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1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales
CUADERNO TEÓRICO
DE QUÍMICA BIOLÓGICA II EN ESQUEMAS
BIOQUÍMICA Y FARMACIA
METABOLISMO DE COMPUESTOS
NITROGENADOS
Milde Laura Beatriz – Prof. Adj. A/C
Vedoya María Celina - JTP
Medina Gladis Elizabeth - JTP
Acuña Maria Clara - Auxil iar de Primera
EDITORIAL UNIVERSITARIA
2
EDITORIAL UNIVERSITARIA DE MISIONES
San Luis 1870
Posadas - Misiones – Tel-Fax: (03752) 428601
Correos electrónicos:
Colección: Cuadernos de Cátedra
Coordinación de la edición: Claudio Zalazar
Armado de interiores: Javier B. Gimenez
Corrección: Julia E. Renaut
ISBN Impreso en Argentina ©Editorial Universitaria Universidad Nacional de Misiones Posadas, 2010
3
MILDE, Laura Beatriz
- Magíster en Tecnología de Alimentos. Bioquímica. - Prof. Adjunto Dedicación Exclusiva, Química Biológica Ilc. Carreras de Bioquímica y Farmacia. Dpto. Química; con afectación a la Cátedra Biología Molecular y Genética. Carrera Bioquímica. - Directora de proyectos de investigación y extensión.
VEDOYA, María Celina
- Bioquímica. - J.T.P. Dedicación Exclusiva, Cátedra de Micología. Carrera Bioquímica y Química Biológica Ilc. Carreras de Bioquímica y Farmacia. Dptos. de Microbiología y Química. - Directora de área temática de proyectos de investigación del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico. (CIDET).FCEQyN. UNaM. - Publicación de libros de Micología (con otros autores), Editorial Universitaria. UNaM.
MEDINA, Gladis Edith
- Bioquímica Especialista en Química Clínica y en Didáctica Superior Universitaria. - J.T.P. Dedicación Exclusiva, Cátedra de Histología, Anatomía, Carrera Bioquímica, Química Biológica lc y Química Biológica Ilc, Carreras de Bioquímica y Farmacia. Dptos. de Biología y Química. - Directora de área temática en el proyecto “Factores de Riesgo Aterogénico en Empleados de la Administración Pública del Hospital Ramón Madariaga y Hospital Pediátrico de la Ciudad de Posadas”. - Publicación en Revistas Nacionales e Internacionales, incorporadas al Chemical Abstract.
ACUÑA, María Clara
- Bioquímica, Especialista en Química Clínica. - Auxiliar de Primera, Dedicación Simple, Química Biológica Ilc, Carreras de Bioquímica y Farmacia. Dpto. de Química. - J.T.P. Dedicación Simple Cátedra de Química Biológica lc, Carreras de Bioquímica y Farmacia. Dpto. de Química.
4
5
ÍNDICE
Prólogo ........................................................................................................................... 7
Relaciones entre el metabolismo del nitrógeno inorgánico y orgánico ............................ 9
Fijación simbiótica del nitrógeno ..................................................................................... 10
Proteínas Plasmáticas .................................................................................................... 11
Representación esquemática de la composición de la sangre ........................................ 11
Clasificación de proteínas plasmáticas ........................................................................... 11
Síntesis........................................................................................................................... 12
Funciones ....................................................................................................................... 12
Técnicas de separación .................................................................................................. 12
Biosíntesis del grupo hemo............................................................................................. 14
Proteínas del glóbulo. ..................................................................................................... 15
Estructura ....................................................................................................................... 15
Hemoglobina: Efectos alostéricos ................................................................................... 16
Hemoglobina: Efecto Bohr .............................................................................................. 16
Curvas de saturación de la hemoglobina y mioglobina ................................................... 17
Metabolismo del BPG ..................................................................................................... 17
Cambio de posición del Fe++ del hemo durante la oxigenación de la hemoglobina ......... 18
Mapa de las transformaciones metabólicas de pigmentos derivados
del hemo: degradación de la hemoglobina.................................................................. 19
Digestión y absorción de los constituyentes de los alimentos ......................................... 20
Digestión de proteínas .................................................................................................... 21
Absorción de Aminoácidos.............................................................................................. 22
Destino de los Aminoácidos de la dieta en el hígado ...................................................... 22
Pool lábil de Aminoácidos ............................................................................................... 23
Degradación: destino del grupo amino............................................................................ 24
Aminoácidos ................................................................................................................... 24
Transaminación .............................................................................................................. 24
Mecanismo de transaminación........................................................................................ 25
Desaminación ................................................................................................................. 26
Desaminación catalizada por glutamato deshidrogenada ............................................... 26
Desaminación catalizada por aminoácido oxidasas ........................................................ 27
6
Desaminación no oxidativa (enzimas: Deshidratasas) .................................................... 27
Utilización del Amoníaco. Biogénesis del nitrógeno orgánico.......................................... 28
Transporte del Amoníaco al hígado para la síntesis de Urea .......................................... 29
Ciclo de la Urea .............................................................................................................. 30
Destino de la cadena carbonada..................................................................................... 31
Metabolismo de proteínas y aminoácidos ....................................................................... 32
Metabolismo energético del cerebro ............................................................................... 32
Biosíntesis de Aminoácidos ............................................................................................ 33
Síntesis de Aminoácidos: descripción general ................................................................ 34
Familias biosintéticas de Aminoácidos agrupados por precursor metabólico en los
organismos vivos .......................................................................................................... 35
Familia del precursor biosintético alfa-cetoglutarato........................................................ 36
Familia del precursor biosintético 3-fosfoglicertato.......................................................... 37
Familia del precursor biosintético 3-fosfoenolpiruvato..................................................... 38
Familia del precursor biosintético oxaloacetato............................................................... 39
Familia del precursor biosintético piruvato ...................................................................... 40
Histidina utiliza precursores de la síntesis de purinas ..................................................... 40
Metabolismo de ácidos nucleicos.................................................................................... 41
Digestión y absorción de nucleoproteínas....................................................................... 41
Composición de los nucleótidos y comparación de ácidos nucleicos .............................. 42
Obtención y utilización de las bases “pool de bases” ...................................................... 42
Representación gráfica de un anillo purínico................................................................... 42
Biosíntesis de purinas..................................................................................................... 43
Representación gráfica de anillo pirimidínico .................................................................. 47
Biosíntesis de pirimidinas................................................................................................ 47
Regulación de síntesis de purinas .................................................................................. 48
Regulación de síntesis de pirimidinas ............................................................................. 49
Síntesis de desoxirribonucleótidos.................................................................................. 50
Catabolismo de las purinas............................................................................................. 51
Catabolismo de las pirimidinas........................................................................................ 52
Esquema general de la síntesis de ácidos nucleicos ...................................................... 53
Flujo de la información genética...................................................................................... 54
Compuestos señal derivados de los aminoácidos........................................................... 55
Ejemplos de hormonas peptídicas y proteicas ................................................................ 56
Bibliografía...................................................................................................................... 57
7
PRÓLOGO
El Nitrógeno (N) junto a otros elementos, como Carbono, Oxígeno e Hidrógeno participan en la
composición de las moléculas orgánicas fundamentales de la materia viva, de gran jerarquía
biológica; las proteínas y los nucleótidos.
