Bioquimica (2ed)

Triacilglicerol Figura 17-23. Resumen del CTP metabolismo de los lípidos. Sólo se incluyen las principales vías cubiertas en Diacilglicerol, fosfatidato Glicerofosfolípido este capítulo. Los símbolos con contorno dorado indican consumo de ATP Ácido graso Eicosanoides ATP; los símbolos coloreados por completo en dorado indican producción Acil-CoA Acil-ACP de ATP. Los símbolos con contorno y QH2 coloreados por completo en rosa NADPH representan consumo y producción –en Enoil-CoA Enoil-ACP ese orden– de cofactores reducidos (NADH, NADPH y QH2). Las 3-Hidroxiacil-CoA Síntesis de porciones sombreadas del diagrama NADH 3-Hidroxiacil-ACP ácidos grasos indican reacciones que ocurren en las 3-Cetoacil-CoA mitocondrias. NADPH 3-Cetoacil-ACP Malonil-CoA HMG-CoA Acetil-CoA ATP Cetogénesis Ciclo del HMG-CoA ácido cítrico, NADPH Cuerpos cetónicos fosforilación Mevalonato oxidativa ATP ATP Isoprenoides NADPH Colesterol RESUMEN 17-2. Síntesis de ácidos grasos 17-1. Oxidación de ácidos grasos • Los ácidos grasos se sintetizan en una vía que se asemeja a • Las lipoproteínas transportan lípidos (incluido colesterol) la inversa de la oxidación β. En el primer paso de la síntesis de ácidos grasos, la acetil-CoA carboxilasa cataliza una re- en el torrente sanguíneo. Los valores elevados de LDL se acción dependiente de ATP que transforma acetil-CoA en asocian con el desarrollo de aterosclerosis. malonil-CoA, el cual se convierte en el donador de grupos • Los ácidos grasos liberados de triacilgliceroles por la acción de dos carbonos. de lipasas son activados por su unión a CoA en una reac- ción dependiente de ATP. • La ácido graso sintasa de los mamíferos es una enzima mul- • En el proceso de la oxidación β, una serie de cuatro reaccio- tifuncional en la cual la cadena grasoacilo en crecimiento se nes enzimáticas degrada un acil-CoA dos carbonos a la vez, une a una proteína portadora de acilo en vez de hacerlo a con lo que produce un QH2, un NADH y un acetil-CoA, CoA. Elongasas y desnaturasas pueden modificar los ácidos que pueden oxidarse más en el ciclo del ácido cítrico. La grasos recién sintetizados. reoxidación de los cofactores reducidos genera considerable ATP. • El hígado puede convertir acetil-CoA en cuerpos cetónicos • La oxidación de ácidos grasos insaturados y de cadena impar para su uso como combustibles metabólicos en otros tejidos. requiere de enzimas adicionales. Los ácidos grasos de ca- dena muy larga o ramificada se oxidan en los peroxisomas. Resumen | 461

17-3. Síntesis de otros lípidos • El colesterol se sintetiza a partir de acetil-CoA. El paso de- terminante de la velocidad en esta vía es el blanco de fár- • Los triacilgliceroles se sintetizan por la unión de tres grupos macos conocidos como estatinas. El exceso de colesterol grasoacilo a un esqueleto de glicerol. Los intermediarios de circula por medio de HDL. la vía de los triacilgliceroles son los materiales de partida para la síntesis de fosfolípidos. GLOSARIO Cetogénesis Lipoproteína Cuerpos cetónicos Oxidación β Ácido graso esencial Enzima multifuncional Peroxisoma Ácidos biliares Aterosclerosis PROBLEMAS CH2 CH2 COOϪ 17-1. Oxidación de ácidos grasos Fenilpropionato 1. La reacción global para la activación de un ácido graso a acil- CH2 CH2 CH2 COOϪ CoA, con hidrólisis concomitante de ATP a AMP, tiene cambio de energía libre cercano a cero. La reacción es favorable debido a la ul- Fenilbutirato terior hidrólisis de pirofosfato a ortofosfato (la reacción tiene ΔG°´ = -33.5 kJ • mol–1). Escriba la ecuación para la reacción acoplada y 10. La deficiencia de enzimas que degradan fitanato en los pe- calcule (a) ΔG°´ y (b) la constante de equilibrio para la