biosÍntesis de aminoÁcidos
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BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS
20 son los aminoácidos codificados por el código genético
Alanina Ala A Isoleucina Ile I
Arginina Arg R Leucina Leu L
Asparagina Asn N Lisina Lys K
Aspártico Asp D Metionina Met M
Cisteína Cys C Prolina Pro P
Fenilalanina Phe F Serina Ser S
Glicina Gly G Tirosina Tyr Y
Glutamina Gln Q Treonina Thr T
Glutámico Glu E Triptófano Trp W
Histidina His H Valina Val V
2
carboxilato
a- amino
carbono a
Estructura general de un alfa-aminoácido
sustituyente o grupo R 3
La síntesis de aminoácidos necesita solucionar tres problemas bioquímicos fundamentales
1) Obtener nitrógeno
Sólo ciertos microorganismos son capaces de reducir moléculas de nitrógeno gaseoso inerte (N2) a dos moléculas de amoníaco.
El nitrógeno en forma de amoníaco es la fuente de nitrógeno para TODOS los aminoácidos
Los esqueletos carbonados proceden de la vía glicolítica, de la vía de las pentosas fosfato o del Cíclo de Krebs
Bacterias y cianobacterias fijadoras libres de nitrógeno
Fijadores simbióticos
El mayor reservorio de nitrógeno de la Tierra está en su atmósfera
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nitrosp.png
Fijación del nitrógeno: los microorganismos utilizan un potente reductor y ATP para reducir en N2 atmosférico a amoníaco
El nitrógeno en los aminoácidos, purinas, pirimidinas y otras biomoléculas, proviene en última instancia del nitrógeno atmosférico
Los microorganismos fijan 10 11 kg cada año (60% del total)
Los rayos y radiación UV (15% del total)
Los procesos Industriales (25% del total ) Catálisis Química: N2 + H2, catalizador de Fe, 500ºC, P de 300 atms
…siempre nos quedaremos cortos ala hora de evaluar la importanciaque tiene la fijación del nitrógeno,por parte de los microorganismosque fijan N2, para el metabolismode todos los eucariotas superiores…
La catálisis enzimática la lleva a cabo el complejo enzimático Nitrogenasa
Reductasa
(Fe-proteína)
a22
Electrones procedentes de la
ferredoxinareducida
(potente reductor)
Proteína Fe-S
Nitrogenasa
(MoFe-proteína)
La transferencia de electrones desde el componente Reductasa al componente Nitrogenasa está acoplada a la hidrólisis de ATP
el complejo enzimático cuenta con numerosos centros redox
Sensible a la inactivación por O2
Dímero Tetrámero
Heterotetrámero formado por dos subunidades alfa (rojo) y dos beta (azul)
Nitrogenasa: contiene varios centros redox
Cada agrupación P contiene:
8 átomos de Fe 7 átomos de S
conectados a la proteína porunión vía Cys
Agrupación-P Cofactor Fe-Mo
homocitrato
Átomo central
Cada cofactorFeMo contiene:
1 átomo de Mo7 átomos de Fe, 9 átomos de S, 1 átomo central 1 homocitrato,
conectados al a proteína por unión vía Cys y His
Cada una de estas agrupaciones puede llevar a cabo reacciones de oxido reducción
Los iones Fe alternan ente los estados Fe2+ (reducido) a Fe3+ (oxidado)
Proteína
Recuerde que las agrupaciones hierro-azufre funcionan como transportadores de electrones
Agrupaciones hierro-azufre
Proceso costoso energéticamente
Por cada electrón transferido se hidrolizan 2 ATPs N2 + 6e- +6H+ → 2NH3
La reacción biológica genera además de 2 moles de NH3 por cada mol de N2, al menos 1 mol de H2
N2 + 8e- + 8H+ + 16 ATP + 16 H2O → 2NH3 + H2 + 16 ADPs + 16 Pi
Ferredoxina reducida
Reductasa Nitrogenasa