Las proteínas son parte estructural de membranas y tejidos y cumplen funciones muy
importantes, como: participar en el transporte de iones y moléculas a través de membranas; en el
transporte de moléculas insolubles a través del plasma; en la coagulación sanguínea; en
mecanismos de defensa; como enzimas en la catálisis de reacciones.
Los nucleótidos constituyen la molécula transportadora de material genético; almacenan la
energía del organismo y actúan como coenzimas, entre otras funciones.
El estudio del metabolismo de los compuestos nitrogenados dentro del organismo comprende uno
de los grandes temas de la Bioquímica. En este cuadernillo teórico en esquemas presentamos, en
forma ordenada y lógica, el metabolismo de las proteínas (plasmáticas, del glóbulo rojo y tisulares),
aminoácidos y el metabolismo de nucleótidos, las interrelaciones entre estos nutrientes de la dieta y
sus regulaciones.
8
9
RELACIONES ENTRE EL METABOLISMO DEL NITRÓGENO INORGÁNICO Y ORGÁNICO
Aminoácidos Nucleótidos
Aminoazúcares Coenzimas Porfirinas
Proteínas ADN; ARN Polisacáridos complejos Fosfolípidos
N2
NH3 NO -2
Bacterias fijadoras
de nitrógeno
Bacterias desnitrificantes
NO -3
Energía Energía
Todos los organismos
Todos los organismos
La mayoría de las plantas y las bacterias
La mayoría de las plantas y las bacterias
Nitrosomas Nitrobacter
10
+
2NH3
H2
NADH + H+
NAD+
Ferredoxina
Proteína Fe (Fe4 S4)
Proteína Fe Mo (FeMoCo) 8H+
2 ATP
2 ADP + Pi +
N2
Rizomas
N2
aire
suelo
Bacteroide
Célula huésped
Rizoma
FIJACIÓN SIMBIÓTICA DEL NITRÓGENO
Complejo enzimático Nitrogenasa
e-
e-
e-
REFERENCIAS: FeMoCo: Cofactor Hierro Molibdeno
11
PROTEÍNAS PLASMÁTICAS
SANGRE
Plasma
Células o Elementos figurados
� Clasificación de proteínas plasmáticas
Albúmina α1 globulinas Globulinas α2 globulinas β globulinas γ globulinas Fibrinógeno
Compuestos inorgánicos (10%)
ClNa, Bicarbonato, fosfato, CaCl2, MgCl2, KCl, Na2SO4
Leucocitos
Plaquetas
Eritrocitos H2O
Metabolitos orgánicos y productos de desecho (20%) glucosa, aminoácidos, lactato, piruvato, cuerpos cetónicos, citrato, urea, ácido úrico.
Proteínas plasmáticas (70%) albúmina, inmunoglobulina, fibrinógeno, protrombina, proteínas de transporte, transferrina, lipoproteínas.
REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA COMPOSICIÓN DE LA SANGRE
12
• Plasma: sangre entera con anticoagulante. • Suero: sangre sin anticoagulante, forma coágulo y exuda suero: sin fibrinógeno.
