TEMA 10. ALTERACIONES EN EL METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS PDF

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Apuntes de Bioquímica Aplicada y clínica completos. Profesor: Manuel R. Benito de las Heras...

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TE TEMA MA 110. 0. A ALT LT LTER ER ERAC AC ACIO IO IONES NES EN EELL M MET ET ETA ABO BOLIS LIS LISMO MO D DE E LO LOSS N NU UCLE CLEÓT ÓT ÓTIDO IDO IDOSS Las purinas y pirimidinas se requieren para sintetizar nucleótidos y ácidos nucleicos. Estas moléculas pueden sintetizarse desde el principio (de novo) o ser recuperadas de bases existentes. La captación de bases púricas y pirimidínicas a partir de la dieta es baja, debido a que la mayoría de los ácidos nucleicos ingeridos son metabolizados por las células epiteliales del intestino.

NU NUCLEÓTI CLEÓTI CLEÓTIDOS DOS PIRIMI PIRIMIDÍN DÍN DÍNICO ICO ICOSS Sínt Síntesis esis de nov novo o de los n nucleótid ucleótid ucleótidos os de piri pirimid mid midina ina En las síntesis de los nucleótidos de pirimidina, la base se sintetiza primero y luego se une a la porción de ribosa 5’-P. Los átomos del anillo de pirimidina proceden de un aspártico y una glutamina. En la reacción inicial de la vía, la glutamina se combina con bicarbonato y ATP para formar carbamoil fosfato. Esta reacción es análoga a la primera reacción del ciclo de la urea, excepto que utiliza la glutamina como fuente de nitrógeno (en lugar de amoniaco) y tiene lugar en el citoplasma (en vez de la mitocondria). La reacción es catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa II (CPSII), que es el paso regulador de la vía. La reacción análoga en la síntesis de urea es catalizada por la CPSI, que es activada por el N-acetilglutamato. En el siguiente paso de la biosíntesis de pirimidina, la molécula completa de aspartato se une al carbamoil fosfato en una reacción catalizada por la aspartato carbamoil transferasa (o aspartato transcarbamoílasa). Subsecuentemente, la molécula se cierra para producir un anillo (catalizado por la dihidroorotasa), que se oxida para formar ácido orótico (o su anión orotato) a través de las acciones de la dehidroorotato deshidrogenasa. La enzima orotato fosforribosil transferasa cataliza la transferencia de ribosa 5-P desde el PRPP al orotato, produciendo orotidina 5’-P, que es descarboxilada por la orotidina 5’-P descarboxilasa (también conocida como ácido orotidílico descarboxilasa) para formar UMP. La hiperamonemia tipo II provoca orótico acidemia porque el carbamoil fosfato mitocondrial es capaz de salir al citoplasma, donde entra en la vía del ácido uridílico y hace que se produzca orótico. Cuando la ornitina carbamoiltransferasa es deficiente (trastorno del ciclo de la urea), el exceso de carbamoíl fosfato de la mitocondria se filtra hacia el citoplasma. Las concentraciones citoplasmáticas elevadas de carbamoíl fosfato llevan a la producción de pirimidinas, debido a que el paso regulado de la vía (reacción catalizada por la CPS-II) se sobrepasa. De esta forma se produce la orótico aciduria.

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Vía d del el ácid ácido o urid uridílico ílico (U (UMP) MP) Esta vía comienza de forma que la glutamina, independientemente de la posibilidad de producir amonio, por la carbamil fosfato sintetasa II (CPSII), con utilización de ATP, va a producir carbamil fosfato y glutamato. El carbamil fosfato citoplasmático junto con aspartato mediante la aspartato transcarbamilasa va a producir N-carbamil aspartato. Este último compuesto con la dihidroorotasa sufre deshidratación y produce dihidroorotasa. La dihidroorotasa mediante dihidrootato DHG produce orotato. La hiperamonemia tipo II produce hiperamonemia asociada a orótico aciduria. El paso limitante es el que tiene lugar en la mitocondria que es la producción de orotato. El ácido orótico que se acumula utiliza el fosforribosilpirofosfato (PRPP) para la vía del UMP que se completa con la síntesis de los nucleótidos trifosforilados que se incorporan a la síntesis del ARN. El orotato con el PRPP, mediante la orotato fosforribosil transferasa, produce orotidina-5’-fosfato. Este, con orotidina-5’-descarboxilasa produce UMP. El UMP con la uridil monofosfato quinasa produce UDP y este con la nucleósido difosfato quinasa da UTP. Este UTP con la CTP sintasa produce CTP. Estos tres últimos pasos de la vía tienen lugar en presencia de ATP. Estas vías siempre se regulan por producto final que hace feedback negativo sobre el inicial. El PRPP es regulador. Si la célula posee fosforribosilpirofosfato, puede iniciar la ruta.

