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15. BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS
1. (a) Describa cómo se lleva a cabo la fijación de nitrógeno explicando: en forma de que molécula
entra el nitrógeno a la síntesis de aa, que microorganismos realizan este proceso y la estructura y función
del complejo de nitrogenasa.
El nitrógeno entra en la síntesis de aminoácidos, purinas, pirimidinas y otras biomoléculas en forma
reducida, por ejemplo, como NH4+. Los organismo superiores son incapaces de convertir N2 a esta forma.
Solo un pequeño número de microorganismos, todos procariontes, pueden fijar el nitrógeno atmosférico.
Esta conversión, llamada fijación de nitrógeno, es realizada por bacterias, como las de la especie
Azotobacter, y algas azul-verde. Algunos de estos microorganismos, por ejemplo las bacterias simbióticas
Rhizobium, invaden las raíces de las plantas leguminosas (chícharo, frijol, habas, lentejas, garbanzo) y
forman nódulos en las raíces, donde se lleva a cabo la fijación del nitrógeno, cuyo producto reducido (NH4)
es aprovechado por las bacterias como por las plantas.
El enlace N≡N, tiene una energía de 225 kcal/mol y es muy resistente al ataque químico y, por lo tanto,
es muy poco reactivo. El proceso industrial de fijación es muy usado en las fábricas de fertilizantes, N2 +
3H2 ⇔ 2 NH3, se realiza a 500oC y a una presión de 300 atmósferas con un catalizador de hierro. Por lo
tanto la fijación biológica del nitrógeno requiere de una enzima compleja que se denomina complejo
nitrogenasa.
La reducción del nitrógeno a NH3 es un proceso que requiere de 6 electrones:
N2 + 6e- + 6H+ à 2H3
Sin embargo, la reductasa es imperfecta, y se forma H2 junto con NH3. Por lo que se requieren dos
electrones adicionales.
N2 + 8 e- + 8H+ à 2NH3 + H2
La estequiometría de la reacción catalizada por el complejo de nitrogenasa es:
N2 + 8 e- + 16 ATP + 16 H2O ⇒ 2 NH3 + 16 ADP + 16 Pi + 8H+ + H2
Este complejo consiste de dos clases de componentes: una reductasa (dinitrogenasa reductasa), la
cual provee de un alto poder reductor, y la nitrogenasa (dinitrogenasa) que usa los electrones para
reducir el N2 a NH4+. Cada componente es una proteína hierro-azufre, en la cual el hierro está unido al
azufre del residuo de cisteína y a azufre inorgánico.
La dinitrogenasa reductasa (también llamada proteína Fe) consiste de dos polipéptidos idénticos de
30 kd y tiene una masa de 60 kd. Contiene centros redox Fe4-S4 y puede ser oxidado y reducido por un
electrón. El papel de la reductasa es transferir electrones de donadores de alto potencial, como la
ferredoxina, a la dinitrogenasa. A su vez, los electrones que dona la ferredoxina, pueden provenir de la
oxidación del piruvato mediante la siguiente reacción:
4 piruvato + 4 CoA à 4 Acetil CoA + 4 CO2 + 8 eLa hidrólisis de ATP dispara la transferencia de electrones al componente dinitrogenasa. El sitio de
unión de ATP/ADP está presente en la interface de las dos subunidades. Los racimos Fe4-S4 también están
presentes en la interface de las dos subunidades y aceptan electrones de la ferredoxina y los transfieren a
la dinitrogenasa.
En el diagrama los átomos de Fe aparecen en verde y los de azufre inorgánico en rojo. Los átomos de
Fe también están unidos a azufre de cisteínas (en amarillos) de la cadena polipeptídica.
La dinitrogenasa tiene la estructura α2β2 (un tetrámero don dos copias de dos subunidades diferentes)
y una masa de 240 kd, contiene 2 átomos de molibdeno por lo que se le conoce como una proteína
1
MoFe. En el esquema, las subunidades α aparece en azul y las subunidades β en amarillo. En su centro
redox contiene 2 Mo, 32 Fe y 30 S por tetrámero.
En la interface αβ están localizado el racimo P que consiste de dos cubos Fe4-S4, y que en el esquema,
aparecen en verde. Los electrones entran al racimo P y de allí pasan al cofactor FeMo, un centro redox
muy raro, que en esquema aparece en rojo. El cofactor FeMo consiste de dos racimos [M-3Fe-3S], que
están unidos por tres átomos de azufre. El Mo ocupa el sitio M en un racimo y el Fe ocupa esta misma
posición en el otro racimo.
El cofactor FeMo es el sitio de la fijación del nitrógeno. Es probable que el N2 se una a la cavidad central
de este cofactor. El establecimiento de múltiples interacciones Fe-N en este complejo, debilita los enlaces
N≡N y, por lo tanto, disminuye la barrera de activación para la reducción.
Algunas bacterias contienen una forma de nitrogenasa que contiene vanadio en vez de molibdeno.
En la mayoría de los microorganismos que fijan nitrógeno, la fuente de electrones de alto potencial en
esta reducción de seis electrones es la ferredoxina reducida. La ferredoxina reducida es producida en los
cloroplastos por la acción del fotosistema I.
De manera alterna, la ferredoxina puede generarse por procesos oxidativos. El complejo nitrogenasa
es muy sensible a la inactivación por O2. La dinitrogenasa reductasa es inactiva en el aire con una vida
media de 30 S. La dinitrogenasa tiene una vida media de 10 min en el aire. Existen varias manera de
resolver este problema.
Las plantas leguminosas mantienen una muy baja concentración de oxigeno en los nódulos de sus
raíces uniendo el O2 a la leghemoglobina, una proteína homóloga a la hemoglobina.
La siguiente secuencia de la fijación de nitrógeno parece razonable:
1o. La ferredoxina reducida transfiere sus electrones al componente reductasa del complejo.
2o. El ATP se une a la dinitrogenasa reductasa y desplaza el potencial redox de la enzima de -0.20 a 0.40 V al alterar su conformación.
3o. Los electrones son transferidos a la dinitrogenasa, el ATP es hidrolizado, y la dinitrogenasa
reductasa se disocia de la dinitrogenasa.
4o. Finalmente, el N2 unido a la dinitrogenasa es reducido a NH4+.
2. (a) ¿Cuáles son las reacciones catalizadas por glutamato deshidrogenasa, glutamina sintetasa, y
por glutamato sintasa?
El siguiente paso en la asimilación del nitrógeno en biomoléculas es la incorporación de NH4+ en aa. El
glutamato y la glutamina juegan un papel central en este proceso. La mayoría de los grupos α-amino de la
mayoría de los aa provienen del grupo α-amino de glutamato por transaminación. La Gln, el otro donador
principal de nitrógeno, dona el nitrógeno de su cadena lateral. La reacción catalizada por glutamato
deshidrogenasa (enzima revisada en la degradación de aminoácidos) permite la síntesis de L-glutamato:
NH4+ + α-cetoglutarato + NADPH + H+ ⇔ L-glutamato + NADP+ + H20
El ion amonio se incorpora en glutamina por la acción de la glutamina sintetasa sobre el glutamato:
L-glutamato + NH4+ + ATP ⇒ glutamina + ADP + Pi + H+
La glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa están presentes en todos los organismos. La
mayoría de los procariontes también contienen la enzima glutamato sintasa que cataliza la aminación de
α-CG. Esta enzima está ausente en organismos superiores. El donador de nitrógeno en esta reacción es
glutamina, de tal manera que se forman 2 moléculas de glutamato
α-CG + glutamina + NADPH + H+ ⇒ 2 glutamato + NADP+
2
(b) ¿Cuál es la reacción balanceada de las reacciones secuenciales de glutamina sintetasa y
glutamato sintasa?
Cuando el ion amonio es limitante, la mayoría del glutamato es hecho por acción secuencial de la
sintetasa de glutamina y de la glutamato sintasa. La suma de estas reacciones es
NH4+ + α-CG + NADPH + ATP ⇒ L-glutamato + NADP+ + ADP + Pi
3. Explique cómo se regula alostérica y covalentemente la actividad de la sintetasa de glutamina en E.
coli enfatizando:
(a) ¿Cuál es la estructura de esta enzima, cuáles son los compuestos que son sintetizados usando
como fuente de nitrógeno el grupo amino de la glutamina y cómo modulan la actividad de esta enzima?
La glutamina sintetasa es una enzima multimérica que tiene 12 subunidades idénticas de 50 kd c/u
arregladas en 2 anillos hexagonales colocados uno enfrente del otro.
Los compuestos sintetizados usando el grupo amino de la Gln son: Trp, His, carbamil fosfato,
glucosamina 6 fosfato, CTP, AMP los cuales inhiben a la enzima por retroalimentación acumulativa. La
Ala y Gli también inhiben a esta enzima y probablemente sirven como indicadores del estado general del
metabolismo celular de aminoácidos. La actividad de Gln sintetasa se abate totalmente cuando están
presentes los 8 productos finales.
(b) ¿En que consiste el proceso de adenilación y cuál es el efecto sobre la actividad de esta enzima?
La actividad de glutamina sintetasa es controlada también por modificación covalente reversible (la unión
de una unidad de AMP por medio de enlace fosfodiéster al grupo hidroxilo de un residuo específico de
Tir397, localizada cerca del sitio activo, en cada subunidad).
La enzima adenilada es mas susceptible a la inhibición por retroalimentación acumulativa que la
forma no adenilada. La enzima adenil transferasa cataliza esta inserción de residuos de AMP usando
como sustrato ATP y liberando PPi.
(c) ¿Qué enzima promueve la hidrólisis de AMP de la glutamina sintetasa?
La misma enzima que cataliza su inserción, esto es la adenil transferasa.
(d) ¿Quién controla la especificidad de la adenil transferasa?
La especificidad de adenil transferasa es controlada por una proteína regulatoria (P) que puede
existir en dos formas PA (PII) y PD (PII-UMP). El complejo de PA y adenil transferasa cataliza la unión de
una unidad de AMP a Gln sintetasa, lo cual reduce su actividad. Por el contrario, el complejo de PD y adenil
transferasa remueve el AMP de la enzima adenilada. Estas actividades catalíticas opuestas son llevadas a
cabo por sitios catalíticos diferentes en la misma cadena polipeptídica- una característica encontrada
antes en el control de los niveles de fructosa 2,6 bifosfato y en la enzima isocitrato deshidrogenasa.
(e) ¿Cuál es el efecto de la unión de UMP a PA?
Esto nos conduce a otro nivel de modificación covalente reversible. PA es convertido en PD por la
unión de UMP. Esta reacción es catalizada por uridil transferasa.
(f) ¿Cuál es el efecto de ATP, α-CG y glutamina sobre la actividad de uridil transferasa?
Es estimulada por ATP y α-CG y es inhibida por glutamina.
(g) Quién estimula la hidrólisis de UMP de PD y que enzima cataliza este proceso?
3
A su vez, las dos unidades de UMP sobre PD son removida por hidrólisis, una reacción estimulada por
glutamato e inhibida por α-CG. Estas actividades catalíticas opuestas (inserción e hidrólisis de UMP)
están presentes en la misma cadena polipeptídica y están controladas de tal manera que las enzimas no
catalizan simultáneamente la uridilación e hidrólisis.
4. (a) De los 20 aa indispensables para la síntesis de las proteínas, ¿cuántos debe obtener el humano
de la dieta (aa esenciales) y cuántos puede sintetizar (aa no esenciales) y a partir de que sustratos?
Once aa se sintetizan de los intermediarios del ciclo del ácido cítrico y otras intermediarios por
reacciones simples. Por el contrario, las bacterias pueden sintetizar el conjunto básico de los 20
aminoácidos.
Aminoácidos esenciales
Histidina
Isoleucina
Leucina
Lisina
Metionina
Fenilalanina
Treonina
Triptofáno
Valina
Precursor
Ribosa 5 P
OA
OA, Piruvato
OA
OA
PEP, E4P
OA
PEP, E4P
Piruvato
Aminoácidos NO esenciales
Alanina
Arginina*
Asparagina
Aspartato
Cisteína**
Glutamato
Glutamina
Glicina***
Prolina
Serina
Tirosina
*La arginina es esencial en los niños, pero no en los adultos.
** En los mamíferos se sintetiza de metionina y serina.
*** En los vertebrados se puede sintetizar de precursores simples: CO2 y NH4+
Precursor
Piruvato
α-CG, Glu
OA, Asp
OA
3PG, Ser
α-CG
α-CG, Glu
3PG, Ser
α-CG, Glu
3PG
Phe, (PEP, E4P)
(b) ¿Se puede considerar que la arginina es un aminoácido esencial en los adultos?