- Mantenimiento de la volemia - Defensa del organismo - Transporte de Fe++, Cu++ - Transporte de compuestos o sustancias insolubles en el medio - Reserva de proteínas lábiles y fuente inmediata de aminoácidos para requerimientos tisulares
� Funciones
� Síntesis
Hígado : albúmina, fibrinógeno, y más del 80% globulinas
Células plasmáticas en tejido linfoideo : γ globulinas (inmunoglobulinas)
�Vida media de las proteínas aproximadamente 10 días
- Método de precipitación con sales
- Método de separación por cargas: Separación electroforética, Imunoelectroforesis
-Método de separación por tamaño molecular: permeación en geles
� Técnicas de separación
Sangre sin anticoagulante
Coágulo
Suero
Sangre con anticoagulante
Plasma
Elementos sanguíneos
13
Fracciones proteicas de una corrida electroforética de suero
� Si la separación electroforética se realiza con plasma esta fracción se ubicaría entre las β y las γ
� Albúmina
� Globulinas
� Fibrinógeno
Antitripsina (inhibe tripsina y otras proteasas) Lipoproteínas (HDL: transporta lípidos) Transcortina (transporta cortisol, corticosterona y progesterona) Protrombina (factor II de la coagulación)
α1
Ceruloplasmina (transporta Cu++) Haptoglobina (transporta Hemoglobina libre) Proteína fijadora de Vitamina D (transporta Ca++)
α2
Lipoproteína (LDL: transporta lípidos) Transferrina (transporta Fe++) Hemopexina (fija el Hem)
β
Inmunoglobulinas: IgA, IgG, IgM, IgD e IgE
γ
Fracciones proteicas y ejemplos de proteínas de cada fracción
14
ENZIMAS: 1- Aminolevulinato sintetasa 2- Porfobilinógeno sintetasa 3- Hidroximetilbilano sintetasa 4- Uroporfirinógeno III sintetasa 5- Uroporfirinógeno descarboxilasa 6- Coproporfirinógeno oxidasa 7- Protoporfirinógeno oxidasa 8- Ferroquelatasa
COO-
I
CH2 I
CH2 I
CoA-C=O
H2C - COO-
I
NH3+
2 Succinil CoA
2 Glicina
+
Ciclo de Krebs
1 2 CoA
2 CO2
5
COO-
I
CH2
COO-
I
CH2 I
CH2
CH2—
I
NH3+
2 2 H2O
Uroporfirinógeno III
4 CO2
3
4
4 NH4+
H2O
Coproporfirinógeno III
O2
2 CO2
Protoporfirinógeno IX
Protoporfirina IX
7
6
8
6 H
Fe++
Hemo
COO-
I
CH2 I
CH2 I
CH2-C=O I
NH3+
COO-
I
CH2 I
CH2 I
C=O I
CH2
I
NH3+
2 (5- Aminolevulinato)
mitocondria
citoplasma
BIOSÍNTESIS DEL GRUPO HEMO
15
PROTEÍNAS DEL GLÓBULO
� Estructura
Parte proteica: globina
Grupo prostético: Hem o Hemo Átomo de Fe++
Parte orgánica
Hemoglobina y Mioglobina
Esquema de la Mioglobina
globina
hemo
Esquema de la Hemoglobina
Hemo
H
Protoporfirina IX
H
16
β
β α
α
Forma R de la
Oxihemoglobina
α
α β
β
Forma T de la
Desoxihemoglobina
Forma T estabilizada por el BPG
(2,3- bisfosfoglicerato)
REFERENCIAS:
: oxígeno : BPG
4 O2 + HbT - BPG HbR – (O2)4 + H+ + BPG
pO2 �
pCO2 � pH �
[ BPG] �
+
� Hemoglobina: Efectos alostéricos
HbO2 + H+ + CO2
H + Hb / + O2
\ CO2
tejidos
pulmón
� Hemoglobina: Efecto Bohr
17
i
� Curvas de saturación de la hemoglobina y mioglobina
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 0 10 20 30 40 50
Hb+BPG Mb Hb Hb+CO2+BPG pH=7.4
REFERENCIAS: Hb: hemoglobina BPG: bisfosfoglicerato Mb: mioglobina CO2: dióxido de carbono
Bisfosfoglicerato fosfatasa
1-3 bisfosfo-glicerato
3 fosfo-glicerato
2 fosfo-glicerato
ADP
ATP 2-3 bisfosfoglicerato (BPG)
Bisfosfoglicerato mutasa
Pi
� Metabolismo del BPG
Pres ión parc ia l de O2 (mm de Hg)
Sa
tura
ció
n
18
� Cambio de posición del Fe++ del hemo durante la oxigenación de la hemoglobina
Fe
Plano del hemo
+ O2 - O2
Fe
O
O
Plano del hemo
Núcleo imidazol de histidina
19
� Mapa de las transformaciones metabólicas de pigmentos derivados del hemo:
Degradación de la hemoglobina
ENZIMAS: 1- Hemoxigenasa 2- Biliverdina reductasa 3- Glucuronil transferasa 4- Glucuronidasas
CO
intestino
ác. glucurónico
Bilirrubina
Urobilinógeno
hígado
1
2
Hemoglobina Hemo Biliverdina
globinas
aminoácidos
NADP+
3O2 3H2O
Bilirrubina
3
Bilirrubina
Diglucurónico de Bilirrubina
2 UDP- ác. glucurónico
2 ác. glucurónico
NADPH + H+
NADP+
sangre
Albúmina-Bilirrubina
Urobilinógeno
Urobilina (orina)
Estercobilina (heces)
Circulación enterohepática
1
1
2
3
4
NADPH + H+
Fe+2
Estercobilinógeno
20
DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN DE LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS
Aminoácidos
Proteínas Hidratos de
carbono
Ácidos
nucleicos
Lípidos
Vitaminas Compuestos inorgánicos
Fibras
Celulosa Lignina
Heces
Absorc ión
lipófilos hidrófilos
Sistéma linfatico Sistema Porta
Sangre Hígado
Tra
ns
po
rte
P
rod
uct
os
de
la
hid
róli
sis
N
utr
ien
tes
Glicerol fosfato
Monosacáridos
Nucleobases Pentosas Fosfato
Nucleósidos
2-monoacil-glicerol
Ácidos grasos Colesterol
Digest ión
21
DIGESTIÓN DE PROTEÍNAS
Aminopeptidasas Peptidasas Dipeptidasas
Enterocrinina
PROTEÍNAS
Estómago
Gastrina
Pepsinógeno + pH 1,5-2,2 Pepsina
Páncreas Secretina
Pancreozimina Péptidos + pocos aminoácidos
Duodeno Tripsinógeno
Quimotripsinógeno Proelastasa
Procarboxidasas A y B
pH 8-9
Aminoácidos libres + péptidos cortos
Aminoácidos libres
actúa sobre grupos –COOH de aminoácidos aromáticos
Tripsinógeno
Tripsina
Enteroquinasa (mucosa intestinal) +
Quimotripsinógeno
+
Quimotripsina
actúa sobre grupos –COOH de aminoácidos básicos
Proelastasa
Elastasa
+ Enteroquinasa
Procarboxipeptidasas A y B
+
Carboxipeptidasas A y B
actúa sobre grupos –COOH terminales de aminoácidos
+
+
+
+
22
ABSORCIÓN DE AMINOÁCIDOS
intestino
SISTEMA A o PROCESO ALANINA: transporta preferentemente aminoácidos neutros (Ala, Gly, Ser)
SISTEMA Li+: transporta aminoácidos básicos (Lis, Arg)
SISTEMA de transporte de aminoácidos ácidos (Glu, Asp)
SISTEMA L o LEUCINA: Transporta preferentemente aminoácidos alifáticos neutros de mayor tamaño (Glu, Met, Gly, Leu) y aromáticos (Phen, Tir, Trp)
PROCESO ASC: transporta preferentemente Ala, Ser, Cys
DESTINO DE LOS AMINOACIDOS DE LA DIETA EN EL HÍGADO
REFERENCIAS Lis: Lisina; Arg: Arginina; Glu:Glutamato (Ácido glutámico); Asp: Aspartato (Ácido aspártico); Ala: Alanina; Gly: Glicina; Ser: Serina; Met: Metionina; Leu: Leucina; Phen: fenilalanina; Tir: Tirosina; Trp: Triptófano.