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La orotato fosforribosiltransferasa es la conexión entre la vía del UMP y disponibilidad energética de ribosa 5-fosfato y de ATP para obtener ribosa 5-pirofosfato. El estatus energético es muy importante debido a que el UMP no es el producto final sino que tiene que fosforilarse en presencia de ATP. Todo esto lleva a la síntesis del ARN y la transcripción celular. Además de CTP se tiene que producir UTP.

Regu Regulación lación de la síntes síntesis is de UMP El paso regulado de la síntesis de pirimidinas en seres humanos es la CPS-II. La enzima es inhibida por el UTP y activada por el PRPP. Así, cuando las concentraciones de pirimidinas disminuyen (como es indicado por las concentraciones de UTP), la CPS-II se activa y las pirimidinas se sintetizan. La regulación se hace en base a complejos multienzimáticos. Existen 3 en la vía del UMP: - CME 1: citosólico. Encontramos la CPSII, aspartato transcarboxilasa y la dihidroorotasa. - CME 2: mitocondrial. Formado por la DHD deshidrogenasa. - CME 3: citosólico. Formado por la orotatofosforribosiltransferasa y la orotidina 5-fosfato descarboxilasa.

La acidosis orótica puede ser consecuencia de: - La hiperamonemia tipo II por defecto de la ornitina transcarboxilasa. - Fallo del CME 3 (defecto primario). El diagnóstico diferencial entre ambas es que debido al defecto en la ornitina transcarboxilasa, la orótico aciduria está asociada a hiperamonemia y debido al fallo del CME III la orótico aciduria no está asociada a hiperamonemia.

Repl Replicación icación del AD ADN N y ci ciclo clo celu celular lar La síntesis de los ácidos ribonucleicos como de los ácidos desoxirribonucleicos, tiene una finalidad biológica principal que es la replicación del DNA que no tiene lugar en cualquier sitio sino que tiene lugar en la fase S del ciclo celular. Cuando las células entran en fase S replican su material genético pasando de diploide a tetraploide, hecho irreversible. En el proceso de duplicación del material genético necesitamos la transcripción para expresar enzimas que tienen que ver con el ciclo celular y síntesis de ácidos nucleicos como ADN polimerasa. Los nucleósidos difosforilados con consumo de NADPH pasan a desoxirribonucleótidos mediante la ribonucleotidoreductasa. El dCDP con la correspondiente quinasa pasa a dCTP que se incorpora a la formación del DNA por la nucleósido difosfoquinasa. La célula utiliza los ribonucleótidos 56

