CAPÍTULO 14: Metabolismo del nitrógeno I: síntesis

Sinopsis

EL NITRÓGENO SE ENCUENTRA EN UNA VARIEDAD SORPRENDENTE DE BIOMOLÉCULAS, INCLUIDOS LOS AMINOÁCIDOS Y LAS BASES NITROGENADAS QUE SE USAN en la síntesis de proteínas y ácidos nucleicos, respectivamente. Otras biomoléculas esenciales que contienen nitrógeno incluyen las porfirinas (p. ej., hem y clorofila), ciertos lípidos de las membranas y un grupo diverso de biomoléculas de importancia metabólica que se sintetizan en menores cantidades (p. ej., varios neurotransmisores y glutatión). En este capítulo se revisa el nitrógeno, desde su fijación por el proceso que convierte al nitrógeno inerte en amoniaco (NH₃) con utilidad biológica y hasta la síntesis de las principales biomoléculas que contienen nitrógeno.

El ciclo del nitrógeno es el ciclo bioquímico en el que los átomos de este elemento fluyen por la biosfera. Varios procesos bioquímicos convierten al nitrógeno de una forma en otra. La fijación del nitrógeno, su incorporación a moléculas orgánicas, inicia con la unión (reducción) de N₂ por los microorganismos procariotas para formar amoniaco (NH₃). Los vegetales como el maíz dependen de la absorción del NH₃ y del NO⁻₃ (nitrato) que sintetizan las bacterias del suelo o que se suministran en los fertilizantes artificiales. Como en general el nitrógeno fijado disponible para las plantas es poco, el aporte de N es con frecuencia el factor limitante del crecimiento y del desarrollo de éstas.

Sin importar la forma en que las plantas adquieren NH₃, sea por fijación de nitrógeno, por absorción del suelo o por reducción del NO⁻₃ absorbido, éste se asimila por la conversión en el grupo amida de la glutamina. A continuación, este “nitrógeno orgánico” se transfiere a otros compuestos carbonados para producir los aminoácidos que utiliza la planta para sintetizar las moléculas nitrogenadas (p. ej., proteínas, nucleótidos y grupos hem). El nitrógeno orgánico, principalmente en forma de aminoácidos, fluye luego por todo el ecosistema cuando los animales y los microorganismos de descomposición consumen las plantas. Cuando los organismos mueren, el nitrógeno orgánico se mineraliza (es decir, se convierte mediante la acción de muchos tipos de microbios en NH₃, NO⁻₃, NO⁻₂ [nitrito] y al final, N₂).

Después de una revisión sobre la fijación del nitrógeno, se describen las características esenciales de la biosíntesis de los aminoácidos. A continuación se realiza una descripción de la biosíntesis de moléculas nitrogenadas seleccionadas. Se hace énfasis especial en las vías anabólicas de los nucleótidos. En el capítulo 15 se traza el flujo de los átomos de nitrógeno a través de numerosas vías catabólicas hasta los productos de desecho que eliminan los animales.

Diversas circunstancias restringen la cantidad de nitrógeno utilizable del que se puede disponer en la biosfera. Las más notables son el número limitado de especies que pueden convertir N₂ en NH₃, una molécula con mayor reactividad química, y las elevadas necesidades de energía para este proceso, que se conoce como fijación de nitrógeno. Entre las especies más destacadas que fijan nitrógeno se encuentran ciertas bacterias de vida libre (p. ej., Azotobacter vinelandii y Clostridium pasteurianum), las cianobacterias (p. ej., Nostoc muscorum y Anabaena azollae) y bacterias simbióticas (p. ej., varias especies de Rhizobium). Los organismos simbióticos forman relaciones mutualistas, es decir, relaciones beneficiosas recíprocas con animales y plantas hospedadoras. Por ejemplo, las especies de Rhizobium infectan raíces de plantas leguminosas como la soja y la alfalfa.

La fijación de nitrógeno requiere un gran aporte de energía, porque la reducción de N₂ para formar NH₃ implica la rotura del triple enlace apolar del gas dinitrógeno atmosférico. En la fijación comercial de nitrógeno, el NH₃ es el producto de la reacción de Haber-Bosch, en la cual se calientan H₂ y N₂ a una temperatura de 400 a 650°C bajo una presión de 200 a 400 atm en presencia de hierro como catalizador. A diferencia de lo que ocurre en el proceso de Haber-Bosch, las especies fijadoras de nitrógeno convierten N₂ en NH₃ a la temperatura y a la presión atmosférica del ambiente. Sin embargo, las necesidades de energía para el proceso biológico son elevadas: se necesita un mínimo de 16 ATP para reducir un N₂ y formar dos moléculas de amoniaco. La reacción general de la fijación del nitrógeno es $N2+8e−+16ATP+10H+→2NH4++16 ADP+16Pi+H2$.

Reacción de fijación de nitrógeno

Todas las especies que pueden fijar nitrógeno poseen el complejo nitrogenasa, cuya estructura es semejante en todas las especies investigadas hasta ahora y que consta de dos proteínas que se denominan dinitrogenasa y reductasa de dinitrogenasa (fig. 14.1). La dinitrogenasa (240 kD), que también se denomina proteína MoFe, es un heterotetrámero α₂β₂. Cada dímero αβ es una unidad catalítica que contiene dos grupos prostéticos metálicos únicos: un cúmulo P [8Fe-7S] y el cofactor molibdeno-hierro (cofactor MoFe), que se une con el ácido tricarboxílico homocitrato. La proteína MoFe cataliza la reacción N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ → 2NH₃ + H₂. La reductasa de dinitrogenasa (60 kD), que también se denomina ferroproteína o proteína Fe, es un dímero que contiene subunidades idénticas, cada una de las cuales tiene un sitio de unión a MgATP. Un agregado 4Fe-4S está unido a la interfaz de las dos unidades, a 15 Å del sitio de unión de MgATP y cerca del sitio de acoplamiento para el tetrámero dinitrogenasa (proteína MoFe). La proteína Fe transfiere electrones, provenientes en última instancia de NAD(P)H, uno a la vez a la proteína Mo-Fe. Ambas proteínas del complejo nitrogenasa son desactivadas irreversiblemente por O₂.

El primer paso en la fijación de nitrógeno (fig. 14.2) es la transferencia de electrones del NAD(P)H a la ferredoxina, un agente reductor potente que a su vez dona los electrones al agregado FeS de la proteína Fe, uno a la vez. Cada transferencia de electrones de la proteína Fe al agregado P de la proteína MoFe implica el acoplamiento de la proteína Fe (cargada con electrones) unida a MgATP y luego la transferencia de electrones que requiere un cambio conformacional dependiente de la hidrólisis de MgATP. La proteína Fe (MgADP) se disocia entonces de la proteína MoFe e intercambia su MgADP por MgATP. El proceso de transferencia electrónica se repite hasta que se han suministrado ocho electrones al cofactor MoFe. (En su forma oxidada deficiente en electrones, la proteína Fe tiene mayor afinidad por el MgATP.) Los potenciales de reducción de la proteína Fe y del agregado P se han registrado entre –400 y −300 mV, respectivamente. La transferencia de los dos primeros electrones causa la reducción de H⁺ (el estado MoFeH₂ de la enzima). Esta fase del proceso ocurre con o sin la presencia de dinitrógeno. El N₂ entrante se intercambia por H₂ en el sitio activo (entre el ion molibdeno y cuatro centros de coordinación de Fe) para formar un intermediario estable (MoFeN₂H). Después, se transfieren seis electrones y seis protones al sitio activo para formar la diimina (HN==NH, adición de dos electrones), luego la hidracina (H₂N—NH₂, adición de cuatro electrones), y por último dos productos NH₃ (adición de seis electrones). Por lo tanto, se utilizan dos electrones para reducir 2H⁺ a H₂ (esencial para el proceso catalítico), y seis electrones a fin de reducir N₂ en tres pasos para generar dos moléculas de NH₃.

Además de las grandes cantidades de ATP que se requieren para impulsar la reducción de N₂ (un mínimo de 16 moléculas de ATP), debe sintetizarse una cantidad sustancial de copias de las proteínas del complejo nitrogenasa en virtud del largo tiempo de recambio de la enzima: se producen unos 6 NH₃ cada segundo por molécula de enzima. (Las proteínas del complejo nitrogenasa pueden constituir hasta el 20% de las proteínas celulares en los diazótrofos, las bacterias fijadoras de nitrógeno.) Como resultado, la regulación de la fijación de nitrógeno mediada por los diazótrofos, que deben reaccionar a numerosas variaciones ambientales (p. ej., concentraciones fijas de nitrógeno y de oxígeno, y disponibilidad variable de fuentes de carbono), es intrincada y estricta. La principal forma de regulación es el control de la transcripción de los casi 20 genes involucrados en la fijación de nitrógeno (nif). Además de codificar la reductasa de dinitrogenasa (proteína Fe) y las subunidades α y β de la dinitrogenasa (proteína MoFe), los genes nif codifican una variedad de enzimas que sintetizan componentes del proceso de fijación de nitrógeno como agregados metálicos, homocisteína o ferredoxina, y proteínas reguladoras que median respuestas a señales ambientales.

Asimilación de nitrógeno

La asimilación de nitrógeno es la incorporación de compuestos nitrogenados inorgánicos en moléculas orgánicas. En las plantas, la asimilación de nitrógeno comienza en las raíces con la transferencia de $NH4+$ (iones amonio) desde bacterias simbióticas presentes en los nódulos radiculares de las leguminosas o con la absorción de $NH4+$ o de $NO3−$ (nitrato) desde la tierra. El nitrato lo producen bacterias nitrificantes del suelo. Organismos como Nitrosomonas oxidan $NH4+$ para formar $NO2−$ (nitrito), que se oxida aún más a $NO3−$ por medio de bacterias como Nitrobacter.

En las plantas, la asimilación de nitrógeno inorgánico en biomoléculas ocurre mediante la incorporación de nitrógeno amonio en aminoácidos. La glutamina sintetasa, la enzima más importante en la asimilación de nitrógeno, cataliza la reacción dependiente de ATP del glutamato con el ion $NH4+$ para formar glutamina. En el siguiente paso, la glutamina reacciona con α-cetoglutarato para formar glutamato. (En la sección 14.2 se describe la síntesis de otros aminoácidos a través de la transferencia del grupo amino del glutamato). Cuando la fuente de nitrógeno es nitrato, primero debe convertirse en $NH4+$ en un proceso de dos pasos. Después de que el nitrato se ha convertido en nitrito por acción de la nitrato reductasa, se produce amoniaco mediante la reducción del nitrito, la cual es catalizada por la nitrito reductasa.