Sangre Sistémica
Vena Porta
Proteínas tisulares
α- Cetoácidos
CO2
H2O
ATP
Glucosa
Cuerpos Cetónicos
Urea Proteínas
Plasmáticas
Aminoácidos
Aminoácidos
Ciclo del Ácido Cítrico
23
POOL LÁBIL DE AMINOÁCIDOS
α cetoácidos
glucosa glucosa + cuerpos cetónicos
cuerpos cetónicos
CO2 + H2O + ATP
Digestión y Absorción
Degradación
FUENTE EXÓGENA FUENTE ENDÓGENA (Proteínas titulares, del glóbulo y plasmáticas, enzimas, hormonas proteicas)
Síntesis
A partir de compuestos glucosídicos
Pool lábil de Aminoácidos
Compuestos nitrogenados no proteicos (hem, citocromos, creatinina, coenzimas,
purinas, pirimidinas)
Transaminación Desaminación
NH3 UREA
orina
Síntesis
Aminoácidos excedentes
Excresión renal
Degradación renal
Oxidación
24
� Transaminación
NH3 + PLP
COO-
|
NH3 + C H
|
R1
COO-
|
O = C |
R1
COO-
|
O = C |
R2
COO-
|
NH3+ C H
|
R2
Aminoácido1
Aminoácido 2
α- cetoácido1
α- cetoácido 2
� Aminoácidos
Oxalacetato α- cetoácido1 + Aspartato
Piruvato Transaminación
Transaminación
α- cetoácido1 + Alanina
DEGRADACIÓN: DESTINO DEL GRUPO AMINO
α- cetoglutarato
Transaminación
α- cetoácido1 + Glutamato
α- cetoglutarato
NH3
Desaminación oxidativa
+ +
25
H | O= C E
H |
H2NC E | H
Fosfopiridoxamina-Enzima R2C=O | COOH α-Cetoácido2
H2O
H | R2C=NC E | | COOH H
R1C=O | COOH α-Cetoácido1
H2O
H | R1C=NC E | | COOH H
H2O H2O Base de Schiff
I IV
Reordenamiento
Aldimina
Fosfopiridoxal-Enzima
Base de Schiff
� Mecanismo de Transaminación
+
N H
O-
CH3
O || -OPOCH2
| O-
| (CH2)4
| N || CH |
Sitio activo
Enzima
Lys
Base de Schiff de
Fosfato de Piridoxal- Enzima
Estructura
II III
H | R1CNH2 | COOH α-Aminoácido1
H | R2CNH2 | COOH α- Aminoácido2
Citimina
H H | | R1CN=C E | COOH
H H | | R2CN=C E | COOH
H | O = C E
26
� Desaminación
Oxidativa
No Oxidativa
Catalizada por glutamato deshidrogenasa Catalizada por aminoácido oxidasa
� Desaminación catalizada por glutamato deshidrogenasa
H N4+
H2O
COO-
| NH2
+═C
| R2
Iminoácido
COO-
| O ═C | R2
α Cetoglutarato
Glutamato deshidrogenasa
COO-
| NH3
+—C—H | R2
Glutamato
NAD+ NADH +H+
NADP+ NADPH +H+
27
� Desaminación catalizada por aminoácido oxidasas
H2O
NH4+
COO-
| NH3—C—H | R2
α-Aminoácido
COO-
| NH2
+═C
| R2
α-Iminoácido
COO-
| O ═C | R2
Oxoácido
L-aminoácido oxidasa
FMN FMNH2
E-FMNH2 + O2 ���� E-FMN + H2O2
E-FADH2 + O2 ���� E-FAD + H2O2
H2O2 H2O + ½ O2
Catalasa (peroxisomas)
� Desaminación no oxidativa (enzimas: Deshidratasas)
H2O
NH4+
COO-
| NH3
+—C—H | CH2
| OH Serina
COO-
| NH3
+C || CH2
COO-
| O ═C | CH3
H2O
Piruvato
Treonina α- cetobutirato+ NH3
28
2
UTILIZACIÓN DEL AMONÍACO BIOGÉNESIS DEL NITRÓGENO ORGÁNICO
NH3
Carbamil fosfato Asparagina Glutamato Glutamina
CO2 , ATP
Aspartato α.- Cetoglutarato
Glutamato
Arginina, Pirimidinas,
Urea
Otros Amino- ácidos
Nucleótidos de purina, Nucleótidos de citidina,
Aminoazúcares, Triptófano, histidina
Glutamato Glutamina
H2O NH4
+
Urea
3
Glutamato Glutamina
ATP ADP
Mg++
1
y mayoría de los tejidos
Glutamato Glutamina
H2O NH4
+
Urea
2
(orina)
(orina) ENZIMAS: 1- Glutamina sintetasa 2- Glutaminasa (hepática) 3- Glutaminasa (renal)
29
Transporte del Amoníaco al hígado para la síntesis de Urea
La mayoría de los tejidos
Glutamato
NH4
+
ATP Glutamina sintetasa
H2O ADP + Pi
Glutamina
Hígado
Glutamato Urea
NH4
+
Glutaminasa H2O Glutamina Glucosa αCeto glutarato
Piruvato Alanina Glucosa
Músculo
Aminoácidos
NH4+
Glutamato
deshidrogenasa
αCeto Glucosa glutarato Alanina Piruvato Glucosa