En los adultos se puede sintetizar suficiente Arg por medio del ciclo de la urea en cantidades suficientes
para suplir las necesidades de los adultos, pero no aquellas de un niño en crecimiento
(c) ¿En qué condiciones la tirosina es un aminoácido esencial?
La tirosina es un aa esencial en sujetos que carecen de la enzima fenilalanina hidroxilasa.
5. (a) ¿Cómo se sintetizan los aa no esenciales glutamato, glutamina, alanina, aspartato,
asparagina y tirosina.
Los aa no esenciales se sintetizan por reacciones muy simples mientras que la síntesis de los aa
esenciales se lleva a cabo por vías muy complejas.
NH4+ + α-cetoglutarato + NADPH + H+ ⇔ L-glutamato + NADP+ + H2O
L-glutamato + NH4+ + ATP ⇒ glutamina + ADP + Pi + H+
piruvato + glutamato ⇔ alanina + α-CG
OA + glutamato ⇔ aspartato + α-CG
aspartato + NH4+ + ATP ⇒ asparagina + AMP + PPi + H+
Phe + O2 + NADPH + H+ ⇒ tirosina + NADP+ + H2O
(b) Haga un bosquejo de la síntesis de los demás aminoácidos no esenciales.
GLU à γ-glutamil-P à glutamato semialdehído à Δ1-pirrolina 5 carboxilato à PROLINA (4R)
4
GLU à N-acetilglutamato à N-acetil γ-glutamil-P à N-acetilglutamato γ semiladehído à
N-acetil ornitina à ornitina à ciclo de la urea à ARGININA (5R + ciclo de la urea)
3PG à 3 P OH piruvato à 3 P serina à SERINA + H4folato à GLI + N5,N10 metilén H4 folato
En hígado de vertebrados, la GLICINA se puede sintetizar por otra ruta:
CO2 + NH4+ + NADH + H+ + N5,N10 metilén H4 folato à GLI + NAD+ + tetrahidrofolato.
En los mamíferos, la cisteína se sintetiza de otros dos aminoácidos: Met y Ser.
Metionina + ATP à S adenosilmetionina
S-adenosil metionina + R-H à S adenosil homocisteína + RCH3
S adenosil homocisteína + H2O à homocisteína + adenosina
Homocisteína + serina à cistationina + H2O
Cistatiotina + H2O à CISTEÍNA + NH4+ + α-cetobutirato
(c) ¿Cuál es el donador de grupos amino en la síntesis de asparagina en mamíferos y en bacterias?
En mamíferos el donador de nitrógeno en la síntesis de Asn es Gln y en bacterias es el NH4+. El NH4+
generado en el sitio activo de la enzima se transfiere directamente al aspartato unido.
(d) ¿Qué vías metabólicas de los carbohidratos proveen intermediarios para la síntesis de
aminoácidos?
ciclo de Krebs (α-CG, OA), glicólisis (3PG y piruvato), vía de las pentosas (eritrosa 4 P y ribosa 5P).
(e) ¿Qué aa se forman a partir de α-CG, OA, 3-fosfoglicerato, piruvato y de PEP + eritrosa 4 fosfato en
bacterias y en plantas?
α -CG: Glu y de éste Gln, Pro y Arg (NO ESENCIALES)
OA: Asp y de éste: Lis, Met, Asn y Tre ⇒ Ile
3 PG: Serina ⇒ Cis y Gli (NO ESENCIALES)
piruvato:
Ala, Val y Leu.
PEP + eritrosa 4 P:
Tir, Trp y Phe ⇒ Tir.
ribosa 5 P
⇒ histidina
6. (a) ¿Qué papel desempeñan la S adenosil metionina y el tetrahidrofolato en la síntesis de aa?
El tetrahidrofolato es un acarreador versátil de unidades de 1 carbono activadas en tres estados de
oxidación. La S-adenosilmetionina es el principal acarreador de grupos metilo. El tetrahidrofolato
acarrea grupos metilo en N5, pero su potencial de transferencia no es lo suficientemente alto en la mayoría
de los procesos biosintéticos.
(b) ¿Cuáles son los tres grupos que constituyen el tetrahidrofolato? Diga si los mamíferos los pueden
sintetizar
1. Una pteridina sustituida, 2. p-aminobenzoato y 3. glutamato. Son capaces de sintetizar el anillo de
pteridina pero son incapaces de conjugarlo a las otras dos unidades. Obtienen el tetrahidrofolato de la
dieta o de microorganismos del tracto intestinal. Las plantas y los animales son incapaces de sintetizar
vitamina B12. Esta vitamina solo es sintetizada por microorganismos.
(c) ¿Cuáles son las unidades de un carbono que son acarreadas por tetrahidrofolato?
Grupo
Estado de oxidación
5
Metilo
Metileno
Formil
Formimino
Metenil
-CH3
-CH2-CHO
-CHNH
-CH=
Mas reducido (= metanol)
Intermedio (= formaldehído)
Mas oxidado (= ácido fórmico)
(d) ¿Cuáles son los nitrógenos a los que están unidos las unidades de 1 carbono en el tetrahidrofolato?
N5 o N10 o ambos, N5 o N10.
(e) ¿Quién acarrea las unidades de carbono mas oxidadas? La biotina acarrea al CO2.
(f) ¿Cómo se puede sintetizar N10-formiltetrahidrofolato y N5,N10 metiléntetrahidrofolato?
Tetrahidrofolato + Ser ⇒ Gli + N5,N10 metiléntetrahidrofolato
Tetrahidrofolato + Formato + ATP ⇒ N10-formiltetrahidrofolato + ADP
(g) ¿Cuál es la principal fuente de unidades de 1 carbono?
La conversión de serina a glicina.
7. (a) ¿Cómo se sintetiza S-adenosilmetionina y que característica poco común presenta la misma?
Metionina + ATP ⇒ 5 adenosilmetionina + Pi + PPi
Este grupo metilo se activa por la carga positiva en el átomo de azufre adyacente, que hace a la
molécula mucho mas reactiva que N5 metiltetrahidrofolato.
Esta síntesis es poco común ya que el ATP se rompe en Pi y en PPi (todos los enlaces O-P del ATP se
rompen en esta reacción de activación, lo cual aumenta mucho la reactividad del grupo metilo.
(b) ¿Cómo se forma S-adenosilhomocisteína y homocisteína?
S-adenosilmetionina + R ⇒ R-CH3 + S adenosilhomocisteína + H2O ⇒ adenosina + homocisteína.
La S-adenosilhomocisteína se forma cuando el grupo metilo de S-adenosilmetionina es transferido a un
aceptor como fosfatidiletanolamina. S-adenosilhomocisteína se hidroliza a homocisteína y adenosina.
(c) ¿Cómo se puede regenerar metionina a partir de homocisteína?
Homocisteína + N5 metiltetrahidrofolato ⇒ metionina + tetrahidrofolato. La enzima es la homocisteína
metiltransferasa
(d) ¿Cuál es la coenzima en la reacción catalizada por homocisteína metiltransferasa?
Metilcobalamina derivada de vitamina B12
(e) ¿Cuál es la otra reacción descrita en la que interviene esta coenzima?
Rearreglo de metilmalonilCoA a succinil CoA (metilmalonilCoA mutasa). Son las dos únicas
reacciones en que participan coenzimas de B12.
(f) ¿Por qué son muy reactivos los grupos metilo de S-adenosilmetionina?
Por el gasto de tres enlaces fosfato del ATP en su síntesis.
(g) Mencione algunos aceptores de este grupo metilo.
6
Grupos amino del neurotransmisor norepinefrina ⇒ epinefrina y residuo de glutamato de una
proteína regulatoria en la quimiotaxis para formar γ-metilglutamato.
8. Explique cuál es la vía de síntesis de los aa aromáticos en las bacterias contestando las siguientes
preguntas
(a) Cuáles son los aminoácidos aromáticos y en donde se sintetizan?
Los aa aromáticos fenilalanina y triptofáno son aa esenciales para los mamíferos y son sintetizados en
las plantas y microorganismos por rutas mucho mas complejas que los aa no esenciales. Los aa esenciales
en los humanos se derivan principalmente de las plantas
(b) ¿Cómo se inicia la síntesis de los aminoácidos aromáticos?
Con la condensación de PEP con eritrosa 4P, a partir de la cual se deriva la formación del intermediario
sikimato, el cual posteriormente da lugar a corismato.
eritrosa 4 P + PEP ⇒⇒⇒⇒ Sikimato ⇒ Fosfosikimato + PEP ⇒ ⇒corismato
(c) ¿Cuántas moléculas de fosfoenolpiruvato se requieren para la síntesis de corismato?
R= 2.
(d) ¿Cuáles son los dos productos que se pueden formar a partir de corismato y cómo se forman?
Prefenato y Antranilato.
Una mutasa convierte el corismato en prefenato. Esta enzima cambia la posición de un sustituyente
en el anillo.
El corismato adquiere un grupo amino de la cadena lateral de glutamina (que sale como glutámico) y
libera piruvato para formar antranilato. Gln es el donador de grupos amino en muchas reacciones
biosintéticas.
Corismato + Gln ⇒ antranilato + Glu
(c) ¿De qué aa es precursor el prefenato y el antranilato?
Prefenato de Phe y Tir y antranilato de Trp.
El prefenato es el precursor inmediato del anillo aromático de Phe y Tir. La deshidratación y
descarboxilación de prefenato produce fenilpiruvato. De manera alterna, el prefenato puede
descarboxilarse oxidativamente para producir p-hidroxifenilpiruvato. Estos cetoácidos pueden
transaminarse para producir Phe y Tir, respectivamente.
Por otro lado, el antranilato reacciona con el PRPP para iniciar la síntesis de Trp.
Antranilato + PRPP ⇒ N5-fosforribosil antranilato + PPi
PRPP es una forma activada de ribosa fosfato. Es un intermediario clave en la síntesis de histidina,
nucleótidos de purina y nucleótidos de pirimidina.
El residuo de ribosa de fosforribosilantranilato sufre un rearreglo para producir 1-(o-carboxifenilamino)-1desoxirribulosa 5 fosfato. Este intermediario es deshidratado y descarboxilado a indol-3-glicerol fosfato, el
cual reacciona con serina para formar Trp.
(d) ¿Qué grupo prostético se requiere en la síntesis de Trp?
7
R = Piridoxal fosfato. Este es requerido por la subunidad β2 de la triptofáno sintetasa cuya composición
es α2β2 (forma una base de Schiff).
(e) ¿Cómo se sintetiza el PRPP? Ribosa 5P + ATP ⇔ PRPP + AMP
9. (a) ¿Cuáles son los sustratos en la síntesis de histidina en las bacterias? ATP y PRPP.
(b) ¿Cuántos átomos de carbono de la histidina provienen de PRPP? Cinco.
(c) ¿Quién dona los átomos de nitrógeno del anillo de imidazol de la histidina?
R = adenina y glutamina.
(d) ¿Cuál es el producto de la vía de síntesis de histidina involucrado en la síntesis de las purinas?
R = 5 amino imidazol-4-carboxamida ribonucleótido.
10. (a) ¿Cómo se regula la biosíntesis de isoleucina?
La enzima que cataliza el primer paso en su síntesis a partir de treonina (treonina desaminasa, una
enzima que depende de PLP) cataliza el paso regulatorio de la vía y es inhibida alostéricamente por
isoleucina.
(b) Explique los siguientes mecanismos de control por retroalimentación.
b1. control por retroalimentación secuencial. Controla la síntesis de aa aromáticos en Bacillus
subtilis. El primer paso divergente en la síntesis de Phe, Tir y Trp es inhibido por los productos finales
(pasos C a D o C a F). Si los tres están presentes en exceso, el corismato y el prefenato se acumulan.
Estos intermediarios, a su vez, inhiben el primer paso en común de toda la vía (condensación de PEP y
eritrosa 4 P) (Paso A ⇒ B).
b2. multiplicidad de enzimas. El paso A ⇒ B es catalizado por enzimas diferentes. Para bloquear
totalmente la conversión de A ⇒ B se requiere de un aumento en los niveles de Z y Y. En E coli la
condensación de PEP y eritrosa 4 es catalizada por tres enzimas diferentes. Una es inhibida por Phe, otra
por Tir y la última por Trp. Además, hay dos mutasas que convierten corismato en prefenato, una es
inhibida por Phe y la otra por Tir.
b3. control por retroalimentación concertado. El primer paso (A ⇒ B) es inhibido por altos niveles de
Y y Z si están presentes simultáneamente. Un alto nivel de cualquier producto no inhibe este primer paso.
