Procesos Metabólicos def

7/28/2019 Procesos Metabólicos def

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15. Procesos Metabólicos

Introducción

Se denomina metabolismo al conjunto de reacciones químicas controladas genéticamente

que ocurren en los biosistemas y tienen por objeto mantener al biosistema alejado delequilibrio termodinámico. Este conjunto de procesos se puede discriminar en dossubgrupos que son complementarios y a los que se denominan Cataboli smo y Anabolismo .En la figura siguiente se describen las características generales del proceso metabólico.

Los subgrupos de las reacción son inversos y complementarios, hecho que se traduce enuna interdependencia para la cual los productos primarios del catabolismo (ATP, NADH, NADPH y FADH2) son consumidos en el anabolismo, con el fin de producir metabolitos primarios además de ADP, NAD+, NADP+ y FAD (productos oxidados) para con estoreiniciar el ciclo.

El catabolismo es pues la serie de reacciones en la que, como producto final del proceso, selibera energía en forma química gracias a la degradación de moléculas complejas. Seconsideran vías catabólicas las respiraciones aerobia, anaerobia y la fermentación. Por su parte, el anabolismo resume la síntesis de moléculas complejas a partir de componentesestructurales más simples, siendo la síntesis de proteínas un ejemplo de anabolismo.

Tal y como se observa en la figura siguiente, el catabolismo es un evento convergente,mientras que el anabolismo es divergente.



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Dos reacciones químicas generales determinan el funcionamiento metabólico de los biosistemas. La primera denominada fotosíntesis , tiene por objeto transformar la energíalumínica en energía química; energía que a su vez se empleará en el mantenimiento deldesequilibrio que como se ha expresado en reiteradas ocasiones, es propio de lo viviente.La segunda reacción, denominada respiración es inherente a todos los organismos y tiene por objeto obtener energía química que permite la realización de trabajo biológico tal ycomo se resume en la figura siguiente.

El trabajo biológico está mediado por la hidrólisis del ATP, que a su vez se produce encualquiera de los procesos de respiración, como esquematiza en la figura siguiente.

FosfolFosfolí í pidospidos

TriacilglicerolesTriacilgliceroles

AcidosAcidos grasosgrasos

FosfolFosfolí í pidospidos


AcidosAcidos grasosgrasos

AcetatoAcetato

AcetilAcetil--CoACoA

FenilalaninaFenilalanina

IsoleucinaIsoleucina

LeucinaLeucina

AcetatoAcetato


FenilalaninaFenilalanina

IsoleucinaIsoleucina

LeucinaLeucina

IPPIPPIPPIPP

GomasGomas CarotenoidesCarotenoides

ColesterolColesterol

GomasGomas CarotenoidesCarotenoides

ColesterolColesterol

ColesterilColesteril--esteresesteres

EsteroidesEsteroides

AcidosAcidos

biliaresbiliares

ColesterilColesteril--esteresesteres

EsteroidesEsteroides

AcidosAcidos

biliaresbiliares

MevalonatoMevalonato

AcidosAcidos gradosgrados

MevalonatoMevalonato

AcidosAcidos gradosgrados

EicosanoidesEicosanoides


CDPCDP--digliceridosdigliceridos FosfolFosfolí í pidospidos

EicosanoidesEicosanoides


CDPCDP--digliceridosdigliceridos FosfolFosfolí í pidospidos

PiruvatoPiruvato

AlaninaAlanina

SerinaSerina

PiruvatoPiruvato

AlaninaAlanina

SerinaSerina

AcetoacetilAcetoacetil--CoACoAAcetoacetilAcetoacetil--CoACoA

CATABOLICO CONVERGENTECATABOLICO CONVERGENTE

ANABOLICO DIVERGENTEANABOLICO DIVERGENTE

CATABOLICO CICLICOCATABOLICO CICLICO

CO2

CO2

CO2

CO2

IPP= Isopentenil PPi

fotosíntesis E. químicaE. lumínica

QuQuí í micomico

Biosíntesis

MecMecáániconico

ContracciónTransporteTransporte

Respiración

Energía disipada al medioEnergía disipada al medio

Trabajo biológico



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Un segundo mecanismo químico de acumulación de energía en los biosistemas, seargumenta en la figura siguiente, y para la cual se compara el G asociado a la hidrólisis delos dos tipos de ésteres posibles en los biosistemas. Como se puede observar, la liberación

de energía que está asociada al tioester es mayor, lo que hace fácilmente sustentable desdela perspectiva evolutiva su presencia universal.