Ciclo Glucosa - Alanina
30
Ciclo de la Urea
Carbamilfosfato
2 ADP + Pi CO2 + NH3
1
6 8
Aspartato Fumaratoato
ATP
AMP + P Pi
Ciclo de la Urea
NH3
2
3
5
4
6 8
ENZIMAS: 1- Carbamil-P-sintetasa 2- Ornitina transcarbamilasa 3- Arginino succinato sintetasa 4- Arginino succinasa 5- Arginasa 6- Fumarasa 7- Malato deshidrogenada 8- Transaminasa
Citrulina
H2O
2ATP
mitocondria
Ornitina
Arginino-Succinato
Arginina
NH2 / C═O \ NH2
Urea
Oxalacetato Malato
NADH +H+
H2O
7
NAD+
citoplasma
mitocondria
2
1
7
31
DESTINO DE LA CADENA CARBONADA
Aspartato*
Tirosina*
Fenilalanina*
Glucosa Oxalacetato
Fumarato
Succinato
α- Ceto_ glutarato
Ciclo del ácido cítrico
Piruvato
Acetil-CoA
Valina Metionina Treonina*
Isoleucina*
Glutamato Glutamina Histidina Prolina
Arginina
Alanina Glicina
Cisteína Serina
Treonina*
Cuerpos cetónicos
AsparaginaAspartato*
Isoleucina*
Triptófano
Leucina*
Tirosina*
Fenilalanina*
Lisina
Leucina*
Acetoacetato
REFERENCIAS:
: Aminoácidos glucogénicos
: Aminoácidos cetogénicos
: Aminoácidos mixtos (gluco y cetogénicos)
: Aminoácidos con más de una vía de entrada.
*
32
METABOLISMO DE PROTEÍNAS Y AMINOÁCIDOS
sangre
músculo
Glucógeno
Reservas escasas
Glucosa Aminoácidos ╳ Glucólisis
Ciclo de
Krebs
Cadena respiratoria
CO2 + H2O
Glucosa sanguínea
Permanentemente necesaria
Cuerpos cetónicos
Solo proveen energía durante el ayuno
prolongado
O2
METABOLISMO ENERGÉTICO DEL CEREBRO
Aminoácidos Ala, Gln
Proteínas
Aminoácidos
+ Testosterona Anabólicos
+
Cortisol
El músculo degrada
aminoácidos ramificados
Degradación Síntesis
[NH2]
Reserva energética en el ayuno prolongado
Ciclo de
Krebs
Ganancia de energía
Gln
Ala
Val
Leu
Iso
33
BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS
GLUCÓLISIS CICLO DE KREB VÍA HEXOSA MONOFOSFATOS
C
AMINOÁCIDOS
N2
GLUTAMINA GLUTAMATO
34
Ribosa-5-fosfato ���� Eritrosa-4-fosfato Histidina Serina Triptófano Fenilalanina Tirosina
Familia de los Aminoácidos
aromáticos
Sintetizada a partir de la Fenilalanina
Cisteína ���� ���� Glicina Serina
Familia del Piruvato
Valina Leucina Alanina
Glucosa-6-fosfato
3-fosfoglicerato
Fosfoenolpiruvato
Piruvato
Ciclo de Krebs
α-cetoglutarato
Oxalacetato
Lisina Asparagina NH3
Treonina Aspartato Isoleucina Metionina Familia del Aspartato
2NH3 Ornitina Glutamina Glutamato Ciclo de la Urea Prolina Arginina NH3 Familia del Glutamato
Familia de la Serina
Síntesis de Aminoácidos: descripción general
REFERENCIAS: Aminoácidos esenciales: en letras rojas Familias de aminoácidos: en cuadros punteados verdes
35
FAMILIAS BIOSINTÉTICAS DE AMINOÁCIDOS AGRUPADOS POR PRECURSOR METABÓLICO EN LOS ORGANISMOS VIVOS
• Serina • Glicina • Cisteína
3-FOSFOGLICERATO
• Fenilalanina • Tirosina • Triptófano
3-FOSFOENOLPIRUVATO
∝∝∝∝-CETOGLUTARATO
• Glutamato • Glutamina • Prolina • Arginina
• Asparagina • Aspartato • Metionina • Treonina • Lisina • Isoleucina
OXALOACETATO
• Alanina • Valina • Leucina
PIRUVATO
36
Familia del precursor biosintético α - cetoglutarato
PROLINA
O
O
NH2
NH2
OH
GLUTAMINA
NH
O
NH
NH2
NH2
OH
O
NH
OH
ATP
ADP + Pi
ARGININA
O O
OHOH
O
O O
OHOH
NH2
∝∝∝∝- CETOGLUTARATO
GLUTAMATO
Transaminación
NH3
37
Familia del precursor biosintético 3 - fosfoglicerato
3- FOSFOGLICERATO
CISTEÍNA
GLICINA
NAD+
NADH + H+
Glutamato
α- cetoglutarato
H2O
Pi
O
NH2 OH
O
NH2
SCH3 OH
METIONINA
ATP
CH3
O
NH2
SH OH
O
NH2 OH
CH2OH
SERINA
H2N
CH2SH
COOH | O- CH2
| | O=POCH2
| O-
38
O
PO3H2
H OH
H OH