Ejemplo. Inhibición de aspartilcinasa bacteriana por treonina y lisina, los productos finales.
b4. control por retroalimentación acumulativa. El primer paso (A ⇒ B) es inhibido parcialmente por
c/u de los productos finales, c/u actúa independientemente de los otros. Si Y disminuye la velocidad a un
60% (de 100 a 60/seg) y Z disminuye en 40% (de 100 a 40/seg). Y + Z disminuye 0.6 x 0.4 = 24/seg.
La glutamina sintetasa de E. coli es un ejemplo de inhibición por retroalimentación acumulativa.
11. ¿De qué aa se derivan los anillos de purinas y pirimidinas, la esfingosina, la histamina, la tiroxina
(tetraiodotironina), la epinefrina, la melanina, la serotonina (5 hidroxitriptamina), y el anillo de
nicotinamida del NAD+ ?
Anillo de purina: De los 9 átomos del anillo de purinas, 6 provienen de los siguientes aa: De glicina C4,
C , y N7; aspartato N1 y glutamina N3 y N9.
Anillo de pirimidinas: De los 6 átomos del anillo de pirimidinas, 5 provienen de los siguientes aa: N1,
4
C , C5, y C6 del aspartato y N3 de glutamina (que lo dona al carbamil fosfato el cual se condensa
posteriormente con aspartato).
5
8
Las poliaminas espermina y espermidina (usadas en el empaquetamiento del ADN) se derivan de
metionina y ornitina.
Esfingosina (intermediario en la síntesis de esfingolípidos): De serina.
Histamina (un potente vasodilatador): Por descarboxilación de histidina. La histamina es liberada en
grandes cantidades como parte de la respuesta alérgica y estimula la secreción de ácido en el estómago.
Se ha diseñado un análogo de la histamina, la cimetidina (también conocido como Tagamet). Esta droga
promueve la curación de las úlceras duodenales al inhibir la secreción de ácido en ele estómago.
Dopamina, norepinefrina y epinefrina (catecolaminas y neurotransmisores) de tirosina.
Los niveles de catecolaminas, se correlacionan, entre otras cosas, con cambios en la presión sanguínea
en animales. La enfermedad neurológica llamada enfermedad de Parkinson está asociada con una
disminución en la producción de dopamina, y ha sido tratada por administración de L-DOPA. Una
sobreproducción de dopamina en el cerebro está asociada con desórdenes psicológicos como la
esquizofrenia.
Tiroxina (una hormona) y melanina (un pigmento polimérico): de tirosina.
El ácido γ-amino butírico (GABA), un neurotransmisor inhibitorio, de la descarboxilación del glutámico.
Su baja producción está asociada con la epilepsia por lo que se usa en su tratamiento.
Serotonina (un neurotransmisor) y el anillo de nicotinamida: de triptofáno. Gln aporta el grupo amida
del anillo de nicotinamida.
La auxina (indol 3 acetato), la hormona del crecimiento de las plantas, se deriva del Trp.
9
16. BIOSÍNTESIS DE NUCLEÓTIDOS
1. (a) Señale cinco procesos metabólicos en donde los nucleótidos juegan un papel clave.
a1) Son precursores activados de ADN y ARN;
a2) Los derivados de los nucleótidos son intermediarios activados en la biosíntesis de nuevos
compuestos: UDP-glucosa y CDP-diacilglicerol, de glucógeno y fosfoglicéridos, respectivamente. Sadenosilmetionina lleva un grupo metilo.
a3) El ATP es un acarreador universal de energía. El GTP impulsa el movimiento de macromoléculas
como la translocación de cadenas de péptidos nacientes sobre los ribosomas y la activación de proteínas
acopladas a señales.
a4) Los nucleótidos de adenina son componentes de tres coenzimas muy importantes: NAD+, FAD y
coenzima A.
a5) Son reguladores metabólicos. El AMPc es mediador ubicuo de la acción de muchas hormonas.
Las modificaciones covalentes, como fosforilación de la glucógeno sintetasa y la adenilación de la sintetasa
de glutamina.
(b) ¿Cuál es la diferencia entre nucleósido y nucleótido?
Nucleósido: base púrica o pirimídica unida a una pentosa. Nucleótidos: éster fosfato de un nucleósido.
(c) ¿Cuál es el origen de c/u de los átomos del anillo de purina?
Paso 1. glutamina (grupo amida): N9
Paso 2. glicina: C4, C5 y N7
Paso 3. N10 formil tetrahidrofolato: C8
Paso 4. glutamina (grupo amida):, N3
Paso 5. formación del primer anillo
Paso 6. CO2: C6
Paso 7. aspartato: N1
Paso 8. eliminación de fumarato
Paso 9. N10 formil tetrahidrofolato C2
Paso 10. formación del segundo anillo
(d) ¿Qué molécula es la donadora de grupos ribosa fosfato en la síntesis de las purina y en que
reacción se sintetiza? 5 fosforribosil 1 pirofosfato (PRPP).
Ribosa 5 P + ATP ------> 5 fosforribosil 1 PPi + AMP.
(Catalizado por sintetasa de PRPP o ribosa fosfato pirofosfocinasa)
(e) ¿En que otro proceso metabólico interviene ésta molécula?
En la síntesis de triptofáno e histidina.
(f) ¿En que vía metabólica se sintetiza ribosa 5 fosfato? En la vía de las pentosas.
(g) ¿Cuál es la reacción regulada en la síntesis de las purinas y quién cataliza este paso?
La formación de 5 fosforribosilamina a partir de PRPP y glutamina.
PRPP + Gln ⇒ 5 fosforribosil 1 amina + PPi + Glu
(Catalizado por amidofosforribosil transferasa).
2. Describa los 10 pasos en la formación de novo del anillo de purinas hasta la formación de IMP.
Primera etapa: Formación de 5-aminoimidazol ribonucleótido a partir de PRPP.
1.1 Desplazamiento de PPi del PRPP por el grupo amino de la cadena lateral de Gln.
PRPP + Glutamina (Enz. amido-fosforribosil-transferasa) ⇒ Glu + 5-Fosforribosil-1-amina.
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1.2 Adición de Glicina
5 Fosforribosil-amina ⇒ Glicinamida ribonucleótido
1.3 Formilación por N10-formiltetrahidrofolato.
Glicinamida ribonucleótido ⇒ Formilglicinamida ribonucleótido.
1.4 Transferencia de un átomo de nitrógeno de la Gln
Formilglicinamida ribonucleótido ⇒ Formilglicinamidina ribonucleótido
1.5 Deshidratación y formación del anillo
Formilglicinamidina ribonucleótido ⇒ 5 aminoimidazol ribonucleótido.
Las enzimas que catalizan los pasos 2, 3 y 5 están presentes en una sola cadena polipeptídica en los
vertebrados.
Segunda etapa: Formación del inosinato a partir de 5-aminoimidazol ribonucleótido
1.6 Carboxilación (CO2).
5-aminoimidazol ribonucleótido ⇒ 5 aminoimidazol-4 carboxilato ribonucleótido.
1.7 Adición de aspartato.
5-aminoimidazol-4 carboxilato ribonucleótido ⇒ 5 aminoimidazol-4-N-succinocarboxamida ribonucleótido
1.8 Eliminación de fumarato (dejando el grupo amino del aspartato)
5-aminoimidazol-4-N-succinocarboxamida
ribonucleótido
⇒
ribonucleótido.
5-aminoimidazol-4-carboxamida
1.9 Formilación por N10-formiltetrahidrofolato.
5-aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido ⇒ 5-Formaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido.
1.10 Deshidratación y formación del anillo.
5-Formaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido ⇒ Inosinato (IMP).
3. Explique cómo se sintetiza el AMP y el GMP a partir de IMP mencionando:
(a) ¿Qué sustitución se lleva a cabo en el C-6 del IMP para dar lugar al AMP?
Un grupo amino sustituye al oxígeno del carbonilo de C-6. El donador de este grupo amino es el
aspartato (reacción catalizada por adenilosuccinato sintetasa), en una reacción subsecuente se libera
fumarato (al igual que en la formación del anillo de purinas y en la formación de arginosuccinato en el ciclo
de la urea), intermediario del ciclo de Krebs. La remoción del fumarato de adenilosuccinato y de 5aminoimadazol-4-N-succinocarboxamida ribonucleótido es catalizada por la misma enzima
(adenilosuccinato liasa).
(b) ¿Que compuesto de alta energía se hidroliza para permitir esta reacción?
El GTP es el donador de un enlace fosfato de alta energía en la síntesis de adenilosuccinato
(intermediario formado a partir de inosinato y aspartato.
IMP + aspartato + GTP à adenilosuccinato + GDP + Pi (adenilosuccinato sintetasa)
adenilosuccinato à adenilato (AMP) + fumarato (adenilosuccinato liasa)
(c) ¿Qué intermediario se forma en la síntesis de GMP, quién es el aceptor de hidrógenos en esta
oxidación, el donador del grupo amino y qué compuesto de alta energía se hidroliza?
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En intermediario que se forma es xantilato que se produce por la oxidación del seguido de la inserción
del grupo amino en C-2. El NAD+ es el aceptor de hidrógenos en esta oxidación. El grupo amino en la
cadena lateral de glutamina es transferido a xantilato. Dos enlaces de alta energía se consumen en esta
reacción, debido a que el ATP se rompe en AMP y PPi.
IMP + H2O + NAD+ à xantilato (XMP) + NADH + H+ (IMP deshidrogenasa)
XMP + Gln + ATP à GMP + Glu +AMP + PPi (XMP-glutamina amidotransferasa)
(d) ¿En qué reacciones bioquímicas se lleva a cabo el reemplazamiento de un átomo de oxígeno del
carbonilo por un grupo amino?
En la conversión de inosinato en adenilato (C-6) y guanilato (C-2), un átomo de oxígeno del carbonilo
es reemplazado por un grupo amino. Un cambio similar ocurre en la síntesis de formilglicinamida
ribonucleótido a partir de su precursor amida, en la formación de CTP a partir de UTP (síntesis de
pirimidinas) y en la conversión de citrulina a arginina (vía arginosuccinato) en el ciclo de la urea. El tema
mecanístico común de estas reacciones es la conversión del oxígeno del carbonilo en un derivado que
puede ser rápidamente desplazado por un grupo amino.
4. (a) ¿De dónde se originan las bases púricas libres?
De la degradación hidrolítica de los ácidos nucleicos y nucleótidos.
(b) ¿Cuál es el propósito de las vías de salvamento (reutilización) de las purinas?
Reutilizar las bases púricas libres para sintetizar los nucleótidos de purinas por medio de esta vía que es
mucho mas simple que las reacciones de la vía de síntesis de novo. En estas vía de salvamento, el residuo
de ribosa fosfato del PRPP es transferido a la purina para formar el correspondiente nucleótido, con la
liberación simultánea de PPi.
(c) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas adenina fosforribosiltransferasa e hipoxantina guanina
fosforribosil transferasa (enzimas que catalizan reacciones de la vía de salvamento?
Adenina + PRPP ⇒ Adenilato + PPi (AFRT)
Hipoxantina + PRPP ⇒ Inosinato + PPi (HGFRT)
Guanina + PRPP ⇒ Guanilato + PPi (HGFRT)
(d) OPCIONAL ¿Qué ejemplo de uso eficiente y versátil del anillo de purinas nos proporciona la
biosíntesis de histidina?
La porción de seis miembros del anillo de purinas del ATP contribuye, en parte, al anillo del
imidazol de histidina. El resto del esqueleto de purina no se descarta, sino que se conserva en el
compuesto 5-aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleótido, un intermediario en la síntesis de novo de
las purinas.
5. Explique cómo se regula la síntesis de los nucleótidos de purina mencionando los inhibidores de
(a) las enzimas 5 fosforribosil 1 pirofosfato sintetasa (ribosa fosfato pirofosfocinasa) y glutamina
PRPP amidotransferasa. La síntesis de los nucleótidos de purina está controlada por retroinhibición en
varios sitios. La 5-fosforribosil-1-pirofosfato sintetasa es inhibida por AMP, GMP e IMP. El paso
regulado en la síntesis de los nucleótidos de purina es la conversión de PRPP en fosforribosilamina (por
la transferencia de la cadena lateral del grupo amino de la Gln). La Gln PRPP amidotransferasa es
inhibida por retroalimentación por muchos ribonucleótidos de purina. Sobresale el hecho de que el AMP y el
GMP, los productos finales de la vía, están inhibiendo sinergísticamente la enzima.