Los seres vivos se diferencian en cuanto a su capacidad de sintetizar los aminoácidos que se requieren para la síntesis de proteínas. Aunque los vegetales y muchos microorganismos pueden producir todos sus aminoácidos a partir de precursores de fácil disposición, otros organismos deben obtener de su entorno algunos aminoácidos ya formados. Los animales pueden sintetizar sólo la mitad de los aminoácidos que requieren. Los aminoácidos no esenciales (NAA, nonessential amino acids) se sintetizan a partir de los metabolitos disponibles. Los aminoácidos que deben obtenerse de la dieta se conocen como aminoácidos esenciales (EAA, essential amino acids). Los tejidos de los mamíferos pueden sintetizar aminoácidos no esenciales (cuadro 14.1) mediante vías de reacción relativamente sencillas. Por el contrario, los aminoácidos esenciales deben obtenerse de los alimentos, debido a que los mamíferos carecen de las largas y complejas vías de reacción que se requieren para su síntesis.

Generalidades del metabolismo de los aminoácidos

Los aminoácidos desempeñan diversas funciones. Aunque la más importante es la síntesis de proteínas, también son la fuente principal de los átomos de nitrógeno que se requieren en diversas vías sintéticas. Además, los componentes no nitrogenados de los aminoácidos (que se denominan esqueletos carbonados) son una fuente de energía y precursores de varias vías de reacción. Por lo tanto, para el crecimiento y el desarrollo adecuados de un organismo animal es esencial una ingestión apropiada de aminoácidos en forma de proteína dietética.

Las fuentes alimentarias de proteínas se diferencian mucho en cuanto a sus proporciones de EAA. En general, las proteínas completas (aquellas que contienen cantidades suficientes de EAA) son de origen animal (p. ej., la carne, la leche y los huevos). Las proteínas vegetales con frecuencia carecen de uno o de varios EAA. Por ejemplo, la gliadina (proteína del trigo) tiene cantidades insuficientes de lisina, y la zeína (proteína del maíz) tiene concentraciones bajas de lisina y de triptófano. Debido a que las proteínas de las plantas difieren en sus composiciones de aminoácidos, los alimentos vegetales pueden proporcionar una fuente de buena calidad de aminoácidos esenciales sólo si se ingieren en combinaciones adecuadas. Una de estas combinaciones la forman los frijoles (con poca metionina) y los cereales (con poca lisina). Después de la digestión de la proteína dietética en el tubo digestivo, los aminoácidos libres se transportan a través de los enterocitos y hacia la sangre. La mayor parte de las dietas no aporta aminoácidos en las proporciones que el cuerpo requiere. Por lo tanto, sus concentraciones deben ajustarse por mecanismos metabólicos. Los aminoácidos liberados del intestino a la sangre ya tienen algunos cambios en sus concentraciones relativas. La mucosa intestinal es un tejido muy activo que se sustituye de manera constante, mantiene su estructura y función mediante nutrientes entrantes distintos a la glucosa. Por ejemplo, el aminoácido glutamina es una fuente energética primaria para los enterocitos. La sangre del tubo digestivo pasa primero al hígado, otro tejido activo. El hígado sintetiza las proteínas séricas, entre otras, para lo cual capta los aminoácidos de la sangre. También utiliza de manera preferente aminoácidos (sobre todo alanina y serina) para sintetizar la glucosa que exporta.

La sangre que sale del hígado para nutrir el resto del cuerpo tiene una concentración mucho más alta de aminoácidos de cadena ramificada (BCAA, branchedchain amino acids: leucina, isoleucina y valina) que la que sale del tubo digestivo. Los BCAA son aminoácidos esenciales y proporcionan cadenas laterales hidrófobas cruciales para la estructura de las proteínas (p. ej., las fracciones cremallera de leucina en las proteínas que se unen con el DNA). Los BCAA también son una forma sustancial de transporte del nitrógeno amino del hígado a otros tejidos, donde se usan en la síntesis de los aminoácidos no esenciales necesarios para la síntesis de proteínas y de varios derivados de aminoácidos.

El metabolismo de los aminoácidos es una serie compleja de reacciones en las que las moléculas de aminoácidos necesarios para la síntesis de proteínas y metabolitos se forman y degradan de manera continua. Según las necesidades metabólicas del momento, se sintetizan o interconvierten ciertos aminoácidos y luego se transportan al tejido donde se utilizan. Las moléculas de aminoácido disponibles de inmediato para su uso en los procesos metabólicos se conocen como reserva de aminoácidos. En los animales, esta última, evitan la degradación de proteínas dietéticas e hísticas.

Cuando la ingestión de nitrógeno (principalmente aminoácidos) es igual a la pérdida del mismo, se dice que el cuerpo se encuentra en un equilibrio nitrogenado. Esta es la situación de los adultos sanos. En el balance positivo de nitrógeno, una situación que es típica de los niños en etapa de crecimiento, en las mujeres embarazadas y en los pacientes que se recuperan, la ingestión de nitrógeno es mayor que la pérdida. Se retiene el exceso de nitrógeno porque la cantidad de proteínas hísticas que se sintetizan supera la cantidad que se degrada. El balance negativo de nitrógeno se produce cuando una persona no puede sustituir las pérdidas de nitrógeno con las fuentes alimentarias. Kwashiorkor (“la enfermedad que adquiere el primer niño cuando el segundo está en camino”) es una forma de desnutrición causada por el consumo insuficiente y prolongado de proteínas. Sus signos y síntomas son retraso del crecimiento, apatía, úlceras, hepatomegalia, diarrea y reducción de la masa y de la función del corazón y de los riñones. El kwashiorkor es prevalente en África, Asia, Centroamérica y Sudamérica, puede tratarse o evitarse si se alimenta a los niños con un producto basado en cacahuate que contiene proteína y es alto en energía llamado Plumpy’ nut, equivalente a un vaso de leche y múltiples vitaminas. Este producto no es costoso, no requiere refrigeración y puede enviarse a clínicas remotas en regiones pobres del mundo.

El transporte de los aminoácidos al interior de las células se produce con intervención de proteínas transportadoras de membrana, muchas de las cuales se han identificado en las células de los mamíferos. Se diferencian en su especificidad por los aminoácidos que transportan y en si el proceso de transporte está ligado al movimiento de Na⁺ a través de la membrana plasmática. (Recuerde que el gradiente que crea el transporte activo de Na⁺ puede mover moléculas a través de la membrana. El transporte de los aminoácidos dependiente de Na⁺ es semejante al observado en el proceso del transporte de la glucosa que se presenta en la figura 11.31.) Por ejemplo, se han identificado dentro de la membrana plasmática luminal de los enterocitos sistemas de transporte dependientes de Na⁺. Los sistemas de transporte no dependientes de Na⁺ son causales del transporte de los aminoácidos a través de la porción de la membrana plasmática de los enterocitos que está en contacto con los vasos sanguíneos. Se cree que el ciclo del γ-glutamilo (fig. 14.19) ayuda a transportar algunos aminoácidos al interior de tejidos específicos (p. ej., el cerebro, los intestinos y los riñones).

Reacciones de los grupos amino

Una vez que las moléculas de aminoácidos han entrado en las células, sus grupos amino pueden utilizarse para numerosas reacciones de síntesis. Esta flexibilidad metabólica se obtiene mediante reacciones de transaminación y reacciones en las que se usan $NH4+$ o el nitrógeno amida de la glutamina para aportar el grupo amino o el nitrógeno amida de ciertos aminoácidos. A continuación se explican ambos tipos de reacciones.

TRANSAMINACIÓN Las reacciones de transaminación dominan el metabolismo de aminoácidos. En estas reacciones, catalizadas por un grupo de enzimas llamadas aminotransferasas o transaminasas, los grupos α amino se transfieren de un α aminoácido a un α cetoácido:

Las reacciones de transaminación, que son fácilmente reversibles, tienen funciones importantes en la síntesis y degradación de los aminoácidos.

Las células eucariotas tienen una amplia variedad de aminotransferasas. Se encuentran en el citoplasma y las mitocondrias, estas enzimas tienen dos tipos de especificidad: 1) el tipo de α aminoácido que dona el grupo α amino y 2) el cetoácido que acepta el grupo α amino. Aunque las aminotransferasas varían según el tipo de aminoácido que unen, la mayoría de ellas utiliza el glutamato como donador del grupo amino. Dado que se produce glutamato cuando el α-cetoglutarato (un intermediario del ciclo del ácido cítrico) acepta un grupo amino, estas dos moléculas (que se denominan par α-cetoglutarato/glutamato) tienen una función estratégica importante en el metabolismo de los aminoácidos y en el metabolismo en general. Otros dos pares tienen funciones importantes en el metabolismo. Además de su función en las reacciones de transaminación, el par oxaloacetato/aspartato participa en la eliminación del nitrógeno en el ciclo de la urea (cap. 15). Una de las funciones más importantes del par piruvato/alanina la ejerce en el ciclo de la alanina (fig. 8.10). Como el α-cetoglutarato y el oxaloacetato son intermediarios del ciclo del ácido cítrico, las reacciones de transaminación con frecuencia representan un mecanismo importante para satisfacer las necesidades energéticas de las células. Recuerde, por ejemplo, que en el ciclo de la glucosa-alanina las reacciones de transaminación se usan para reciclar el esqueleto de carbono del piruvato entre el músculo y el hígado.

Las reacciones de transaminación requieren la coenzima piridoxal-5′-fosfato (PLP), que procede de la piridoxina (vitamina B₆). El PLP también es necesario en muchas otras reacciones de los aminoácidos. Entre los ejemplos se encuentran las racemizaciones, las descarboxilaciones y varias modificaciones de las cadenas laterales. (Las racemizaciones son reacciones en las que se forman mezclas de aminoácidos L y D.) En la figura 14.3 se presentan las estructuras de la vitamina y su forma coenzimática.

El PLP se une al sitio activo de la enzima como una base de Schiff (R′—CH==N—R, una aldimina) que se forma por la condensación del grupo aldehído del PLP y el grupo ε amino de un residuo de lisina.

