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METABOLISMO DE COMPUESTOS NITROGENADOS. Profesor: Dra. Aurora Lara Nuñez 3 sesiones Objetivo particular: Este capítulo tiene como propósito familiarizar a los estudiantes con las estrategias generales para obtener y asimilar el nitrógeno y los mecanismos generales para desechar nitrógeno de compuestos nitrogenados. Se buscará enfatizar la estrecha interrelación que guardan las vías de asimilación y degradación de nitrógeno orgánico con el metabolismo de carbono. El estudio de todas las vías metabólicas se enfocará a aspectos generales, como su función dentro del metabolismo general, el tipo de reacciones químicas de relevancia, el balance de masa y energía, la regulación y la localización intracelular. Se evitará el análisis detallado de todas las reacciones parciales de la ruta metabólica. Asimilación y fijación del Nitrógeno. Formas de eliminación del Nitrógeno. Relación entre el metabolismo del Nitrógeno y el del Carbono. Bibliografía: • Buchanan, Gruissem, Jones. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists. • Capítulos 8 - Amino ácidos 16 - Nitrógeno Artículos: • Stitt M, Müller C, et al. Steps towards an integrated view of nitrogen metabolism. 2002. J. Exp. Bot. 53(370):959-970 (5 personas) • Comparot S, Lingiah G, Martin T. Function and specificity of 14-3-3- proteins in the regulation of carbohydrate and nitrogen metabolism. 2003. J. Exp. Bot. 54(382): 595604 (2 personas) • Freshi L, Rodrigues MA, et al. 2010. Correlation Between citric acid and nitrate metabolism during CAM cycle in the atmospheric bromeliad Tillandsia pohliana. J. Plant Physiol. 167:1577-1583 (3 personas) • Oldroyd GED, Downie JA. Coordinating Nodule Morphogenesis with Rhizobial Infection in Legumes. 2008. Annu. Rev. Plant Biol. 59:219-46 (5 personas) • Provan F, Aksland L-M, Meyer C, Lillo C. Deletion of the nitrate reductase N-terminal domain still allows binding of 14-3-3 proteins but affects their inhibitory properties. 2000. Plant Physiol. 123:757-764. (2 personas) • Schachtman DP, Shin R. Nutrient sensing and Signaling: NPKS. 2007. Annu. Rev. Plant. Biol. 58:47-69. (2 personas) Fijación de Nitrógeno Ciclo de transformación de nitrógeno mineral a orgánico N es el 4to elemento más abundante en los organismos vivos; 0.1 % de la corteza terrestre, 80 % de la atmósfera (N2). El fuego y los rayos; combustión interna de motores y fertilizantes químicos El mayor suministro de nitrógeno inorgánico a orgánico (N2 a NH3) es a través de la fijación del carbono, sólo por procariontes. El NH3 producido puede ser asimilado en aminoácidos y otros compuestos nitrogenados ó se puede convertir en nitratos y nitritos por bacterias nitrificantes. El NO3- puede entrar al organismo a través de su reducción a NH4+ o puede ser un aceptor de electrones Ciclo del nitrógeno ón de nitrógeno en plantas Reducción enzimática de N2 Filogenias de eubacterias y algunas arqueas metanogénicas Nitrogenasa Única reacción bioquímica que consume compuestos ricos en energía y requiere al mismo tiempo reductores biológicos fuertes → nitrogenasa sensible a O2 → anaerobiosis ogía de la fijación del nitrógeno Fijación de nitrógeno Costos: 12-17 g de carbohidratos por g de N fijado: Formación de nódulo, fijación, transporte de amonio. Eventos que conducen a la formación de la simbiosis Rhizobium-leguminosa 1) Bact. gram negativas (Rizhobia). Asociaciones con leguminosas. 2) Bact. gram positivas. (actinomicetos: Frankia) y dicotiledóneas. Árboles o arbustos leñosos. 3) Cianobacterias y dicotiledóneas. Ej. Anabaena en arroz. Formación de nódulos fijadores de nitrógeno Invasión de pelos radiculares Nódulo indeterminado Nódulo determinado (esférico) Meristemo nodular Liberación de bacterias de un hilo de infección en una célula blanco Genes que se expresan sólo durante la formación del nódulo Genes Nod Elicitores que segrega la planta para inducir genes nod Factores Nod Mecanismo de producción de ATP en un ambiente bajo de oxígeno Rutas de asimilación primaria de nitrógeno en nódulos I Síntesis de aminoácidos Rutas de asimilación primaria de nitrógeno en nódulos II Transporte de nitrato y su asimilación Transportadores de Amonio AMT SAT Km 5 mM Km 10-70 µM Cinética de entrada de nitrato a la planta Alta afinidad Familia NTR2 HATS o mecanismo I Km 10-100 µM Baja afinidad Familia NTR1 LATS o mecanismo II No saturación Nitrato reductasa Regulación de la expresión del gen de NR Modelo de regulación de la actividad de NR Los aminoacidos no pueden excretarse directamente, en consecuencia se utilizan como combustible metabólico En vertebrados terrestres: Los grupos alfa-amino (de los aminoacidos) se convierten en urea mientras que sus esqueletos carbonados se transforman en acetil-CoA, acetoacetil-CoA, piruvato o algun intermediario del ciclo de Krebs Esqueleto de