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(b) la conversión de IMP a adenilosuccinato (adenilosuccinato sintetasa) y de inosinato (IMP) a
xantilato (IMP deshidrogenasa).
Inosinato es el punto de ramificación en la síntesis de AMP y GMP. El AMP inhibe la conversión de
inosinato en adenilosuccinato, su precursor inmediato. De igual manera, el GMP inhibe la conversión de
inosinato a xantilato, su precursor inmediato. El GTP es un sustrato en la síntesis de AMP, mientras que
el ATP es un sustrato en la síntesis de GMP. Esta relación recíproca de sustratos tiende a balancear la
síntesis de ribonucleótidos de adenina y de guanina.
6. (a) ¿Cuál es el origen de los átomos del anillo de pirimidinas?
N1, C4, C5 y C6 provienen de aspartato y C2 y N3 de carbamilfosfato.
(b) Contraste el orden en el que se ensambla el anillo de purinas (síntesis de novo) con la ribosa 5
fosfato con el orden en el que se ensambla el anillo de pirimidinas con ribosa 5 fosfato.
El anillo de pirimidina se ensambla primero y entonces se une a ribosa fosfato, en contraste con la
síntesis de novo de los nucleótidos de purina, en donde el anillo se va ensamblando estando presente la
ribosa 5 fosfato.
(c) ¿Cómo se inicia la síntesis del anillo de pirimidinas?
Con la formación del carbamilfosfato.
(d) ¿En que otra vía metabólica participa el carbamil fosfato y cuáles son las diferencias en la síntesis
de este compuesto en ambas vías?
En la síntesis de urea. El carbamil fosfato usado en la síntesis de pirimidinas se forma en el citosol,
mientras que el usado para hacer urea se forma en la mitocondria por una carbamilfosfato sintetasa
diferente. Otra diferencia notable es que el donador de nitrógeno es glutamina y no NH4+. Además, el Nacetilglutamato NO es un activador alostérico en la síntesis citosólica.
Glutamina + 2 ATP + HCO3- ⇒ Carbamilfosfato + 2 ADP + Pi + glutamato.
(e) ¿Cuál es el paso limitante en la síntesis del anillo de pirimidinas y qué enzima lo cataliza?
Es la formación de N-carbamilaspartato a partir de aspartato y carbamilfosfato, reacción catalizada por
aspartato transcarbamilasa.
carbamilafosfato + aspartato ⇒ N-carbamilaspartato + Pi
(f) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas dihidroorotasa y dihidrootato deshidrogenasa?
N-carbamilaspartato ⇔ H2O + Dihidroorotato + NAD+⇔ Orotato + NADH + H+
(g) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas orotato fosforribosil transferasa y oroditilato
descarboxilasa?
Orotato + PRPP ⇒ Orotidilato + PPi + H+-⇒ Uridilato (UMP) + CO2
7. (a) Describa la organización de las enzimas involucradas en la síntesis de pirimidinas en los
organismos superiores.
Cinco de las seis enzimas están agrupadas en dos complejos: Uno de ellos (CAD) está formado por
carbamilfosfato sintetasa, aspartato transcarbamilasa y dihidroorotasa unidos en una sola cadena
polipeptídica de 240 kd. El otro complejo está formado por orotato-fosforribosil-transferasa y orotilidato
descarboxilasa en una sola cadena polipeptídica de 52 kd.
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(b) ¿Qué reacciones catalizan las enzimas nucleósido monofosfato cinasa (e.g. UMP cinasa),
adenilato cinasa y nucleósido difosfocinasa?
nucleósido monofosfato cinasa
UMP + ATP ⇔ UDP + ADP
adenilato cinasa interconvierte AMP, ADP y ATP.
AMP + ATP ⇒ 2 ADP
nucleósido difosfocinasa XDP + YTP ⇔ XTP + YDP.
P.e. UDP + ATP ⇔ UTP + ADP
(c) ¿Que enzima cataliza la síntesis de CTP, a partir de UTP y quién es el donador de grupos amino en
mamíferos y en bacterias?
La citidilato sintetasa. La glutamina es el donador de grupos amino en mamíferos y el NH4+ lo es en
bacterias.
UTP + Gln + ATP + H2O à CTP + ADP + Pi + 2H+
(d) ¿Cómo se regula la síntesis de pirimidinas en las bacterias?
En E. coli, el paso limitante en la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina es la formación de Ncarbamilaspartato a partir de aspartato y carbamilfosfato. La aspartato transcarbamilasa, la enzima
que cataliza esta reacción, es inhibida por retroalimentación por CTP, el producto final de la vía. La
carbamilfosfato sintetasa II es inhibida por retroalimentación por UMP.
8. (a) ¿Cuál es el sustrato en la síntesis de los desoxirribonucleósidos difosfato, quién proporciona los
equivalentes reductores para esta reacción y en qué carbón se produce?
Los desoxirribonucleótidos (precursores de la síntesis de ADN) se forman por la reducción de
ribonucleótidos. El radical hidroxilo 2’ del residuo de ribosa es reemplazado por un átomo de hidrógeno.
En E. coli y en mamíferos, los sustratos en esta reacción son los ribonucleótidos difosfatos. La
estequiometría global de la reacción es:
Ribonucleótido difosfato + NADPH + H+ ⇒ Desoxirribonucleósido difosfato + NADPH + H+ + H2O
(b) ¿Cómo son transferidos los equivalentes reductores del NADPH a los ribonucleótidos para formar los
desoxirribonucleótidos? Señale el papel de tiorredoxina reductasa, tiorredoxina, glutarredoxina reductasa,
glutarredoxina y ribonucleótido reductasa.
El mecanismo de reacción anterior es mas complejo que el implicado en esta ecuación. En E. coli, los
electrones del NADPH son transferidos al sustrato a través de una serie de grupos sulfhidrilo. La
ribonucleótido reductasa cataliza la etapa final, que tiene la estequiometría.
Ribonucleótido difosfato + R-(2) SH ⇒ Desoxirribonucleósido difosfato + R-S-S- + H2O
Los electrones son transferidos del NADPH a los grupos sulfhidrilo son acarreados de la siguiente
manera: Un acarreador del poder reductor es tioredoxina, una proteína de 12 kd con dos residuos de
cisteína expuestos cerca uno del otro. Los grupos sulfhidrilo son oxidados a un disulfuro en la reacción
catalizada por ribonucleótido reductasa. A su vez, la tioredoxina reducida es regenerada por el flujo de
electrones de NADPH. Esta reacción es catalizada por tioredoxina reductasa, una flavoproteína. Los
electrones fluyen del NADPH al FAD de la reductasa y entonces al disulfuro de la tioredoxina oxidada.
La tioredoxina es un donador de electrones no solo en la reducción de ribonucleótidos. Esta proteína
juega un papel importante en el control de las reacciones oscuras de la fotosíntesis. En los cloroplastos, la
tioredoxina oxidada es reducida por ferredoxina. La tioredoxina regula la actividad de enzimas en
muchas clases de células reduciendo enlaces disulfuro.
La tioredoxina no es el único acarreador de poder reductor a la ribonucleótido reductasa. Se encontró
que una mutante de E. coli exenta totalmente de tioredoxina tenía la capacidad de sintetizar
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desoxirribonucleótidos. Esta observación condujo al aislamiento de un segundo sistema acarreador, el
cual resultó ser el tripéptido glutatión.
La glutatión reductasa cataliza la reducción del glutatión oxidado (forma disulfuro) por NADPH. Una
flavina participa en esta reacción redox, como en la catalizada por la tioredoxina reductasa. La
glutaredoxina, transfiere el poder reductor de glutatión a ribonucleótido reductasa, La glutaredoxina y
tioredoxina son proteínas homólogas.
La ribonucleótido reductasa consiste de dos subunidades: B1 (un dímero de 172 kd) y B2 (un dímero
de 87 kd).
9. (a) ¿Cuál es la reacción catalizada por la timidilato sintetasa y cuál es el papel del N5, N10 metilén
tetrahidrofolato en esta reacción?
El uracilo no es un componente del ADN. En lugar de uracilo, el ADN contiene timina, el análogo
metilado de uracilo. La formación de timina ocurre al nivel de desoxirribonucleósido fosfato:
(desoxiuridilato, dUMP, es metilado a desoxitimidilato, dTMP, por timidilato sintetasa). El donador de
metilos en esta reacción es N5,N10-metilén tetrahidrofolato y no S-adenosilmetionina.
El grupo metilo insertado en el desoxiuridilato está mas reducido que el grupo metileno en el derivado de
tetrahidrofolato. Los dos electrones para realizar esta reducción proviene del residuo de tetrahidrofolato
mismo en la forma de un ion hidruro que es removido del anillo. Este hidrógeno llega a ser parte del grupo
metilo de dTMP. En esta reacción el tetrahidrofolato es oxidado a dihidrofolato.
De esta manera, el N5,N10 metilén tetrahidrofolato sirve tanto como un donador de electrones y de una
unidad de carbono.
(b) ¿Qué papel juega la enzima dihidrofolato reductasa en la conversión de dUMP a dTMP
El N5,N10 metilén tetrahidrofolato debe regenerarse a expensas dihidrofolato para volver a ser
donador de grupos metilo. Esta reacción de regeneración es realizada por la enzima dihidrofolato
reductasa usando NADPH como agente reductor.
dihidrofolato + NADPH + H+ ⇒ tetrahidrofolato + NADP+
(c) ¿Qué reacciones son inhibidas y cuál es el mecanismo de acción e importancia clínica de (c1)
fluorouracilo, (c2) aminopterina y (c3) metotrexate?
(c1) El fluorouracilo (o fluorodesoxiuridina), una droga anticáncer usada clínicamente, es convertida
in vivo en flurodesoxiuridilato (F-dUMP). Este análogo de dUMP inhibe irreversiblemente a la timidilato
sintetasa después de actuar como un sustrato normal a través de parte del ciclo catalítico. Primero un
grupo sulfhidrilo de la enzima se une covalentemente al C-6 del F-dUMP.
Entonces el metiléntetrahidrofolato se une a C-5 de este intermediario. En el caso de dUMP, un ion
hidruro del folato se desplaza al grupo metilén, y se elimina un protón del C-5 del nucleótido. Sin embargo,
el F+ no puede sustraerse del F-dUMP, por la enzima y así se bloquea la catálisis en la etapa del complejo
formado por F-dUMP, metiléntetrahidrofolato y el grupo sulfhidrilo de la enzima.
c2 y c3. La síntesis de dTMP también se puede bloquear inhibiendo la regeneración del tetrahidrofolato.
Los análogos del dihidrofolato como aminopterina y metotrexate (ametopterina) son inhibidores
competitivos potentes de la enzima dihidrofolato reductasa. El metotrexate es una droga útil en el
tratamiento de muchos tumores que crecen rápidamente, como la leucemia aguda y el coriocarcinoma.
Sin embargo, el metotrexate es muy tóxico ya que mata a las células que se replican rápidamente si son
malignas o no. Las células germinales de la médula ósea, las células epiteliales del tracto gastrointestinal y
de los folículos del pelo son vulnerables a la acción de este antagonista de folatos, lo que explica muchos
de sus efectos tóxicos colaterales.
(d) ¿Por qué se dice que el fluorouracilo es un inhibidor suicida?
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Por qué el fluorouracilo en sí no es un inhibidor, la vía del salvamento de las purinas lo convierte en FdUMP, el cual se une a la enzima y esta forma un complejo junto con THF en donde se bloquea la catálisis.
10. Explique cómo se sintetizan el NAD+, el FAD y la coenzima A mencionando
(a) ¿Cuál es la primera reacción en la síntesis de NAD+?
La formación de nicotinato ribonucleótido a partir de nicotinato y PRPP.
(b) ¿De dónde se deriva el nicotinato o niacina? Del triptofáno.
(c) ¿Cómo se produce y cuáles son las características de la pelagra?
Una deficiencia dietaria de triptófano y nicotinato puede conducir a pelagra, una enfermedad
caracterizada por dermatitis, diarrea y demencia. Un tumor endocrino que consume grandes cantidades
de triptofáno en sintetizar serotonina (5-OH triptamina), una hormona y neurotransmisor, produce síntomas
parecidos a pelagra.
(d) ¿Quiénes donan el residuo AMP y el residuo amino del NAD+?