Otras fuerzas que confieren estabilidad son las interacciones iónicas entre las cadenas laterales de los aminoácidos y el anillo de piridina del PLP y el grupo fosfato. El anillo de piridina cargado de manera positiva actúa también como un sumidero de electrones, estabilizando intermediarios de reacción cargados negativamente.

Los sustratos de aminoácidos se unen al PLP por el grupo α amino en una reacción de intercambio de imina. Luego uno de los tres enlaces del sustrato se rompe de forma selectiva en los sitios activos de cada tipo de enzima dependiente de PLP (fig. 14.4).

A pesar de la simplicidad aparente de la reacción de transaminación, el mecanismo es bastante complejo. La reacción inicia con la formación de una base de Schiff entre el PLP y el grupo α amino de un α aminoácido (fig. 14.5). Cuando se elimina el átomo de hidrógeno α por una base general en el sitio activo de la enzima, se forma un intermediario estabilizado por resonancia. Con la donación de un protón de un ácido general y una hidrólisis posterior, se libera de la enzima el α cetoácido recién formado. Luego entra en el sitio activo un segundo α cetoácido y se convierte en un α aminoácido en una inversión del proceso de reacción que se acaba de describir. Las reacciones de transaminación son ejemplos de un mecanismo de reacción que se denomina de doble desplazamiento o reacción de “ping-pong”. El mecanismo recibe ese nombre porque el primer sustrato debe abandonar el sitio activo antes de que el segundo pueda entrar.

Dado que las reacciones de transaminación son reversibles, en teoría es posible sintetizar todos los aminoácidos por transaminación. Sin embargo, las pruebas experimentales señalan que no hay una producción neta de un aminoácido si el organismo no sintetiza su precursor α cetoácido de forma independiente. Por ejemplo, la alanina, el aspartato y el glutamato son aminoácidos no esenciales para los animales porque sus precursores α cetoácidos (es decir, piruvato, oxaloacetato y α-cetoglutarato) son intermediarios metabólicos de disposición fácil. Como no existen en las células animales las vías de reacción para sintetizar moléculas como el fenilpiruvato, el α-ceto-β-hidroxibutirato y el imidazolpiruvato, deben proporcionarse en la alimentación la fenilalanina, la treonina y la histidina. (Las vías de reacción que sintetizan los aminoácidos a partir de intermediarios metabólicos, no sólo por transaminación, se denominan vías de novo.)

INCORPORACIÓN DIRECTA DE IONES AMONIO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS Existen dos medios principales mediante los cuales los iones amonio se incorporan en los aminoácidos y finalmente en otros metabolitos: (1) la aminación reductora de α cetoácidos y (2) la formación de las amidas del ácido aspártico y del ácido glutámico con la consiguiente transferencia del nitrógeno amida para formar otros aminoácidos.

La glutamato deshidrogenasa, una enzima que se encuentra en las mitocondrias y en el citoplasma de las células eucariotas, y en algunas células bacterianas, cataliza la aminación directa del α-cetoglutarato:

La función principal de esta enzima en las células eucariotas parece ser catabólica (es decir, un medio para producir $NH4+$ en la preparación para la eliminación de nitrógeno). Sin embargo, la reacción es reversible. Cuando hay un exceso de amoniaco, la reacción es impulsada hacia la síntesis de glutamato.

Los iones amonio se incorporan también en metabolitos celulares mediante la formación de glutamina, la amida del glutamato:

El cerebro, una fuente abundante de la enzima glutamina sintasa, es en especial sensible a los efectos tóxicos del $NH4+$. Las células cerebrales convierten el $NH4+$ y el glutamato en glutamina, una molécula neutra no tóxica. Luego, la glutamina se transporta al hígado, donde se libera el nitrógeno amida en forma de $NH4+$. Después se desecha el ion amonio mediante su incorporación a la urea, el principal producto de desecho de los mamíferos.

Síntesis de los aminoácidos

A pesar de la colosal diversidad de vías de síntesis de aminoácidos, todas tienen una característica común. El esqueleto carbonado de cada aminoácido procede de intermediarios metabólicos de fácil disposición. Así, en los animales todas las moléculas de NAA proceden del glicerato-3-fosfato, del piruvato, del α-cetoglutarato o del oxaloacetato. La tirosina, que se sintetiza a partir del aminoácido esencial fenilalanina, es una excepción a esta regla.

Según las semejanzas de sus vías de síntesis, los aminoácidos pueden agruparse en seis familias: glutamato, serina, aspartato, piruvato, aromáticos e histidina (fig. 14.6). Los aminoácidos de cada familia provienen en última instancia de una molécula precursora. En la siguiente exposición de la síntesis de aminoácidos queda clara la estrecha relación que hay entre el metabolismo de los aminoácidos y muchas otras vías metabólicas. En la figura 14.7 se proporciona un resumen de la biosíntesis de los aminoácidos.

FAMILIA DEL GLUTAMATO La familia del glutamato incluye, además del glutamato, a la glutamina, la prolina y la arginina. Como se ha descrito, el α-cetoglutarato puede convertirse en glutamato mediante reacciones de aminación reductora y de transaminación con la participación de varios aminoácidos. Aunque la contribución relativa de estas reacciones con la síntesis de glutamato varía con el tipo celular y las circunstancias metabólicas, en las células eucariotas la transaminación parece desempeñar una función esencial en la síntesis de la mayoría de las moléculas de glutamato.

La conversión del glutamato en glutamina, catalizada por la glutamina sintasa, ocurre en el hígado, el cerebro, los riñones, los músculos y los intestinos. Los aminoácidos de cadena ramificada (BCAA) son una fuente importante de grupos amino en la síntesis de glutamina. Como se ha mencionado, la sangre que abandona el hígado se encuentra enriquecida con BCAA de forma selectiva. Los tejidos periféricos captan mucho más BCAA que los que se necesitan para la síntesis de proteínas. Los grupos amino de los BCAA pueden usarse sobre todo para la síntesis de aminoácidos no esenciales. Además de su función en la síntesis proteínica, la glutamina es el donador del grupo amino en numerosas reacciones de biosíntesis (p. ej., en la síntesis de purinas, de pirimidinas y de aminoazúcares) y como ya se ha mencionado, es una forma segura de almacenamiento y de transporte del $NH4+$. Por lo tanto, la glutamina es un metabolito importante en los seres vivos. Otras de sus funciones varían, dependiendo del tipo celular que se considere. Por ejemplo, en los riñones y en el intestino delgado, la glutamina es una fuente de energía importante. En el intestino delgado, cerca del 55% del carbono de la glutamina se oxida a CO₂.

La prolina es un derivado cíclico del glutamato. Como se muestra en la figura 14.8, un intermediario γ-glutamilfosfato se reduce a glutamato-γ-semialdehído. La enzima que cataliza la fosforilación del glutamato (la γ-glutamilcinasa) se regula mediante inhibición por retroalimentación por la prolina. El glutamato-γ-semialdehído se cicla de manera espontánea para formar Δ¹-pirrolina-5-carboxilato. La Δ¹-pirrolina-5-carboxilato reductasa cataliza la reducción de la Δ¹-pirrolina-5-carboxilato para formar prolina. La interconversión de estas dos últimas moléculas puede actuar como un mecanismo de lanzadera para transferir equivalentes reductores procedentes de la vía de las pentosas fosfato al interior de las mitocondrias. Este proceso explica en parte el elevado recambio de la prolina en muchos tipos celulares. La prolina puede sintetizarse también a partir de la ornitina, un intermediario del ciclo de la urea. La enzima que cataliza la conversión de la ornitina en glutamato-γ-semialdehído, la aminotransferasa de ornitina, se encuentra en una concentración relativamente elevada en los fibroblastos, donde la demanda de incorporación de prolina en el colágeno es elevada.

La síntesis de arginina comienza con la acetilación del grupo α-amino del glutamato. Después, el N-acetilglutamato se convierte en ornitina mediante un conjunto de reacciones que incluyen una fosforilación, una reducción, una transaminación y una desacetilación (la eliminación de un grupo acetilo). Las reacciones siguientes en las que la ornitina se convierte en arginina son parte del ciclo de la urea. En los niños, en los que el ciclo de la urea no es lo suficientemente funcional, la arginina es un aminoácido esencial.

FAMILIA DE LA SERINA Los miembros de la familia de la serina (la serina, la glicina y la cisteína) obtienen sus esqueletos carbonados a partir del intermediario glucolítico glicerato-3-fosfato. Los miembros de este grupo desempeñan funciones importantes en numerosas vías anabólicas. La serina es precursora de la etanolamina y de la esfingosina. La glicina se utiliza en las vías de síntesis de las purinas, las porfirinas y el glutatión. Juntas, la serina y la glicina contribuyen con un conjunto de vías de biosíntesis que se denominan, en conjunto, metabolismo de un carbono. La cisteína tiene una participación importante en el metabolismo del azufre.

La serina se sintetiza en una vía directa a partir del glicerato-3-fosfato que implica eventos de deshidrogenación, transaminación e hidrólisis por medio de una fosfatasa (fig. 14.9). La concentración celular de serina controla la vía mediante inhibición por retroalimentación de la fosfoglicerato deshidrogenasa y de la fosfoserina fosfatasa. Esta última enzima cataliza el único paso irreversible de la vía.

La conversión de serina en glicina consta de una sola reacción compleja que cataliza la serina hidroximetil transferasa, una enzima que requiere fosfato de piridoxal. Durante esa reacción, misma que es una rotura aldólica, la serina se une al fosfato de piridoxal. La reacción proporciona glicina y un grupo formaldehído químicamente reactivo que se transfiere al tetrahidrofolato (THF) para formar N⁵,N¹⁰-metileno-tetrahidrofolato. La serina es la fuente principal de glicina. Pueden obtenerse cantidades menores de glicina a partir de la colina, cuando esta última se encuentra en exceso. La síntesis de glicina a partir de colina consta de dos deshidrogenaciones y un conjunto de desmetilaciones.

La síntesis de cisteína es un componente esencial del metabolismo del azufre. El esqueleto carbonado de la cisteína procede de la serina (fig. 14.10). En los animales el grupo sulfhidrilo se transfiere desde la metionina mediante la molécula intermediaria homocisteína. Ambas enzimas implicadas en la conversión de la serina en cisteína (la cistationina β-sintasa, o CBS, y la γ-cistationina, o CSE) requieren fosfato de piridoxal.