En la figura siguiente se presenta la estructura correspondiente al Acetíl Coenzima A.

Moléculascombustibles

OO22

COCO22 + H+ H2200

R e s

p i

r a c i ó n

ADP+Pi

ATP

Contracción TransporteBiosíntesis

ATP + H2O ADP + Pi G° = -7.3 Kcal/mol



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El Catabolismo

Los procesos catabólicos se dividen en tres grandes fases. En la primera, que como ya sedijo es de condensación, se tiene por objeto producir Acetil-CoA. De los tres grandesgrupos de metabolitos primarios (azúcares, lípidos y proteínas) se conocen rutas

bioquímicas que conducen a esta biosíntesis degradativa. La segunda fase comprende lasreacciones que conducen hacia la oxidación del Acetil-CoA previamente sintetizado. En latercera y última fase se da el transporte de los electrones, proceso tras el cual se de lasíntesis de energía química. El siguiente esquema presenta un resumen del proceso generaldel catabolismo.

AminoAminoáácidoscidos

AcidosAcidosgrasosgrasos GlucosaGlucosa

GlicGlicóólisislisis

PiruvatoPiruvato


COCO22

ee--

ee--ee--

ee--

CitratoCitrato

COCO22

NADH NADHFADHFADH22

COCO22 ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

OxaloacetatoOxaloacetato

Ciclo delCiclo del

ÁÁcido Ccido Cíítricotrico

ee--

Cadena Transportadora deCadena Transportadora deelectroneselectrones

ADP + ADP + PiPi ATP ATP

FASE IFASE I

ProducciProduccióón den de Acetil Acetil--CoACoA

FASE IIFASE II

OxidaciOxidacióón deln del Acetil Acetil--CoACoA

FASE IIIFASE III

Transferencia de electronesTransferencia de electrones

FosforilaciFosforilacióón oxidativan oxidativa

2H+ + ½ O2

H2O



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El catabolismo se puede describir en términos de la geográfica celular de eucariotes de lasiguiente manera.

Fase I. Producción del Acetíl-CoA.

Durante la glucólisis -que ocurre en el citosol- y que constituye la primera parte de estafase de producción del Acetil-CoA, una molécula de glucosa que debe ser transportada alinterior, es degradada hasta formar dos moléculas de piruvato. En estos eventos se da la producción neta de dos moléculas de ATP por fosforilación al nivel del sustrato ysimultáneamente se obtienen cuatro átomos de hidrógeno que se extraen de la molécula deglucosa y se emplean para producir dos de NADH. En el esquema siguiente se indican lasreacciones correspondientes.

GlucGlucextext GlucGluc

intint

glicglicóólisislisisPiruvatoPiruvato

Lactato/EtanolLactato/Etanol

anaerobiosisanaerobiosis

CitosolCitosol

PiruvatoPiruvato AcetilAcetil--CoACoA

Ciclo

de

Krebs

COCO22

Ciclo

de

Krebs

COCO22

OO22

OO22

HH22OO

COCO22

MitocondriaMitocondria

LOCALIZACIÓ N CELULAR



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Fase II. Oxidación del Acetil CoA

Obtenido el piruvato y dependiendo de las condiciones celulares (presencia o no de oxígenomolecular), se continúa con la segunda parte que es consecutiva a la formación del producto de la fase I. Esta nueva fase involucra al denominado complejo piruvato

deshidrogenasa para descarboxilar al piruvato y finalmente obtener el Acetil-CoA, según sedescribe en la siguiente figura. Para que se de la reacción, el piruvato debe ser transportadoal interior de la mitocondria.