reacción. roxisomas da por resultado la enfermedad de Refsum, un trastorno neuronal causado por la acumulación de fitanato. Los pacientes 2. La activación de ácidos grasos catalizada por la acil-CoA con el trastorno no pueden convertir fitanato en pristanato debido sintetasa comienza con el ataque nucleofílico por el oxígeno car- a que carecen de las enzimas implicadas en esta reacción de oxida- boxilato (con carga negativa) del ácido graso contra el fosfato α ción α. El pristanato ingresa normalmente en la vía de oxidación β (el fosfato más interno) del ATP. Se forma un anhídrido mixto peroxisómica. aciladenilato. Escriba el mecanismo de reacción. Enseguida se ilustra la oxidación α del fitanato a pristanato. 3. Una deficiencia de carnitina ocasiona calambres musculares, Muestre el modo en que el pristanato experimenta la oxidación que se exacerban con ayuno o ejercicio. Dé una explicación bioquí- β, y enumere los productos de la oxidación del pristanato. mica para los calambres, y explique por qué éstos aumentan durante el ayuno y el ejercicio. COOϪ ␤␣ 4. La biopsia de músculo y los ensayos enzimáticos de un indivi- duo con deficiencia de carnitina muestran que los ácidos grasos de Fitanato cadena intermedia (C8 a C10) pueden ser metabólicamente norma- les, a pesar de la deficiencia de carnitina. ¿Qué le indica esto sobre la Oxidación ␣ CO2 función de la carnitina en el transporte de ácidos grasos a través de la membrana mitocondrial interna? ␤ ␣ COOϪ 5. Algunos individuos sufren deficiencia de acil-CoA deshidroge- Pristanato nasa de cadena intermedia (MCAD, por sus siglas en inglés). ¿Cuáles intermediarios se acumulan en estos individuos? 11. ¿Cuántas moléculas de ATP se generan cuando se oxidan por completo (a) palmitato y (b) estearato en la vía de la oxidación β en 6. ¿Cómo debe tratarse a un paciente con deficiencia de acil-CoA las mitocondrias? deshidrogenasa de cadena intermedia? 12. ¿Cuántas moléculas de ATP se generan cuando se oxidan por 7. Las tres primeras reacciones de la vía de la oxidación β son si- completo (a) oleato y (b) linoleato en la vía de la oxidación β? milares a tres reacciones del ciclo del ácido cítrico. ¿De qué reaccio- nes se trata, y por qué son similares? 13. ¿Cuántas moléculas de ATP se generan cuando un ácido graso de 17 carbonos completamente saturado se somete a la vía de la 8. Durante la oxidación β, los grupos metileno (–CH2–) de oxidación β? un ácido graso se oxidan a grupos carbonilo (C O), aunque las reacciones de la oxidación β no consumen oxígeno. ¿Cómo es esto posible? 9. La vía de la oxidación β fue dilucidada en parte por Franz Kno- op en 1904. Él alimentó perros con derivados fenílicos de ácidos grasos y luego analizó la orina en busca de los metabolitos resultan- tes. ¿Cuáles metabolitos se produjeron cuando los perros se alimen- taron con (a) fenilpropionato y (b) fenilbutirato? 462 | CAPÍTULO 17 Metabolismo de los lípidos

14. ¿Cuántas moléculas de ATP se generan si la oxidación de un 26. Las células cancerosas tienen mayor actividad de lo normal de ácido graso C24 completamente saturado comienza en el peroxisoma la síntesis de ácidos grasos, lo que se ha atribuido a una mayor expre- y se completa en la mitocondria cuando quedan 12 carbonos? sión de la ácido graso sintasa. El crecimiento tumoral requiere la síntesis rápida de ácidos grasos. Esta observación ha llevado a los 15. Tanto la oxidación de ácidos grasos como la oxidación de cancerólogos a investigar el uso de inhibidores de la síntesis de áci- glucosa por glucólisis conducen a la formación de grandes cantida- dos grasos como agentes antitumorales. des de ATP. Explique por qué un preparado celular que contiene todas las enzimas