FAMILIA DEL ASPARTATO El aspartato, el primer miembro de la familia de aminoácidos del aspartato, se forma a partir del oxaloacetato en una reacción de transaminación:

La aspartato transaminasa (AST) (conocida también como transaminasa glutámico oxaloacética, o GOT), la transaminasa más activa, se encuentra en la mayoría de las células. Las isoenzimas de la AST se encuentran en las mitocondrias y en el citoplasma y la reacción que catalizan es reversible. En consecuencia esta actividad enzimática influye de manera significativa sobre el flujo de carbono y de nitrógeno dentro de las células. Por ejemplo, el exceso de glutamato se convierte, mediante la AST, en aspartato. Éste se utiliza enseguida como fuente de nitrógeno (para la formación de urea) y del intermediario del ciclo del ácido cítrico oxaloacetato. El aspartato también es un precursor importante de la síntesis de nucleótidos.

La familia del aspartato también contiene asparagina, lisina, metionina y treonina. Esta última contribuye con la vía de reacción en la que se sintetiza la isoleucina. La síntesis de isoleucina, a menudo considerada integrante de la familia del piruvato, se describe en la sección en línea Byochemistry in Perspective: “Essential Amino Acids”.

La asparagina, la amida del aspartato, no se forma directamente a partir de aspartato y de $NH4+$, sino que el grupo amida de la glutamina se transporta mediante transferencia del grupo amida durante una reacción que requiere ATP catalizada por la asparagina sintasa (véase siguiente página):

La biosíntesis de los aminoácidos esenciales de la familia del aspartato (lisina, metionina y treonina) se describe de manera breve en la sección en línea “The Essential Amino Acids”.

FAMILIA DEL PIRUVATO La familia del piruvato está formada por alanina, valina, leucina e isoleucina. La alanina se sintetiza a partir del piruvato en un paso único:

Aunque la enzima que cataliza esta reacción, la aminotransferasa de alanina, tiene formas citoplásmica y mitocondrial, la mayoría de su actividad se ha encontrado en el citoplasma. Recuerde que el ciclo de la alanina (cap. 8) contribuye al mantenimiento de la glucosa sanguínea. Los BCAA son la fuente principal de muchos de los grupos amino que se transfieren desde el glutamato en el ciclo de la alanina. Su biosíntesis se describe en la sección en línea “The Essential Amino Acids”.

FAMILIA AROMÁTICA La familia de aminoácidos aromáticos comprende la fenilalanina, la tirosina y el triptófano. De éstos, sólo la tirosina se considera no esencial en los mamíferos. Se requiere de fenilalanina o de tirosina para la síntesis de dopamina, epinefrina y norepinefrina, una clase importante de moléculas biológicamente potentes que se denominan catecolaminas. El triptófano es un precursor de la síntesis de NAD⁺, de NADP⁺ y del neurotransmisor serotonina.

El anillo bencénico de los aminoácidos aromáticos se forma por la vía del shikimato (fig. 14.11). Los carbonos del anillo bencénico proceden de la eritrosa-4-fosfato y el fosfoenolpiruvato. Estas dos moléculas se condensan para formar una molécula que después se convierte en corismato, el punto de ramificación en la síntesis de varios compuestos aromáticos. Por ejemplo, los anillos aromáticos de los terpenoides mixtos (p. ej., los tocoferoles, las ubiquinonas y la plastoquinona) son derivados del corismato.

La tirosina no es un aminoácido esencial en los animales debido a que se sintetiza a partir de la fenilalanina en una reacción de hidroxilación. La enzima que participa, la fenilalaina-4-monooxigenasa, requiere la coenzima tetrahidrobiopterina (sección 14.3), una molécula semejante al ácido fólico que procede del GTP. Debido a que esta reacción es un primer paso del catabolismo de la fenilalanina, se revisa en el capítulo 15. La síntesis de la familia aromática de los aminoácidos se describe en la sección en línea “The Essential Amino Acids”.

HISTIDINA Se considera que la histidina no es esencial en los humanos adultos sanos. Los niños y muchos animales deben obtenerla de la alimentación. Por sus propiedades químicas singulares, la histidina contribuye en gran medida con la estructura y con la función proteínicas. Por ejemplo, recuerde que los residuos de histidina se unen a los grupos protésicos hem de la hemoglobina. Además, la histidina actúa a menudo como un ácido general durante las reacciones enzimáticas.

De todos los aminoácidos, la biosíntesis de la histidina es la más inusual. Se sintetiza a partir de fosforribosilpirofosfato (PRPP), ATP y glutamina (fig. 14.12). La síntesis inicia con la condensación de PRPP con ATP para formar fosforribosil-ATP, que luego se hidroliza hasta fosforribosil-AMP. En el paso siguiente, una reacción hidrolítica abre el anillo de adenina. Tras una isomerización y la transferencia de un grupo amino de la glutamina, se sintetiza el imidazol glicerol fosfato. (El otro producto de la última reacción, el 5′-fosforribosil-4-carboxamida-5-aminoimidazol, se utiliza en la síntesis de los nucleótidos de purina. Véase la sección 14.3.) La histidina se produce a partir de imidazol glicerol fosfato en una serie de reacciones que incluyen una deshidratación, una transaminación, una fosforólisis y una oxidación.

Como se ha descrito, los aminoácidos son precursores de muchas moléculas nitrogenadas de importancia fisiológica, además de ser las estructuras fundamentales de los polipéptidos. En la siguiente revisión se describen las síntesis de varios ejemplos de estas moléculas (p. ej., neurotransmisores, glutatión y nucleótidos). La síntesis de hem y clorofila se describe en una sección disponible en línea. Como en muchos de estos procesos se produce la transferencia de grupos carbono, esta sección inicia con una breve descripción del metabolismo de un carbono.

Metabolismo de un carbono

El metabolismo de un carbono es un conjunto de reacciones en las que átomos de carbono individuales se transfieren de una molécula a otra. Los átomos de carbono tienen varios estados de oxidación. Aquellos de interés biológico se encuentran en el metanol (+1), en el formaldehído (+2) y en el formato (+3). En el cuadro 14.2 se muestra una relación de los grupos equivalentes de un carbono que realmente participan en las reacciones de síntesis. El ácido fólico y la S-adenosilmetionina son los transportadores más importantes de grupos de un carbono en las vías biosintéticas. Se describe con brevedad el metabolismo de cada uno de ellos. (La función de la biotina, un transportador de grupos CO₂, se presenta en la sección 8.2.)

ÁCIDO FÓLICO El ácido fólico, también conocido como folato o folacina, es una vitamina B que se encuentra en frijoles, guisantes, brócoli, betabeles, espinaca y semillas de girasol. La estructura del ácido fólico consta de un núcleo de pteridina y de ácido para-aminobenzoico, ligados a uno o varios residuos de ácido glutámico (fig. 14.13). Una vez absorbido por el cuerpo, el ácido fólico se convierte por la dihidrofolato reductasa en la forma biológicamente activa, el ácido tetrahidrofólico (THF). Las unidades carbono que transporta el THF (es decir, grupos metilo, metileno, metenilo y formilo) están unidas al N⁵ y/o al N¹⁰ del anillo de para-aminobenzoato. La figura 14.14 ilustra las interconversiones de las unidades de un carbono que transporta el THF, así como su origen y destino metabólico. Un número sustancial de unidades de un carbono entran en el acervo de THF como N⁵,N¹⁰-metileno THF, producido durante la conversión de la serina en glicina y la rotura de la glicina (que cataliza la glicina sintasa).

La metilcobalamina, una forma coenzimática de la vitamina B₁₂, es necesaria para la conversión dependiente de N⁵-metil-THF de la homocisteína en metionina (fig. 14.14). La vitamina B₁₂ (cobalamina) es una molécula compleja que contiene cobalto y que sólo la sintetizan microorganismos (fig. 14.15). (Durante la purificación de la cobalamina, un grupo cianuro se une al cobalto.) Otra forma coenzimática de la vitamina B₁₂, la 5′-desoxiadenosilcobalamina, es necesaria para la isomerización de la metilmalonil-CoA en succinil-CoA, la cual es catalizada por la metilmalonil-CoA mutasa (véanse las figuras 12.12 y 15.11). Los animales obtienen la cobalamina de la flora intestinal y de alimentos procedentes de otros animales (p. ej., el hígado, los huevos, el camarón, el pollo y el cerdo).

Una deficiencia de vitamina B₁₂ produce anemia perniciosa. Además de un recuento bajo de eritrocitos, los síntomas de esta enfermedad son debilidad y varios trastornos neurológicos. La anemia perniciosa suele ser provocada por un descenso de la secreción de factor intrínseco, una glucoproteína que segregan las células del intestino, que se requiere para la absorción de la vitamina en el intestino. La absorción de la vitamina B₁₂ puede también inhibirse por varias alteraciones gastrointestinales, como la enfermedad celiaca y el esprue tropical, que dañan el recubrimiento del intestino. También se ha observado reducción de la absorción de la vitamina B₁₂ en presencia de un crecimiento excesivo de microorganismos en el intestino como consecuencia de los tratamientos con antibióticos.

S-ADENOSILMETIONINA La S-adenosilmetionina (SAM) es el principal donador de grupos metilo en el metabolismo de un carbono. Formada a partir de metionina y ATP (fig. 14.16), la SMA contiene un grupo metil tioéter “activado”, que puede transferirse a diversas moléculas aceptoras (cuadro 14.3). La S-adenosilhomocisteína (SAH) es un producto de estas reacciones. La pérdida de energía libre que acompaña a la formación de S-adenosilhomocisteína hace irreversible la transferencia de metilo. La SAM actúa como un donador de metilos en por lo menos 115 reacciones de transmetilación, algunas de las cuales ocurren en la síntesis de fosfolípidos, de varios neurotransmisores y del glutatión. Las reacciones de metilación de DNA tienen una función importante en la expresión génica. La S-adenosilmetionina también participa en la síntesis de las poliaminas mediante la donación de un grupo aminopropilo. Las poliaminas son moléculas policatiónicas que se unen al DNA cuando se comprime en los cromosomas.