ERITROSA 4-FOSFATO
Familia del precursor biosintético 3 -fosfoenolpiruvato
+ FOSFOENOLPIRUVATO
CH2
OPO3H2O
OH
O
NH2
OH
O
NH2NH
OH
O
NH2OH
OH
TRIPTÓFANO
FENILALANINA
TIROSINA
O2
H2O
39
COOH | H2NCH | (CH2)3
| CH2 | NH2
LISINA
CH3 | OH CH | CHNH2 | COOH
TREONINA
NH2
| -OOCCH2CHCOOH
ASPARTATO
β- SEMIALDEHÍDO DEL ASPARTATO
NH2
| CH2CH2CHCOOH | OH
HOMOSERINA
NH2
| CH3SCH2CH2CHCOOH
METIONINA
O NH2
| | | NH2CCH2CHCOOH
ASPARAGINA
OXALOACETATO
ISOLEUCINA
Familia del precursor biosintético oxaloacetato
40
Familia del precursor biosintético piruvato
ISOLUECINA
LEUCINA VALINA
ALANINA
PIRUVATO
H3C CO
COOH
O
NH2
CH3
CH3OH
O
NH2
CH3
CH3
OH
O
NH2
CH3
CH3 OH
O
NH2
CH3OH
CH3
CH2
�Tres aminoácidos no escenciales y seis aminoácidos escenciales se sintetizan a partir de oxalacetato y piruvato
RIBOSA 5-FOSFATO
HISTIDINA
O
NH2
NH
N
OH
OPO3H2
O
H OH
H OH
H OH
Histidina utiliza precursores de la síntesis de pur inas
41
METABOLISMO DE ÁCIDOS NUCLEICOS
Pi
• Digestión y absorción de Nucleoproteínas
Absorbidos
BASES + PENTOSA (ribosa)
Nucleósidos de Purinas y Pirimidinas
NUCLEOPROTEÍNAS
I N T E S T I N O
D E L G A D O
Enzimas proteolíticas Ácidos nucleicos: ADN ARN
*Enzimas pancreáticas Nucleasas *Fosfodiesterasas intestinales
Nucleótidos Nucleótidos *Fosfatasas *Nucleotidasas
Absorbidos
Nucleosidasas
PROCESO FOSFOLÍTICO (Hígado-Bazo-Riñón ) Bases libres + Pentosa-1-P
Pi
BASES + PENTOSA (desoxirribosa)
Absorbidos
Proteínas
Regulación alostérica
NUCLEÓTIDOS
Transducción de señales
Metabolismo hormonal
Hidratos de Carbono
Lípidos Proteínas
Ácidos Nucleicos
Metabolismo energético
ARN
Construcción de macromoléculas
ADN
42
NUCLEÓTIDO NUCLEÓSIDO
Ácido Fosfórico
Azúcar Base
ADN
si
Desoxirribosa
Purinas (Adenina y Guanina) Pirimidinas (Citosina y Timina)
MA
CR
OM
OLÉ
CU
LAS
ARN
si
Ribosa
Purinas (Adenina y Guanina) Pirimidinas (Citosina y Uracilo)
• Composición de los nucleótidos y comparación de ácidos nucleicos
• Obtención y utilización de las bases “pool de bases”
ORINA
BIOSÍNTESIS DEGRADACIÓN
DIETA
Desarrollo (proliferación celular)
Reparación
Metabolismo
PURINAS
PIRIMIDINAS
RECUPERACIÓN
1
3
2 4
5
7
6
8
9
Glicina Amina del Aspartato
Amida de la Glutamina
Ácido Tetrahidrofólico (THF)
Ácido Tetrahidrofólico (THF)
HCO3-
• Representación gráfica de un anillo purínico
43
Formación de 5- Fosfo-α-D-ribosil-1-pirofosfato. (PRPP)
-
-
• Biosíntesis de purinas
-
- OH I
THF
Formilglicinamida-ribonucleótido (FGAR)
_
_
2
3
10-Formil-THF
NH / / / / \\\\ H2C CHO C // // // // \\\\
O NH ribosa-P
4
NH2
5-Fosfo- αααα-D-ribosil-1-pirofosfato ( PRPP)
Gly, ATP
NH2 //// H2C C // // // // \\\\
O NH ribosa-P
ADP, PI
Glicinamida-ribonucleótido (GAR)
Gln
Glu, PPi
5-fosforribosilamina (PRA)
-
Mg++
RIBOSA 5-P AMP ATP
1
H O O OPOPO-
O- O-
_ OH
44
8
7
5-Fosforribosil-N-formilglinamida (FGAM)
NH / \ H2C CHO C // \ HN NH ribosa-P
Formilglicinamida-ribonucleótido (FGAR) Gln, ATP
Glu, ADP, Pi
5
ribosa-P
-OOC
NH2
ribosa-P
NH2
6
ADP + Pi
ATP
5- Aminoimidazol-ribonuclèotido (AIR)
ribosa-P
COO-
CH2 O HCNH C COO-
NH2
N-Succinilo-5aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleó tido (SAICAR)
ATP
Asp
ADP, PI
4-Carboxi-5-aminoimidazol ribonucleótido
CO2 7
45
COO-
CH HC COO-
O C N NH2 OHC N H N ribosa-P
10-Formil -THF
THF
10
N-Succinilo -5aminoimidazol -4-carb oxamida ribonucleótido (SAICAR)
COO-
CH O N HC + NH2C COO-
NH2 N ribosa-P
9
O C N NH C N N ribosa-P
Ácido inosínico (IMP)