difosforilados como punto de partida para obtener los trifosforilados y los monofosforilados, por lo que el difosforilado, siguiendo una secuencia distinta a la anterior, produce los monofosforilados y a partir de estos puede volver a obtener difosforilados o dar lugar a trifosforilados. El dCDP pasa por la citidilato quinasa a dCMP con la producción de ATP. Este dCMP por la desoxicitidilato-desaminasa pasa a dUMP. Este dUMP pasa a dTMP por acción de la timidilato sintasa, utilizando como cofactores el metilen-THF. Esta enzima es una diana terapéutica en cáncer. El dTMP, con acción de la dTMP quinasa (con ATP), da lugar al dTDP, que por acción de la nucleósido difosforilasa (con ATP) produce dTTP. Este dTTP se une al ADN en su formación. De esta forma ya tenemos los dos desoxirribonucleótidos trifosforilados para su incorporación en la cadena de ADN. De este ciclo concluimos que la timidilato sintasa es una diana terapéutica en cáncer y que la célula se encarga de no tener dUMP. El UMP, por acción de la ribonucleotidoreductasa se convierte en dUMP. Es la enzima encargada de pasar los oxinucleótidos a desoxinucleótidos. Como hemos visto, la célula no quiere producir dUTP, pero esto no se debe a una deficiencia en UMP. El dUMP, por acción de la timidilato sintasa da lugar a dTMP que, por la dTMP quinasa, dará lugar a dTDP y por la dTDP quinasa se transforma en dTTP. La dTMP quinasa no es capaz de transformar el dUMP en dUDP y dUTP. El dUMP está obligado a pasar a dTMP. Por esto se utiliza como diana terapéutica, ya que es la única vía posible en la transformación del dUMP. Esta ruta también se regula por producto final. La fuente de metilen-THF es la dihidrofolato reductasa que transforma el THF en DHF. La dihidrofolato reductasa es otra diana terapéutica contra el cáncer ya que, si la inhibimos, paramos la obtención de THF que se necesita para la acción de la timidilato sintasa (inhibición indirecta de la timidilato sintasa). El catabolismo de los nucleótidos pirimidínicos no tiene ninguna patología descrita en seres humanos por enzimopatía en esta vía. En la vía de la citidina y la uridina, es decir, las vías catabólicas para producir los nucleótidos, no hay ninguna patología. La patología está en la vía biosintética y no en la catabólica. El anillo pirimidínico y el purínico se componen de carbonos y nitrógenos procedentes de los compuestos nitrogenados. El anillo úrico está compuesto por átomos de carbono y nitrógeno procedentes del aspartato, CO2, glicina, N,N-metenil-THF, glutamina y N-formilTHF.

Vía d del el IMP La glucosa, vía pentosas fosfato es la fuente de ribosa 5’-fosfato. Esta vía obtiene, a partir de la ribosa 5’-fosfato, el PRPP mediante la ATP-fosforribosiltransferasa. Este PRPP da lugar a fosforribosilamina mediante amidofosforribosil transferasa (con paso de glutamina a glutámico). La fosforribosilamina acabará dando lugar a IMP, cuyo destino es la producción de adenil succinato que dará AMP, y xantilato que dará GMP.

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La primera enzima es la ATP-fosforribosiltransferasa (paso de RP a PRPP). Esta enzima se inhibe por nucleótidos trifosforilados cuando la célula tiene exceso de síntesis de ácidos nucleicos, para economizar. Esta enzima necesita ATP y Mg. La segunda enzima es la amidofosforribosil transferasa que, junto con la primera, regula el ciclo celular. Esta enzima no se utiliza como diana en oncología, primero, porque está muy arriba del ciclo y el fosforribosilpirofosfato afecta mucho, y segundo, porque se escogió un paso determinante que estuviera más abajo ya que la toxicidad estaba garantizada. El IMP continúa su ruta hacia el GMP o el AMP. Estos son la base de los ácidos nucleicos. El AMP es, además, la moneda energética para producir ATP. Las células, cuando tienen un exceso de AMP se considera que están en un estatus de baja energía y si tienen altos niveles de ATP se consideran en un estatus de alta energía, y por tanto, de alimentación. En esta vía del IMP hacia el AMP se produce el uso del aspartato que dona del grupo amino con consumo de GTP. Finalmente se obtiene adenil succinato que libera fumarato en su paso a AMP. El paso de IMP a GMP tiene lugar mediante el uso de NAD +, producción de xantilato. Este xantilato, con uso de glutamina que pasa a glutamato, sirve para obtener GMP. En ambas vías se produce energía. El paso de IMP a AMP se recicla, el paso de IMP a GMP no se recicla. Esto supone que se recicla una molécula que en su metabolismo produce energía y la pregunta es si este ciclo de los nucleótidos púricos tiene un significado en patologías. En este reciclaje del IMP que vuelve a AMP utilizando el aspártico y consumiendo energía, se plantea la cuestión de qué importancia tiene esto en la contracción muscular. La enzima que interviene es la mioadenilato desaminasa. Los enfermos que tienen miopatías congénitas algunos tienen deficiencia en mioadenilato desaminasa. Durante la contracción muscular del músculo estriado se produce un aumento de amonio en sangre que se debe a la adenilato desaminasa, por tanto, hay un reciclaje de AMP e IMP que es necesario para la energía necesaria para la contracción muscular. En los enfermos con miopatías congénitas, este aumento de amonio en sangre en respuesta al ejercicio no se produce, por lo que esto se traduce en debilidad y aparición de calambre, consecuencia de la fatiga muscular. El ciclo de los nucleótidos púricos tiene una necesidad fisiológica de alimentar energéticamente la contracción muscular, cuya deficiencia se traduce en debilidad y calambres musculares. Por otro lado, los ácidos nucleicos deben ser degradados, lo que es una fuente de bases púricas. Otra fuente de purinas es la dieta. A la hora de producirse ácido úrico, tenemos la biosíntesis endógena de bases púricas, el catabolismo de los ácidos nucleicos y la fuente exógena de purinas. Los 5'-nucleótidos, independientemente de su fuente, están sujetos al mismo metabolismo, siendo degradados por las nucleotidasas a 5’-nucleósidos. Estos se transforman mediante un proceso irreversible (nucleósido fosforilasas) en ribosa 1-fosfato, que es reciclada y en bases púricas o primidínicas. Para el reciclaje de las bases púricas es necesario el PRPP. ¿Hay salvamento de las bases púricas adenina, guanina e hipoxantina? El destino de estas bases púricas, además de formar nucleótidos y servir en la síntesis de los ácidos nucleicos, es ser degradadas para formar ácido úrico. Por esto, el destino final son las hiperuricemias. Se trata de un 58