(2)(2)

(2)(2)

(2)(2)

(2)(2)

(2)(2)

GlucosaGlucosa 66-- GlucosaGlucosa

FructosaFructosa--66--fosfatofosfato

FructosaFructosa--1,61,6--difosfatodifosfato

GliceraldehidoGliceraldehido--33--fosfatofosfato DihidroxiDihidroxi--acetonaacetona --33--fosfatofosfato

1,31,3-- BifosfogliceratoBifosfoglicerato

33--FosfogliceratoFosfoglicerato


FosfoenolFosfoenol--piruvatopiruvato

PiruvatoPiruvato

(2)(2)

(2)(2)

(2)(2)

(2)(2)

(2)(2)

GlucosaGlucosa 66-- GlucosaGlucosa

FructosaFructosa--66--fosfatofosfato

FructosaFructosa--1,61,6--difosfatodifosfato

GliceraldehidoGliceraldehido--33--fosfatofosfato DihidroxiDihidroxi--acetonaacetona --33--fosfatofosfato

1,31,3-- BifosfogliceratoBifosfoglicerato



FosfoenolFosfoenol--piruvatopiruvato

PiruvatoPiruvato



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A partir del Acetil-CoA generado se da una condensación con el oxaloacetato para formar el citrato y así iniciar dos procesos de descarboxilación hasta formar nuevamente eloxaloacetato.

El sistema es controlado enzimáticamente a través de efectos alostéricos tal y como seindica en el siguiente esquema.

Inhibición

Inducción

Inhibición

Inducción

Inhibición

Inducción



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Fase III

A partir de los productos reducidos formados (NADH, FADH2) se da inicio a la tercera yúltima fase, que corresponde a la fosforilación oxidativa y que se resume a continuación.

En resumen, durante la respiración aerobia se oxida una molécula de combustible como laglucosa para formar dióxido de carbono y agua. La respiración aerobia es un proceso redoxen el cual se transfieren electrones de la glucosa (que se oxida) al oxígeno (que se reduce).

En la respiración aerobia se producen entre 36 y 38 moléculas de ATP por cada glucosa. Las reacciones químicas de la respiración aerobia ocurren en cuatro etapas, a saber:glucólisis, formación de AcetilCoA, ciclo del ácido cítrico y cadena de transporte deelectrones/quimiósmosis.

En la glicólisis se degrada la molécula de glucosa para generar dos piruvato. Cada una delas dos moléculas de piruvato libera una de dióxido de carbono, y los grupos acetilo

residuales se combinan con coenzima A, para producir dos moléculas de acetilCoA. Seforma una molécula de NADH al convertirse cada piruvato en acetilCoA.

Cada AcetilCoA entra en el ciclo del ácido cítrico y se combina con un compuesto decuatro carbonos, el oxalacetato, con la formación de citrato, que es un compuesto de seiscarbonos. Por cada molécula de glucosa entran en el ciclo dos de acetilCoA. Por cada doscarbonos que entran en el ciclo como parte de una AcetilCoA, dos salen como dióxido decarbono. Adicionalmente, por cada AcetilCoA se transfieren hidrógenos a tres NAD

+ y un

FAD; sólo un ATP se produce por fosforilación a nivel del sustrato. Los átomos dehidrógeno (o sus electrones) disociados de las moléculas de combustible, se transfieren deun aceptor de electrones a otro en la cadena de transporte de electrones localizada en la

Membrana externaMembrana externa

Permeable para pequeñasmoléculas e iones.

Membrana internaMembrana interna

Impermeable a muchas pequeñas moléculas e iones,incluyendo H+.

Contiene:

Cadena transportadora deelectrones

ADP-ATP translocasas

ATP sintetasaMatrizMatriz

Contiene:

Complejo piruvatodeshidrogenasa

Enzimas ciclo de citrato

Enzimas oxidación

Enzimas oxidativas deaminoacidos

ADN, ribosomas

ATP, ADP, P y metabolitosintermediarios.

Ribosomas

Canales

ATP sintetasa

Crestas





Contiene:




Contiene:



Enzimas oxidación


ADN, ribosomas


Ribosomas

Canales

ATP sintetasa

Crestas





Contiene:




Contiene:



Enzimas oxidación


ADN, ribosomas


Ribosomas

Canales

ATP sintetasa

Crestas



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membrana mitocondrial interna.

A nivel mitocondrial se tiene: 1) Formación de agua cuando el oxígeno se combina con H+ y con electrones de la cadena de transporte. 2) Según el modelo quimiosmótico, parte dela energía de los electrones transferidos en la cadena de transporte se usa para generar un

gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. 3) La difusión de los protones de un lado a otro de la membrana, desde el espacio intermembranoso hacia lamatriz mitocondrial (a través de conductos formados por el enzima ATP sintasa) proporciona la energía necesaria para la síntesis de ATP.