11
HC
ribosa-P
Ácido inosínico (IMP)
ribosa-P
NH2
OHC
N-Formilaminoimidazol -4-carboxamida ribonuclétido (FAICAR)
ribosa-P
NH2
NH2
5-Aminoimidazol -4-carboxamida ribonucleó tido (AICAR)
Fumarato
46
ribosa-P
C
NH2
ribosa-P
C
-OOC-CH2-CH-COO-
NH
Adenilsuccinato
ribosa-P
O = C
ADENOSINA MONOFOSFATO (AMP)
Xantosina monofosfato (XMP)
Fumarato
Gln , ATP
Glu, ADP+ Pi
14
15
Ácido inosínico (IMP) Asp , GTP
GDP + PI NADH + H+
H2O, NAD+
12 13
REFERENCIAS: Gln : glutamina Gly: glicina Glu: glutamato THF: ácido tetrahidrofólico Asp: aspartato
ENZIMAS: 1- Ribosa 5 fosfato pirofosfoquinasa 2- PRPP amidotransferasa 3- GAR sintetasa 4- GAR formiltransferasa 5- FGAR amidotransferasa 6- FGAM ciclasa 7- AIR carboxilasa 8- SAICAR sintetasa 9- SAICAR liasa 10- AICAR formiltransferasa 11- IMP sintasa 12- IMP deshidrogenasa 13- Adenilosuccinato sintetasa 14- XMP aminasa 15- Adenilsuccinato liasa
ribosa-P
NH2 ————— C
GUANOSINA MONOFOSFATO (GMP)
47
• Biosíntesis de pirimidinas
Pi
Orotato
1
2
4
3
6
5
Aspartat o Carbamil-P
• Representación gráfica de anillo pirimidínico
2
H2O
3
NH2
| C // // // // \
O O P
Gln + CO 2
2 ADP +PI
1 2 ATP
Glu
Carbamil fosfato
Aspartato
-OOC \ CH2 | CH ⁄ \ H3N COO-
O | | C
NH CH2 | | C CH-COO-
⁄ ⁄ O NH
-OOC
NH2 CH2 | | C CH-COO-
⁄ ⁄ O NH
Carbamoil aspartato Dihidroorotato
NAD+
NADH, H+
4
PRPP PPi
5
URIDINA MONOFOSFATO (UMP)
Orotidina monofosfato (OMP)
O | | C
NH CH | | | C C
⁄ ⁄ O N | ribosa-P
CO2
6
O | | C
NH CH | | | C C ---- COO-
⁄ ⁄ O N | ribosa-P
O | | C
NH CH | | | C C ---- COO-
⁄ ⁄ O NH
Orotato
48
• Regulación de la biosíntesis de purinas
Ribosa-5-fosfato
+
ATP
Pi
Fosforribosil pirofosfato
Fosforribosilamina
+
ATP, GTP ADP, GDP
AMP+PPI GMP +PPI
ATP
IMP
AMP GMP
ADP GDP
ATP
ATP ATP
- - +
GTP
- -
- -
ADP
ATP
URIDINA MONOFOSFATO (UMP)
UDP
ADP
UTP
7 8
ATP
Glu, Pi
Gln
9
ADP
ATP
CITIDINA TRIFOSFATO (CTP)
ENZIMAS: 1- Carbamil fosfato sintetasa 2- Aspartato transcarbamilasa 3- Dihidroorotasa 4- Dihidroorotato deshidrogenasa 5- Orotato fosforribosiltransferasa 6- Orotidilato descarboxilasa 7- UMP quinasa 8- Nucleósido difosfato quinasa 9- CTP sintetasa
REFERENCIAS: Gln : glutamina Glu: glutamato Asp: aspartato
49
• Regulación de la biosíntesis de pirimidinas
Carbamilfosfato
Glutamina + CO 2 +2 ATP
Aspartato
+ +
dTMP
dUDP
Orotato
UMP
UDP
UTP
Ribosa-5-P
PRPP
ATP
ATP
ATP
Carbamilaspartato
PRPP
CTP
- -
- +
+
50
• Síntesis de desoxirribonucleótidos
ENZIMAS: 1- Ribonucleótido reductasa 2- Tiorredoxina reductasa
Base
nitrogenada Base
nitrogenada
H2O
1
O-
|
-O- P= O | O | -O- P= O | O |
-O- P= O | O | CH2
O-
|
-O- P= O | O | -O- P= O | O |
-O- P= O | O | CH2
Tiorredoxina
SH SH
Tiorredoxina
S
S
NADPH + H+ NADP+
2 2
51
• Catabolismo de las purinas
músculo
H2O Pi
ATP
IMP
H2O NH4
+
2
Aspartato
Fumarato GTP
GDP + Pi
Pi
Ribosa 1-P (desoxirribosa 1-P)
5
GMP
ACIDOS NUCLEICOS
AMP
GUANOSINA
H2O
Pi
1
INOSINA
H2O
NH4+
ADENOSINA
4
NH4+
H2O
ÁCIDO ÚRICO
O2
H2O2
Recuperación HIPOXANTINA
XANTINA
H2O + O2
H2O2
6 7
8
GUANINA
ENZIMAS: 1- Fosfatasa 2- Adenilato Desaminasa 3- Fosfatasa 4- Adenosina Desaminasa 5- Purina Nucleósido Fosforilasa 6- Guanina desaminasa 7- Xantina Oxidasa 8- Xantina Oxidasa
3
52
• Catabolismo de las pirimidinas
CITOSINA URACILO TIMINA
TIMINA
NH3
CO2
ββββ-AMINOISOBUTIRATO
Dihidrotimina NADPH+ H+
NADP+
1**** 2
****
Succinil CoA
CO2 + H2O
ENZIMAS: 1- Deshidrogenasa 2- Hidrolasa
ββββ-ALANINA
H2O
NH3
H2O
CITOSINA URACILO