Un residuo de AMP es transferido del ATP al nicotinato ribonucleótido para formar desamido-NAD+. El
paso final es la transferencia de un grupo amida de glutamina al grupo carboxilo para formar NAD+.
(e) ¿Cuál es la primera reacción en la síntesis de FAD y de dónde proviene el residuo de AMP en la
segunda reacción?
El FAD es sintetizado a partir de riboflavina y 2 moléculas de ATP. La riboflavina es fosforilada por
ATP para dar riboflavina 5’-fosfato (también llamado FMN). El FAD es entonces formado por la
transferencia de un residuo de AMP de una segunda molécula de ATP a riboflavina 5’-fosfato.
Riboflavina + ATP ⇒ riboflavina 5’-fosfato + ADP
Riboflavina 5’-fosfato + ATP ⇒ FAD + PPi
(f) ¿Cómo se inicia la síntesis de coenzima A y de dónde proviene el grupo SH y el residuo de AMP de
esta coenzima?
Con la fosforilación de pantotenato para producir 4’ fosfopantotenato. El pantotenato se requiere en
la dieta de los animales, mientras que es sintetizado por plantas y microorganismos. En segundo lugar, se
adiciona un residuo de cisteína, reacción impulsada por la hidrólisis del ATP, al extremo carboxilo de 4’
fosfopantotenato para formar 4’ fosfopantotenil cisteína, el cual se descarboxila para formar 4’fosfopanteteína.
En seguida se transfiere un residuo de AMP proveniente del ATP para formar defosfocoencima A.
Finalmente, la fosforilación de su grupo OH 3’ a expensas del ATP produce coenzima A. La cisteína es la
que aporta el grupo SH de la molécula de coenzima A.
11.(a) ¿Cuáles son las enzimas involucradas en la degradación de las purinas? Señale los
intermediarios en esta vía de degradación.
Los nucleótidos son degradados hidrolíticamente a nucleósidos por nucleotidasas (5’ nucleotidasa)
(AMP a adenosina). La nucleósido fosforilasa cataliza la ruptura fosforolítica de nucleósidos a bases
libres y ribosa 5-fosfato (o desoxirribosa 1-fosfato) (inosina a hipoxantina). La fosforribomutasa
isomeriza la ribosa 1-fosfato a ribosa 5-fosfato, un sustrato de la síntesis de PRPP. Algunas de las bases
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son reutilizadas para formar nucleótidos por la vía de salvamento. La vía de degradación de AMP incluye
un paso adicional.
El AMP se desamina a IMP por adenilato desaminasa. El grupo 5’-fosfato del IMP se hidroliza y el
enlace glicosídico se rompe por Pi para producir la base libre hipoxantina.
La xantina oxidasa, una flavoproteína que contiene molibdeno y hierro, oxida la hipoxantina a
xantina y entonces a urato. El oxígeno molecular, el oxidante en ambas reacciones, es reducido a H2O2,
que se descompone en agua y oxígeno por acción de la catalasa. La xantina es también un intermediario
en la formación de urato de guanina. El humanos, el urato es el producto final de la degradación de
purinas y es excretado en la orina.
AMPàadenosina+Pi àInosina+NH3 àhipoxantina+ribosa à xantina+H2O2à ácido úrico + H2O2
GMP à guanosina + Pi àguanina + ribosa à xantina à ácido úrico.
(b) ¿En qué especies el producto final del catabolismo de las purinas es alantoína y en que especies es
urea?
El rompimiento de las purinas no se detiene en ácido úrico en algunas especies. A diferencia de los
primates, pájaros, reptiles e insectos que excretan ácido úrico como producto terminal del catabolismo
de las purinas,
los mamíferos no primates excretan alantoína, que se forma por oxidación de urato (reacción
catalizada por urato oxidasa).
Los peces teleostos excretan alantoato, que se forma por hidratación de alantoína (catalizado por
alantoinasa).
La degradación continúa en anfibios y la mayoría de los peces en donde el alantoato es hidrolizado a
dos moléculas de urea y una de glioxilato (reacción catalizada por alantoicasa).
Finalmente, algunos invertebrados marinos hidrolizan la urea en amonio y bióxido de carbono
(reacción catalizada por ureasa).
12.Explique la vía de degradación de las pirimidinas.
La timina es degradada a β-aminoisobutirato, por tres reacciones consecutivas catalizadas por
1. dihidrouracilo deshidrogenasa, 2. dihidropirimidinasa y 3. β-ureidopropionasa.
Timina -1à dihidrotimina -2àβ-ureidoisobutirato -3à β-aminoisobutirato à (aminotransferasa) à
metilmalonilsamiladehído à metilmalonilCoA.
El β-aminoisobutirato es metabolizado como si fuera un aa. El grupo amino es removido por
transaminación con α-CG para producir metilmalonato semiladehído, el cual se convierte en
metilmalonil CoA.
La conversión de este compuesto a succinil CoA (intermediario del ciclo de Krebs) ya se ha discutido
en la degradación de aa de cadena ramificada y en la degradación de ácidos grasos de cadena impar. El
átomo de nitrógeno de timina es excretado en forma de urea, ya que el otro producto de la transaminación,
el glutamato, cede su grupo amino, en la reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa, en forma de
amonio, el cual se utiliza para formar carbamil fosfato, precursor de la urea.
13.(a) ¿Cómo puede contribuir al desarrollo de la enfermedad llamada gota, la deficiencia de la enzima
hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa?
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La gota es una enfermedad que afecta las articulaciones y los riñones. La característica principal de la
gota es un elevado nivel de urato en el suero. Parece que la gota es una expresión de una variedad de
errores innatos del metabolismo que se caracterizan por la producción excesiva de urato. Algunos
pacientes con ésta anormalidad tienen una deficiencia parcial de hipoxantina-guanina fosforribosil
transferasa (HGPRT), la enzima que cataliza la síntesis por salvamento de IMP y GMP. La deficiencia
de HGPRT conduce a una disminución en la síntesis de GMP e IMP por la vía del salvamento y a un
aumento en el nivel de PRPP.
Hay una marcada aceleración de la biosíntesis de purinas por la vía de novo. Unos pocos pacientes
con gota tienen unos niveles anormalmente altos de fosforribosilpirofosfato sintetasa activa. El control
alostérico de la sintetasa está deteriorado en estos pacientes. Esto resulta en una excesiva producción
de PRPP, lo cual a su vez acelera la velocidad de síntesis de novo de las purinas.
(b) ¿Cuáles son los efectos metabólicos de la administración de alopurinol?
El alopurinol, usado en el tratamiento de la gota, es un análogo de hipoxantina en el cual los átomos
de N y C en las posiciones 7 y 8 están intercambiados. El mecanismo de acción es el siguiente: actúa
primero como un sustrato y después como un inhibidor de la xantina oxidasa.
Esta enzima hidroxila alopurinol a aloxantina, que permanece fuertemente unido al sitio activo. El átomo
de Mo de la xantina oxidasa es mantenido en el estado de oxidación +4 por la unión de la aloxantina en
lugar de retornar al estado de oxidación +6 como sucede en un ciclo catalítico normal. Este es otro ejemplo
de inhibición suicida.
Por lo tanto, la síntesis de urato, a partir de hipoxantina y xantina, disminuye muy pronto después de
la administración de alopurinol.
La concentración sérica de xantina e hipoxantina aumenta después de la administración de alopurinol,
mientras que la del urato disminuye. La formación de piedras (cálculos) de ácido úrico se abate
totalmente por el alopurinol y hay una mejoría en la artritis. También hay una disminución en la
velocidad total de síntesis de purinas.
También, la velocidad de síntesis de purinas disminuye debido a que el alopurinol secuestra al PRPP
al reaccionar con este y formar el ribonucleótido correspondiente (alopurinol ribonucleótido).
Por lo tanto, el nivel de PRPP, el sustrato limitante en la síntesis de novo de las purinas está disminuido.
Además el alopurinol ribonucleótido inhibe la conversión de PRPP en fosforribosilamina (reacción
catalizada por amidofosforribosiltransferasa).
(c) ¿Cuáles son las consecuencias de la ausencia casi total de la enzima hipoxantina-guanina
fosforribosil transferasa?
Son devastadoras. La expresión mas sorprendente de este error innato del metabolismo es el síndrome
de Lesch-Nyhan que se caracteriza por una conducta compulsiva y autodestructiva. A la edad de dos o
tres, los niños con esta enfermedad empiezan a morderse los dedos y los labios.
La tendencia a la automutilación es tan extrema que es necesario protegerlos con medidas tales como
la envoltura de sus manos con gasa. También tienden a ser agresivos contra otros.
La deficiencia mental y la espasticidad son otras características de este síndrome. Los niveles
elevados de urato en el suero conducen a la formación de cálculos en las etapas tempranas de la vida,
seguido por los síntomas de la gota años mas tarde.
Las consecuencias bioquímicas de la ausencia virtual de HGPRT son una sobreproducción de urato y
una elevada concentración de PRPP. También se presenta un marcado aumento de la síntesis de
novo de purinas.
La relación ente la ausencia de la transferasa y los signos neurológicos antes descritos son un enigma.
Es posible que el cerebro sea muy dependiente de la vía de salvamento para la síntesis de IMP y GMP.
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Los niveles normales de HGPRT son mayores en cerebro que en cualquier otro tejido. Por el contrario,
la actividad de la amidotransferasa, que cataliza el paso regulado en la vía de novo, es mas bien baja en
el cerebro. El alopurinol disminuye la síntesis de urato en el síndrome de Lesch-Nyhan. Sin embargo, no
afecta la velocidad de síntesis de novo de purinas, y NO alivia la expresión neurológica de la enfermedad.
Los pacientes con el síndrome de Lesch-Nyhan no convierten el alopurinol en el ribonucleótido
debido a que carecen de HGPRT. De aquí que la administración de alopurinol no disminuye el nivel de
PRPP en los individuos y así la síntesis de purinas no disminuye.
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17. INTEGRACIÓN DEL METABOLISMO
1. Describa cinco estrategias importantes del metabolismo (la estrategia básica del metabolismo es
formar ATP, poder reductor y bloques para biosíntesis) señalando:
(a) La formación y función del ATP y del NADPH:
El ATP es el acarreador universal de energía.
El alto potencial de transferencia de fosforilo del ATP, lo capacita para servir como fuente de energía en
la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y biosíntesis. La hidrólisis de
una molécula de ATP cambia el cociente de equilibrio de los productos a los reactivos en las reacciones
acopladas por un factor de 108. Por lo tanto, la secuencia de reacciones desfavorables
termodinámicamente, pueden hacerse altamente favorables, al acoplarlas a la hidrólisis de un número
suficiente de moléculas de ATP.
Por ejemplo, se consumen 3 moléculas de ATP en la conversión de mevalonato en isopentenil
pirofosfato, la unidad activada de 5 carbonos en la síntesis del colesterol.
El ATP se genera por la oxidación de moléculas de combustible tales como glucosa, ácidos grasos y
aminoácidos.
El intermediario común en la mayoría de estas oxidaciones es acetil CoA. Los carbonos de la unidad
acetilo son oxidados completamente a CO2 con la concomitante producción de NADH y FADH2.
Estos acarreadores de electrones transfieren sus electrones a la cadena respiratoria hasta que llegan al
O2 (aceptor de los electrones al final de la cadena respiratoria); simultáneamente los protones son
bombeados fuera de la membrana interna mitocondrial (lugar de la cadena de transporte de electrones)
para la formación del gradiente de protones. El ATP se sintetiza cuando los protones regresan a la matriz
mitocondrial.
La cantidad de ATP en la glicólisis anaeróbica en comparación con la glicólisis aeróbica que incluye
la fosforilación oxidativa (es mucho mayor en la glicólisis aeróbica en donde se sintetizan 36 o 38
moléculas de ATP en comparación con las 2 que se sintetizan en la glicólisis anaeróbica). Ventaja de la
glicólisis anaeróbica (la glicólisis puede llevarse a cabo por un corto tiempo bajo condiciones anaeróbicas,
en contraste con la fosforilación oxidativa, que requiere un aporte continuo de O2).
El NADPH es el principal donador de electrones en la biosíntesis reductora. En la mayoría de las rutas
biosintéticas, el producto es mas reducido que sus precursores, y se requiere, además de ATP, poder
reductor.
La molécula que proporciona los electrones de alto potencial es generalmente el NADPH.