exceso de síntesis y exceso de catabolismo de ácidos nucleicos. La adenina, por la adenosina desaminasa, produce hipoxantina que, con la xantina oxidasa, produce xantina. La xantina, a su vez, con la xantina oxidasa dará ácido úrico. Este ácido úrico, con la uricasa, produce alantoína y esta, con la alantoinasa, produce ácido alantoico. Este ácido, con la alantoinasa dará ácido glioxílico y urea que, por la ureasa se transforma en amonio y CO2. Los humanos no somos capaces de producir urea por esta vía, solo la obtenemos por el ciclo de la urea ya que los mamíferos no tenemos uricasa. La xantina oxidasa es una diana terapéutica para inhibir la producción de ácido úrico en pacientes por hiperuricemia. Los nucleótidos 5’P-GMP y 5’P-AMP tienen que ser degradados para producir como producto final el ácido úrico. La xantina oxidasa necesita hierro y FAD y produce H2O2 que produce daño celular por producción de radicales libres. El metabolismo o actividad metabólica, a la larga, se vuelve contra las propias células anticipando el proceso de muerte celular. Una de las razones por las que la síntesis de ácido úrico puede estar aumentada es porque la síntesis endógena está aumentada. La ATP fosforribosiltransferasa, hace que la ribosa 5’P producida de novo o a partir del catabolismo de ácidos nucleicos, pase a 5P-α-D-ribosilpirofosfato (PRPP). Esta enzima esta aumentada en ciertos enfermos por sobreactivación o porque tienen mucha enzima, es decir, es un proceso de ganancia de función, lo que recuerda a la célula tumoral. Cuando esto ocurre en cáncer, hay duplicación génica y desregulación. No está muy claro cuál es el proceso de estas células. Puede ser por pérdida del feedback debido a una mutación en la enzima. Esta enzima mutada va a sintetizar de novo sin control. La patología asociada a la ganancia de función de esta enzima es hiperuricemia primaria (gota). No hay ninguna patología relacionada con el exceso de función de la amidofosforribosil transferasa. Esto nos permite afirmar que la ATP fosforribosiltransferasa regula la biosíntesis del ácido úrico. Otra patología es la existencia del síndrome de Lesh-Nyhah. La HGPRT (hipoxantina guanina fosforribosiltransferasa) cataliza la formación de IMP y GMP a partir de hipoxantina y guanina respectivamente. Si esta enzima está alterada por perdida de función, se produce hiperuricemia.