Dihidrouracilo
H2O NH3
NADPH + H+
NADP+
CO2
2
1
3
Succinil CoA
CO2 + H2O
ENZIMAS: 1- Desaminasa 2- Deshidrogenasa 3- Hidrolasa
53
∼P
Pi
∼P
ARN polimerasa
ARN
ASPARTATO + CARBAMIL-FOSFATO
IMP
ÁCIDO ORÓTICO
PRPP
UDP GMP
Oxidación NH3
PRPP + GLUTAMINA GLICINA ASPARTATO CO2 FORMILOS
AMP
NH3
ATP
ADP
∼P
GDP
∼P
Reductasa Reductasa
NH3
UTP dTMP
UMP
dUMP
∼P Reductasa
∼P -CH3
CTP
∼P
dTDP
∼P
Reductasa
dATP dGTP dCTP dTTP
ADN polimerasa
ADN
GTP
ESQUEMA GENERAL DE LA SÍNTESIS DE ÁCIDOS NUCLEICOS
54
FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
ADN ARN Polipéptidos y
proteínas
Molde o fuente de información
ADN
Repl icac ión Transcr ipc ión Traduccción
Expresión
FLUJO DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA
Replicación : copia del ADN cromosómico
progenitor para formar moléculas de ADN hijas con idéntica secuencia
Transcripción: reproducción precisa en forma de ARNs de parte del mensaje genético
contenido en el ADN
Traducción: síntesis de proteínas, con una
secuencia específica de aminoácidos, sobre la base
del mensaje genético codificado en el ARN
mensajero
55
COMPUESTOS SEÑAL DERIVADOS DE LOS AMINOÁCIDOS
Aminas Biógenas
Sitio de producción Sitio de acción Acciones
Histamina
↓ Dilatación bronquial Capilares: ↑ Dilatación ↑ Permeabilidad
↑ Secreción del jugo gástrico
Adrenalina
↑ Rendimiento cardíaco ↓ Dilatación de los vasos sanguíneos ↑ Presión arterial Metabolismo: ↑ Glucogenólisis ↑ Lipólisis ↑ Glucosa sanguínea
Corazón
Músculo
Estómago
Médula suprarrenal
Mastocito
Pulmones
Tejido adiposo
Hígado
Granulocito basófilo
56
EJEMPLOS DE HORMONAS PEPTÍDICAS Y HORMONAS PROTEICA S
Aminas Biógenas
Sitio de producción Sitio de acción Acciones
TRH (Hormona liberadora de Tirotrofina)
Péptido de tres aminoácidos
TSH (Tirotrofina) Glucoproteína de 204 aminoácidos
↑ Secreción de Tirotrofina Acción como neurotransmisor
Insulina Proteína de
50 aminoácidos
↑ Captación de glucosa por la célula ↓ Nivel de glucosa sanguínea Productos de almacenamiento: ↑ Formación ↓ Degradación
Glucagón Péptido de
29 aminoácidos
↑ Glucogenólisis ↑ Gluconeogénesis ↑ Nivel de glucosa sanguínea ↑ Formación de cuerpos cetónicos
2
Páncreas Células β
Adenohipófisis
Cerebro
Hipófisis
TSH
Glándula tiroides
Tiroxina
Páncreas Células α
Glucosa
Grasas Proteínas Glucógeno
Glucosa Ácidos Grasos
Aminoácidos
↑↓ ↑↓ ↑↓
Glucógeno
Glucosa
Aminoácidos
Grasas
Äcidos grasos
Cuerpos cetónicos
↑ Síntesis y secreción de Tiroxina
57
BIBLIOGRAFÍA
Apunte Cátedra “Química Biológica en Esquemas”. (1998) Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Misiones, Argentina.
Blanco A. (2002) Química Biológica, 7° edición. Ed. El Ateneo. Córdo ba, Argentina.
Conn, E.; Stumpf, P.; Bruening, G. (1996) Bioquímica Fundamental, 5° edición. Ed. Limusa.
Cox M.; Nelson D. (2001) Lehninger: Principios de Bioquímica, 3° edición. Ed . Omega, S.A. Barcelona.
Koolman, J; Heinrich RöHm K. (2004) Bioquímica Texto y Atlas, 3° edición. Ed. Médica Pa namericana. Buenos Aires, Argentina.
Lehninger Albert (1995) Principios de Bioquímica, 2° edición. Ed. Omega, S. A. Barcelona.
Mathews, C.K.; Van Holde, K.E.; Ahern, K.G. (2002) Bioquímica, 3º edición. Ed. Pearson Educación S.A. Madrid, España.
Orten, J.; Neuhaus, O. (1984) Bioquímica Humana, 10° edición. Ed. Médica Panameri cana. Buenos Aires, Argentina.
Stryer L. (2007) Bioquímica, 6° edición. Tomos I y II. Ed. Reverté S .A. España.