Ejemplos: biosíntesis de ácidos grasos, el grupo ceto se reduce a grupo metileno. La activación de O2
por las oxigenasas de función mixta en las reacciones de hidroxilación ilustra el papel del NADPH como
reductor. La vía de las pentosas proporciona mucho del NADPH requerido. Este reductor también se forma
por el transporte mitocondrial citrato-piruvato y la enzima málica (citosol).
(b) La biosíntesis de macromoléculas. Las muy diversas moléculas requeridas para la vida se
sintetizan a partir de un pequeño conjunto de bloques constructores.
Las vías que generan ATP y NADPH también proporcionan materia prima para la biosíntesis de
moléculas mas complejas. E. g. Dihidroxiacetona fosfato formado en la glicólisis produce glicerol para
fosfatidilcolina y otros fosfoglicéridos. El fosfoenolpiruvato, otro intermediario de la glicólisis,
proporciona parte de los átomos de carbono de los aa aromáticos.
Acetil CoA à ácidos grasos
Succinil CoA à porfirinas
Ribosa 5P--->--->unidades de azúcar en los nucleótidos.
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Se requiere unidades de 1 carbono a varias etapas de oxidación. El tetrahidrofolato es una fuente de
estas unidades en varias estados de oxidación.
La formación de estos derivados, y de S-adenosilmetionina, el principal donador de grupos metilo, está
estrechamente relacionado con el metabolismo de aminoácidos. Las vías metabólicas centrales tienen
papeles catabólicos como anabólicos.
(c) La comparación entre las vías de degradación y de síntesis.
La síntesis y degradación de glucógeno y de ácidos grasos se llevan a cabo por vías distintas.
Ventajas: son termodinámicamente favorables todo el tiempo. Una vía biosintética se hace exergónica
acoplándole la hidrólisis de un número suficiente de moléculas de ATP.
Por ejemplo se gastan 4 enlaces de alta energía mas en la conversión de piruvato a glucosa que de
glucosa a piruvato. Los cuatro moléculas de ATP adicionales, aseguran que la gluconeogénesis, al igual
que la glicólisis, sea altamente exergónica todo el tiempo.
El punto central es que las vías metabólicas son gobernadas por las actividades de enzimas claves
y no por la acción de masas. La separación de las vías biosintéticas y degradativas contribuye
grandemente a la efectividad del control metabólico.
2. Señale las principales formas de regulación metabólica incluyendo
(a) interacciones alostéricas. El flujo de moléculas en la mayoría de las vías metabólicas está
determinado principalmente por la cantidad y actividad de ciertas enzimas en vez que por la cantidad de
sustrato disponible. Las reacciones esencialmente irreversibles son sitios potenciales de control. La
primera reacción irreversible en una vía (el paso comprometido) es, comúnmente, un elemento de control
importante.
Las enzimas que catalizan los pasos comprometidos son reguladas alostéricamente, por ejemplo la
fosfofructocinasa-1 en la glicólisis y la acetil CoA carboxilasa en la síntesis de ácidos grasos. Las
reacciones subsecuentes en una vía también pueden estar controladas. Las interacciones alostéricas
capacitan a tales enzimas para detectar diversas señales y para integrar la información.
(b) modificaciones covalentes. Algunas enzimas regulatorias están controladas, además de las
interacciones alostéricas, por modificaciones covalentes. Por ejemplo, la actividad catalítica de la
glucógeno fosforilasa aumenta con la fosforilación, mientras que la de la glucógeno sintetasa
disminuye.
Estas modificaciones covalentes están catalizadas por enzimas específicas. Otro ejemplo es glutamina
sintetasa, la cual es menos activa por la inserción covalente de una unidad de AMP. Nuevamente, la
adición y remoción de este grupo modificador es catalizada por enzimas específicas. ¿Por qué la
modificación covalente se usa además del control alostérico no covalente? Las modificaciones covalentes
de enzimas clave en el metabolismo son la etapa final de las cascadas de amplificación.
Consecuentemente las vías metabólicas pueden activarse o desactivarse por pequeñas señales
disparadoras, como se muestra por la acción de epinefrina cuando estimula la degradación de glucógeno.
También las modificaciones covalentes usualmente duran mas tiempo (segundos a minutos) que las
interacciones alostéricas reversibles (milisegundos a segundos).
(c) niveles de enzimas. Las velocidades de síntesis y degradación de algunas enzimas regulatorias
está sujeta a factores hormonales. Agregar ejemplos específicos.
(d) compartamentalización y especialización metabólica de los órganos. Los patrones metabólicos
de las células eucariontes están marcadamente afectado por la presencia de compartimientos. Procesos en
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citosol (glicólisis, pentosas, síntesis ag), en mitocondria (oxidación ag, CAC, etc.) , en ambos lugares (GN,
urea).
El destino de algunos metabolitos depende de su localización. Por ejemplo, los ácidos grasos en el
citosol o en la mitocondria siguen caminos diferentes. El paso de los ácidos grasos a través de la
membrana interna mitocondrial está regulado.
3. Señale los principales puntos de control de las siguientes vías metabólicas
(a) glicólisis. La conversión de glucosa a piruvato produce 2 ATP y 2 NADH. ¿En que reacción se
produce NADH? ¿En qué condiciones es muy activa la glicólisis anaeróbica? ¿Cómo se regenera el NAD+
en condiciones aeróbicas y anaeróbicas? Los dos principales propósitos de la glicólisis son la
degradación de la glucosa para la producción de ATP y de bloques constructores para biosíntesis.
La fosfofructocinasa-1 es el principal punto de control, el ATP y el citrato la inhiben y el AMP revierte
esta inhibición. El cociente ATP/AMP indica la necesidad de energía, y el citrato las necesidades de
bloques constructores.
En el hígado el regulador mas potente es fructosa 2,6 bifosfato (F2,6,BP). El nivel de F2,6BP está
determinado por la actividad de la cinasa que la forma a partir de fructosa 6 P y de la fosfatasa que
hidroliza el grupo 2’ fosforilo. Cuando el nivel de glucosa es bajo, una cascada disparada por glucagon
conduce a la activación de esta fosfatasa y a la inhibición de la cinasa en el hígado. La disminución
resultante en los niveles de F2,6BP conduce a la desactivación de la PFK-2 y a la disminución de la
glicólisis.
Es muy importante resaltar que la PFK-2 es controlada de manera diferente en el músculo. La cinasa
del músculo que cataliza la síntesis de F2,6BP no es inhibida, sino estimulada por una fosforilación
dependiente de AMPc.
Así, la epinefrina estimula la glicólisis en el músculo pero la inhibe en el hígado. Debido a esta
diferencia clave en las isoenzimas. El aumento en la ruptura del glucógeno hepático inducido por
epinefrina sirve para enviar glucosa al músculo, el cual rápidamente la consume para generar ATP para la
contracción muscular.
(b) ciclo del ácido cítrico. Sitio en que ocurre. Vía común de que rutas (carbohidratos, aa, y ag).
Productos de la oxidación completa de una unidad de acetilo. Destino de los cuatro pares de electrones. El
NADH y el FADH2 son oxidados solo si el ADP es fosforilado simultáneamente a ATP. Este fuerte
acoplamiento, llamado control respiratorio, asegura que la velocidad del ciclo del ácido cítrico iguale a las
necesidad del ATP.
La abundancia del ATP disminuye las actividades de tres enzimas del ciclo: citrato sintasa, isocitrato
deshidrogenasa y α -CG deshidrogenasa. La isocitrato deshidrogenasa es estimulada por ADP y la α CG deshidrogenasa es inhibida por NADH y succinil CoA. La piruvato deshidrogenasa es inhibida por
AcCoA, ATP y NADH.
El ciclo tiene también un papel anabólico, proporciona intermediarios para biosíntesis: de α-CG,
glutamato; de OA, aspartato; de succinil CoA, porfirinas.
(c) vía de las pentosas. Toma lugar en el citosol y tiene dos propósitos. Se generan dos NADPH
cuando la glucosa 6P se metaboliza a ribosa 5fosfato. La deshidrogenación de glucosa 6P, es el paso
comprometido de esta vía que es regulado por el nivel de NADP+. El fosfato extra permite distinguirlo del
NADH, lo cual hace posible tener al mismo tiempo cocientes NADPH/NADP+ y NAD+/NADH altos en el
mismo compartimiento. Por lo tanto, se pueden realizar simultáneamente la biosíntesis reductora y la
glicólisis.
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(d) gluconeogénesis. En que tejidos se puede sintetizar glucosa y a partir de que precursores. El
principal punto de entrada a esta vía es el piruvato, que es carboxilado a oxaloacetato. Se convierte en
fosfoenolpiruvato. Otras dos reacciones características de la GN, son pasos hidrolíticos que sustituyen
reacciones irreversibles de la glicólisis.
La GN y la GLI son reguladas recíprocamente, esto es, mientras una está activa, la otra está inactiva.
Por ejemplo, el AMP inhibe y el citrato activa la fructosa 1,6 bifosfatasa, una enzima clave de la GN, y
estas moléculas tienen efectos opuestos sobre PFK, el marcapasos de la glicólisis. La F2,6BP también
coordina estos procesos inhibiendo F1,6BP. De aquí, que cuando la glucosa es abundante, el alto nivel
de F2,6BP inhibe la GN y activa la GLI.
(e) síntesis y degradación de glucógeno. El glucógeno un combustible de almacenamiento ramificado
y que se puede movilizar rápidamente. La UDP-glucosa se sintetiza a partir de UTP y Gl-1-P. La sintetasa
de glucógeno cataliza la transferencia de glucosa, a partir de UDP-glucosa, al extremo hidroxilo terminal
de una ramificación en crecimiento.
El glucógeno se degrada por una vía diferente. La síntesis y la degradación de glucógeno están
controladas coordinadamente por una cascada de amplificación disparada por hormonas de tal manera que
la sintetasa está inactiva cuando la fosforilasa está activa. Estas enzimas están reguladas por
fosforilación e interacciones no covalentes.
(f) síntesis y degradación de ácidos grasos. Lugar de sitio de la síntesis. Adición de unidades de
dos carbonos a una proteína acarreadora de acilos. Formación de malonil CoA. La transportación de
grupos acetilo al citosol por el transporte citrato-malato. El citrato en el citosol estimula a la acetil CoA
carboxilasa, la enzima que cataliza el paso comprometido.
Cuando el ATP y la acetil CoA son abundantes, el nivel de citrato aumenta, lo que acelera la
velocidad de síntesis de AG. Los AG son degradados por una vía totalmente diferente, la cual se realiza en
la matriz mitocondrial.
Esta vía se llama β-oxidación, la cual genera acetil CoA., la cual entra al ciclo del ácido cítrico si la
cantidad de OA es suficiente. Si no hay suficiente OA, se general cuerpos cetónicos. El malonil CoA inhibe
la carnitina aciltransferasa I y, así, la entrada de los ácidos grasos a la mitocondria. El NADH inhibe la 3OH
acil CoA deshidrogenasa y la acetil CoA inhibe la tiolasa. Al igual que el ciclo del ácido cítrico, la βoxidación puede continuar solo si el NAD+ y el FAD se regeneran. Por lo tanto, la degradación de los AG
está acoplada a la necesidad de ATP.
4. Explique la formación y el destino de las siguientes moléculas clave del metabolismo.
a) glucosa 6 fosfato. Procede de la glucosa que entra a la célula, puede seguir a glucógeno,
piruvato o ribosa 5 fosfato. El glucógeno se forma cuando la G6P y el ATP son abundantes. Por el
contrario, la G6P entra a la vía glicolítica cuando se requiere de ATP e intermediarios para biosíntesis. Por
lo tanto, la conversión de glucosa a piruvato puede ser anabólica y catabólica.
El tercer destino es la vía de las pentosas, la cual tiene como productos principales NADPH y ribosa
5 fosfato. La G6P puede formarse por la movilización de glucógeno o puede sintetizarse de piruvato y aa
glucogénicos. Un bajo nivel de glucosa en la sangre estimula la glucogenolísis y la GN en el hígado y en el
riñón los cuales poseen glucosa 6 fosfatasa.
(b) piruvato. Deriva principalmente de G6P, Ala y lactato.
(b1) La reducción de piruvato a lactato catalizada por LDH sirve para regenerar NAD+, lo cual hace
posible que la glicólisis proceda transitoriamente bajo condiciones anaeróbicas. El lactato ingresa al ciclo
de Cori. De esta manera, el músculo en actividad le traslada el gasto energético al hígado.