necesarias para ambas vías no genera ATP cuando a) Se sintetizó una serie de inhibidores potenciales de la ácido se agrega un ácido graso o glucosa, a menos que también se agregue graso sintasa. Todos los inhibidores tuvieron la estructura mos- una pequeña cantidad de ATP. trada en la figura; sólo la cadena alquilo (R) varió en longitud. ¿Por qué fueron estos compuestos eficaces como inhibidores de 16. La oxidación completa a CO2 de glucosa y palmitato genera la ácido graso sintasa? considerable energía libre: ΔG°´ = -2 850 kJ • mol–1 para la glucosa, y ΔG°´ = -9 781 kJ • mol–1 para el palmitato. Para cada molécula de O combustible, compare el rendimiento de ATP por átomo de carbo- no (a) en teoría y (b) in vivo. (c) ¿Qué le indican esos resultados HOOC O acerca de la eficiencia relativa de la oxidación de carbohidratos y ácidos grasos? O R 17-2. Síntesis de ácidos grasos b) Cada compuesto se probó en cuanto a su capacidad de inhibir 17. Compare la degradación y síntesis de ácidos grasos comple- tando el cuadro siguiente. la actividad de ácido graso sintasa tanto en células normales Degradación Síntesis de como en células de cáncer de mama. Se determinaron valores de ácidos grasos ácidos grasos de ID50 (la concentración de inhibidor necesaria para inhibir Ubicación en la célula la proliferación celular en 50%). Los resultados se muestran en Portador de grupos acilo Portador(es) de electrones el cuadro. ¿Cuáles inhibidores son más eficaces? ¿Cuáles son las Necesidad de ATP Unidad producida/donador características de los inhibidores eficaces? (Sugerencia: calcule la de unidades Configuración del relación de valores de ID50 para células normales y cancerosas.) intermediario hidroxiacilo Un inhibidor eficaz también debe ser soluble en solución acuosa, Extremo de la cadena grasoacilo en que así que considere la solubilidad como un factor adicional en su ocurre el acortamiento/crecimiento respuesta. 18. Los ratones deficientes en acetil-CoA carboxilasa son más del- gados de lo normal y exhiben oxidación continua de ácidos grasos. Cadena ID50 de ID50 de Explique estas observaciones. Compuesto lateral células de cáncer células normales 19. Escriba el mecanismo para la carboxilación de acetil-CoA a malonil-CoA catalizada por acetil-CoA carboxilasa. alquilo (R) mamario (μg/mL) (μg/mL) 20. Durante la síntesis de ácidos grasos, ¿por qué la condensa- A OC13H27 3.9 10.6 ción de un grupo acetilo y un grupo malonilo es energéticamente B OC11H23 4.8 29.0 favorable, mientras que la condensación de dos grupos acetilo sería C OC9H19 5.2 12.8 desfavorable? D —C8H17 5.0 21.6 E —C7H15 4.8 21.7 21. ¿Qué tienen en común acetil-CoA carboxilasa, carboxilasa pi- F —C6H13 8.4 12.4 rúvica y propionil-CoA carboxilasa? c) Se probó la capacidad del inhibidor D de inhibir la síntesis 22. La actividad de la acetil-CoA carboxilasa es regulada median- de triacilglicerol en células de leucemia. Las células se incubaron te fosforilación y desfosforilación controladas por hormona. Con con acetato marcado con 14C, y se midió la cantidad de radiac- base en lo que sabe acerca de la señalización por adrenalina (véase tividad en diversos tipos de lípidos celulares. ¿Cómo interpreta sección 10-2), describa el efecto de la adrenalina sobre la acetil-CoA usted los resultados mostrados en la gráfica? carboxilasa y el metabolismo de los ácidos grasos. ¿Es esto consisten- te con el efecto de la adrenalina en el metabolismo del glucógeno? Emisiones de fosforescencia 10 000 000 Acilglicérido total 7 500 000 Fosfolípido 23. ¿Cuál es el costo de sintetizar palmitato a partir de acetil- Triglicérido CoA? Ácido graso 24. ¿En cuáles átomos de carbono del palmitato aparece el 14CO2 5 000 000 empleado para sintetizar malonil-CoA a partir de acetil-CoA? 2 500 000 25. ¿Por qué el triclosán inhibe la ácido graso sintasa bacteriana pero no la ácido graso sintasa de mamífero? 0 25 10 0 Inhibidor D (μg/mL) 27. Trace las estructuras de los ácidos grasos que se enumeran. ¿Cuáles son esenciales para el humano? a) Ácido oleico (18:1n-9). b) Ácido linoleico (18:2n-6). Problemas | 463