La importancia de la S-adenosilmetionina en el metabolismo queda reflejada en los diversos mecanismos que proporcionan la síntesis de cantidades suficientes de su precursor, la metionina, cuando la última molécula se encuentra temporalmente ausente de la alimentación. Por ejemplo, la colina se utiliza como fuente de grupos metilo para convertir la homocisteína en metionina. La homocisteína puede también metilarse en una reacción que utiliza N⁵-metil THF. Esta última reacción es un puente entre las vías del THF y de la S-adenosilmetionina (fig. 14.17).

Glutatión

Con concentraciones promedio de 5 mM en las células de los mamíferos, el glutatión (γ-glutamilcisteinilglicina, cuadro 5.3), es el agente reductor intracelular más abundante. El glutatión (GSH) realiza varias funciones esenciales. Primera, es una molécula antioxidante endógena muy importante que elimina radicales superóxido (O₂^•), radicales hidroxilo (•OH) y aniones peroxinitrito (ONOO⁻). El glutatión es un antioxidante potente porque el grupo tiol de su residuo de cisteína dona un equivalente reductor (H⁺ y e⁻) a los grupos o radicales inestables. También es cofactor de varias enzimas antioxidantes. Los ejemplos de las enzimas que usan glutatión como agente reductor incluyen glutatión peroxidasa y dehidroascorbato reductasa, la enzima que mantiene la vitamina C en su forma reducida. Además protege a las células del estrés oxidativo mediante el mantenimiento de los grupos sulfhidrilo de las enzimas y otras moléculas en estado reducido. Segunda, el glutatión participa en varios procesos bioquímicos. Los ejemplos incluyen la síntesis y reparación del DNA, síntesis de proteínas y síntesis de leucotrieno (LTC₄, fig. 11.4c). Tercera, el glutatión protege a las células de los xenobióticos. Se forman conjugados de estas moléculas con glutatión en forma espontánea o en reacciones catalizadas por GSH-S-transferasas (fig. 14.18). Antes de su excreción, los conjugados de glutatión casi siempre se convierten en ácidos mercaptúricos mediante una serie de reacciones iniciadas por la γ-glutamilpeptidasa.

El GSH se sintetiza en una vía formada por dos reacciones. En la primera, la γ-glutamilcisteína sintasa cataliza la condensación del glutamato con la cisteína (fig. 14.19). La γ-glutamilcisteína, el producto de esta reacción, se combina a continuación con la glicina para formar GSH en una reacción catalizada por la glutatión sintasa.

En ciertos tejidos se sintetiza una enzima adicional, la γ-glutamil transpeptidasa, que facilita el transporte de aminoácidos a través de la membrana plasmática. En este proceso, llamado ciclo de γ-glutamilo (fig. 14.19), la γ-glutamil transpeptidasa cataliza la reacción entre un aminoácido extracelular y glutatión para producir un γ-glutaminoácido intracelular, glicina y cisteína. El γ-glutaminoaminoácido se hidroliza luego por acción de la γ-glutamil ciclotransferasa para producir 5-oxoprolina y el aminoácido. A continuación, la 5-oxoprolina se convierte en glutamato mediante la 5-oxoprolinasa (fig. 14.20).

La síntesis de glutatión está regulada en parte por la concentración celular de cisteína. Como la homocisteína es un precursor en la síntesis de cisteína (fig. 14.10), la síntesis de glutatión está vinculada con las vías de SAM (fig. 14.16) y de transulfuración. (La vía de transulfuración, descrita en el cap. 15, es una vía bioquímica que controla las concentraciones celulares de biomoléculas que tienen azufre.)

Neurotransmisores

Más de 30 sustancias diferentes incluyendo varios aminoácidos, funcionan como neurotransmisores. Los neurotransmisores, moléculas de señal liberadas por las neuronas, son excitadores o inhibidores. Como se ha señalado, los neurotransmisores excitadores (p. ej., el glutamato y la acetilcolina) abren los conductos de sodio y estimulan la despolarización de la membrana en otra célula (otra neurona, una célula efectora o una célula muscular). Si la segunda célula (postsináptica) es una neurona, la onda de despolarización (que se denomina potencial de acción) desencadena la liberación de moléculas neurotransmisoras al alcanzar el extremo del axón. (La mayoría de las moléculas de neurotransmisores se almacenan en numerosas vesículas sinápticas encerradas por membranas.) Cuando el potencial de acción alcanza la terminación nerviosa, las moléculas neurotransmisoras se liberan en la sinapsis por medio de exocitosis. Si la célula postsináptica es una célula muscular, la liberación suficiente de moléculas neurotransmisoras excitadoras produce la contracción muscular. Los neurotransmisores inhibidores (p. ej., la glicina) abren los conductos de cloruro y hacen más negativo el potencial de membrana de la célula postsináptica, es decir, inhiben la formación de un potencial de acción.

Un porcentaje significativo de las moléculas neurotransmisoras son aminoácidos o derivados de aminoácidos (cuadro 14.4). La última clase, que suele denominarse aminas biógenas, incluye al ácido γ-aminobutírico, a las catecolaminas, a la serotonina y a la histamina. La síntesis y desactivación de los neurotransmisores inhibidores ácido γ-aminobutírico (GABA, derivado del glutamato) y serotonina (derivada del triptófano) se describen en la sección en línea “The Amine Neurotransmitters”.

CATECOLAMINAS Las catecolaminas (dopamina, norepinefrina y epinefrina) son derivados de la tirosina. La dopamina (D) y la norepinefrina (NE) se utilizan en el cerebro como neurotransmisores excitadores. Fuera del sistema nervioso central, a la NE y a la epinefrina (E) las liberan en primera instancia la médula suprarrenal y el sistema nervioso periférico. La NE y la E suelen considerarse hormonas porque regulan diversos aspectos del metabolismo.

El primer paso de la síntesis de catecolaminas, que además es el que limita la velocidad, es la hidroxilación de la tirosina para formar 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA) (fig. 14.21). La tirosina hidroxilasa, la enzima mitocondrial que cataliza la reacción, requiere un cofactor conocido como tetrahidrobiopterina (BH₄). La BH₄ (fig. 15.9) es una molécula análoga al ácido fólico, es un cofactor esencial en la hidroxilación de los aminoácidos aromáticos que se regenera a partir de su metabolito oxidado, BH₂, por reducción con NADPH.

La tirosina hidroxilasa utiliza BH₄ para activar al O₂. Un átomo de oxígeno está unido al anillo aromático de la tirosina, mientras que el otro átomo oxida la coenzima. La DOPA, el producto de la reacción, se utiliza en la síntesis de otras catecolaminas.

La DOPA descarboxilasa, una enzima que requiere fosfato de piridoxal, cataliza la síntesis de dopamina a partir de DOPA. La dopamina se produce en las neuronas que se encuentran en determinadas estructuras del encéfalo. Se cree que ejerce una acción inhibidora dentro del sistema nervioso central. La deficiencia de la producción de dopamina se ha asociado con la enfermedad de Parkinson, un trastorno neurodegenerativo grave. El precursor l-DOPA se utiliza para aliviar los síntomas de dicha enfermedad debido a que la dopamina no puede atravesar la barrera hematoencefálica. (Aunque la mayoría de las sustancias liposolubles atraviesan con facilidad la barrera hematoencefálica, muchos iones y moléculas polares no pueden moverse desde los capilares sanguíneos.) Una vez que la l-DOPA se ha transportado a las células nerviosas adecuadas, se convierte en dopamina.

La norepinefrina se sintetiza a partir de la tirosina en las células cromafines de la médula suprarrenal en respuesta al temor, al frío, al ejercicio y a concentraciones bajas de glucosa. La NE estimula la degradación de los triacilgliceroles y del glucógeno. También aumenta el gasto cardiaco y la presión arterial. La hidroxilación de la dopamina para producir NE la cataliza la enzima dopamina-β-hidroxilasa (portadora de cobre), una oxidasa que para ser por completo activa requiere del agente reductor ácido ascórbico.

Como se ha mencionado, la secreción de epinefrina como respuesta al estrés, a los traumatismos, al ejercicio extremo o a la hipoglucemia produce una movilización rápida de las reservas energéticas, es decir, la glucosa del hígado y los ácidos grasos del tejido adiposo. La enzima feniletanolamina-N-metiltransferasa (PNMT) es responsable de la reacción en la que se metila la NE para formar E. Aunque la enzima existe de manera predominante en las células cromafines de la médula suprarrenal, también se encuentra en determinadas porciones del encéfalo donde la epinefrina actúa como neurotransmisor. Pruebas recientes indican que tanto la epinefrina como la norepinefrina están presentes en otros órganos (p. ej., hígado, corazón y pulmones). La PNMT es una proteína monomérica (30 kD) que utiliza SAM como fuente de grupos metilo.

Nucleótidos

Los nucleótidos son complejas moléculas nitrogenadas necesarias para el crecimiento y para la diferenciación celulares. Los nucleótidos no sólo son las estructuras fundamentales de los ácidos nucleicos, sino que también desempeñan funciones esenciales en las transformaciones energéticas y regulan muchas vías metabólicas. Como se ha descrito, cada nucleótido está formado por tres partes: una base nitrogenada, un azúcar pentosa y uno o varios grupos fosfato. Las bases nitrogenadas derivan de la purina o de la pirimidina, que son compuestos heterocíclicos aromáticos planos.

Entre las purinas naturales comunes se encuentran la adenina, la guanina, la xantina y la hipoxantina; la timina, la citosina y el uracilo son pirimidinas comunes (fig. 14.22). Las purinas y las pirimidinas absorben luz UV debido a sus estructuras aromáticas. Con un pH de 7, esta absorción es en particular intensa a 260 nm. Las bases púricas y pirimídicas tienen formas tautómeras; es decir, experimentan desviaciones espontáneas de las posiciones relativas de un átomo de hidrógeno y un doble enlace en una secuencia de tres átomos que implica heteroátomos. Esta propiedad es muy importante porque la localización precisa de los átomos de hidrógeno en los átomos de oxígeno y de nitrógeno afecta las interacciones de las bases en las moléculas de ácidos nucleicos. La adenina y la citosina tienen ambas formas amino e imino; la guanina, la timina y el uracilo tienen ambas formas ceto (lactama) y enol (lactima). Con un pH fisiológico, las formas más estables son las amino y las ceto. Las formas amino e imino de la adenina, y las formas ceto y enol de la timina se ilustran en la figura 14.23.