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b2 Otra reacción, rápidamente reversible en el citosol, es la transaminación a piruvato, un α-cetoácido,
de alanina, el aa correspondiente. Varios aa pueden sintetizarse a partir de precursores no carbohidratos
por esta ruta. Por el contrario, varios aminoácidos pueden entrar a la vía metabólica central de esta
manera. Por lo tanto, la transaminación es una vía de enlace muy importante entre el metabolismo
de aa y de CHOS.
b3 Un tercer destino del piruvato es su carboxilación a OA dentro de la mitocondria lo cual inicia la GN.
Esta reacción también es importante para reponer intermediarios del ciclo de Krebs. La activación de
piruvato carboxilasa por AcCoA aumenta la síntesis de OA cuando el ciclo de Krebs disminuye por
la baja concentración de este intermediario. Por otro lado, el OA sintetizado a partir de piruvato fluye en
la GN cuando el CK es inhibido por una alta concentración de ATP.
b4 Descarboxilación oxidativa de Pir a AcCoA. Reacción irreversible, sitio en que ocurre.
Compromete los átomos de carbono de los CHOS y aa a la oxidación por el CK o a la síntesis de lípidos. El
complejo de la piruvato deshidrogenasa se regula por múltiples interacciones alostéricas y modificaciones
covalentes. El Pir se convierte rápidamente en AcCoA solo si se requiere ATP o unidades de dos carbonos
para la síntesis de lípidos.
(c) acetil CoA. Sus principales fuentes (piruvato y AG) y también de aa cetogénicos. El destino de esta
molécula es muy restringido. Se puede oxidar completamente a CO2 por medio del ciclo del ácido cítrico o
se puede formar el 3OH 3 metilglutarilCoA de 3 moléculas de AcCoA.
Este compuesto se puede formar en el citosol, para la síntesis de colesterol o en la mitocondria la la
producción de ácidos grasos. Es precursor de colesterol y de los cuerpos cetónicos. Una tercera ruta de
AcCoA es la exportación al citosol (en forma de citrato) para la síntesis de ácidos grasos. No se puede
convertir en piruvato en los mamíferos y como consecuencia no pueden convertir grasas en CHOS.
5. Describa el perfil metabólico de los siguientes órganos o tejidos. Incluya en su descripción las
necesidades energéticas y los principales combustibles requeridos en situaciones normales y de ayuno/o
ejercicio intenso, las interrelaciones metabólicas entre algunos de estos tejidos
(a) cerebro. La glucosa es virtualmente el único combustible para el cerebro humano, excepto
durante el ayuno prolongado. El cerebro carece de almacenes de combustible por lo que requiere un
aporte continuo de glucosa, la cual entra libremente en todo momento. Consume aprox. 120 g diarios
(aprox 420 kcal).
El cerebro consume aprox el 60% de toda la glucosa que consume el cuerpo durante el reposo. Durante
el ayuno, los cuerpos cetónicos (acetoacetato y 3-OH butirato) reemplazan a la glucosa como
combustible.
El acetoacetato es activado por la transferencia de CoA de succinil CoA para dar acetoacetil CoA. La
ruptura por la tiolasa produce 2 moléculas de acetil CoA, que entran al ciclo del ácido cítrico. Los
ácidos grasos no sirven como combustible para el cerebro debido a que están unidos a albúmina en
el plasma y no atraviesan la barrera hematoencefálica. En esencia, los cuerpos cetónicos son
equivalentes transportables de ácidos grasos.
(b) músculo. Los principales combustibles del músculo son la glucosa, ácidos grasos y cuerpos
cetónicos. El músculo difiere del cerebro en que tiene una gran reserva de glucógeno (1200 kcal). ¾
partes de todo el glucógeno en el cuerpo está almacenado en el músculo. El contenido de glucógeno
después de una comida puede ser tan alto como 1%. Es convertido rápidamente en G6P para uso interno.
No exporta glucosa sino que la retiene pues es su combustible preferido para realizar su actividad
intensa.
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En el músculo en rápida contracción, la velocidad de glicólisis excede con mucho a la del ciclo de Krebs.
Mucho del piruvato se convierte a lactato el cual entra al ciclo de Cori. También se forma alanina en el
músculo en actividad por la transaminación de piruvato.
La alanina, como el lactato, puede convertirse en glucosa en el hígado. El patrón metabólico del músculo
en descanso es totalmente diferente, en este caso, los ácidos grasos son los principales combustibles. Los
cuerpos cetónicos pueden servir también como combustible al corazón. De hecho, el corazón
consume preferentemente acetoacetato y no glucosa.
(c) tejido adiposo. Los triglicéridos almacenados en el tejido adiposo constituyen una enorme reserva
de combustible metabólico. Su contenido de energía es de 135,000 kcal en un adulto típico de 70 kg. El
tejido adiposo está especializado en la esterificación de ácidos grasos y en la liberación de los triglicéridos.
En los humanos, el hígado es el principal sitio de síntesis de los ácidos grasos, mientras que la tarea
principal del tejido adiposo es activar los ácidos grasos y transferir al glicerol los derivados CoA resultantes.
El glicerol 3-fosfato, un intermediario clave en la biosíntesis, proviene de la reducción de
dihidroxiacetona fosfato, la cual se forma a partir de la glucosa por la vía glicolítica.
Las células adiposas son incapaces de fosforilar el glicerol endógeno debido a que ellas carecen de
la cinasa respectiva. Por lo tanto, las células adiposas requieren de glucosa para la síntesis de triglicéridos.
Los triglicéridos son hidrolizados a ácidos grasos y glicerol por lipasas. La liberación de los ácidos grasos
de triglicéridos, el paso limitante de la velocidad, es catalizado por una lipasa sensible a hormonas que se
fosforila reversiblemente.
El AMPc, el mensajero intracelular en esta cascada amplificadora disparada por hormonas, activa
una cinasa de proteínas. Los triglicéridos en el tejido adiposo se sintetizan y se hidrolizan continuamente.
El glicerol derivado de su hidrólisis es exportado al hígado. La mayoría de los ácidos grasos formados en
la hidrólisis se reesterifican si el glicerol 3 fosfato es abundante. Por el contrario, se liberan al plasma si el
glicerol 3 fosfato es escaso por la baja concentración de glucosa. Así, el nivel de glucosa dentro de las
células adiposos es un factor primordial que determina si los ácidos grasos son liberados a la
sangre.
(d) hígado. Las actividades metabólicas del hígado son esenciales para proporcionar combustible al
cerebro, músculo y otros tejidos periféricos. La mayoría de los compuestos absorbidos por el intestino
pasan a través del hígado, lo cual lo capacita para regular el nivel de muchos metabolitos en la sangre. El
hígado puede tomar grandes cantidades de glucosa y convertirla en glucógeno. De esta manera se
almacenan 400 kcal.
El hígado puede liberar glucosa a la sangre al romper su almacén de glucógeno y al realizar
gluconeogénesis. Los principales precursores de glucosa son lactato y alanina del músculo, glicerol del
tejido adiposos y aa glucogénicos de la dieta. El hígado también juega un papel central en la regulación del
metabolismo de lípidos.
Cuando los combustibles son abundantes, los ácidos grasos son sintetizados en el hígado en la
forma de VLDL. Esta lipoproteína es la fuente principal de ácidos grasos usados por el tejido adiposo para
sintetizar triglicéridos. Sin embargo, en el ayuno, el hígado convierte los ácidos grasos en cuerpos
cetónicos. ¿Cuál es la manera en la que el hígado escoge entre estas vías opuestas? La selección se
hace si los ácidos grasos entran a la matriz mitocondrial. Los ácidos grasos de cadena larga atraviesan
la membrana interna mitocondrial solo si se esterifican a carnitina.
La carnitina acil transferasa I, que cataliza la formación de acil carnitina en la superficie externa de la
membrana interna, es inhibida por malonil CoA, el intermediario comprometido en la síntesis de ácidos
grasos. Así, cuando los ácidos grasos de cadena larga están siendo sintetizados, no pueden entrar a la
matriz mitocondrial, el compartimiento donde se realiza la β-oxidación y la formación de cuerpos cetónicos.
En vez, estos ácidos grasos se incorporan a triglicéridos y fosfolípidos. Por el contrario, el nivel de malonil
CoA es bajo cuando el combustible es escaso.
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Bajo estas condiciones, los ácidos grasos liberados del tejido adiposo entran a la matriz mitocondrial
para la conversión a cuerpos cetónicos. ¿Cómo suple el hígado sus necesidades energéticas? Los
cetoácidos derivados de la degradación de los aa son usados preferentemente a la glucosa como el
combustible propio del hígado. De hecho, el principal propósito de la glicólisis en el hígado es la
formación de bloques constructores para biosíntesis. Además, el hígado no puede usar acetoacetato
como combustible debido a que carece de la transferasa requerida para su activación a acetil CoA.
6. Describa la manera en que las siguientes hormonas regulan el metabolismo. Para cada hormona
mencione (a) la estructura y sitio de síntesis (b) el o los estímulos que los liberan de sus sitios de síntesis y
almacenamiento (c) sus principales órganos blanco (d) el mecanismo intracelular de acción y (e) su efecto
neto sobre el metabolismo.
(a) insulina. Esta hormona polipeptídica de 5.8 kd y el glucagon son los moduladores mas importantes
del metabolismo de combustibles. La secreción de insulina de las células β del páncreas es
estimulada por glucosa y el sistema nervioso parasimpático. En esencia, la insulina indica el estado
alimentado: estimula el almacenamiento de combustibles y la síntesis de proteínas en varios tejidos.
Promueve la desfosforilación de enzimas clave.
Estimula la síntesis de glucógeno en hígado y en músculo y suprime la GN en el hígado, acelera
la glicólisis en el hígado, lo cual a su vez aumenta la síntesis de ácidos grasos. También promueve la
entrada de glucosa al músculo y al tejido adiposos.
La abundancia de glucosa y ácidos grasos al tejido adiposo resulta en la síntesis y almacenamiento de
TG. La insulina promueve la captación de aa de cadena ramificada (Val, Leu, e Ile) lo que favorece la
síntesis de proteínas del músculo.
(b) glucagon. Es un polipéptido de 3.5 kd secretada por las células α del páncreas en respuesta a un
bajo nivel de glucosa en el ayuno. El principal blanco es el hígado. Estimula el rompimiento del
glucógeno e inhibe su síntesis disparando la cascada mediada por AMPc que conduce a la fosforilación
de la fosforilasa y de la sintetasa.
También inhibe la síntesis de ácidos grasos disminuyendo la producción de piruvato y la actividad
de la acetil CoA carboxilasa. En hígado estimula la GN y bloquea la GLI disminuyendo el nivel de
F2,6BP.
Todas las acciones conocidas de glucagon son mediadas por cinasas de proteínas. El resultado neto de
las acciones del glucagon es aumentar intensamente la liberación de glucosa por el hígado. De igual
manera, el glucagon eleva el nivel de AMPc en el tejido adiposo, lo cual activa a una lipasa que moviliza los
triglicéridos.
(c) epinefrina y norepinefrina. Estas hormonas catecolaminas son secretadas por la médula adrenal y
las terminaciones de los nervios simpáticos en respuesta a un bajo nivel de glucosa.
Como el glucagon, estimulan la movilización de glucógeno y triglicéridos al disparar una cascada
mediada por AMPc. Difieren del glucagon en que su efecto glucogenolítico es mayor en el músculo
que en el hígado. Otra acción de las catecolaminas es la inhibición de la captación de glucosa por el
músculo.
Por lo tanto, los ácidos grasos liberados del tejido adiposo se usan como combustible. La epinefrina
también estimula la secreción de glucagon e inhibe la secreción de insulina. Así, las catecolaminas
aumentan la cantidad de glucosa liberada a la sangre por el hígado y disminuye su utilización por el
músculo.
7. Explique la manera en que el hígado regula los niveles de glucosa circulante. Discuta el papel de
glucocinasa, glucagon, insulina, glucógeno, fosforilasa a, fosfatasa, fosforilasa b. Mencione el valor
de la concentración normal de glucosa en sangre.
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El nivel de glucosa en una persona típica después de un ayuno de una noche es de 80 mg/100 ml (4.4
mM). ¿Cómo se mantiene el nivel de glucosa relativamente constante a pesar de los grandes cambios en el
consumo y utilización de glucosa? El nivel sanguíneo de glucosa se controla principalmente por la acción
del hígado, que puede tomar o liberar grandes cantidades de glucosa en respuesta a la señales
hormonales y el nivel de glucosa misma.