c) Ácido α-linolénico (18:3n-3). Palmitoil-CoA + Serina d) Ácido palmitoleico (16:1n-6). Serina palmitoiltransferasa 28. ¿Por qué el ácido docosahexaenoico (DHA, 22:6n-3), un áci- do graso común en los pescados, se agrega a la leche de fórmula para 3-Cetoesfinganina bebés? 3-Cetoesfinganina reductasa 29. Compare la secuencia de reacciones de carboxilación/descar- boxilación de la gluconeogénesis (véase figura 13-10) y la síntesis de Esfinganina ácidos grasos. Discuta la fuente de energía libre para estos pasos en cada vía. Ceramida sintasa 30. ¿Aumenta o disminuye la actividad de ácido graso sintasa en Dihidroceramida las siguientes condiciones? Explique. Desaturasa a) Dieta rica en carbohidratos (ácido graso sintasa hepática). b) Dieta rica en grasa (ácido graso sintasa hepática). Ceramida c) Mitad a finales del embarazo (ácido graso sintasa de glándula mamaria). a) Deduzca cuál enzima de la vía de señalización es inhibida por la fumonisina con base en los siguientes indicios: 1) la adición 31. Las células cardiacas aisladas experimentan contracción inclu- de fumonisina B1 a hepatocitos de rata inhibió casi por completo so en ausencia de glucosa y ácidos grasos si se les suministra ace- la síntesis de ceramida. La síntesis de otros fosfolípidos no fue toacetato. afectada. 2) La adición de fumonisina B1 a las células cultivadas no cambió en grado significativo la velocidad de formación de a) ¿De qué manera este compuesto actúa como combustible 3-cetoesfinganina. 3) No ocurrió acumulación de 3-cetoesfin- metabólico? ganina. 4) Cuando se agregó serina radiomarcada al medio de b) Incluso con acetoacetato abundante, la velocidad de flujo por cultivo con fumonisina B1, ocurrió un incremento en la cantidad el ciclo del ácido cítrico decae de manera gradual hasta cero a de marca en la esfinganina respecto a los testigos. menos que se agregue piruvato a las células. Explique. b) ¿De qué manera la fumonisina inhibe la enzima blanco iden- tificada en la parte (a)? 32. Cuando no se dispone de glucosa, el hígado comienza a de- gradar ácidos grasos para suministrar combustible metabólico al res- 36. ¿Cuántos enlaces fosfoanhídrido deben escindirse para sinte- to del organismo. Explique por qué el acetil-CoA derivado de ácidos tizar fosfatidilcolina a partir de colina y diacilglicerol? grasos no se cataboliza en el ciclo del ácido cítrico sino que se desvía a la cetogénesis cuando no se dispone de glucosa. 37. El colesterol es poco soluble en solución acuosa, y sin embar- go las células deben ser capaces de percibir la concentración de co- 33. Discuta los costos energéticos de convertir dos acetil-CoA en lesterol a fin de regular su captación y biosíntesis, en parte modifi- el cuerpo cétónico 3-hidroxibutirato en el hígado y luego convertir el cando la expresión de genes que codifican HMG-CoA reductasa y el 3-hidroxibutirato de vuelta en dos acetil-CoA en el músculo. receptor de LDL. Los sensores celulares de colesterol son proteínas llamadas proteínas de unión a elemento regulador de esterol (SRE- 34. Se ha dicho que “las grasas se queman en la flama de los car- BP, por sus siglas en inglés). En ausencia de colesterol, una SREBP bohidratos”. Dé una explicación bioquímica de este enunciado. que reside en el retículo endoplásmico se escinde de manera proteo- lítica