Cuando una base púrica o pirimídica está ligada por un enlace β-N-glucosídico al C-1 de un azúcar pentosa, la molécula se denomina nucleósido (fig. 14.24) y contiene uno de los dos tipos de azúcar: ribosa o desoxirribosa. Por otro lado, los nucleósidos que contienen ribosa con adenina, guanina, citosina y uracilo se denominan, respectivamente, adenosina, guanosina, citidina y uridina. Cuando el azúcar componente es la desoxirribosa, se emplea el prefijo desoxi. Por ejemplo, el desoxinucleósido con adenina se denomina desoxiadenosina. Debido a que la base timina en general sólo se encuentra en los desoxirribonucleósidos, la desoxitimidina se denomina timidina. La posible confusión en la identificación de los átomos de la base y del azúcar se evita utilizando un superíndice prima para señalar los átomos del azúcar (fig. 14.24). El giro alrededor de los enlaces N-glucosídicos de los nucleósidos crea dos conformaciones: sin y anti. Los nucleósidos de purina se encuentran en las formas sin y anti. En los nucleósidos de pirimidina predomina la conformación anti debido a la obstrucción estérica entre el azúcar pentosa y el oxígeno carbonilo del C-2.

Los nucleótidos son nucleósidos en los que se encuentran uno o varios grupos fosfato unidos al azúcar (fig. 14.25). La mayoría de los nucleótidos naturales son ésteres 5′-fosfato. Si un grupo fosfato está unido al carbono 5′ del azúcar, la molécula se denomina nucleótido monofosfatado, por ejemplo, adenosina-5′-monofosfato (AMP). Los nucleótidos difosfatados y trifosfatados contienen dos y tres grupos fosfato, respectivamente. Los grupos fosfato hacen a los nucleótidos muy ácidos. (Con un pH fisiológico, los protones se disocian de los grupos fosfato.) Debido a su naturaleza ácida, los nucleótidos también pueden nombrarse como ácidos. Por ejemplo, el AMP se denomina ácido adenílico o adenilato. Los nucleósidos difosfatados y trifosfatados forman complejos con el Mg²⁺. En los nucleósidos trifosfatados como el ATP, el Mg²⁺ puede formar complejos α,β (que se muestran) y β,γ:

Los nucleótidos de purina y de pirimidina pueden sintetizarse en vías de novo y de salvamento. A continuación se describen estas vías.

BIOSÍNTESIS DE NUCLEÓTIDOS DE PURINA La síntesis de novo de los nucleótidos de purina comienza con la formación del 5-fosfo-α-d-ribosil-1-pirofosfato (PRPP) (fig. 14.26) catalizada por la ribosa-5-fosfato pirofosfocinasa (sintetasa de PRPP). (El sustrato de esta reacción, la α-d-ribosa-5-fosfato, es un producto de la vía de las pentosas fosfato.) La vía por la que el PRPP se convierte en monofosfato de inosina (inosinato), el primer nucleótido de purina, se describe en la sección en línea “The Nucleotides”. El origen de los átomos del anillo de las purinas se ilustra en la figura 14.27.

La conversión de inosina-5-monofosfato (IMP, inosine-5-monophosphate) en monofosfato de adenosina (AMP o adenilato) o en monofosfato de guanosina (GMP o guanilato) requiere dos reacciones (fig. 14.28).

El AMP sólo se diferencia de la IMP en un aspecto: un grupo amino sustituye a un oxígeno ceto en la posición 6 de la base púrica. El nitrógeno amino que proporciona el aspartato se une al IMP en una reacción dependiente de GTP que cataliza la adenilosuccinato sintasa. En este paso el producto adenilosuccinato elimina fumarato para formar AMP. (La enzima que cataliza esta reacción cataliza también un paso semejante en la síntesis de IMP.) La conversión de IMP en GMP comienza con una deshidrogenación que utiliza NAD⁺ catalizada por la IMP deshidrogenasa. El producto, denominado monofosfato de xantosina (XMP), se convierte a continuación en GMP por la donación de un nitrógeno amino por la glutamina en una reacción que requiere ATP y que cataliza la GMP sintasa.

Los nucleósidos trifosfatados son los nucleótidos más comunes utilizados en el metabolismo. Recuerde que el ATP se sintetiza a partir de ADP y P_i durante determinadas reacciones en la glucólisis y en el metabolismo aerobio. El ADP se sintetiza a partir de AMP en una reacción que cataliza la adenilato cinasa:

AMP + ATP ⇌ 2 ADP

Otros nucleósidos trifosfatados se sintetizan mediante reacciones que requieren ATP, catalizadas por un conjunto de cinasas de nucleósidos monofosfatados:

NMP + ATP ⇌ NDP + ADP

La nucleósido difosfato cinasa cataliza la formación de nucleósidos trifosfatados:

N₁DP + N₂TP ⇌ N₁TP + N₂DP

donde N₁ y N₂ son bases púricas o pirimídicas.

En la vía de salvamento de purinas, las bases púricas obtenidas a partir del recambio normal de los ácidos nucleicos celulares o (en menor medida) de la dieta se reconvierten en nucleótidos. Debido a que la síntesis de novo de los nucleótidos es costosa en términos metabólicos (se utilizan cantidades relativamente grandes de energía de enlaces fosfato), muchas células poseen mecanismos para recuperar las bases púricas. La hipoxantina guanina fosforribosiltransferasa (HGPRT) cataliza la síntesis de nucleótidos utilizando PRPP e hipoxantina o guanina. La hidrólisis del pirofosfato hace estas reacciones irreversibles.

La deficiencia de HGPRT causa el síndrome de Lesch-Nyhan, una devastadora enfermedad ligada al cromosoma X que ocurre principalmente en varones. Se caracteriza por la producción excesiva de ácido úrico, el producto de la degradación de los nucleótidos de purina (sección 15.3), y por determinados síntomas neurológicos (automutilación, movimientos involuntarios y retraso mental). Aunque es un antioxidante potente, el ácido úrico puede actuar como prooxidante cuando se encuentra en grandes cantidades. Ahora se piensa que el estrés oxidativo contribuye con los síntomas del síndrome de Lesch-Nyhan. Los niños afectados tienen aspecto normal al nacer pero comienzan a deteriorarse a los tres o cuatro meses de edad. La muerte, que suele deberse a insuficiencia renal, ocurre en la niñez. Una enzima HGPRT parcialmente defectuosa causa una forma de gota (trastorno en el cual altas concentraciones de ácido úrico dan por resultado la acumulación de cristales de urato de sodio en las articulaciones, en especial en las de los pies).

La adenina fosforribosiltransferasa (ARPT) cataliza la transferencia de adenina al PRPP, formando así AMP:

No está clara cuál es la importancia relativa de las vías de novo y de salvamento. Sin embargo, los síntomas graves de la deficiencia hereditaria de HGPRT indican que la vía de salvamento de las purinas es de importancia vital. Además, las investigaciones de los inhibidores de la síntesis de los nucleótidos de purina para el tratamiento del cáncer indican que ambas vías deben inhibirse para suprimir de forma significativa el crecimiento tumoral.

En la figura 14.29 se resume la regulación de la biosíntesis de los nucleótidos de purina. La vía es controlada en un grado considerable por la disponibilidad de PRPP. Varios productos de la vía inhiben la ribosa-5-fosfato pirofosfocinasa y la glutamina-PRPP amidotransferasa (la enzima limitante de la velocidad en la síntesis de IMP). El efecto inhibidor combinado de los productos finales es sinérgico (es decir, la inhibición neta es mayor que la de cada nucleótido actuando por separado). En el punto de ramificación de la IMP, tanto el AMP como el GMP regulan su propia síntesis mediante inhibición por retroalimentación de la adenilosuccinato sintasa y de la IMP deshidrogenasa. La hidrólisis de GTP impulsa la síntesis de adenilosuccinato, mientras que el ATP impulsa la síntesis de XMP. Se cree que esta disposición recíproca facilita el mantenimiento de las concentraciones celulares adecuadas de los nucleótidos de adenina y de guanina.

BIOSÍNTESIS DEL NUCLEÓTIDO PIRIMIDINA La síntesis de nucleótido pirimidina ocurre en el citoplasma, donde primero se ensambla el anillo de pirimidina y luego se une con fosfato de ribosa. Los átomos de carbono y de nitrógeno del anillo de pirimidina proceden del bicarbonato, del aspartato y de la glutamina. La síntesis comienza con la formación de carbamoil fosfato en una reacción que requiere ATP catalizada por la enzima citoplásmica carbamoilfosfato sintetasa II (fig. 14.30). (La carbamoilfosfato sintetasa I es una enzima mitocondrial que participa en el ciclo de la urea, que se describe en el capítulo 15.) Una molécula de ATP proporciona un grupo fosfato, mientras que la hidrólisis de otro ATP impulsa la reacción. La aspartato transcarbamoilasa (ATC-asa) cataliza la reacción del carbamoil fosfato con aspartato para formar carbamoil aspartato. El cierre del anillo de pirimidina lo cataliza luego la dihidroorotasa. El producto, el dihidroorotato, se oxida posteriormente para formar orotato. La dihidroorotato deshidrogenasa, la enzima que cataliza esta reacción, es una flavoproteína asociada con la membrana mitocondrial interna. (El NADH que se produce en esta reacción cede sus electrones al complejo de transporte electrónico.) Una vez sintetizado en la superficie citoplásmica de la membrana mitocondrial interna, el orotato se convierte (por la orotatopirofosforribosiltransferasa) en orotidina-5′-fosfato (OMP), el primer nucleótido de la vía, al reaccionar con el PRPP. La uridina-5′-fosfato (UMP) se produce cuando el OMP se descarboxila en una reacción que cataliza la OMP descarboxilasa. Ambas actividades, orotatopirofosforribosiltransferasa y OMP descarboxilasa, ocurren en una proteína que se denomina UMP sintasa. La UMP es un precursor de los otros nucleótidos de pirimidina. Dos reacciones secuenciales de fosforilación forman UTP, el cual acepta un nitrógeno amida de la glutamina para formar CTP. El origen de los átomos del anillo de las pirimidinas se ilustra en la figura 14.31.

En la aciduria orótica, una rara enfermedad genética, existe excreción urinaria excesiva de ácido orótico por defecto de la UMP sintasa. Los síntomas incluyen anemia y retraso en el crecimiento. El proceso patológico se revierte con una combinación de nucleótidos de pirimidina, que inhiben la síntesis de orotato y aportan los elementos para la síntesis de ácidos nucleicos.