Nitrógeno
AmoníacoAgrupación-P
Subunidad-β
Subunidad-α
[4Fe-4S]
El cofactorhierro-molibdeno
(Fe-Mo) se une al N2
atmosféricoy lo reduce
La síntesis de aminoácidos necesita solucionar tres problemas bioquímicos fundamentales
2) Control estereoquímico
Todos los aminoácidos menos la Gly son quirales, por lo cual las vías biosintéticas deben generar el isómero correcto
Excepto la Glicina
El carbono α es un centro quiral
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chirality_with_hands.jpg
Veremos luego que en la síntesis de los 19 aa quirales, la estereoquímica del átomo de carbono alfa queda determinada mediante una reacción de transaminación
en la que participa el piridoxal fosfato (PLP)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Zwitterion-Alanine.png
D-alaninaL-alanina
Los aminoácidos codificados por el código genético
son todos de la serie L
La síntesis de aminoácidos necesita solucionar tres problemas bioquímicos fundamentales
3) Cantidad suficiente de cada aminoácido: regulación
La retroinhibición y los mecanismos alostéricos garantizan que los 20 aa se encuentren en cantidad suficiente para sintetizar proteínas y llevar a cabo otros procesos
Amino acid(s) mg per kg body weight mg per 70 kg mg per 100 kg
H Histidine 10 700 1000
I Isoleucine 20 1400 2000
L Leucine 39 2730 3900
K Lysine 30 2100 3000
M Methionine+ C Cysteine 10.4 + 4.1 (15 total) 1050 1500
F Phenylalanine+ Y Tyrosine 25 (total) 1750 2500
T Threonine 15 1050 1500
W Tryptophan 4 280 400
V Valine WHO 26 1820 2600
Estimating the daily requirement for the indispensable amino acid
La biosíntesis de aminoácidos está íntimamente relacionada con la nutrición porque muchos organismos
superiores han perdido la capacidad de sintetizar algunos de ellos (los aminoácidos esenciales)
Esenciales No esenciales
Isoleucina (Ile) Alanina (Ala)
Leucina (Leu) Tirosina (Tyr)
Lisina (Lys Aspartato (Asp)
Metionina (Met) Cisteína (Cys)
Fenilalanina (Phe) Glutamato (Glu)
Treonina (Thr) Glutamina (Gln)
Triptófano (Trp) Glicina (Gly)
Valina (Val) Prolina (Pro)
Histidina (His) (condicionalmente) Serina (Ser)
Arginina (Arg) (condicionalmente) Asparagina (Asn)
La síntesis de aminoácidos necesita solucionar tres problemas bioquímicos fundamentales
1) Obtener nitrógeno
2) Control estereoquímico
3) Cantidad suficiente de cada aminoácido: regulación
El ión amonio se incorpora a los aminoácidos por medio del Glutamato y la Glutamina
El grupo alfa amino de la mayoría de los aa proviene de la transaminación del grupo alfa-amino del glutamato
La glutamina cede su átomo de Nitrógeno de la cadena lateral a un amplia gama de compuestos entre ellos al Trp y la His
Glutamato Glutamina
α α
¿Cómo se sintetiza el Glutamato?
Enzima Glutamato deshidrogenasa (GDH)
Consume NAD(P)H (en algunas especies la enzima no diferencia entre NADH y NADPH)
Etapas:
-se forma una base de Schiff (carbonilo reacciona con amino, doble enlace C=N), que se protona fácilmente
-la base de Schiff protonada se reduce mediante la transferencia de un ion hidruro (H-) procedente del NADPH y se forma glutamato
α-cetoglutarato(intermediario del Ciclo de Krebs)
Glutamato
α
Base de Schiffα -cetoglutarato protonada L-glutamato
Hidruro (H-) en color verde
Cα
En esta reacción se determina la estereoquímica del átomo de Cα de glutamato (isómero L)
¿Cómo se sintetiza el Glutamina?
Enzima: Glutamina sintetasa (GS)
En esta reacción se incorpora un segundo ion amonio para formar Glutamina
Etapas:
- reacción dirigida por la hidrólisis de ATP permitiendo la formación del intermediario acilfosfato
-reacción del intermediario con el amoníaco para formar glutamina
Enzima clave en la regulación de la síntesis de aa
Glutamato GlutaminaIntermediario acilfosfato
Cα Cα Cα
Glutamina sintetasa (GS)un ejemplo de enzima regulada mediante
diferentes mecanismos
Salmonella typhimurium
12 subunidades idénticas de 50kDa c/u
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PDB_2gls_EBI.jpg
Regulación por Modificación covalente
Alostérica por retroinhibición acumulativa
…
Regulación por modificación covalente
inhibición por adenililación (incorporación de AMP) a nivel de la Tyr397
cercana al sitio activo de la enzima
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Adenylylated_Unadenylylated_GS.PNG
Glutamina sintetasa
NO adenilada(más activa)
Glutamina sintetasaadenilada
(menos activa)
AdenililTransferasa
(AT) & PA
AdenililTransferasa
(AT) & PD
La actividad de adenililación o
fosforólisis de la adeniltransferasa (AT) está regulada por una proteína reguladora P
que existe en dos formas PA y PD
Las modificaciones covalentes aumentan la sensibilidad a la regulación alostérica
PA se convierte en PD cuando se uridilapor acción de la enzima Uridil transferasa
PA, No Uridilada
Actividad adenililante de AT
PD, UridiladaActividad de fosforólisis de AT
Uridil Transferasa
Glutamina sintetasa
Modulación alostéricapor retroinhibición
acumulativa
La biosíntesis de aminoácidos se regula por retroinhibición
Las vías ramificadas necesitan una sofisticada regulación
- retroinhibición y retroactivación- multiplicidad enzimática- retroinhibición acumulativa- cascada enzimática como en la glutamina sintetasa
Más puntos de regulación hace posible queel flujo de nitrógeno en el interior de la célula
se pueda ajustar con más precisión
Una enzima extra presente en bacterias y plantas, no en
animales (rol importante si escasea el NH4
+)
La glutamato deshidrogenasa (GDH)
Presente en todos los organismos
La glutamina sintetasa(GS)
La glutamato sintasa(aminación reductora del
α-cetoglutarato a glutamato) α-cetoglutaratoGlutamina Glutamato
glutamato sintasa
No. pasos necesarios para la síntesis
No
. de
am
ino
ácid
os
No esencialesEsenciales
Los aminoácidos se sintetizan a partir de intermediarios del ciclo de Krebs,la glicólisis, la vía de las pentosas
fosfato
Familias Biosintéticasde aminoácidos en bacterias y plantas
Biosíntesis de AA por transaminación: Asp, Ala
Aldimina internaPiridoxal P formando una
base de Schiff con elgrupo amino de una
Lys del enzima
L-Aminoácido
Enzima
Lisina
α-ceto-glutaratoGlu
PiridoxaminaFosfato (PMP)
Cetimina
Aldimina externa Intermediario quinoideo
α-cetoácido(Oxalacetato→Asp
Piruvato →Ala)
Cα
Una etapa común determina la quiralidad de todos los aminoácidos
Protón que se va a transferir
Lisina
Arginina
Aminoácidos conservados en todas las transaminasas
La formación de Asparraginaa partir de Aspartato requiere un
Intermediario adenililadoEn mamíferos el dador de
NH3 es la glutamina (por hidrólisis)
Aspartato AsparaginaIntermediario-acil-adenililato
el aspartato se activa por amidación dirigida por ATP (se le une AMP) en vez de por fosforilación
El glutamato es el precursor de glutamina, prolina y arginina
Glutamato g-semialdehídoglutámico
Prolina
Arg
El 3-fosfoglicerato (de la glucólisis)es el precursor de serina
Y la serina de la cisteína y glicina
Para sintetizar la Glicina precisamos que se transfiera la cadena lateral de la Serina
El tetrahidrofolato transporta fragmentos monocarbonadosactivados con diversos grados de oxidación
Lo obtenemos de la dieta o a partir de la acción de microorganismos en el tracto intestinal
Transporta metilo (-CH3), metileno (-CH2-), formilo –(CHO)…
estos derivados del tetrahidrofolato actúan como Donadores de fragmentos monocarbonados en diversas reacciones biosintéticas/
Síntesis de glicina a partir de serina
El tetrahidrofolato transporta fragmentos monocarbonados activados
S-adenosilmetionina es el principal donador de grupos metilo
Las vías complejas –
los aminoácidos aromáticos
El corismato es el intermediario de la síntesis de aminoácidos aromáticos
en bacterias, hongos y plantas
Óxido Nítrico una molécula mensajera
se forma a partir de Arginina
AA
Los aminoácidos son precursores de muchas biomoléculas
y muchos más…
GraciasAndrea Villarino