Además de la glucosa, otros nutrimentos orgánicos se convierten en los compuestosadecuados y pasan a la glucólisis o al ciclo del ácido cítrico. Los aminoácidosexperimentan desaminación, y sus esqueletos de carbono se convierten en intermediariosmetabólicos de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. Tanto el glicerol como los ácidosgrasos, que componen a los lípidos se oxidan como combustible. Los ácidos grasos seconvierten en moléculas de acetilCoA por el proceso de -oxidación.

En la respiración anaerobia, se transfieren electrones de las moléculas de combustible auna cadena de transporte; el aceptor final de electrones es una sustancia inorgánica comonitrato o sulfato y nunca oxígeno molecular.

La fermentación es un proceso anaerobio en el que no participa una cadena de transportede electrones. Hay una ganancia neta de apenas dos moléculas de ATP por cada una deglucosa (producidas durante la glucólisis). Para mantener el aporte de NAD+ necesario parala glucólisis, se transfieren hidrógenos del NADH a un compuesto orgánico derivado delnutrimento inicial. Las células de levadura realizan la fermentación alcohólica en la quealcohol etílico y dióxido de carbono son los productos de desecho. Algunos hongos, bacterias y células animales realizan la fermentación láctica, en la cual se agregan átomosde hidrógeno al piruvato y se forma lactato como producto de desecho.

En el siguiente esquema se presenta el mecanismo general para las fermentacionesalcohólica y láctica.



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En las páginas siguientes se da cuenta de los procesos generales del catabolismo para lostres tipos de metabolitos primarios.



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ACTIVIDAD CATABOLICA EN PROTEINAS



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El Anabolismo

Al considerar el origen etimológico de la palabra anabolismo se tiene que el prefijo ana significa “de nuevo” y el sufijo ismo “actividad o movimiento”. El anabolismo entonces serefiere a síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples. Los procesos

anabólicos son generalmente reductivos y proceden simultáneamente con el catabolismo,constituyendose el metabolismo (como un todo) en un proceso dinámico que llega aconvertirse en un ESTADO ESTACIONARIO entre la producción y el consumo deenergía.

Si bien los procesos anabólicos son esencialmente contrarios a los catabólicos y poseenalgunas reacciones compartidas y reversibles, esencialmente se consideran vías diferentes.Un ejemplo claro de anabolismo está representado por la GLUCONEOGÉNESIS queconsiste en la formación de glucosa a partir de precursores “no hexósicos”.

La gluconeogénesis sucede en todos los tipos de organismos: animales, plantas, hongos ymicroorganismos, siendo esencialmente la misma secuencia para todos los casos. Alconsiderar la glucólisis se tiene que básicamente tres reacciones son irreversibles:

La primera se da al inicio de la secuencia e involucra una fosforilación:

1. GLU GLU-P (HEXOQUINASA)

La segunda reacción igualmente compromete una fosforilación:

2. FRU-P FRU-2P (FOSFOFRUTOQUINASA)

La tercera y última reacción igualmente compromete a quinasa

3. FOSFOENOLPIRÚVICO PIRÚVICO (PIRUVATO QUINASA)

En el gráfico de la página siguiente se presenta el esquema general de la gluconeogénesiscon los tres puntos de control claramente definidos.



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El segundo ejemplo de procesos ANABÓLICOS se centra en el caso de los lípidos, para loscuales se tienen dos tipos de rutas igualmente definidas: Biosíntesis de ácidosgrasos/eicosanoides y la vía de los terpenoides. En ambos casos se parte de la unidadestructural AcetilCoA, pero mientras en el primero la unidad estructural es evidente y deallí deriva el nombre policétidos, en el segundo la unidad estructural corresponde a un

compuesto de 5 carbonos (unidad isoprénica) que es derivado del mevalonato y del cualrecibe el nombre la ruta.

En la figura de la página siguiente se indica el modelo general de biosíntesis de ácidosgrasos. Como se puede ver, el iniciador del proceso es un complejo compuesto por:Sintetasa de Acidos Grasos, una molécula de malonil CoA y una molécula de Acetil CoA.En la molécula de malonil se presenta un buen grupo saliente (carboxilato) que estimula elataque nucleofílico sobre el grupo carbonilo del Acetíl unido al enzima. Este proceso serepite cuantas veces sea necesario según sea el tamaño del a. graso. Del gráfico igualmentese pueden destacar dos hechos: 1) La formación del malonil CoA y 2) la reducción de launidad de dos carbonos que se incorpora a la cadena.