BIOSÍNTESIS DE DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS Todos los nucleótidos presentados hasta ahora son ribonucleótidos, moléculas que se utilizan en primera instancia como estructuras esenciales del RNA, como derivados nucleotídicos de moléculas como los azúcares o como fuentes de energía. Los nucleótidos que se requieren para la síntesis de DNA, los 2′-desoxirribonucleótidos, se producen al reducir ribonucleósidos difosfatados en una reacción catalizada por la ribonucleótido reductasa (fig. 14.32). Los electrones que se utilizan en la síntesis de los 2′-desoxirribonucleótidos los dona, en última instancia, el NADPH. La tiorredoxina participa en la transferencia de los átomos de hidrógeno del NADPH a la ribonucleótido reductasa. La regeneración de la tiorredoxina reducida es catalizada por la tiorredoxina reductasa.

La ribonucleasa reductasa I (RNRI), presente en los mamíferos, es un tetrámero formado por dos subunidades distintas. La subunidad 1 tiene varios tioles reactivos necesarios para la catálisis y los sitios alostéricos implicados en la regulación. La subunidad 2 posee un centro Fe(III) binuclear decisivo que genera y estabiliza un radical tirosilo esencial para la actividad enzimática. La interfase de las cuatro subunidades forma el sitio activo. El radical tirosilo inicia la reducción mediada por radicales de los NDP sustrato extrayendo un átomo de H de uno de los tioles de la subunidad 1, con lo que genera un radical tiilo transitorio. Este último extrae un átomo de H del C3′ del sustrato, lo que genera un radical. Un tiol cercano protona el grupo C2′—OH y éste se separa como H₂O, dejando atrás un carbocatión. El ion hidruro desplazado de un tiol del sitio activo separa el carbocatión y en el sitio activo se forma un puente disulfuro. El átomo de H extraído por el radical tiilo es devuelto a C3′ y la tirosina transfiere un átomo de H para separar el radical tiilo. El dNDP producido abandona el sitio activo y la enzima vuelve a su estado de tiol libre reducido mediante la transferencia de electrones desde el NADPH mediada por tiorredoxina (fig. 14.33).

La regulación de la ribonucleótido reductasa es compleja. La unión del dATP (trifosfato de desoxiadenosina) a un sitio regulador en la enzima disminuye la actividad catalítica. La unión de los desoxirribonucleósidos trifosfatados a otros sitios enzimáticos altera la especificidad del sustrato, de forma que hay aumentos diferenciales de la concentración de cada uno de los desoxirribonucleótidos. Este último proceso equilibra la producción de los 2′-desoxirribonucleótidos que se requieren para los procesos celulares, en especial para los de la síntesis de DNA.

El desoxiuridilato (dUMP) que produce la desfosforilación del dUDP, producto de la ribonucleótido reductasa, no es un componente del DNA, pero sí lo es su derivado metilado desoxitimidilato (dTMP). La metilación del dUMP la cataliza la timidilato sintasa, que utiliza N⁵,N¹⁰-metileno THF. Al transferirse el grupo metileno, se reduce a un grupo metilo, mientras que la coenzima de folato se oxida para formar dihidrofolato. El THF se regenera del dihidrofolato por medio de la dihidrofolato reductasa y el NADPH. (Esta reacción es el sitio de acción de algunos fármacos antineoplásicos, como el metotrexato.) El desoxiuridilato también puede sintetizarse a partir de dCMP por medio de la desoxicitidilato desaminasa.

En los mamíferos, la carbamoilfosfato sintetasa II es la enzima reguladora clave de la biosíntesis de los nucleótidos de pirimidina. El UTP, producto de la vía, inhibe la enzima y la estimulan los nucleótidos de purina. En muchas bacterias, la aspartato carbamoiltransferasa es la enzima reguladora clave. La inhibe el CTP y la estimula el ATP. La vía de salvamento de pirimidina, que utiliza bases pirimídicas preformadas de fuentes alimentarias o del recambio de nucleótidos, tiene importancia secundaria en los mamíferos.

Hem

El hem, una de las moléculas más complejas que sintetizan las células de los mamíferos, posee un anillo de porfirina que contiene hierro. El hem es un componente estructural esencial de la hemoglobina, de la mioglobina y de los citocromos. Aunque existe en casi todas las células aerobias, la vía de biosíntesis del hem es en especial prominente en las células del hígado y en los reticulocitos (las células nucleadas precursoras de los eritrocitos en la médula ósea). El hem y la clorofila se sintetizan a partir de los componentes relativamente sencillos glicina y succinil-CoA.

Resumen del capítulo

1. El nitrógeno es un elemento esencial de los seres vivos, se encuentra en las proteínas, en los ácidos nucleicos y en miríadas de otras biomoléculas. El nitrógeno de utilidad biológica, un recurso escaso, se produce en un proceso que se denomina fijación del nitrógeno. El complejo enzimático nitrogenasa que convierte N₂ en NH₃ reside en algunas bacterias de vida libre del suelo, cianobacterias y bacterias simbióticas de los nódulos radiculares.

2. La capacidad de los organismos para sintetizar aminoácidos varía en gran medida. Algunos organismos (p. ej., los vegetales y algunos microorganismos) pueden producir todas las moléculas de aminoácidos que se requieren a partir del nitrógeno fijado. Los animales sólo pueden producir algunos aminoácidos. Los aminoácidos no esenciales se producen a partir de moléculas precursoras de fácil disposición, mientras que los aminoácidos esenciales se obtienen de los alimentos.

3. Dos tipos de reacciones tienen funciones destacadas en el metabolismo de los aminoácidos. En las reacciones de transaminación se producen aminoácidos nuevos cuando se transfieren grupos α amino de α aminoácidos donadores a α cetoácidos aceptores. Debido a que las reacciones de transaminación son reversibles, tienen una función importante tanto en la síntesis como en la degradación de los aminoácidos. Los iones amonio o el nitrógeno amida de la glutamina pueden también incorporarse directamente en los aminoácidos y, finalmente, en otros metabolitos.

4. Los aminoácidos pueden dividirse en seis familias según las vías bioquímicas en las que se sintetizan: glutamato, aspartato, piruvato, aromáticos e histidina.

5. Los aminoácidos son precursores de muchas biomoléculas de importancia fisiológica. Muchos de los procesos que sintetizan estas moléculas implican la transferencia de grupos carbonados. Debido a que muchas de estas transferencias implican grupos de un carbono (p. ej., metilo, metileno, metenilo y formilo), el proceso global se denomina metabolismo de un carbono. La S-adenosilmetionina (SAM) y el tetrahidrofolato (THF) son los transportadores más importantes de grupos de un carbono.

6. Entre las moléculas que se forman a partir de los aminoácidos se encuentran varios neurotransmisores (p. ej., el GABA, las catecolaminas, la serotonina y la histamina) y las hormonas (p. ej., la melatonina). El glutatión es un tripéptido que tiene un papel esencial en las células. Los nucleótidos, moléculas que se utilizan como estructuras fundamentales de los ácidos nucleicos (así como fuentes de energía y reguladores metabólicos), poseen bases nitrogenadas heterocíclicas como parte de sus estructuras. Estas bases, que se denominan purinas y pirimidinas, se forman a partir de numerosos aminoácidos. El hem es un ejemplo de un sistema de anillo heterocíclico complejo que se forma a partir de glicina y succinil-CoA. La vía de biosíntesis que produce el hem es semejante a la que produce la clorofila en los vegetales.

Lecturas recomendadas

Palabras clave

• S-adenosilmetionina

• acervo de aminoácidos

• amina biógena

• aminoácido de cadena ramificada

• aminoácido esencial

• aminoácido no esencial

• catecolamina

• fijación de nitrógeno

• metabolismo de un carbono

• neurotransmisor

• nucleósido

• pirimidina

• purina

• racemización

• tetrahidrobiopterina

• tetrahidrofolato

• transaminación

• vitamina B12

Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba los conocimientos del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

1. Definir los términos siguientes:

   1. fijación de nitrógeno

   2. nitrogenasa

   3. asimilación de nitrógeno

   4. reserva de aminoácidos

   5. ciclo del nitrógeno

2. Definir los términos siguientes:

   1. aminoácido no esencial

   2. aminoácido esencial

   3. aminoácido de cadena ramificada

   4. balance de nitrógeno

   5. transaminación

3. Definir los términos siguientes:

   1. amina biógena

   2. catecolamina

   3. fosfato de piridoxal

   4. urea

   5. l-DOPA

4. Definir los términos siguientes:

   1. vitamina B₁₂

   2. barrera hematoencefálica

   3. neurotransmisor

   4. serotonina

   5. anemia perniciosa

5. Definir los términos siguientes:

   1. neurotransmisor estimulante

   2. neurotransmisor inhibidor

   3. neurotransmisor retrógrado

   4. dopamina

   5. epinefrina

6. Definir los términos siguientes:

   1. vesículas sinápticas

   2. tiorredoxina

   3. aciduria orótica

   4. anti-adenosina

   5. PRPP

7. Definir los términos siguientes:

   1. GSH

   2. ácido mercaptopúrico

   3. CSE

   4. CBS

   5. ciclo de γ-glutamilo

8. Definir los términos siguientes:

   1. SAM

   2. SAH

   3. THF

   4. homocisteína

   5. metabolismo de un carbono

9. Definir los términos siguientes:

   1. metotrexato

   2. ritmos circadianos

   3. calmodulina

   4. síndrome de Lesch-Nyhan

   5. tiorredoxina reductasa

10. ¿Por qué las reacciones de transaminación son importantes tanto en la síntesis como en la degradación de los aminoácidos?

11. Mencione dos razones por las cuales los compuestos nitrogenados están limitados en la biosfera.

12. El oxígeno inactiva de manera irreversible los complejos nitrogenasa. ¿Cómo resuelven este problema las bacterias fijadoras de nitrógeno?

13. Utilizando ecuaciones de reacción, exponga cómo se convierte el α-cetoglutarato en glutamato. Nombre las enzimas y los cofactores que se requieren.

14. ¿Cuáles son las dos principales clases de neurotransmisores? ¿En qué se diferencian sus formas de acción? Proporcione un ejemplo de cada tipo de neurotransmisor.