¿H ¿Hay ay re recicl cicl ciclaje aje de las bas bases es p pú úricas cas?? ¿Tien ¿Tiene e un p papel apel regulad regulador or es este te reci reciclaje? claje? Sí, existe y juega un papel regulador en las biosíntesis de ácido úrico y si existe un defecto enzimático se produce hiperuricemia primaria. Este reciclaje es importante no sólo en hígado sino también en otras células como los linfocitos T donde si no se produce, aparecen enfermedades como inmunodeficiencias congénitas. Se afecta el metabolismo de las bases púricas en los linfocitos B y T y por tanto, se afectan la inmunidad celular y la humoral por este defecto enzimático. Por defecto de estas tres enzimas mencionadas anteriormente se producen hiperuricemias congénitas y litiasis renal. La síntesis y degradación de las bases púricas se ve afectada por defecto o ganancia de función. Pero, sobre todo, por defectos de función que producen otras patologías que se asocian y que no tienen nada que ver con las hiperuricemias.

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En este metabolismo de las bases púricas, que tiene 3 orígenes desde el punto de vista metabólico, (exógenas, síntesis de novo y la degradación celular), las bases púricas están como tal, no solamente incorporadas a los ácidos nucleicos. El metabolismo de purinas se asocia en primera instancia a las hiperuricemias congénitas: la 1 y la 2. El metabolismo de las bases púricas es oxidativo, se dirige a ácido úrico que se produce en el hígado y es fundamentalmente a partir de las purinas endógenas, bien por degradación de ácidos nucleicos, o por síntesis de novo. Las bases púricas procedentes de los alimentos no dan ácido úrico. El metabolismo de las bases púricas no es solo catabólico sino que es bidireccional. La adenosina, que es un nucleósido, puede volver a formar ácido adenílico. Es decir, es recuperada en parte por una enzima que también presenta una enzimopatía aunque no muy importante. En el hígado predomina la vía catabólica pero en las células del sistema inmune, tanto inmunidad humoral como celular, este metabolismo de bases púricas es muy transversal y la finalidad es interconvertirse entre sí y no producir ácido úrico. Si las hiperuricemias acumulan ácido úrico, la xantinuria es un defecto congénito de la xantina oxidasa y no se produce una hiperuricemia sino que se acumulan xantina e hipoxantina. Se producen cálculos de xantina, es decir, litiasis y se afecta mucho la función renal por formación de cálculos (hidronefrosis). La importancia que tiene esta interconversión de las bases púricas, independientemente de la finalidad de producir ácido úrico, está marcada por 3 patologías que son las inmunodeficiencias congénitas: - Adenosina desaminasa (ADA): transforma la adenosina en inosina. Tiene una especial particularidad y es que presenta una deficiencia en los seres humanos (niños burbuja). Se trata de una inmunodeficiencia severa combinada en la que el paciente pierde la inmunidad celular y la humoral. Este gen tiene una importancia histórica porque ha sido uno de los primeros en los que se intentó la terapia génica, es decir, se trató de devolver la capacidad de expresar esta enzima a células que no tenían esa capacidad. Inicialmente tuvo muy buenos resultados pero finalmente fue un proceso transitorio y reversible ya que no se conseguía llegar a todas las células y la expresión no era suficiente. - Purín nucleótido desaminasa: transformación de hipoxantina en inosina. El fallo en esta enzima produce una inmunodeficiencia de las células T, es decir, de las células productoras de la inmunidad celular. Es una patología similar a la que produce el SIDA donde se destruyen las células T por el virus. - Purín 5’-nucleotidasa: Transformación de ácido adenílico en adenosina. Produce una γglobulinemia o deficiencia en linfocitos de la serie B. Afecta a todos los nucleótidos ya que también afecta al paso de ácido inosínico a inosina. Hay un defecto enzimático poco importante que es el paso de adenosina a ácido adenílico por la correspondiente adenosina quinasa. Esta enzima también presenta un defecto enzimático en determinadas personas pero no se produce ninguna inmunodeficiencia congénita. Otra enzima, la de la distrofia muscular, está directamente relacionada con el reciclaje de los nucleótidos púricos. Se mezclan patologías dependiendo de los tejidos que se afectan. 60...