sobre esta molécula, se adicionan todos los precursores del anillo de purina, en una serie de reacciones muy complejas. 

Este proceso se puede dividir en 2 partes: 

Primero se forma el primer anillo, un imidazol  y después se forma el segundo anillo formando el nucleótido púrico. 

Existe mucho gasto de energético para formar y cerrar el anillo.

El N3 aparece cuando se cicla el anillo imidazol sobre este anillo se colocan el resto de precursores.

5-fosforribosil pirofosfato 5-fosforribosil 5-animoimidazol

2Gln 10-FTHTF Glicina

A partir del IMP y mediante actividades enzimáticas específicas se sintetizan el resto de bases

5-fosforribosil pirofosfato Inosín Monofosfato (IMP)

10-FTHTF CO2Asp

IMP

IMP

IMP

Asp Gln

En el ADN los nucleótidos son desoxirribonucleótidos, que se sintetizan a partir de los ribonucleótidos.

La célula dispone de un mecanismo de síntesis de nucleótidos que ahorra energía, es la denominada vía de recuperación o salvamento.

RIBONUCLEÓTIDO DESOXIRIBONUCLEÓTIDOFOSFONUCLEÓTID

O REDUCTASA

Es una reacción que trata de recuperar esas bases nitrogenadas (Adenina y Guanina) mediante la trasferencia de esa base al dador de unidades ribosa (5-fosforribosil pirofosfato). 

Se produce la síntesis de nucleótidos recuperando las bases púricas que han aparecido en el organismo. 

La catalizan las enzimas fosforribosil transferasas de las cuales existen dos: 

Adenina fosforribosil transferasa que forma AMP Hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa que forma

IMP y GMP. 

Esta vía de recuperación es muy importante porque en principio es una ruta muy poco costosa energéticamente y con presencia de enzima no hay gasto energético comparado con lo que cuesta sintetizar de novo el mismo nucleótido (un 80-90% menos, aproximadamente)

La pirimidina es un compuesto orgánico, similar al benceno, pero con un anillo heterocíclico: dos átomos de nitrógeno sustituyen al carbono en las posiciones 1 y 3.

Se degrada en sustancias muy solubles como:alanina beta amino isobutirato betaprecursores de acetil-CoA succinil-CoA.

Los anillos de pirimidinas se fabrican a partir de 2 moléculas conocidas (ácido aspártico y glutamina).

El carbamoil-P se conjuga con el aspártico para dar N-Carbamoil-aspartato mediante la aspartatotranscarbomoilasa. Mediante ladihidrooratasa se forma una estructura típica de pirimidina(dihidroorotato).Mediante una deshidrogenasa que pasa NAD a NADH, da lugar alorotato. El orotato  hay que transferirlo a la Ribosa-P (forma activada PRPP)mediante una transferasa. Dan lugar al orotidilato. Sobra unacarboxilasa que sale por la orotilatodescarboxilasa y da lugar al

UMP. Del UMP deriva el resto de pirimidin nucleótidos. Se transfiere desde elATP para dar  UTP.

Del UTP se puede formar citidina (uracilo más grupoamino que da la glutamina)

La síntesis de las pirimidinas es menos compleja que la de las purinas, puesto que la base es mucho más simple.

La primera base terminada se deriva a partir de: glutamina, ATPCO2

aspartato.

Una mol adicional de glutamina y ATP son requeridas en la conversión de UTP a CTP.

Forman Carbamoil-P

El carbamoil fosfato usado para la síntesis del nucleótido de pirimidina se deriva de la glutamina y del bicarbonato, dentro del citosol.

El precursor del nucleótido de pirimidina es sintetizado por la carbamoil fosfato sintetasa (CPS-II).

El carbamoil fosfato es entonces condensado con el aspartato en una reacción catalizada por la enzima limitante de la biosíntesis del nucleótido de pirimidina, la aspartato transcarbamoilasa (ATCasa).

Aspartato carbamoil

Ácido dihidroorotico

Ácido orotico

Orotidina 5-monofosfato

Enzima nombres:

1. aspartato transcarbamoylase, ATCase2. carbamoil aspartato deshidratasis3. dihidroorotato deshidrogenasa4. orotato phosphoribosyltransferase5. orotidine-5'-fosfato carboxilasa

La síntesis de pirimidina difiere de dos maneras significativas de la síntesis de purinas.

Primero, la estructura de anillo está configurada como una base libre, que no se construye encima de PRPP.

El PRPP es agregado a la primera base completamente formada de pirimidina (ácido orótico), formando el orotato monofosfato (OMP), que es posteriormente decarboxilado a UMP.

Segundo, no hay ramificación en la vía de la síntesis de pirimidina. El UMP es fosforilado dos veces para producir UTP (el ATP es el donante de fosfato).

La primera fosforilación es catalizada por la uridilato cinasa y el segundo por la nucleósido difosfato cinasa.

Finalmente el UTP es aminado por la acción de la CTP sintasa, generando CTP.

Los nucleótidos de timina son a su vez derivados por la síntesis de novo desde dUMP o mediante vías de salvamento a partir de la deoxiuridina o deoxitinidina

La vía de la síntesis de novo de dTTP primero requiere del uso de dUMP del metabolismo de cualquier UDP o CDP.

El dUMP es convertido a dTMP por la acción de la timidilato sintasa. El grupo metíl (recuerda que la timina es 5-metil uracil) es donado por N5,N10-metileno-THF, similar a la donación de los grupos metilos durante la biosíntesis de las purinas.

La única propiedad de la acción de la timidilato sintasa es que el THF es convertido a dihidrofolato (DHF), la única reacción que produce DHF a partir de THF.

Para que la reacción de la timidilato sintasa continue, el THF debe ser regenerado desde DHF. Esto se logra a través de la acción de la dihidrofolato reductasa (DHFR).

El THF entonces es convertido a N5,N10-THF por la acción de la serina hidroximetil transferasa.

El papel crucial de la DHFR en la biosíntesis del nucleótido de timidina le hace un blanco ideal para los agentes quimioterapéuticos (véase abajo).