para liberar un dominio N terminal soluble que incluye un 17-3. Síntesis de otros lípidos motivo estructural presente en muchas proteínas de unión a DNA. 35. Las fumonisinas son micotoxinas aisladas de hongos que son a) ¿Por qué es importante que la SREBP sea una proteína inte- comunes en el maíz y otros granos. Son tóxicas y carcinógenas, y gral de membrana? pueden causar enfermedad en animales que se alimentan de grano b) ¿Por qué se requiere la proteólisis de la SREBP? contaminado por hongos. Se muestra la estructura de la fumonisina c) ¿Cómo podría la SREBP regular la transcripción de enzimas B1. Nótese la semejanza estructural con la esfingosina. relacionadas con el metabolismo del colesterol? OR OH OH 38. Antes de la menopausia, es común que las mujeres tengan CH3 valores de HDL más altos que los varones. CH3 OR CH3 OH NH3ϩ a) ¿Por qué llevaría esto a reducir el riesgo de cardiopatía en esas Fumonisina B1 mujeres? b) ¿Por qué la concentración de HDL por sí sola no es un buen O COOϪ indicador del riesgo de desarrollar cardiopatía? Rϭ C 39. Los individuos con una mutación del gen que codifica apoli- COOϪ poproteína B-100 producen valores muy bajos de esta proteína, que es un componente de la LDL. Las fumonisinas inhiben una de las enzimas de la vía de síntesis de ceramida, que se delinea enseguida. La ceramida es una a) Explique por qué estos individuos exhiben acumulación de importante molécula de señalización celular, y su regulación es grasa en el hígado. crítica para la supervivencia de la célula. b) ¿Por qué tales individuos presentan hipercolesterolemia o hipocolesterolemia? 40. Las personas incapaces de producir quilomicrones presentan síntomas que concuerdan con deficiencia de vitamina A. Explique. 464 | CAPÍTULO 17 Metabolismo de los lípidos

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Barlett K, Eaton S: Mitochondrial b-oxidation, Eur. J. Bio- Steinberg D: Atherogenesis in perspective: hypercholestero- chem. 2004;271:462-469. [Analiza las reacciones y enzimas de la lemia and inflammation as partners in crime, Nature Medicine oxidación b mitocondrial así como su regulación.] 2002;8: 1211-1216. [Resume las hipótesis actuales que vinculan concentraciones de colesterol con desarrollo de aterosclerosis.] Maier T, Leibundgut M, Ban N: The crystal structure of a mammalian fatty acid sinthase, Science 2008;321:1315-1322. [Presenta la estructura de todos los dominios (excepto dos) de la proteína multifuncional.] Bibliografía recomendada | 465

METABOLISMO capítulo NITROGENADO 18 Es bien sabido que la termita debe su modo de vida xilófago a microorganismos intestinales que producen la enzima que digiere la celulosa y lignina de su dieta exclusivamente a base de madera. Sin embargo, la madera es baja en nitrógeno, por lo que la termita también depende de una bacteria para que fije por ella nitrógeno atmosférico. Esta bacteria pasa toda su vida dentro de un protista que digiere madera dentro del intestino de la termita, e incorpora nitrógeno en aminoácidos que son utilizados por su hospedero y por el hospedero de su hospedero, la termita. ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO EEste capítulo es el último que cubre las vías metabólicas en detalle. En los capítulos previos se examinó el metabolismo de carbohidratos y lípidos –compuestos que contienen principalmente carbono, hidrógeno y oxígeno. Ahora se examinará el metabolismo de aminoácidos y nucleótidos –compuestos que además contienen nitrógeno. En vez de simplemente analizar el modo en que estos compuestos se sin- tetizan y degradan, se prestará atención al metabolismo del nitrógeno (o metabo- lismo nitrogenado): el modo en que éste se fija, llega a aminoácidos y nucleótidos, y se elimina. Durante el transcurso se examinarán algunos aspectos de interés de la química del metabolismo de aminoácidos y nucleótidos. ■ 466 |