carbono de aa que queda -ceto ácido son degradados Aminotransferasas o transaminasas Transferencia del grupo amino. Dependientes de NAD+ o de NADP+ Ejemplo: aspartato aminotransferasa, alanina aminotransferasa. Reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa: desaminación oxidativa (Matriz mitocondrial) L-glutamato + NAD(P)+ +H2O ↔ -Cetoglutarato + NH4+ + NAD(P)H + H+ Enzima de seis subunidades identicas, grupo prostético llamado pirodoxal fosfato Activadores de la enzima: GDP y ADP Inhibidores alostéricos: GTP y ATP Procedente de la pirimidina (vitamina B6) Aminotransferasas Aspartato aminotransferasa L-aspartato + -Cetoglutarato ↔ Oxalacetato + L-glutamato Alanina aminotransferasa L-alanina + -cetoglutarato ↔ Piruvato + L-glutamato Ciclo de la UREA Ecuación balanceada del ciclo de la urea HCO3- + 2ATP + NH4 → carbamilfosfato + 2 ADP + Pi Carbamilfosfato + ornitina → citrulina + Pi Citrulina + ATP + Aspartato → PPi + AMP + argininosuccinato Argininosuccinato + H2O → Arginina + fumarato Arginina + H2O → Urea + Ornitina HCO3- +NH4++3ATP+Aspartato+2H2O → → Urea+2ADP+AMP+2Pi+PPi+fumarato La estrategia de la degradación de aminoácidos es transformar los esqueletos carbonados en intermediarios metabólicos que pueden convertirse en glucosa o en intermediarios del ciclo de Krebs Destino de la degradación de amino ácidos Amino ácidos cetogénicos 1.- acetil-CoA 2.- Acetoacetil-CoA (leucina y lisina) Amino ácidos glucogénicos 3.- piruvato 4.- alfa cetoglutarato 5.- succinil-CoA 6.- fumarato 7.- oxalacetato (14 amino ácidos restantes) Animoactidos ceto y glucogénicos Pueden dar cualquiera de los siete intermediarios del ciclo de Krebs (isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina) Condición Médica Defecto Albinismo síntesis de melanina a partir de tirosina Alcaptonuria Degradación de tirosina homogenistato 1,2dioxigenasa Pigmentación obscura de la orina; desarrollo tardío de artritis Argininemia Síntesis de urea Arginasa Retraso mental Acidemia arginosuccinica Síntesis de urea Arginosuccinato liasa Vómito y convulsiones Deficiencia de la CPSI Síntesis de urea Carbamilfosfato sintetasa I Letargo *, convulsiones, muerte temprana Enfermedad de orina de jarabe de maple Isoleucina, leucina y valina Acidemia metilmalonica Conversión de propionilCoA a succinil-CoA Fenilcetonuria Conversión de fenilalanina a tirosina enzima defectuosa Tirosina 3monooxigenasa (tirosinasa) Complejo deshidrogenasa de alfa-ceto ácidos de cadena ramificada Metilmalonil-CoA mutasa Fenilalanina hidroxilasa síntomas y fenotipo Falta de pigmentación; pelo blanco, piel rosa Vómito, convulsiones, retraso mental, muerte temprana Vómito, convulsiones, retraso mental, muerte temprana Vómito neonatal, retraso mental Biosíntesis de nucleótidos 10/8/13 Piridiminas y purinas 10/8/13 Procesos metabólicos en los que participan los nucleótidos Precursores activados de ADN y ARN • Intermediarios activados: UDP-glucosa, CDPdiacilglicerol, S-adenosilmetionina • El ATP es un acarreador de energía, el GTP participa en la síntesis de proteínas. • Los nucleótidos de la adenina son componentes de NAD+, FAD+ y coenzima A. • Son reguladores metabólicos: AMPc, adenilación de la glutamina sintetasa. 10/8/13 Diferencias entre nucleósido y nucleótido 10/8/13 Purinas Piridiminas 10/8/13 Origen de cada uno de los átomos de una purina 10/8/13 Formación de ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos 10/8/13 ¿Qué molécula dona la ribosa fosfato en la síntesis de purinas? Ribosa fosfato pirofosfocinasa ATP Ribosa 5 fosfato 10/8/13 AMP 5 fosforribosil 1 pirofosfato 10 pasos formación del anillo de purinas 1. Gln (grupo amida): N9 2. Gli: C4, C5 y N7 3. N10 formiltetrahidrofolato: C8 4.Gln (grupo amida): N3 5. Formación del primer anillo 6. CO2: C6 7. Asp: N1 8. Eliminación de fumarato 9. N10 formiltetrahidrofolato: C2 10. Formación del segundo anillo 10/8/13 Síntesis del AMP y GMP 10/8/13 Vía de salvamento (reutilización) de purinas PURINA PRPP PPi PURINA Purina ribonucleótido Adenina fosforribosil transferasa Adenina + PRPP Adenilato + PPi Hipoxantina guanina fosforribosil transferasa Hipoxantina + PRPP Inosinato + PPi 10/8/13 Guanina + PRPP Guanilato + PPi Diferencias entre la síntesis de novo y la vía de salvamento 10/8/13 10/8/13 Origen de cada uno de los átomos de una piridimina 10/8/13 Carbamoilfosfato sintetasa II Glutamina + 2 ATP + HCO3- Carbamoilfosfato + 2 ADP + Pi + Glu Diferencias con la carbamoilfosfato sintetasa I. El donador de N es Gln y no NH4+. Reacción citosólica. El N-acetilglutamato no es un activador alostérico. 10/8/13 Paso regulatorio 10/8/13 Precursores de la síntesis de ADN NADPH + H+ Ribonucleósido difosfato 10/8/13 NADP+ +H2O Deoxiribonucleósido difosfato Timidilato sintasa 10/8/13 10/8/13 Regeneración de N5, N10 - metilen H4folato: Aplicaciones clínicas 10/8/13 10/8/13