Biosíntesis de aminoácidos

METABOLISMO DEL NITRÓGENO Y DEL AZUFRE
Familia del gl utamato. Además de ser el sustrato para la síntesis
de glutamina, el glutamato es el precursor de otros aminoácidos que poseen
esqueletos carbonados de 5 átomos de carbono. Estos son la prolina y la
arginina. Esta última posee un átomo de carbono más, pero que no forma parte
de su esqueleto carbonado, sino más bien del grupo guanidinio. Este carbono
tiene un estado de oxidación equivalente al del CO2 o del ácido carbónico.
O
HO
Cδ
Cγ
H2
O
H2
C OH
Cβ H
Cα
HO
NH 2
L-Glutámico
O
H2
Cβ H C OH
Cα
H 2C γ
C δ NH
H2
L-Prolina
C
OH
Ácido Carbónico
NH
H2 N
NH
O
C
N
H
H2
Cδ
Cγ
H2
O
OH
H2
H C
Cβ Cα
NH 2
H 2N
NH 2
Guanidinio
O
H2 N
C
O
C
OH
Carbamato
H2 N
C
O P
Carbamil-fosfato
L-Arginina
Si observamos los carbonos del esqueleto carbonado del glutamato, y
los de la arginina y de la prolina, vemos que tanto el carbono carboxílico como
los carbonos α, β y γ están sin cambiar en los tres aminoácidos. Sólo el
carbono δ, ha sufrido modificaciones. Pasa de un estado de carbono
carboxílico en el glutamato hasta un estado de carbono alcohólico (en realidad
amino, pero es lo mismo) en los dos aminoácidos prolina y arginina. En la
prolina finalmente el grupo final se cicla, probablemente por deshidratación)
reaccionando con el grupo amino α. En la arginina, se incorpora sobre el grupo
final un carbamato para formar el guanidinio.
De esta manera para la síntesis de estos dos aminoácidos el carbono δ
del glutamato, tiene que ser reducido y luego aminado para generar el
precursor de los mismos. Para la conversión del grupo carboxilo del carbono δ
del glutamato en aldehido, en primer lugar se lo fosforila con el ATP, y luego se
efectúa la reducción del carbonil-fosfato por el NADH o por el NADPH,
análogamente a la reducción del 3-fosfoglicerato a gliceraldehído-3-fosfato en
la gluconeogénesis.
En la prolina, la reacción de ciclación es probable que se realice en la
etapa de aldehido con la formación de una base de Schiff (es la reacción de
deshidratación entre un ceto y un amino, generando un doble enlace C=N).
Este enlace luego deberá ser reducido. El producto final de esta secuencia, la
L-prolina, es un inhibidor alostérico de la primera etapa de reacción.
En la arginina la aminación del carbono δ probablemente se realice al
estado de ceto por medio de enzimas transaminasas (que veremos en la
sección siguiente), de manera que el grupo carboxilo también debe reducirse
sólo hasta la etapa de aldehido en este caso. Además, para evitar la reacción
de ciclación espontánea en algunos organismos se incluye una etapa previa de
protección del amino α del precursor de la arginina.