18-1. Fijación y asimilación del nitrógeno Alrededor de 80% del aire que el humano respira es nitrógeno (N2), pero no puede usar CONCEPTOS CLAVE esta forma de nitrógeno para la síntesis de aminoácidos, nucleótidos u otras moléculas • La fijación de nitrógeno por la nitrogenadas. En cambio, la mayoría de los organismos macroscópicos y muchos de los microscópicos dependen de la actividad de unos cuantos tipos de microorganismos capa- actividad de la nitrogenasa es ces de “fijar” N2 gaseoso transformándolo en formas de utilidad biológica. Se piensa que parte del ciclo del nitrógeno. la disponibilidad de nitrógeno fijo –como nitrito, nitrato y amoniaco– limita la producti- • Otras enzimas incorporan grupos vidad biológica en gran parte de los océanos del mundo. También limita el desarrollo de amino en glutamina y glutamato. los organismos terrestres, motivo por el cual los agricultores utilizan fertilizantes (una • Las transaminasas transfieren fuente de nitrógeno fijo, entre otras cosas) para promover el crecimiento de los cultivos. grupos amino para interconvertir aminoácidos y α-cetoácidos. La nitrogenasa convierte N2 en NH3 Entre los organismos fijadores de nitrógeno o diazótropos conocidos se encuen- tran algunas cianobacterias marinas y bacterias que colonizan los nódulos radicales de plantas leguminosas (figura 18-1). Estas bacterias producen la enzima nitroge- nasa, que realiza la reducción energéticamente costosa de N2 a NH3. La nitrogenasa es una metaloproteína que contiene centros hierro-azufre y un cofactor con hierro y molibdeno, que semeja un grupo Fe-S elaborado (figura 18-2). La fijación industrial de nitrógeno también implica catálisis metálica, pero este proceso no biológico re- quiere temperaturas de 300 a 500 °C y presiones de más de 300 atm para romper el triple enlace entre los dos átomos de nitrógeno. La reducción biológica de N2 consume grandes cantidades de ATP y requiere un agente reductor fuerte como ferredoxina (véase sección 16-2) que done electrones. La reacción neta es: N2 ϩ 8 Hϩ ϩ 8 eϪ ϩ 16 ATP ϩ 16 H2O 2 NH3 ϩ H2 ϩ 16 ADP ϩ 16 Pi Nótese que se necesitan ocho electrones para la reacción de la nitrogenasa, aun- que la reducción de N2 formalmente requiere sólo seis electrones; los dos electrones extra se usan para producir H2. In vivo, la ineficiencia de la reacción eleva la cuota de ATP alrededor de 20 o 30 por N2 reducido. El oxígeno desactiva la nitrogenasa, de modo que muchas bacterias fijadoras de nitrógeno se limitan a hábitats anaeróbi- cos o realizan la fijación de nitrógeno cuando el O2 es escaso. El nitrógeno de utilidad biológica también se origina de nitrato (NO3–), que de manera natural se encuentra en agua y suelos. El NO3– es reducido a NH3 por plan- tas, hongos y muchas bacterias. Primero, la nitrato reductasa cataliza la reducción de dos electrones del nitrato a nitrito (NO2–): NO3Ϫ ϩ 2 Hϩ ϩ 2 eϪ NO Ϫ ϩ H2O 2 Después, la nitrito reductasa convierte el nitrito en amoniaco: NO2Ϫ ϩ 8 Hϩ ϩ 6 eϪ NH ϩ ϩ 2 H2O 4 En condiciones fisiológicas, el amoniaco existe principalmente en la forma protona- da, NH4+ (el ion amonio), que tiene pK de 9.25. El Na NOO3–3ta–,mubniépnroecsepsoroldlaumciaddoopnoirtrdifietcearcmióinna.dOastrboascotergriaansiqsmueoosxciodnavnieNrtHen4+elaNNOO32––dye Figura 18-1. Nódulos radicales del luego trébol. Las leguminosas (como vuelta a N2, lo que se denomina desnitrificación. Todas las reacciones que se han consi- soya, trébol y alfalfa) y algunas otras derado hasta aquí constituyen el ciclo del