La síntesis de terpenoides se describe en la página 17. En el recuadro se indican tanto losmodelos de regulación de la ruta como los carbonos que resultarían marcados cuando seemplean precursores marcados en el carbono carboxilato.



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El tercer y último ejemplo de procesos anabólicos se refiere a proteínas y aminoácidos.Esta ruta biosintética general está relacionada directamente con el ciclo del nitrógeno, que asu vez es dependiente del proceso denominado fijación del nitrógeno. En términos macroel proceso de fijación se describe en el siguiente esquema.

Al considerar la biosfera, se tiene que la fijación del nitrógeno juega un papel clave en ladisposición de aminoácidos y proteínas a lo largo de la cadena trófica, por lo que esindispensable considerarlo y fundamentalmente porque la reserva más importante delnitrógeno está en la atmósfera. Se estima que el total de nitrógeno fijado anualmente en la biosfera excede los 1011kg.

Muy pocos organismos, concretamente procariotes están en capacidad de fijar el nitrógenoatmosférico. Estos organismos se restringen a su vez a los grupos: cianobacter, azobacter y bacterias fijadoras simbiontes con raíces de leguminosas.

La reducción de nitrógeno hasta amonio es un proceso exergónico

N2 + 3H2 → 2NH3 G´° = -33,5 Kj/mol

Se estima que la gran estabilidad del triple enlace del nitrógeno es lo que requiere de unagran cantidad de energía de activación. Industrialmente -proceso de Haber- solo es viable acondiciones extremas: 400-500 °C y altas presiones. Paradójicamente en la condición biológica el proceso ocurre a 0,8 atm de Nitrógeno y la denominada temperatura biológica .La reacción general en el caso biológico es

N2 + 10 H+

+ 8e- + 16 ATP → 2 NH4

++ 16 ADP + 16 Pi + H2



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La reducción biológica – que recibe elnombre de fijación – es responsabilidadde un complejo proteico altamenteconservado denominado “ COMPLEJO NITROGENASA” cuyos componentes

claves son dinitrogenasa reductasa y ladinitrogenasa. Ver figura al costado

El enzima dinitrogenasa reductasacorresponde a un dímero con dossubunidades idénticas que poseen uncentro redox (4Fe-4S) que se reducen uoxidan por acción de un electrón y esdependiente de ATP. El papel del ATPse asocia con el incremento en el papelreductor de -250 a -400 mv lo que posibilita la transferencia de electroneshasta la dinitrogenasa. Este complejo esextremadamente susceptible a la presencia de oxígeno.

El nitrógeno reducido biológicamente yque se encuentra en forma de NH4

+ esasimilado por los organismos alincorporarlo en la formación deaminoácidos. En este sentido, losaminoácidos glutamato y glutamina seconstituyen en los puntos críticos de estaruta anabólica: El glutamato es la fuentede grupos amino para una cantidadimportante de aminoácidos por la vía detrasaminación, mientras que el grupo Namida en la glutamina es fuente de

grupos amino para otras biomoléculas.

La biosíntesis de glutamato-glutamina está muy generaliza en toda la escala biológica,siendo el punto crítico la asimilación que involucra dos reacciones. La primera catalizada por la glutamina sintetasa y que se da en dos etapas:

glutamato –P + ATP → glutaril-P + ADP glutaril-P + NH4

+ → glutamina + Pi + H+

glutamato + NH4+ + ATP → glutamina + ADP + Pi + H+

La glutamina sintetasa se ha reportado en todos los tipos de organismos y en mamíferos se



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le atribuye un papel destoxificador al fijar el amonio libre para ser transportado en sangre.Adicionalmente se estima que este enzima constituye el PUNTO PRIMARIO DEREGULACIÓN del metabolismo del nitrógeno. Al estudiar con detenimiento el caso de E

coli se tiene que está compuesto por 12 subunidades iguales de Mr 50.000 y que se regula ados niveles: 1) Nivel alostérico y 2) Modificación covalente. En la figura siguiente se

describen ambos fenómenos.

La regulación por modificación covalente, lo que realmente posibilita, es afianzar laregulación alostérica. Para el caso descrito como a) se realiza una adenilación del enzima anivel del residuo tirosina. El efecto será mayor cuan mayor sea el número de subunidadesadeniladas. El equilibrio adenilación-desadenilación es promovido por el enzimaadeniltransferasa (AT). La actividad de “adenilación” está modulada por la unión con una proteína (PII) que a su vez es regulada por una uridilación, esto último realizado por un

enzima simple llamada Uridiltrasferasa (UT), proceso que igualmente está regulado. Ver esquema parte b).