O
C
HO
C
H2
O
Acetil-CoA
H2
OH
C
C H
C
O
CoA-SH
C
HO
C
H2
NH2
O
H2
C OH
H
C C
NH
C
O
N-acetil-Glutamato CH3
Glutamato
ATP
ATP
Quinasa
ADP
O
O
P
C
O
ADP
C
H2
H2
C OH
C H
C
CO2 + H 2O
O
O
P
C
O
C
H2
NH2
NADPH + H+
H2
C OH
C H
C
NH
C
NADPH + H +
Deshidrogenasa
Pi
NADP+
O
H
C
C
H2
NADP+
O
H2
C OH
C H
C
H
C
H2
NH2
H2 C
H2O
O
H2
C H C OH
C
C N
H
Deshidro
genasa
H2C
ATP
ADP
NH
C
O
O
CH3
HO
C
H2O
OH
O
H2
C H C OH
C
P
glutamina
O
OH
H2
H2
H C
C
C
C
C
H2N
NH
H2
C
O
Carbonil-fosfato
Carbamil
Fosfato
Sintasa
O
O
H2N
C
OH
Carbamato
Hidrolasa
O
glutamato
P
CH3
NADP+
C
Transaminasa
glutamato
NADPH + H +
OH
Ácido Carbónico
O
H2
C OH
C H
C
O
C
C
HO
Pi
glutamina
Deshidratasa
O
O
CH3
O
CH3
H2
C
H2N
C
H2
C NH
H2
OH
H2
H C
C C
ADP
NH2
Ornitina
O
H2N
L-Prolina
ATP
C
O
P
Carbamil-fosfato
Carbamil-Transferasa
P
O
H2 N
H2
C
C
N
H
C
H2
O
OH
H2
C
C H
C
NH2
Citrulina
Aspartato
Transaminasa
Fumarato
NH
H2N
H2
C
C
N
H
O
OH
H2
H C
C C
C
NH2
H2
L-Arginina
La ornitina es el precursor de la arginina en muchas especies. Aunque
en los mamiferos la ornitina puede ser convertida en arginina durante el
funcionamiento del ciclo de la urea, la arginina es tan rápidamente escindida
por la arginasa para producir urea y ornitina, que su disponibilidad resulta
insuficiente para la síntesis de proteínas. Por este motivo, la arginina es un
aminoácido esencial para los mamíferos. La ornitina se forma, en las bacterias
y en las plantas se muestra en la figura más arriba, a partir del ácido glutámico.
La etapa final de esta ruta depende de la especie. En E. coli, la N-acetil-ornitina
es hidrolizada para producir ornitina y ácido acético libre, mientras que en otros
microorganismos y en los vegetales, la N-acetil-ornitina cede su grupo acetilo al
ácido glutámico, se libera ornitina y finalmente se forma el γ-semialdehído-Nacetil-glutámico. El grupo N-acetilo impide que el semialdehído glutámico se
cicle espontáneamente. Esta secuencia constituye el ciclo de la N-acetilornitina. En algunos organismos, la ornitina se produce por transaminación de
distintos aminoácidos con el γ-semialdehído glutámico.
La ornitina formada por estas rutas se convierte en arginina por las
siguientes reacciones del ciclo de la urea, cuya descripción más completa
aparecerá más adelante. Dado que muchas bacterias carecen de arginasa,
esta ruta rinde una síntesis neta de arginina. Para ello, finalmente se adiciona
un carbamato sobre el átomo de nitrógeno unido al carbono δ para formar el
guanidinio. El carbamato, proviene de una reacción con el carbamil fosfato, el
cual tiene un grupo fosfato que es un buen grupo saliente para permitir la
fusión. Para la síntesis del carbamil-fosfato se consumen dos enlaces de alta
energía. El dador de amino para la última transaminación es el aspartato, que
se libera como fumarato cuando la reacción finaliza. Más adelante veremos el
mecanismo de esta transaminación.
Familia del 3-fosfoglicerato. El 3-fosfoglicerato es el precursor de
tres aminoácidos, serina, cisteína y glicina. La serina es el primero que se
sintetiza, y funciona como precursor de la glicina y de la cisteína. En principio,
el 3-fosfoglicerato, producto intermediario en la glucólisis, es oxidado por la 3fosfoglicerato-deshidrogenasa, con la utilización de NAD+, rindiendo NADH y
produciendo 3-fosfo-hidroxipiruvato. La transaminación de este último con el
glutamato produce 3-fosfoserina, de la que se obtiene serina, por la acción
hidrolítica de la fosfoserina-fosfatasa.
Una ruta alternativa que conduce a la serina, utiliza el hidroxipiruvato (en
lugar del 3-fosfo-hidroxipiruvato), procedente del D-glicerato (producto de la
desfosforilación del 3-fosfo-glicerato ). La transaminación del hidroxipiruvato con
la glicina o la alanina, rinde serina y glioxilato o piruvato, respectivamente:
O
C
OH
O
H C OH
OH
H C OH
CH 2OH
O
OH
CH2O P
α-cetoglutarato
NADH + H+
O
C
H 2N C H
CH2O P
glutamato
NAD+
C
OH
C O
CH 2O P
O
C
C
OH
O
C O
O
OH
H2N C H
CH2OH
O
C
CH2OH
OH
C
CH2 NH2
OH
C
H2N C H
CH3
O
C
C
H
O
OH
O
OH
C
C O
CH3
La glicina se puede formar a partir de la serina por la acción de la serinahidroximetil-transferasa. Esta enzima cataliza la transferencia del átomo de
carbono β de la serina al tetrahidrofolato y produce el N5,N10-metilentetrahidrofolato. Esta reacción se constituye en la principal fuente de grupos de
un carbono que son transportados hacia otros sustratos (por ejemplo el dUTP a
partir del cual se sintetiza dTTP) por los derivados del tetrahidrofolato en la
célula.
5
10
serina + tetrahidrofolato à glicina + N -N -metilen-tetrahidrofolato
Dado que esta reacción es reversible, constituye también una ruta para
la biosíntesis de la serina. El grupo prostético de la enzima es el fosfato de
piridoxal y el cosubstrato es la coenzima ácido fólico. En el hígado de los
vertebrados, la glicina se puede formar a partir del dióxido de carbono y del
amoniaco por la acción de la glicina-sintetasa. Esta enzima, dependiente del
fosfato de piridoxal, cataliza la siguiente reacción reversible:
5
10
+
+
CO2 + NH3 + N ,N -metilen-tetrahidrofolato + NADH + H à glicina + tetrahidrofolato + NAD
El azufre orgánico de la cisteína (y de la metionina) tiene su origen
biológico en formas inorgánicas varias, tales como S04-2, S203-2, SH2 o incluso
azufre elemental, el cual pueden oxidar ciertas bacterias a sulfato. La fuente
principal termina siendo el S04-2. Varios microorganismos y plantas pueden
efectuar la reducción enzimática del sulfato y del tiosulfato a SH2, que puede
convertirse después en el grupo tiol de la cisteína, por las siguientes reacciones
L-Serina + acetil-CoA à O-acetilserina + CoA
O-Acetilserina + SH2 à cisteína + acetato + H20
La serina primero reacciona con el acetil-CoA en una reacción catalizada
por la serína-acetil-transferasa con el objetivo de incorporar un buen grupo
saliente para la reacción siguiente. Finalmente, la cisteína-sintasa, una enzima
dependiente del fosfato de piridoxal, cataliza la incorporación del S a partir del
SH2. La suma de reacciones implica que el sistema está acoplando la hidrólisis
del enlace de alta energía del acetil-CoA para incorporar el azufre de la
cisteína. Otros organismos acoplan la reacción de hidrólisis del ATP a esta
síntesis en lugar del acetil-CoA.
Además, en algunos microorganismos se ha encontrado otra reacción
para la utilización del SH2 , catalizada por la enzima cisteina-γ-liasa (también
dependiente del fosfato de piridoxal), que puede actuar formando cistationina o
cisteína.
Piruvato + NH3 + SH2 à cisteína + H20
En los mamíferos, la cisteína es un aminoácido no esencial, pero que se
forma a partir de la metionina, que es esencial, y de la serina, que no lo es. De
esta manera la fuente de átomos de azufre en los mamíferos es la metionina.
La ruta metabólica implica que el átomo de azufre de la metionina es
transferido pasando a sustituir al átomo de oxígeno del hidroxilo de la serina,
con lo que ésta se convierte en cisteína. Este proceso es frecuentemente
denominado transulfuración. En la primera etapa de esta secuencia, la
metionina pierde el grupo metilo de su átomo de azufre convirtiéndose en
homocisteína. Esta transformación, que tiene efecto en tres o más etapas,
requiere en primer lugar ATP para convertir la metionina en una forma activada,
la S-adenosilmetionina, según una reacción excepcional en la que el grupo
adenosilo del ATP resulta transferido a la metionina.
Metionina + ATP à S-adenosilmetionina + PPi + Pi
La S-adenosilmetionina es un importante agente de metilación biológico.
Su grupo metilo, que está ligado mediante un enlace sulfonio caracterizado por
su elevada energía, puede ser donado a un gran número de distintos aceptores
de grupos metilo en presencia de la enzima adecuada, liberando S-adenosilhomocisteína como producto de la desmetilación. Después, la S-adenosilhomocisteína experimenta una hidrólisis rindiendo homocisteína libre.
En la segunda etapa de la síntesis de la cisteína, la homocisteína
reacciona con la serina produciendo cistationina, gracias a la acción catalítica
de la cistationina-β-sintasa:
Homocisteina + serina à cistationina + H20
En la etapa final, la cistationina-γ-liasa, que es un enzima dependiente
del fosfato de piridoxal, cataliza la escisión de la cistationina liberando cisteína,
con formación secundaria de α-oxobutirato y NH3.
Cistationina + H2 O à α-cetobutirato + NH3 + cisteína
O
O
C
OH
NH2
OH O OH
H2N C H
CH2
CH2
S
HO
P
P
O OH O
+
N
P O
CH2 O
HO
CH3
H2N C H
CH2
N
N
OH
C
NH2
CH2
+
S CH2 O
CH3
N
OH
HO
metionina
N
N
N
HO
P OH
O
N
OH
S-Adenosil-metionina
Reacciones de metilación
-CH 3
O
C
O
OH
H2N C H
CH2
CH2
SH
+
N
CH2 O
N
N
NH2
CH2
S CH2 O
N
N
N
N
N
H2O
homocisteína
HO
O
OH
H2N C H
CH2
NH2
OH
C
C
OH
HO
OH
S-Adenosil-homocisteína
OH
H2N C H
CH2OH
OH
OH O
C
C
H2N C H H2N C H
CH2
CH2
O
C
H2
cistationina
S
H2O
O
C
OH
C O
CH2
O
+
+
NH4
+
CH3
α-cetobutirato + amonio
O OH
OH
+
OH
C
H2N C H
CH2 SH
cisteína
+ HO
P
P OH
OH O
La cisteína es un inhibidor alostérico de la cistationina-γ-liasa. En
conjunto, la reacción global de la síntesis de la cisteína es como sigue:
Metionina + ATP + aceptor de grupo metilo + H20 + serina
cisteína + aceptor metilado + adenosina + α−cetobutirato + NH3 + PPi + Pi
à
La cistationina, es el producto intermedio clave de estas reacciones. En
los mamíferos, su única función consiste en actuar como intermediario en la
transferencia de S de la metionina para formar cisteína. En otros organismos,
como veremos en la próxima sección, es utilizada en la dirección opuesta, o
sea para transferir un átomo de S desde la molécula orgánica donde el sulfuro
inorgánico es directamente incorporado, la cisteína hacia el otro aminoácido
sulfurado, la metionina. La cistationina se encuentra en concentraciones
bastante elevadas en el cerebro humano, si bien en los vertebrados inferiores
su proporción es más baja. Los individuos que padecen de la carencia genética
de cistationina-sintasa exhiben deficiencias mentales; en una de tales
alteraciones genéticas, la homocisteína no utilizada, se excreta en forma de
homocistina (el dímero conteniendo un puente disulfuro), estado patológico
denominado homocisteinuria. En otra enfermedad genética denominada
cistationuria, que implica un defecto de cistationina-γ-liasa, se excreta
cistationina por la orina.
Familia del aspar tato. El aspartato es sintetizado directamente
desde el α-cetoácido oxalacetato por una reacción de transaminación en la que
el dador de grupos amino es el glutamato. En este tipo de reacciones de
transaminación un carbono α de un α-aminoácido (generalmente el glutamato)
es oxidado a un α-cetoácido (generalmente el α-cetoglutarato), mientras que el
carbono α de otro α-cetoácido es reducido al α-aminoácido correspondiente.
H
R
H
O
Cβ
Cα
H
NH 3
C
+
+
O
1
H2 O
O
CH 2
O
+
N
H
Cβ
Cα
H2 O
PO
O
C
+
CH 2
R
O
O
+
N
CH3
H
O
H
N
H
HC
HC
O
PO
R
H
O
PO
Cβ
H
H
H
O
-C
C
α
R
O
+
H
CH2
O
+
N
CH3
H
N
PO
O
O
+
CH2
R
O
..
N
CH3
b
-
HC
PO
O
H2 O
O
PO
O
Cβ
Cα
H
O
C
Cα
N
+
N
CH 2
α-cetoácido
+
piridoxamina
O
H
O
+
N
H
CH3
H
C
+
O
H
NH2
H C
C H2
OH
O
Cβ
H
H
H
R
+
H
C
α
HC
H
a
C
H
+
O
Cβ
H
N
HC
O
PO
3
Hα
Cβ
C H3
Base de Schiff 2
+
+
Hα
H
O
H
2
R
C
4
H2O
+
N
CH3
Base de Schiff 1
α-aminoácido
+
piridoxal
Cα
H
+
H
N
H
H C
CH2
O
H
H
O
CH3
c
Las enzimas transaminasas de este tipo, poseen como cofactor al
fosfato de piridoxal unido al sitio activo de la enzima formando una base de
Schiff con el grupo amino de un resto de lisina de la proteína.
Inicialmente el α-aminoácido que terminará cediendo su grupo amino,
desplaza la base de Schiff entre el piridoxal y la enzima y forma una base de
Schiff entre el piridoxal y su grupo amino α (Reacción 1). Esta base se
desprotona, se tautomeriza y se vuelve a protonar para convertirse en un
isómero que contiene un doble enlace C=N entre el carbono α y el nitrógeno
(reacciones 2 y 3). La hidrólisis de este compuesto libera un α-cetoácido y al
cofactor en la forma de piridoxamina (reacción 4). La piridoxamina puede ahora
reaccionar con otro α-cetoácido para, produciendo las transformaciones
exactamente inversas a las mostradas, convertirlo en α-aminoácido y regenerar
al cofactor en la forma de piridoxal. Este tipo de transaminaciones se utilizan
para obtener los grupos amino α de todos los aminoácidos naturales (excepto
para la treonina y la lisina) partiendo del α-cetoácido correspondiente.
El aspartato es el precursor directo de la asparagina, mediante una
reacción catalizada por la asparagina-sintetasa, la cual es análoga, en su
mecanismo, a la glutamina-sintetasa:
NH3+ aspartato + ATP à asparagina + ADP + Pi
En algunos organismos puede tener efecto una ruta alternativa, según la
cual, el grupo amino amídico de la glutamina se transfiere al grupo β-carboxilo
del aspartato gracias a la acción de la asparagina-sintetasa 2 (hidrolizante de la
glutamina)
ATP + glutamina + aspartato
à
glutamato + asparagina + AMP + PPi
La treonina y la metionina (dos aminoácidos esenciales para el hombre)
poseen un denominador común; sus esqueletos carbonados poseen cuatro
átomos, que, en conjunto tienen el mismo estado de oxidación global. El
precursor de estos aminoácidos es un aminoácido que posee el mismo estado
de oxidación global pero tiene un oxhidrilo en su carbono γ. Este oxhidrilo
debería ser intercambiado por un sulfidrilo para rendir metionina o modificada
su posición para generar la treonina. El precursor mencionado se denomina
homoserina (el prefijo homo- es utilizado en química orgánica para nombrar a
un compuesto análogo a otro conocido con el que difiere en un metileno, -CH2-,
de más). La cadena carbonada de la homoserina deriva, a su vez, del ácido
aspártico, según una serie de reacciones que no se realizan en los mamíferos.
La ruta para la reducción del grupo β-carboxilo del ácido aspártico a aldehído,
que se efectúa vía un acilfosfato (producto intermediario), se parece a la
reducción del 3-fosfoglicerato a gliceraldehido-3-fosfato, catalizada por la
glicerilaldehido-3-fosfato deshidrogenasa y a la reducción recientemente
mencionada, del glutamato a semialdehido glutámico. En este caso el aldehido
del semialdehido aspártico termina siendo reducido a alcohol para sintetizar
homoserina. En la ruta de biosíntesis de treonina, la homoserina, formada en
las dos etapas reductoras es fosforilada a homoserina-fosfato, por medio de
una reacción que requiere ATP. Después, la homoserina fosfato se convierte
en treonina por la acción de la treonina-sintasa, que es un enzima que emplea
el fosfato de piridoxal como cofactor. Esta compleja reacción, que se produce
en varias etapas, tiene efecto según parece con el grupo α-amino del sustrato
enlazado, como una base de Schiff, al grupo aldehído del fosfato de piridoxal
del enzima. El producto final de la secuencia, la treonina, es un inhibidor de una
de las tres formas de la aspartato-quinasa.
HO
C
Quinasa
O
O
H C
CH2 C
NH2
Deshidrogenasa
OH
P O
C
Aspartato
NADPH + H+
O
O
ATP ADP
H C
CH2 C
NH2
NADP+
OH
H
O
C
O
OH
H C
CH2 C
NH2
Pi
NADPH + H+
Deshidrogenasa
NADP+
O
OH
O
C
H2
C
O
OH
C
H2
C
CoA-SH
C
H C
H H CH2 C
NH2
Succinil-CoA
O
Homoserina
O
Succinil transferasa
OH
C
H C
H H CH2 C
ATP
Quinasa
ADP
NH2
Cisteína
OH
C
H C
H H CH2 C
Succinato
NH2
OH
H C
C
O
H2 C
NH2
O
S
OH
C
H C
H H CH2 C
H2O
Fosfatasa
Pi
H
H+
Homocisteína
H2N
O
Treonina
Cistationina-γ-liasa
HO
OH
OH
C
H C
H H C C
H
NH2
NH2
O
OH
C
H C
+
H H CH2 C
NH2
O
P O
Cisteína-γ-liasa
SH
OH
O
C
H
C
H+
HO
H2N
O
C
C
+
CH2
CH2
Serincarbonio
H2O
NH 3
CH3-THF
HO
Metil transferasa
Tetrahidrofolato
HO
O
C
C
CH2
CH3
O
S
OH
C
H C
H H CH2 C
NH2
Metionina
HO
O
O
C
C
CH3
Piruvato
Una ruta alternativa que conduce a la treonina la proporciona la serinahidroximetil-transferasa, enzima dependiente del fosfato de piridoxal, que
puede catalizar la reacción: Acetaldehido + glicina à L-treonina
La conversión de la homoserina en metionina se inicia con la síntesis de
O-succinil-homoserina, por transferencia del grupo succinilo del succinil-CoA a
la homoserina. En la reacción siguiente la cisteina aporta el azufre y desplaza
al succinato de la O-succinil-homoserina, produciendo cistationina. La
cistationina, a su vez, se escinde hidrolíticamente rindiendo homocisteina, y
serina (o ácido pirúvico y NH3 en algunos organismos), por la acción de la
cistationina-γ-liasa. La cistationina puede también experimentar una escisión al
otro lado del átomo de azufre para producir cisteína por la acción de la
cistationina-γ-liasa. Por ello, la cistationina puede servir de intermediario tanto
en la cesión del átoo de azufre de la cisteína a la metionina (en las plantas y
bacterias), como en la transformación inversa desde la metionina a la cisteína
(en los mamíferos).
La metilación de la homocisteína a metionina en E. coli tiene efecto por
transferencia del grupo metilo del N5-metil-tetrahidrofolato. Esta es una de las
pocas reacciones en las que un derivado del tetrahidrofolato cede un grupo
metilo. En determinadas circunstancias especiales, la metilcobalamina, que es
una forma de vitamina B12 (ver próxima sección) en la que el carbono metílico
se halla directamente unido al cobalto, es indispensable como intermediario en
la transferencia del grupo metilo. Otros dadores de grupos metilo en diferentes
organismos, para la biosíntesis de la metionina son la betaina y la dimetiltetina
CH3
+
H3C N CH3
CH2
C
O
OH
Betaina
H3C
O
O
C
OH
H2 N C H
H3C
+
CH3
S
CH2
C
O
OH
Dimetil-tetina
C
OH
H2 N C H
dimetilglicina
CH2
CH2
CH2
CH2
S
SH
CH3
homocisteína
CH3
N
CH2
C
O
OH
metionina
CH3
S
CH2
C
O
OH
S-metil-tioglicolato
Al igual que la S-adenosilmetionina estos compuestos poseen un grupo
metilo unido a un heteroátomo cargado positivamente (amonio o sulfonio) lo
que los convierte en excelentes grupos dadores ya que la eliminación del metilo
produce siempre un compuesto más estable.
Bi osíntesi s de aminoácidos r ami ficados. La Valina, isoleucina
y leucina, tres aminoácidos que poseen grupos ramificados alifáticos R, son
sintetizados directamente desde el α-cetoácido correspondiente mediante
reacciones de transaminación a partir de glutamato. Los tres α-cetoácidos se
sintetizan por rutas similares.
Síntesis de valilna e isoleucina. Las rutas que conducen a la valina y a la
isoleucina, son catalizadas por el mismo conjunto de enzimas. Estas rutas, se
inician con los α-oxoácidos piruvato y α-oxobutirato, respectivamente, a los
cuales se incorpora un grupo acetaldehído activo que se deriva del piruvato.
Este grupo corresponde al resto de la molécula del piruvato que queda unida a
la coenzima tiamina pirofosfato después de su descarboxilación. Los productos
que se forman son los correspondientes α-ceto-α-hidroxiácidos. Estas
sustancias experimentan una transformación doble que implica una reducción
seguida por la migración de un grupo metilo o etilo entre dos carbonos
adyacentes, que se intercambia por el hidrógeno unido al carbono que fue
reducido. Esta enzima, denominada isomeroreductasa) posee un mecanismo
Treonina desaminasa
O
OH
C H O NH3
2
H2N CH
HC OH
O
C
O
OH
HO CH
HC OH
CH3
CH3
H2 O
C
O
OH
C OH
C O
CH
CH2
C
+
C O H
CH3
C
S
Oxobutirato
N
C O
+
Sintasa
C C OH
S
TPP
CH3
OH O
Piruvato
O
C
OH
N
CH3
NADP+
OH O
H3 C C C C
H2
OH
HC OH
CH3
B12
OH O
HC C
OH
H3C CH2 C OH
CH3
+
C
S
Piruvato
NADPH + H +
OH O
H3 C C C
C O
OH O
H3 C C C C
H2
OH
C O
CH3
OH O
H3 C C C C
H2
OH
C O
CH3
CO 2
OH
CH3
N
CH3
CH3
Treonina
O
C
OH O
H3 C C C C
H2
OH
OH
H2 O
O
OH
H3 C C C
C O H
CH3
C O
CH3
O
O glutamato
C C
H3C CH2 CH
CH3
OH
OH
C
OH
α-cetoglutarato H2N CH
H3C CH2 CH
CH3
Isoleucina
Isómero-reductasa
NADPH + H +
NADP+
OH O
H3 C C C
OH
C O
CH3
OH O
H3 C C C
OH
HC OH
CH3
Deshidratasa
B12
OH O
HC C
OH
CH3 C OH
CH3
Transaminasa
O
H2O
O
O
C C
CH3 CH
CH3
OH
C
glutamato
α-cetoglutarato H N CH
2
OH
CH3 CH
CH3
Valina
complejo, en el que intervienen radicales libres, que está íntimamente asociado
a las transformaciones producidas sobre el cofactor que tiene fuertemente
unido, la adenosilcobalamina o vitamina B12. Después, los productos se
deshidratan y rinden los análogos α-oxo de la isoleucina y de la valina, que son
finalmente aminados por transaminasas.
La vitamina B12 esta formada por un anillo tetrapirrólico que coordina un
átomo de Co+2, uno de los dos restantes enlaces de coordinación está ocupado
por un resto de un aminoácido de la proteína, mientras que el restante enlace
de coordinación tiene un sustituyente que caracteriza a una determinada
actividad enzimática. En el caso de las metil-transferasas que usan B12, el
sustituyente es un metilo (un carbono con un estado de oxidación análogo al
del metanol) mientras que en las mutasas (como la isómero-reductasa) el
sustituyente es un adenosilo, unido a la enzima por el átomo de carbono 5’ de
la ribosa que perdió el oxhidrilo.
El mecanismo de reacción de las enzimas mutasas que utilizan a la
vitamina B 12 como cofactor está esquematizado en la figura siguiente:
O
CH2
Adenina
C C
OH
N
N
HO
2+
Co
N
X
H
Sustrato
N
Proteina
1
C
C
X
C
H
O
H
H2C
C
N
X
OH
OH
N
+
Co
5
Producto
Adenina
N
N
Proteina
2
C C
H
X
O
Adenina
H 2C
N
OH
+
Co
O
H C
H2
OH
N
N
C C
.
X
N
N
OH
OH
N
Co
N
Proteina
Adenina
+
N
Proteina
4
C
.
C
X
H
N
C
H2
O
Adenina
3
OH
OH
N
+
Co
N
N
Proteina
El sustrato de la mutasa, posee una fórmula general representada por,
C
C
H
X
donde X corresponde una variedad de grupos que pueden ser transferidos
entre dos carbonos adyascentes. Para diferentes mutasas, X puede ser alguno
de los siguientes grupos: OH, metilo, etilo, -SCoA, etc.
1. la unión del sustrato de la mutasa provoca un cambio conformacional en la
proteína que favorece la ruptura simétrica del enlace entre el adenosilo y el
cobalto. Cada uno de los átomos participantes en la unión gana un electrón,
generando un radical libre en el carbono 5’ del adenosilo y un Co+1.
2. El radical libre del adenosilo es neutralizado captando un H (marcado en rojo
en la figura; corresponde a un H+ con su electrón), del sustrato. Esto genera un
metil-adenosilo y un radical libre sobre uno de los carbonos del sustrato.
3. El grupo X del sustrato, unido al carbono adyascente al que posee el radical
libre, se reordena, generando un radical libre sobre la posición a la que se
encontraba originalmente unido.
4. El sustrato reordenado capta el H del metil-adenosilo, regenerando el radical
libre en el carbono 5’ del adenosilo, y sintetizando el producto de la reacción.
5. La liberación del producto reordenado del sitio activo, genera las condiciones
para la formación del enlace entre el radical libre en el carbono 5’ del adenosilo
y el átomo de Co+1. Esta última reacción, permite obtener la coenzima en su
estado original.
Síntesis de leucina. La formación de leucina comienza con la
condensación del ácido α-oxoisovalérico, o simplemente isovalerato, que es el
precursor directo de la valina con el acetil-CoA, para producir el αisopropilmalato. Esta reacción es completamente análoga a la condensación
del oxalacetato con el acetil-CoA en la primera de las reacciones del ciclo de
Krebs. Además, las etapas subsiguientes que convierten al isopropilmalato en
el α-oxoácido precursor de la leucina, son también similares a las que
transcurren desde el ácido cítrico al ácido α-oxoglutárico en el ciclo de los
ácidos tricarboxílicos. En la figura siguiente se muestra la ruta mencionada,
incluyendo las estructuras análogas de los compuestos del ciclo de Krebs entre
paréntesis. Es importante notar que la diferencia entre el oxalacetato y el αcetoglutarato en el ciclo de Krebs es la misma (un metileno más adyacente al
carbono α) que existe entre el isovalerato y el isopropil-piruvato en esta ruta.
En las bacterias, la biosíntesis de la valina, de la isoleucina y de la
leucina, está sometida a retroinhibición de su primera etapa, por parte de los
productos finales.
O
OH
C
CH2
O
HO C C
OH
CH3 CH
HS-CoA
CH3
C S-CoA
O
H3C
C C
Isovalerato
OH
CH3 CH
CH3
O
O
O
C
O
C
C H2
O
O
H2O
OH
C
CH
O
C C
OH
CH3 CH
CH3
OH
H2O
C
OH
C H2
COO H
HO
C
O
C
C H2
OH
C OOH
O
C
OH
O
OH
C
HO
O
C
OH
α-cetoglutarato
H2 N CH
CH2
CH3 CH
O
C
CO2
O C
Glutamato
CH2
CH3 CH
CH 3
CH 3
Leucina
Isopropil-piruvato
O
OH
C
O
O
OH
C
C H2
C H2
C OOH
O
C
OH
C
O
HC C
CH 3 CH OH
CH3
CH O
HC C
CH CH OH
3
CH3
NAD+
NADH + H+
HO
CH
HC
C H2
O
C
OH
COO H