nitrógeno terrestre (figura 18-3). plantas alojan bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos radicales. La El amoniaco es asimilado por glutamina sintetasa y relación simbiótica gira alrededor de la glutamato sintasa capacidad de las bacterias de fijar nitrógeno y la capacidad de la planta de La enzima glutamina sintetasa se encuentra en todos los organismos. En microorga- hacer disponibles para las bacterias otros nismos, es un punto de entrada metabólico para nitrógeno fijo. En animales, ayuda nutrimentos. (Dr. Jeremy Burgess/Science Photo Library/Photo Researchers.) 18-1. Fijación y asimilación del nitrógeno | 467

N2 Desnitrificación Fijación Nitrogenasa NOϪ3 de Nitrato nitrógeno Nitrato reductasa Figura 18-2. Modelo del cofactor Nitrito NOϪ2 FeMo de la nitrogenasa. Este grupo reductasa prostético en la enzima nitrogenasa Nitrito consiste en átomos de hierro NHϩ4 (anaranjado), átomos de azufre (dorado) Nitrificación y un átomo de molibdeno (verde). La cavidad central puede incluir un átomo Figura 18-3. Ciclo del nitrógeno. La fijación del cnoitnrvóegretnidooceonnvNieHrt4e+.NE2l en NH4+, de nitrógeno coordinado con los seis de utilidad biológica. El nitrato también puede ser amoniaco átomos de hierro. No se comprende el modo en que N2 interactúa con el es transformado de vuelta a N2 por la nitrificación seguida de desnitrificación. cofactor FeMo. (Estructura del cofactor FeMo a eliminar el exceso de amoniaco, que es tóxico. En el primer paso de la reacción, en la nitrogenasa [pdb 1QGU] determinada por ATP dona un grupo fosforilo al glutamato. Después el amoniaco reacciona con el intermediario de reacción, desplazando Pi para producir glutamina. S.M. Mayer, M. Lawson, C.A. Gormal, S.M. Roe y B.E. Smith.) COOϪ O ATP ADP COOϪ O NHϩ4 Pi COOϪ O H C CH2 CH2 C H C CH2 CH2 C H C CH2 CH2 C ϩNH3 OϪ NH2 ϩNH3 OPO32Ϫ ϩNH3 Glutamato Glutamina El nombre sintetasa indica que se consume ATP en la reacción. La glutamina, junto con el glutamato, suele estar presente en los organismos en con- centraciones mucho mayores que los otros aminoácidos, lo cual concuerda con su función como portador de grupos amino. No debe causar sorpresa el que la actividad de la gluta- mina sintetasa es regulada de manera estrecha para mantener un suministro de grupos amino accesibles. Por ejemplo, la glutamina sintetasa dodecamérica de E. coli es regulada de manera alostérica y por modificación covalente (figura 18-4). La reacción de la glutamina sintetasa que introduce nitrógeno fijo (amoniaco) en compuestos biológicos requiere como sustrato un compuesto nitrogenado (glutama- to). Entonces, ¿cuál es la fuente de nitrógeno en el glutamato? En bacterias y plantas, la enzima glutamato sintasa cataliza la reacción COOϪ ϩ COOϪ NADPH ϩ COOϪ COOϪ OC CH CH H3N ϩ H3N ϩ Hϩ NADPϩ H3N C H CH2 ϩ CH2 Glutamato CH2 ϩ CH2 CH2 CH2 sintasa CH2 CH2 COOϪ C COOϪ COOϪ O NH2 ␣-Cetoglutarato 2 Glutamato Glutamina (una reacción catalizada por sintasa no requiere ATP). El resultado neto de las reac- ciones de glutamina sintetasa y glutamato sintasa es: 468 | CAPÍTULO 18 Metabolismo Nitrogenado

α-Cetoglutarato ϩ NHϩ4 ϩ NADPH ϩ ATP glutamato ϩ NADPϩ ϩ ADP ϩ Pi En otras palabras, la acción combinada de estas dos enzimas asimila nitrógeno fijo (NH4+) en un compuesto orgánico (α-cetoglutarato, un intermediario del ciclo del ácido cítrico) para producir un aminoácido (glutamato). Los mamíferos carecen de glutamato sintasa, pero las concentraciones de glutamato son relativamente altas porque éste se produce en otras reacciones. La transaminación desplaza grupos amino entre compuestos Dado que el nitrógeno reducido es tan preciado pero el amoniaco libre es tóxico, los grupos amino se