15. Describa las vías para sintetizar cada uno de los siguientes aminoácidos:

    1. glutamina

    2. metionina

    3. treonina

    4. glicina

    5. cisteína

16. Determine la familia sintética a la que pertenece cada uno de los siguientes aminoácidos:

    1. alanina

    2. fenilalanina

    3. metionina

    4. triptófano

    5. histidina

    6. serina

17. ¿Cuáles son los dos transportadores más importantes del metabolismo de un carbono? Proporcione dos ejemplos de procesos en los que participe cada uno.

18. El glutatión es un tiol intracelular importante. Mencione cinco funciones del glutatión en el cuerpo.

19. Mencione 10 aminoácidos esenciales en el ser humano. ¿Por qué son esenciales?

20. En los nucleósidos de pirimidina predomina la conformación anti debido a las interacciones estéricas con la pentosa. ¿Tienen los nucleósidos púricos interacciones semejantes?

21. Describa las interacciones estéricas que determinan las conformaciones que asumen los nucleósidos de pirimidina.

22. Los veganos (personas que no consumen carne ni productos de origen animal, por ejemplo la leche y los huevos) pueden desarrollar anemia perniciosa si toman antibióticos. Explique por qué.

23. Las reacciones de transaminación se han descrito como reacciones de “ping-pong”. Utilizando la reacción de la alanina con el α-cetoglutarato, indique cómo funciona dicho evento.

24. El fosfato de piridoxal actúa como un transportador intermediario de grupos amino durante las reacciones de transaminación. Escriba una serie de reacciones para mostrar la función del fosfato de piridoxal en la reacción de la alanina y el α-cetoglutarato.

25. ¿Cuál es la forma biológicamente activa del ácido fólico? ¿Cómo se forma?

26. ¿Qué carbono del uracilo proviene del dióxido de carbono? Ilustre la respuesta en un dibujo.

27. Los individuos con metabolismo insuficiente de tirosina a menudo son sensibles a la luz y se queman gravemente con la exposición al Sol. Explique las causas. [Pista: el pigmento dérmico melanina deriva de la l-DOPA.]

El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan una única respuesta correcta.

1. El oxígeno y el nitrógeno están presentes en la atmósfera como gases. El oxígeno es reactivo y el nitrógeno es relativamente inerte. ¿Qué características de las dos moléculas explican esta diferencia?

2. Aunque las consumen los animales en sus alimentos, las bases púricas y pirimídicas (a diferencia de los ácidos grasos y de los azúcares) no se utilizan para generar energía. Explicar.

3. La tirosina es un aminoácido no esencial para los humanos. ¿En qué circunstancia se convierte en un aminoácido esencial?

4. El antibiótico sulfanilamida es un análogo del componente ácido para-aminobenzoico del folato. ¿Por qué ciertos microorganismos mueren cuando se exponen a la sulfanilamida?

5. ¿Por qué los corredores de maratón prefieren las bebidas con azúcar en lugar de aminoácidos durante una carrera larga?

6. Cuando las personas susceptibles consumen glutamato monosódico sufren diversos síntomas muy desagradables, como aumento de la presión arterial y de la temperatura corporal. Con base en los conocimientos adquiridos sobre la actividad del glutamato, explique las causas de estos síntomas.

7. La radiación ejerce parte de sus efectos lesivos por la formación de radicales hidroxilo. Escriba una reacción para explicar cómo protege el glutatión contra esta forma de daño provocado por la radiación.

8. En la síntesis de nucleótido de purina, los átomos de carbono y nitrógeno provienen del bicarbonato, aspartato y glutamina. Diseñe un experimento sencillo para probar la fuente de los átomos de nitrógeno. Tenga en mente el intercambio de nitrógeno en los aminoácidos.

9. Por definición, un organismo no puede sintetizar los aminoácidos esenciales. La arginina se clasifica como aminoácido esencial en los niños aunque sea parte del ciclo de la urea. Explique la causa.

10. En las reacciones catalizadas con PLP, el enlace que se rompe en la molécula de sustrato debe ser perpendicular al plano del anillo de piridina. Considerando los enlaces presentes en el anillo, describa por qué esta disposición estabiliza al carbanión.

11. En el agua, la citosina se convierte gradualmente en uracilo. Utilizando las reacciones expuestas en este capítulo y en los anteriores, demuestre cómo ocurre la conversión.

14.1

1. CH₃NH₂

2. NH₃

3. CH₃CH₃

14.2

Como sus nombres sugieren, hemoglobina y leghemoglobina son proteínas de la superfamilia de las globinas. Recuerde que la hemoglobina es una proteína de transporte de oxígeno la cual contiene un grupo hem que se une de manera reversible al O₂. El hem de la leghemoglobina también se une al O₂. La función de la leghemoglobina, secuestrar moléculas de oxígeno, puede deducirse a partir de la desactivación irreversible del complejo de nitrogenasa en los nódulos radicales por medio de O₂.

14.3

Debido a su gran semejanza estructural con el ácido fólico, el metotrexato es un inhibidor competitivo de la enzima dihidrofolato reductasa. (Recuerde que esta enzima convierte el ácido fólico en su forma biológicamente activa, THF.) Las células que se dividen con rapidez necesitan cantidades grandes de ácido fólico. El metotrexato impide la síntesis de THF, el transportador de un carbono que se requiere en la síntesis de nucleótidos y de aminoácidos. Es por lo tanto tóxico para las células que se dividen con rapidez, en especial las de determinados tumores y células normales que se dividen con frecuencia como las células formadoras de pelo y las del tubo digestivo.

14.4

14.5

La secuencia de reacciones es la siguiente:

Obsérvese que el nitrógeno amino secundario se alquila con mayor facilidad que el primario en la molécula de guanidoacetato.

PREGUNTAS DE REVISIÓN

3

1. amina biogénica: un derivado de aminoácido que actúa como neurotransmisor (p. ej., GABA y catecolaminas)

2. catecolamina: una de una clase de neurotransmisores derivados de la tirosina; incluye a la dopamina, norepinefrina y epinefrina

3. fosfato de piridoxal (PLP): una coenzima necesaria en las reacciones de transaminación; proviene de la piridoxina (vitamina B₆)

4. urea: la principal molécula nitrogenada de desecho en los mamíferos

5. l-dopa: 3,4-dihidroxifenilalanina, es la molécula precursora en la síntesis de las catecolaminas; se forma por la hidroxilación de tirosina, catalizada por la tirosina hidroxilasa

6

1. vesícula sináptica: una estructura unida con la membrana de las neuronas que contiene moléculas de neurotransmisor

2. tiorredoxina: una pequeña proteína con dos grupos tiol que media la transferencia de electrones de NADPH para reducir otra molécula; por ejemplo la reducción de ribonucleótidos en la síntesis de los desoxirribonucleótidos

3. aciduria orótica: una enfermedad genética poco común causada por un defecto en la UMP sintasa; hay excreción urinaria excesiva de ácido orótico; los síntomas incluyen anemia y retraso del crecimiento

4. anti-adenosina: la conformación del nucleótido adenosina en el que la base adenina está girado hacia afuera, al lado contrario del grupo 6′-CO₂OH de la fracción ribosa

5. PRPP (5′-fosfo-α-d-ribosil-1-pirofosfato), molécula precursora en la síntesis de moléculas como la histidina y los nucleótidos de purina

9

1. metotrexato: un análogo del folato; se usa para tratar varios tipos de cáncer y enfermedades autoinmunitarias

2. ritmos circadianos: patrones de función biológica relacionados con la luz y la oscuridad, como los ciclos de sueño y vigilia

3. calmodulina (CAM): una pequeña proteína de unión con calcio que regula varias enzimas

4. síndrome de Lesch-Nyhan: una enfermedad letal ligada al cromosoma X causada por deficiencia de HGPRT (hipoxantina guaninafosforribosiltransferasa); la producción excesiva de ácido úrico causa síntomas neurológicos graves

5. tiorredoxina reductasa: la enzima que contiene ditiol y transfiere electrones de NADPH a la tiorredoxina

12

Los organismos fijadores de nitrógeno resuelven el problema de la desactivación de oxígeno de varias maneras. (1) Los organismos anaerobios sólo viven en suelo anaeróbico y no enfrentan el problema de la desactivación del oxígeno; (2) otros organismos separan físicamente el oxígeno del complejo nitrogenasa. Por ejemplo, muchas cianobacterias producen células especializadas que contienen nitrogenasa llamadas heterocistos. Las gruesas paredes celulares de los heterocistos aíslan las enzimas del oxígeno atmosférico. Además, las leguminosas producen una proteína de unión con oxígeno llamada leghemoglobina que atrapa el oxígeno antes que pueda interactuar con el complejo nitrogenasa.

16

1. La alanina pertenece a la familia del piruvato.

2. La fenilalanina pertenece a la familia aromática.

3. La metionina pertenece a la familia del aspartato.

4. El triptófano pertenece a la familia aromática.

   e. La histidina pertenece a la familia de la histidina.

5. La serina pertenece a la familia de la serina.

19

Los 10 aminoácidos esenciales en los humanos son isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina. Además, la histidina y la arginina son esenciales para los lactantes. Estos aminoácidos son esenciales porque los humanos no pueden sintetizarlos en las cantidades necesarias y deben incluirse en la dieta.

25

La forma del ácido fólico con actividad biológica es el tetrahidrofolato (THF) y se muestra a continuación. Se forma por la reducción del ácido fólico con NADPH en dos reacciones catalizadas por la dihidrofolato reductasa.

26

El carbono en la posición 2 del anillo uracilo proviene del dióxido de carbono.

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

30

La tirosina se convierte en un aminoácido esencial si su precursor, el aminoácido esencial fenilalanina, se excluye de la dieta o si la enzima fenilalanina-4-monooxigenasa está ausente o es defectuosa, o si se carece de la coenzima BH₄.

33

El glutamato es un neurotransmisor estimulante con efectos en las neuronas que regulan funciones corporales como la presión sanguínea y la temperatura corporal. Al parecer, las personas con síntomas después de consumir glutamato monosódico tienen mecanismos eficientes para transportar el glutamato a través de la barrera hematoencefálica.

36

En condiciones normales, se sintetiza arginina en el ciclo de la urea. En los niños pequeños, el ciclo de la urea todavía no es del todo funcional. Por consiguiente, la arginina debe obtenerse de fuentes externas.

38

La conversión de citosina en uracilo se produce de la manera siguiente: