Aun cuando los humanos consuman una dieta rica en nucleoproteínas, las bases púricas y pirimídicas de estas no se incorporan de manera directa a los ácidos nucleicos de las células tisulares, sino que se biosintetizan de novo a partir de intermediarios anfibólicos. Sin embargo, los análogos de purinas y pirimidinas inyectados (incluyendo medicamentos potenciales contra el cáncer) pueden incorporarse al DNA, lo cual se utiliza como terapia curativa.
El ser humano no depende de las bases nitrogenadas de la dieta para atender a las necesidades de la síntesis de ácidos nucleicos y nucleótidos libres. Las bases son producidas en casi todas las células con tal eficacia, que el organismo puede prescendir totalmente del aporte exógeno.
FUNCIÓN METABÓLICA DE LOS NUCLEÓTIDOS
Los nucleótidos y sus derivados desempeñan papeles fundamentales en el metabolismo celular. En las células de mamíferos se encuentran muchos tipos diferentes de nucleótidos. Entre las funciones de éstos se incluyen las siguientes:
1. Papel en el metabolismo energético. El ATP es la principal forma de energía química asequible a la célula. Se genera en la fosforilación oxidativa y en la fosforilación a nivel de sustrato. Esta moléculas se utiliza como un agente fosforilante, para impulsar reacciones metabólicas diversas. También se lo utiliza como dador de fosfato necesario para la generación de otros nucleósidos 5´-trifosfato.
2. Unidades monoméricas de los ácidos nucleicos DNA y RNA.
3. Mediadores fisiológicos. Los nucleótidos y nucleósidos actúan como mediadores de procesos metabólicos claves. La adenosina es importante en la regulación del flujo sanguíneo coronario; el ADP es crítico para la agregación plaquetaria y, por tanto, de la coagulación de la sangre; el cAMP y cGMP actúan como segundos mensajeros; el GTP es necesario para terminación del mRNA, la transducción de señales mediante proteínas de unión al GTP, y la formación de microtúbulos.
4. Función como precursores. El GTP es el precursor para la formación del cofactor tetrahidrobiopterina, necesario para la reacciones de hidroxilación y la generaión de óxido nítrico.
5. Componentes de coenzimas. Coenzimas tales como el NAD+, NADP+, FAD, sus formas reducidas y la coenzima A contienen como parte de sus estructuras una porción 5´-AMP.
6. Intermediarios activados. Los nucleótidos también sirven como portadores de intermediarios "activados" necesarios para diversas reacciones. Un compuesto tal como la UDP-glucosa es un intermediario clave en la síntesis de glucógeno y de las glucoproteínas. Lo mismo sucede con el CTP, que interviene como intermediario de la síntesis de fosfolípidos. Otro intermediario es la S-adenosilmetionina (SAM), que actúa como donador de metilos en las reacciones de las bases y residuos glucídicos del ARN y el DNA, así como la formación de compuestos tales como la fosfatidilcolina.
7. Efectores alostéricos. Muchos de los pasos regulados en las vías metabólicas están controlados por las concentraciones intracelulares de nucleótidos. Tal es el caso, como veremos, de la síntesis de los nucleótidos, donde son ellos mismos quienes regulan su biosíntesis.
QUÍMICA DE LOS NUCLEÓTIDOS
Los ácidos nucleicos contienen cinco bases heterocíclicas principales, las purinas adenina (A) y guanina (G); y las pirimidinas citosina (C), timina (T) y uracilo (U). Las estructuras de estas bases se muestran en la figura 11. Todos los ácidos nucleicos contienen A, G y C pero sólo el DNA contiene además T, mientras que el RNA contiene en su lugar U.
El agregado de un azúcar cíclico, específicamente una D-ribosa o una 2-desoxi-D-ribosa, por enlace covalente en posición N-9 de una purina, o en N-1 de una pirimidina, forma un nucleósido. Ahora bien, se en el grupo oxidrilo del carbono 5´ de la pentosa se produce una fosforilación, se obtendrá un mononucleótido, o simplemente llamado nucleótido; dependiendo de cual es el azúcar implicado tendremos: ribonucleótido, cuando se trata de D-ribosa, o bien desoxirribonucleótido para el caso de 2-desoxi-D-ribosa. En el cuadro 7 se hace una lista de las principales purinas y pirimidinas, así como de sus derivados nucleósidos y nucleótidos. Por último, la unión entre el carbono 5 y el carbono 3 de las pentosas de dos nucleótidos consecutivos, utilizando un grupo fosfato como puente de ensamble, llamado a esto enlace fosfodiéster, formará, con la sucesión de más nucleótido, una cadena a la que se denomina polinucleótido. Esta estructura básica de la cadena es válida para todos los tipos de ácidos nucleicos: ácidos desoxirribonucleicos (DNA) y ribonucleicos (RNA).
METABOLISMO DE LAS BASES NITROGENADAS
El metabolismo de los nucleótidos esta centrado en el anfibolismo de las bases nitrogenadas que los forman.
Como sucede con los aminoácidos, en el organismo puede hacerse una separación virtual entre exógeno y endógeno formándose dos pools metabólicamente independientes. Las bases procedentes de los alimentos son degradadas y sus productos finales excretados, mientras que la síntesis de nuevos nucleótido y polinucleótidos se realiza con purinas y pirimidinas formadas en las células.
Los ácidos nucleicos del organismo, al igual que las proteínas, están en continuo recambio. Una parte de las bases liberada durante los procesos de degradación puede ser reutilizada para la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos, a través de la vía llamada de "reciclaje". El resto termina siendo catabolizado y los productos finales son excretados.
Metabolismo de purinas
BIOSÍNTESIS DE PURINAS
El anillo purínico se sintetiza de novo en las células del organismo utilizando como "materia prima": aminoácidos, como dadores de carbonos y nitrógeno, y otras moléculas pequeñas que completan el esqueleto de la base.
Estudios con isótopos han permitido establecer el origen de cada uno de los átomos constituyentes del núcleo purina (Cuadro 8 y Figura 13).
El ensamblaje de los segmentos se realiza en una secuencia de reacciones llevadas a cabo por enzimas que se hallan en el citosol de la mayoría de las células (Figura 14). Desde el comienzo participa ribosa-5-fosfato, sobre la cual se van realizando todas las adiciones, por consecuente el producto final de la vía no es una base libre, sino un nucleótido (IMP).
La ribosa-5-fosfato se genera en la vía de las hexosas monofosfato, ésta debe ser activada para ingresar a la síntesis usando una ATP, el cual le transfiere pirofosfato en el carbono 1. Esta reacción es catalizada por la fosforribosilpirofosfato sintetasa, dando como producto 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP), compuesto que participa tanto de la síntesis de novo de purinas y pirimidinas como en la vía de reciclaje.
La siguiente reacción, catalizada por la glutamina PRPP amidotransferasa, transfiere el grupo amida de una glutamina en el carbono donde se encuentra el pirofosfato de la PRPP, al cual desplaza formado un enlace C–N que será el enlace N-glucosídico entre el C1 de la pentosa y el N9 de la purina en el nucleósido que se ha de formar. El producto es 5-foforribosil-1-amina, la cual reacciona con glicina y ATP para dar 5-fosforribosilglicinamida, reacción llevada a cabo por la fosforribosilglicinamida sintetasa.
Los demás átomos del heterociclo purina se agregaran en 8 etapas sucesivas. La actividad enzimática de varios pasos de ésta vía, residen en dominios separados de proteínas enzimáticas multifuncionales. De toda estas etapas el primer nucleótido que se obtiene es inosina monofosfato (IMP), cuya base nitrogenada es la hipoxantina.
Formación de AMP y GMP.
A partir del IMP se produce una bifurcación de la vía de síntesis, debido a que el IMP se convertirá en AMP o GMP. Posteriormente estos nucleótidos formarán ATP y GTP respectivamente, utilizando las enzimas 5´-monofosfato quinasa y nucleósido-5´-disfosfato quinasa. La conversión hacia uno u otro nucleótido no es al azar; la formación de GMP requiere energía de ATP, mientras que la formación de AMP requiere GTP. Esto se interpreta como una reacción reciproca, es decir, un aumento de ATP provoca un aumento de GMP y viceversa, mucho GTP aumenta la producción de AMP. Esto es una forma de regulación que equilibra las cantidades de GTP y ATP sintetizadas dentro de la célula.
REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE PURINAS
La biosíntesis de nucleótidos purínicos se regula fundamentalmente por feed-back (Figura 14). La formación de 5-fosforribosil-1-amina a partir de glutamina y 5-fosforribosil-1- pirofosfato es la etapa comprometida de la vía y en la enzima que la realiza se halla el punto principal de regulación.
La glutamina PRPP amidotransferasa es regulada alostéricamente por los productos finales de la vía IMP, AMP y GMP que actúan como efectores negativos; mientras que los sustratos PRPP y glutamina, son efectores positivos. En realidad se podría considerar al PRPP como verdadero efector por la alta Km de la enzima para este sustrato.
La enzima es un monómero enzimático activo, pero en presencia de IMP, AMP y GMP forma un dímero menos activo. La PRPP favorece la forma monomérica. La enzima posee dos centros alostéricos, en uno se fijan IMP y GMP, nucleótidos oxopurínicos; y en el otro AMP, nucleótido aminopurínicos. La fijación simultanea de AMP y IMP o GMP produce un efecto aditivo o sinérgico en la inhibición del enzima.
No se conoce control alguno entre la formación de 5-fosforribosil-1-amina y el IMP. Por el contrario si se sabe que existe regulación en la bifurcación del IMP a AMP o a GMP. Debido a que el IMP se convierte en AMP o en GMP, un aumento de estos productos inhibe por competición a la enzima que los forman. También debe destacarse que al usarse ATP para formar GMP y, a la inversa, GTP para formar AMP se crea un dispositivo regulador para el funcionamiento coordinado de ambas ramas. Un exceso de ATP producirá un aumento de GMP y luego GTP, el cual favorecerá la formación de AMP y consecuentemente ATP. Debe haber además otros mecanismos, hasta ahora desconocidos, que regulen el cociente ATP/GTP, dado que en la mayoría de las células, la concentración total de nucleótidos de adenina (AMP, ADP y ATP) es de 4 a 6 veces la de nucleótidos de guanina.
VÍA DE RECICLAJE, RECUPERACIÓN O SALVATAJE DE PURINAS.
Esta es una vía alternativa para formar nucleótidos a partir de bases preformadas procedentes de la degradación de ácidos nucleicos en tejidos o absorbidos de la dieta. La vía necesita de las enzimas fosforribosil transferasas, las cuales son dos:
1. Adenina fosforribosil transferasa (APRTasa): sus sustratos son adenina y PRPP, y su producto es AMP.
2. Hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa (HGPRTasa): utiliza hipoxantina o guanina más PRPP para formar los nucleótidos correspondientes: IMP y GMP.
Ambas enzimas se regulan por feed-back, inhibición competitiva de los productos. Estas vías alternativas de síntesis de nucleótidos interrumpen eficazmente la síntesis de novo de estos compuestos. En primer lugar, por el uso de PRPP, activador de la Gln PRPPamido transferasa, lo que provoca una gran disminución de su velocidad de catálisis; y en segundo lugar, la formación de AMP, GMP y IMP provocan efecto negativo sobre la misma enzima. Esto evita el uso de energía innecesario, pero más importante aún, desciende marcadamente la síntesis de AMP y GMP así como el metabolito de su degradación, el ácido úrico. Esto se ve reflejado en el síndrome de Lesch-Nyhan, enfermedad neurológica hereditaria ligada al cromosoma X, donde la actividad de la HGPRTasa esta disminuida de forma importante, dando hiperuricemia, retraso mental y trastornos sensoriales que pueden llevar a la automutilación.
CATABOLISMO DE PURINAS.
La degradación de DNA y RNA por nucleasas produce nucleótidos (ribo y desoxiribonucleótidos) y estos a su vez son sometidos a hidrólisis de nucleotidasas con acción fosfatasa dando nucleósidos libres, en el caso de las purinas, adenosina y guanosina; esta última es degradada a guanina y ribosa-1-fosfato por la nucleósido purínico fosforilasa.
El nucleósido adenosina, por acción de la adenosina desaminasa, se convierte en inosina, luego una nucleósido fosforilasa divide a la inosina en hipoxantina y pentosa-1-fosfato. La hipoxantina se oxida a xantina por la xantina oxidasa, flavoproteína que contiene Fe y Mo (molibdeno). Por otro lado la guanina, por acción de la guanasa, se convierte también en xantina. Tanto adenina como guanina convergen en xantina. Este metabolito es sustrato de la xantina oxidasa, nuevamente en escena, que lo convierte en ácido úrico, producto terminal de la degradación de purinas, el cual es escretado principalmente por orina. La figura 15 muestra la vía de degradación de las purinas.
Ácido úrico.
En el adulto normal se producen unos 500mg por día de ácido úrico, 80% del cual se excreta por orina, el resto se degrada a CO2 y NH3 o urea.
En el plasma normal, el ácido úrico alacanza una concentración de 4 a 6mg por 100ml. Los varones tienen niveles de 1mg por 100ml más que las mujeres, diferencia que desaparece después de los 45-50 años de edad, lo cual se relaciona a diferencias hormonales entre ambos sexos.
Consideración de la solubilidad del ácido úrico.
El ácido úrico posee un pKa de alrededor de 5,75, lo que indica que a pH plasmático normal (7,4) este ácido libera su protón del grupo OH del C8 y se convierte en la forma iónica urato. A pH 5,75 la forma iónica se equilibra con la no ionizada, mientras que a pH menor predomina la forma no disociada. Esto tiene importancia, ya que el ácido úrico es menos soluble en agua que el urato, por lo que una orina acidificada aumenta la cantidad de ácido úrico y este tiende a precipitar; en cambio, si la orina se alcaliniza se produce un aumento de urato, con mayor posibilidad de excreción en el medio acuso de la orina.
Consideraciones de los alimentos hiperurimiantes.
Una dieta rica en ácidos nucleicos aumenta la cantidad de purinas y en consecuencia la producción de ácido úrico. Los alimentos que contribuyen a esto son aquellos con alta cantidad de nucleoproteínas, tales como carnes, vísceras, tejidos glandulares, extractos de carne (picadillos), legumbres, hongos y espinaca. Ciertos compuestos químicos del café (cafeína), cacao (teobromina), té (teofilina), mate (mateína) y algunas bebidas carbonatadas contienen gran cantidad de xantinas metiladas, purinas que favorecen la formación de ácido úrico.
APLICACIÓN CLÍNICA: GOTA
Definición. Con el término de gota se designa a la enfermedad caracterizada por niveles elevados de ácido úrico en plasma (hiperuricemía).
Cuadro Clínico. Muchos de los síntomas, sino todos, relacionados con la hiperuricemia, aparecen como resultado de la escasa solubilidad del ácido úrico, esto junto a su abundancia, lleva a la formación y precipitación de cristales de urato sódico que se depositan principalmente en las articulaciones de las extremidades, produciendo artritis (inflamación de las articulaciones) muy dolorosas. Se afectan preferentemente las articulaciones interfalángicas y del metatarso, siendo típico el compromiso del dedo grueso del pie (Figura 16). También se producen precipitados de urato sódico en cartílagos, siendo el cartílago de la oreja el más frecuentemente comprometido, formándose nódulos indurados que se conocen con el nombre de "tofos".
Figura 16.
Fisiopatología. La máxima cantidad de uratos que puede disolverse en sangre es de 7mg/dL, razón por la cual cuando se excede este nivel se produce el precipitado. El urato de sodio precipitado es fagocitado por macrófagos residentes del tejido, una vez dentro de la célula, los cristales de urato interaccionan con la membrana dando su ruptura, liberándose, en consecuencia, enzimas lisosomales que pueden atacar al tejido circundante produciéndose productos de degradación que interaccionan con monocitos sanguíneos los que son atraídos al lugar y se activan a macrófagos. Estos producen numerosas citoquinas que inician el proceso inflamatorio.
Etiología. Gota primaria: causada por trastornos metabólicos de origen genético, que lleva a la formación excesiva de ácido úrico o de sus precursores. Los siguientes son ejemplos de alteraciones enzimáticas:
AUMENTO EN LA ACTIVIDAD DE LA PRPPSINTETASA: esto produce un incremento de PRPP, efector positivo de la Gln PRPP amidotransferasa lo que da un aumento de la síntesis de novo de purinas.
ACTIVIDAD PARCIAL DE LA HGPRTASA: una disminución parcial de la actividad de ésta enzima tiene dos consecuencias con respecto a las ruta de síntesis de novo de nucleótidos purínicos. En primer lugar, al haber una disminución en el reciclaje de hipoxantina y guanina, el PRPP no se consume por la reacción de la HGPRTasa y puede activar la Gln PRPP amidotransferasa. En segundo lugar, al disminuir el reciclaje de hipoxantina y guanina, no se forma IMP y GMP a través de esta vía, de manera que la regulación de la etapa de la PRPP amidotransferasa por el IMP y GMP como efectores negativos se ve comprometida.
DEFICIENCIA DE GLUCOSA-6-FOSFATASA: en pacientes que presentan enfermedad de Von Gierke se da también frecuentemente hiperuricemia y gota. La pérdida de actividad glucosa-6-fosfatasa tiene como consecuencia que una mayor cantidad de glucosa-6-fosfato se desvíe hacia la ruta de las hexosas monofosfato, se genere más ribosa-5-fosfato y se incremente el nivel de PRPP intracelular. El PRPP es un efector positivo de la PRPP amidotransferasa.
GOTA SECUNDARIA: se debe a una complicación de hiperuricemia producida por otra enfermedad de base como leucemia, nefritis crónica, policitemia, entre otras.
TRATAMIENTO: Para el control del dolor en caso de un cuadro agudo se recurre a analgésicos. Para el control a largo plazo, uno de los fármacos de primera elección es el alopurinol, compuesto con estructura similar a la hipoxantina que tiene la capacidad de inhibir a la xantina oxidasa en forma competitiva, lo que reduce la formación de xantina y ácido úrico, pero también produce aumento de hipoxantina, sustrato de la HGPRTasa, enzima del salvataje que genera IMP, efector alostérico negativo de la Gln PRPP amidotransferasa, además de consumir PRPP, otro efector alostérico, pero positivo, de esta última. El efecto global del alopurinol es la disminución de la formación de ácido úrico como de la síntesis de novo de nucleótidos purínicos.
Como complemento al tratamiento medicamentoso, se recomienda una dieta baja en purinas para no contribuir con bases adicionales en la formación de ácido úrico y abundante líquido para alcalinizar la orina.
Metabolismo de pirimidinas
BIOSÍNTESIS DE PIRIMIDINAS
De la misma forma que las purinas, el núcleo pirimidina se forma de precursores diversos. Su síntesis conduce a la formación de uridina-5´-monofosfato (UDP), a partir del cual se deriva la formación de CTP, TMP y TTP (Figura 17).
REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE PIRIMIDINAS
Al igual que la vía de síntesis de purinas, esta vía se regula por feed-back. Las enzimas que son punto de regulación de esta cascada de reacciones son dos:
Carbamoil fosfato sintetasa: esta enzima es inhibida por UTP, uno de los productos finales de la vía. Por el contrario es activada por PRPP, que no es su sustrato.
Asapartato carbamoil transferasa: por su parte, esta enzima es inhibida por UMP y CTP, también productos finales; y es activada por sus sustratos carbamoil fosfato y Aspartato.
Además, se da un feed-back negativo en la formación de CTP a partir de UTP, lo que asegura niveles equilibrados de CTP y UTP, este último factible de convertirse en TTP.
REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE PIRIMIDINAS
El recambio de los ácidos nucleicos da lugar a la liberación de nucleótidos de pirimidina y purina. La degradación de los nucleótidos pirmidínicos siguen la ruta que los convierte en nucleósidos por acción de fosfatasas inespecíficas. La citidina y desoxicitidina son desaminadas a uridina y desoxiuridina, por la nucleósido pirimidina desaminasa. La uridina fosforilasa cataliza la fosforólisis de la uridina, desoxiuridina y timidita, para formar las bases pirimídinicas uracilo y timina como producto final
Las bases pirmídicas son degradadas hasta productos muy solubles y fácilmente eliminados o utilizados por las células.
El uracilo recibe dos hidrógenos donados por NADPH para convertirse en dihidrouracilo.
FORMACIÓN DE DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS
La enzima ribonucleósido-5´-difosfato reductasa, cataliza la reacción en la que se reduce el C2 de la ribosa de los ribonucleótidos difosfato (ADP, GDP, UDP y CDP) para dar los correspondientes 2´-desoxirribonucleótidos difosfatos. La enzima requiere una coenzima de bajo peso molecular llamada tiorredoxina, quien reduce el C2 del azúcar, previa reducción de ésta por un NADPH. La regulación se da por los productos, que actúan como efectores negativos.
FOSFORILACIÓN DE NUCLEÓSIDOS Y NUCLEÓTIDOS. PAPEL DE NUCLEÓSIDO Y NUCLEÓTIDO QUINASA
Los nucleósidos exógenos o endógenos de la célula son sustratos de la nucleósido quinasa específica para cada uno de ellos. El producto, un nucleótido monofosfato (NMP), es el sustrato de una nucleótido monofosfato quinasa, dando un nucleótido difosfato (NDP) para que luego este se convierta en un trifosfato (NTP) por acción de una nucleotido difosfato quinasa. Las dos últimas enzimas no son específicas para los distintos nucleótidos. En cada reacción de fosforilación se utiliza un ATP como dador del grupo fosfato.
Estas reacciones son particularmente importantes en una célula como el eritrocito que no puede formar nucleótidos de novo.
APLICACIÓN CLÍNICA. COMPUESTOS QUE OBSTACULIZAN EL METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS: UTILIZACIÓN COMO AGENTES QUIMIOTERÁPICOS.
La síntesis de novo de nucleótidos purínicos y pirimidínicos es crítica para la replicación, mantenimiento y función celular normales. La regulación de estas vías es importantes ya que defectos en las enzimas reguladoras producen estados patológicos. Se han sintetizado o aislado (como productos naturales de plantas, hongos o bacterias) muchos compuestos que son análogos estructurales de las bases o los nucleósidos utilizados en la reacciones metabólicas. Estos compuestos son inhibidores relativamente específicos de enzimas implicadas en la síntesis o interconversión de nucleótidos. Estos fármacos, útiles en terapia de cuadros clínicos, se han clasificados en antimetabolitos, antifolatos, antagonistas de la glutamina y otros compuestos.
Antimetabolitos: son, generalmente, análogos estructurales de las bases o nucleósidos purínicos y pirimidínicos que obstaculizan centros metabólicos muy específicos. Mucho de los actuales quimioterapicos pertenecen a este grupo.
Antifolatos: compuestos que obstaculizan la formación de tetrahidrofolato (THF) a partir de dihidrofolato (H2folato) por inhibición de la dihidrofolato reductasa.
Antagonistas de la glutamina: en la células tienen lugar muchas reacciones en las que la glutamina actúa como dador de grupos amino. Estas reacciones de amidación son muy críticas para la síntesis de novo del anillo purínico (N3 y N9), en la conversión de IMP en GMP, en la formación del carbamoil fosfato citosólico, en la conversión de UTP a CTP y en la síntesis de NAD+. Los compuestos que inhiben estas reacciones se conocen como antagonistas de la glutamina.
Bibliografía
1. Devlin, Thomas M. Bioquímica. Libro de texto con aplicaciones clínicas. Tercera edición. Editorial Revereté. 2000.
2. R. Murria et al. Bioquímica de Harper. Decimoquinta edición. Editorial Manual Moreno. 2001
3. Blanco, Antonio. Química biológica. Séptima edición. Editorial El Ateneo. 2000
4. Harrison et al. Principios de Medicina Interna. Decimocuarta edición. Editorial Mc Graw-Hill-Interamericana. Madrid 1998.
5. Farreras-Rozman. Medicina Interna. Decimocuarta edición. Editorial Harcourt. 2002
6. Conferencia Médica del Rep. Argentina (COMRA). Formulario terapéutico Nacional. Novena edición. 2003.
Autor:
Delia Sernaque Rubiños
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