transfieren de molécula en molécula, donde el glutamato a menudo sirve como donador de grupos amino. Se vieron algunas de estas reacciones de tran- saminación en la sección 14-3 al examinar el modo en que los intermediarios del Figura 18-4. Glutamina sintetasa de ciclo del ácido cítrico participan en otras vías metabólicas. E. coli. Las 12 subunidades idénticas de Una transaminasa (también llamada aminotransferasa) cataliza la transferencia de esta enzima están dispuestas en dos un grupo amino a un α-cetoácido. Por ejemplo, anillos apilados de 6 unidades (aquí sólo COOϪ COOϪ es visible el anillo superior). La disposición simétrica de las subunidades ϩ COOϪ OC COOϪ es una característica general de las H3N C H ϩ enzimas reguladas por efectores CH2 ϩ O C Transaminasa CH2 ϩ H3N C H alostéricos: los cambios de actividad de uno de los sitios activos pueden CH2 CH2 CH3 comunicarse de manera eficiente a los CH3 COOϪ COOϪ otros sitios activos. (Estructura [pdb 2GLS] determinada por D. Eisenberg, R.J. Almassy y Glutamato Piruvato ␣-Cetoglutarato Alanina M.M. Yamashita.) (aminoácido) (␣-cetoácido) (␣-cetoácido) (aminoácido) Durante esta reacción de transferencia de grupo amino, el grupo amino se une de manera transitoria a un grupo prostético de la enzima. Este grupo es piridoxal 5´-fosfato (PLP), un derivado de piridoxina (nutrimento esencial también conocido como vitamina B6): H 4Ј O OH C H2C Ϫ2O3P 5Ј OH HO H2C OH CH3 O H2C 5 4 3 ϩ CH3 6 1ϩ 2 Piridoxina N (vitamina B6) H piridoxal N 5´-Fosfato (PLP) H El PLP se une de modo covalente a la enzima vía un enlace de base de Schiff (imina) al grupo ε-amino de un residuo Lys: Enzima CH2 CH2 CH2 CH2 H Nϩ CH Ϫ2O3PO CH2 OϪ ϩ CH3 N H Base de Schiff enzima-PLP 18-1. Fijación y asimilación del nitrógeno | 469

H Enzima Enzima R C COOϪ (CH2)4 NH2 (CH2)4 H H Nϩ H Nϩ CH Aminoácido R C COOϪ OϪ CH ϩ NH2 ϩ Ϫ2O3PO Ϫ2O3PO OϪ Aminoácido ϩ CH3 ϩ CH3 N N H 1. El grupo α-amino de un aminoácido ataca la H base de Schiff enzima-PLP. Esta reacción Base de Schiff de transaminación forma una base de Schiff Base de Schiff enzima-PLP enzima-PLP 1 aminoácido-PLP y libera el grupo -amino 7 de Lys de la en´zima. Enzima H Enzima H 2. El grupo amino de Lys, al actuar como base, (CH2)4 R C COOϪ extrae el hidrógeno del carbono α del (CH2)4 R C COOϪ aminoácido sustrato. La carga negativa del NH2 Nϩ carbanión resultante es estabilizada por el NH2 Nϩ HC H HC H grupo PLP, que actúa como deslocalizador Ϫ2O3PO OϪ de electrones. Ϫ2O3PO OϪ 3. El residuo Lys protonado, ahora actuando ϩ CH3 como ácido, dona el protón al grupo PLP, ϩ CH3 con lo que genera una cetimina. El N reordenamiento molecular que resulta del N H movimiento de un átomo de H se conoce H Base de Schiff aminoácido-PLP como tautomerización. Base de Schiff aminoácido-PL 2 4. La hidrólisis libera el α-cetoácido y deja el 6 grupo amino unido al grupo PLP. Lys Enzima Lys Enzima H2NHϩ R CϪ COOϪ 5. Otro α-cetoácido entra en el sitio activo para H2N R C COOϪ formar otra cetimina (este paso es el inverso N del 4). N H C ϩH H C ϩH 6. La tautomerización catalizada por lisina Ϫ2O3PO OϪ genera una base de Schiff aminoácido (lo H OϪ contrario de los pasos 2 y 3). Ϫ2O3PO ϩ CH3 7. En una reacción de transaminación, el ϩ CH3 g´rupo -amino del residuo Lys desplaza el N aminoácido y regenera la base de Schiff N enzima-PLP (lo inverso del paso 1). H H Carbanión Cetimina 35 Lys Enzyme H2O O Lys Enzyme O H2N R C COOϪ R C COOϪ H2N NHϩ3 R C COOϪ H CH N H2O ␣-Cetoácido ␣-Cetoácido H C ϩH 4 OϪ Ϫ2O3PO H OϪ Ϫ2O3PO ϩ CH3 ϩ CH3 N N H H Cetimina Figura 18-5. Transaminación catalizada por PLP. Véase figura animada. Mecanismo de la transaminación dependiente de PLP. 470 | CAPÍTULO 18 Metabolismo Nitrogenado