Después de una comida rica en CHOS, el aumento en la [GLU] en la sangre conduce a un aumento en
el nivel de G6P en el hígado debido a que los sitios catalíticos de la glucocinasa se saturan. La G6P se
forma mas rápidamente por el hígado a medida que aumenta el nivel de glucosa en sangre debido a que la
GLU en el hígado es fosforilada por glucocinasa, que no es inhibida por G6P.
El destino de G6P se controla, en gran medida, por los efectos opuestos de glucagon e insulina. El
glucagon dispara la cascada de fosforilaciones que permite que se rompa el glucógeno y la insulina
antagoniza esta acción. Un alto nivel de glucosa conduce a una disminución en la secreción de glucagon y
a un aumento en la de insulina por el páncreas. Por lo tanto, el glucógeno se sintetiza cuando el nivel de
glucosa en sangre es alto.
Estos efectos hormonales sobre la síntesis y almacenamiento de glucógeno se refuerzan por una
acción directa de la glucosa misma, la fosforilasa a es un sensor de glucosa además de ser la enzima que
rompe el glucógeno.
Cuando el nivel de glucosa es alto, la unión de glucosa a fosforilasa a la hace susceptible a la acción
de la fosfatasa que la convierte en fosforilasa b, la cual no degrada al glucógeno. Esta conversión
también libera al fosfato, lo cual activa a la glucógeno sintetasa. Así, la glucosa alostéricamente desplaza
el sistema de glucógeno de una forma de degradación a una de síntesis. El alto nivel de insulina en el
estado alimentado también promueve la entrada de glucosa al músculo y al tejido adiposo.
La síntesis de glucógeno en músculo y en hígado es estimulada por insulina. La entrada de
glucosa al tejido adiposos provee de glicerol-3-P para la síntesis de triglicéridos.
Después de que el nivel de glucosa empieza a caer después de varias horas de la comida, lo que
conduce a una disminución en la secreción de insulina y a un aumento en la secreción de glucagon. Los
efectos ya descritos se revierten.
La activación de la cascada mediada por AMPc produce una mayor concentración de fosforilasa a y un
menor nivel de glucógeno sintetasa a. El efecto de las hormonas se refuerza por la disminución de la
unión de glucosa a fosforilasa a, y así es menos susceptible a la acción de la fosfatasa. Por el contrario,
la fosfatasa permanece unida a la fosforilasa a y así la glucógeno sintetasa permanece en un estado
fosforilado inactivo. Esto conduce a una movilización de glucógeno.
La gran cantidad de glucosa formada por la hidrólisis de G6P derivada del glucógeno es liberada del
hígado a la sangre. La entrada de glucosa al músculo y al tejido adiposo disminuye por la
disminución en la concentración de insulina, lo que conduce a una disminución en la utilización de
glucosa por estos tejidos.
El músculo y el hígado usan como combustible AG cuando el nivel de glucosa disminuye. De esta
manera, los niveles de glucosa se mantienen mas altos que 80 mg/100 ml por tres factores principales:
- La movilización de glucógeno y la liberación de glucosa del hígado
- La liberación de AG del tejido adiposo
- El cambio en el combustible usado, de glucosa a AG, por el músculo y por el hígado.
8. Describa las adaptaciones metabólicas al ayuno prolongado. Incluya en su descripción las
reservas de energía disponibles y las necesidades energéticas en un adulto de 70 Kg.
Las reservas son: 1,600 kcal de glucógeno, 24,000 kcal de proteínas movilizables y 135,000 kcal en
triglicéridos. La energía requerida para períodos de 24 h va de 1,600 kcal en el estado basal a 6,000 kcal,
dependiendo del grado de actividad. Así, los combustibles almacenados son suficientes para suplir las
necesidades calóricas de 1 a 3 meses.
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El tiempo que duran las reservas de glucosa. Las reservas de CHOS se agotan en un solo día, a pesar
de lo cual el nivel de glucosa se mantiene arriba de los 50 mg/100 ml. El cerebro no puede tolerar niveles
apreciablemente menores de glucosa aún por períodos cortos.
la primera y la segunda prioridad del metabolismo en el ayuno prolongado.
1. Proveer de glucosa suficiente al cerebro y otros tejidos (como eritrocitos) que son absolutamente
dependientes de este combustible. Los precursores para la síntesis de glucosa no son abundantes debido
a que los ácidos grasos no son precursores de la glucosa y es en donde está almacenado la mayor parte
de energía. El glicerol liberado de los triglicéridos se puede convertir en glucosa pero su cantidad es
muy pequeña.
La única fuente potencial de glucosa son los aa derivados del rompimiento de las proteínas y el músculo
es la fuente potencial de aa mas grande durante el ayuno prolongado. Sin embargo, la sobrevivencia de la
mayoría de los animales depende de su capacidad de movimiento, lo cual requiere masa muscular.
2. Por lo tanto, la segunda prioridad del metabolismo, en el ayuno prolongado, es preservar a las
proteínas, lo cual se logra cambiando el combustible en uso, de glucosa a ácidos grasos y cuerpos
cetónicos.
Las dos vías metabólicas principales y los niveles de hormonas después del primer día de ayuno. El bajo
nivel de glucosa conduce a una disminución en la secreción de insulina y a un aumento en la secreción
de glucagon.
Los proceso metabólicos dominantes son la movilización de triglicéridos en el tejido adiposo y la GN por
el hígado. El hígado obtiene su propia energía oxidando ácidos grasos liberados del tejido adiposo. La
concentración de acetil CoA y de citrato aumentan, lo cual disminuye la glicólisis. La captación de
glucosa por el músculo disminuye debido al bajo nivel de insulina mientras que los AG entran
libremente.
Por lo anterior el músculo también usa AG como combustible en vez de GLU. La β-oxidación de los
AG por el músculo detiene la conversión de piruvato a AcCoA. La acetil CoA estimula la fosforilación
del complejo piruvato deshidrogenasa, lo cual lo hace inactivo.
De aquí que piruvato, lactato y alanina son exportados al hígado para su conversión a glucosa. La
proteólisis de algunas proteínas del músculo provee esqueletos de carbono para la glucosa. El glicerol
derivado de la hidrólisis de los TG es otro material para la síntesis de GLU en el hígado.
y los cambios mas importantes después de tres días de ayuno. Después de 3 días de ayuno, los
cambios mas importantes son las grandes cantidades de acetoacetato y 3-OH butirato (cuerpos
cetónicos) formados por el hígado.
Su síntesis a partir de Ac CoA aumenta considerablemente debido a que el CK es incapaz de oxidar
todas las unidades de acetilo generadas por la degradación de los ácidos grasos. La GN depleta el aporte
de OA, el cual es esencial para la entrada de AcCoA en el CK. Por lo tanto, el hígado produce grandes
cantidades de cuerpos cetónicos, lo cuales se liberan a la sangre. En este momento, el cerebro empieza a
consumir grandes cantidades de acetoacetato en vez de glucosa. Después de 3 días de ayuno, cerca de
1/3 de la energía requerida por el cerebro es proporcionada por los cuerpos cetónicos. El corazón también
usa cuerpos cetónicos como fuente de energía. Estos cambios se acompañan de un aumento en los
niveles circulantes de cuerpos cetónicos.
y después de varias semanas de ayuno los cuerpos cetónicos llegan a ser los principales
combustibles del cerebro. Requiere solo 40 g diarios de glucosa comparados con los 120 g en el primer
día de ayuno.
La conversión efectiva de ácidos grasos en cuerpos cetónicos por el hígado y su uso por el cerebro
disminuye marcadamente la necesidad de glucosa. Por lo tanto, se degrada menos músculo que en los
primeros días de ayuno.
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El rompimiento de 20 g de músculo, comparados con 75 g en los primeros días de ayuno, es muy
importante para la sobrevivencia. La duración del ayuno compatible con la vida es determinado
principalmente por la cantidad del depósito de triglicéridos, que por la cantidad de su masa muscular.
9. (a) Describa la manera por medio de la cual los pájaros que migran pueden volar largas distancias
Las aves migratorias nos proporcionan un ejemplo sorprendente del valor biológico de los TG. Algunos
pájaros terrestres pequeños vuelan en el otoño desde sus lugares de cría en Nueva Inglaterra a sus
lugares de hibernación en las Indias Occidentales y entonces regresan otra vez en la primavera. Vuelan
sin parar sobre el agua una distancia de aprox 2400 km. Estos pájaros sostienen una velocidad de 40
Km/h durante 60 horas.
Esto puede hacerse por la existencia de grandes depósitos de grasa que son movilizados muy
eficientemente durante los viajes largos. Los pájaros que migran por distancias cortas o que no migran
están completamente magros.
Tienen índices de grasa de 0.3 (el índice de grasa se define como el cociente del peso seco de la grasa
total del cuerpo al peso que no es grasa). Por el contrario, los migrantes de grandes distancias, llegan a
estar obesos en la, preparación para viajar sobre tierra, y se ponen muy obesas justo antes de viajar sobre
el mar.
De hecho, sus índices de grasa se acerca a 3. En los colibríes, se acumulan cerca de 0.15 gramos de
TG por cada gramo de peso corporal. La ganancia de peso corporal comparable en un adulto sería de 10
Kg.
La grasa acumulada en las aves migratorias se acumula debajo de la piel, en la cavidad abdominal,
en músculo y en el hígado. Aprox. 2/3 de los almacenes de su grasa se consumen en sus largos vuelos
sobre el agua. La transición del uso de los ácidos grasos y cuerpos cetónicos como combustibles
debe ser muy rápido, debido a que casi no se degradan proteínas durante el vuelo de 60 horas. La
oxidación de las grasas también provee a los pájaros de agua requerida para reponer las pérdidas a través
del tracto respiratorio.
10. ¿Cuáles son las alteraciones metabólicas en la diabetes?. Incluya en su respuesta los cambios en
los niveles circulantes de insulina y glucagon, la concentración de F2,6BP en el hígado, la actividad de la
glicólisis y de la gluconeogénesis, la actividad de la carnitina aciltransferasa I, la movilización de
triglicéridos, excreción urinaria de glucosa, producción de cuerpos cetónicos.
La diabetes es una enfermedad compleja caracterizada por un patrón anormal del uso de combustibles
(sobreproducción de glucosa por el hígado y pobre utilización de la misma por otros órganos). Mellitus se
refiere al alto nivel de glucosa en la orina.
La incidencia de la diabetes mellitus (referida solo como diabetes) es del 1% de la población en los
países industrializados. Es la enfermedad metabólica seria mas común, afecta a cientos de millones. Es la
tercera causa de muerte en los Estados Unidos, después de las enfermedades cardíacas y del cáncer.
La diabetes tipo I (dependiente de insulina) es causada por una destrucción autoinmune de las células β del
páncreas.
Normalmente ocurre antes de los 20 años. La diabetes tipo II (no dependiente de insulina), por el
contrario, tiene una causa diferente. Tiene bases genéticas, pero la lesión molecular aún no se ha
identificado.
Estos pacientes tienen niveles normales o altos de insulina pero no responden a la hormona.
Generlamente se presente en etapas posteriores de la vida.
Los pacientes con diabetes no tratada se caracterizan por un metabolismo anormal de glucosa. El nivel
de insulina es muy bajo y el de glucagon es demasiado alto en relación con las necesidades de los
pacientes.
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Por la deficiencia de insulina, la entrada de glucosa a la célula está deteriorada y sus niveles
circulantes están muy elevados. La insulina estimula la captación de glucosa por la mayoría de las células,
con las notables excepciones de hígado y cerebro.
Esto conduce a una disminución en la cantidad de F2,6BF en el hígado, lo que conduce a la inhibición
de GLI y a la estimulación de GN. Esta alteración hormonal también promueve el rompimiento del
glucógeno. Lo anterior conduce a una excesiva producción de glucosa por el hígado a la sangre. La
glucosa es excretada en la orina cuando su concentración en sangre excede la capacidad de reabsorción
en los túbulos renales. El agua acompaña a la glucosa excretada, y de aquí que los diabéticos no tratados
en la fase aguda de la enfermedad se caracterizan por hambre y sed.
El deterioro en la utilización de carbohidratos conduce al rompimiento de grasas y proteínas. La
disminución de malonil CoA, activa a la carnitina aciltransferasa I y así, las moléculas de graso acil
CoA son transportadas eficientemente a la mitocondria donde se oxidan a cuerpos cetónicos.
Los niveles elevados de glucagon también conducen a un aumento en la movilización de TG del tejido
adiposo. Una característica sorprendente de la diabetes es el cambio de uso de combustible de CHOS a
grasas. La glucosa, que es mas abundante que nunca, es despreciada.
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