(a)



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La biosíntesis de un aminoácido supone la fusión de dos rutas: Por un lado intermediariosde la glucólisis, ciclo de Krebs y vía pentosas y por el otro la incorporación de nitrógenovía glutamato-glutamina, tal y como se denota en la figura y tabla siguientes.

Una vez se ha realizado la síntesis biológica de aminoácidos el sistema se enfoca hacia lasíntesis proteica, que en general se compone de 5 etapas generales:

1 Activación de los aminoácidos2 Iniciación de la cadena polipeptídica3 Elongación de la cadena

4

Terminación de la cadena5 Plegamiento y procesos postraduccionales.

Se estima que la síntesis de proteínas es el más complejo de los procesos biosintéticos. Eneucariotas involucra cerca de 70 diferentes proteínas ribosomales, 20 o más para laactivación de los aminoácidos, al menos una docena de enzimas están involucrados en lasetapas de iniciación, elongación y finalización. Probablemente se requieren de no menosde 100 enzimas adicionales en el procesamiento final y no menos de 40 o más clases de



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rRNA (ribosomal) y tRNA (transferencia) están igualmente involucrados.

En resumen cerca de 300 moléculas son necesarias para que mediante un trabajocooperativo se realice la síntesis de un péptido y para muchas de estas biomoléculas serequiere un acople tridimensional con los ribosomas.

En la década de los cincuenta del siglo pasado Zamecnick y colaboradores medianteexperimentos de marcaje isotópico demostraron la existencia de una subunidad celular conestructura definida y que era responsable de la síntesis proteica. Esta organela se denominóRIBOSOMA.

En la síntesis es posible la traducción fiable del lenguaje genético al proteico gracias a unsistema de interacción denominado CODÓN-ANTICODÓ N definidos en una “tabla de

traducción” tal y como se muestra en la figura siguiente. La tripleta AUG -marcada en latabla- corresponde al codón de iniciación, los demás codones marcados se denominan definalización.El modelo general para la síntesis de proteínas en eucariotes se describe en el esquemasiguiente:

Los elementos básicos requeridos en cada uno de las etapas de síntesis proteica se describende manera general en la tabla siguiente.

ADN RNA RNA PROTEINA Función

Biológica ADN RNA RNA PROTEINA Función

Biológica



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RNA mensajero (mRNA). La síntesis del mRNA se da a nivel nuclear, siendosignificativamente diferente en eucariotas y procariotas. En el esquema siguiente sedescribe el proceso de síntesis para el caso de los eucariotas.

Con el DNA como molde, la RNA polimerasa separa las dos fibras, usando para latranscripción solo una de ellas. El producto es un transcripto primario que mediantemodificaciones se trasforma en un RNAm maduro.

RNA de Transferencia (tRNA). Se describe como la molécula responsable de lacompatibilidad entre el lenguaje genético y el proteico. El RNAt es una molécula pequeñade entre 73-93 nucleótidos con un peso molecular entre 24.000-31.000 que se pliegatridimensionalmente donde cloroplastos y mitocondrias poseen sus propios RNAt. Unacélula posee una molécula de RNAt de cada clase, donde la clase se establece por lacapacidad de reconocer cada aminoácido. Una célula entonces requiere al menos de 32clases de RNAt aunque usualmente se emplean más de este número. En la siguiente figurase presenta el modelo de tRNA de levadura deducido por Holley y colaboradores en 1965 yque se conoce como “hoja de trébol”. Esta organización tridimensional se caracteriza por un apareamiento intracatenario y que da origen a cuatro brazos que según el sentido de lasmanecillas del reloj se nombran como:

1. Brazo aminoácido2. Brazo TC3. Brazo anticodón4. Brazo D



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De los 76 nucleótidos 10 están modificados; muchos tRNA terminan en 5 ´ pG (guanilato) ytodos poseen en 3´ la secuencia CCA. Dos de los brazos son críticos para la función. El brazo aminoácido, dado que es el responsable del trasnporte se ha esterificado por elextremo carboxilato con el hidroxilo 2´ o 3´ de la adenosina que se encuentra en la posición3´del RNAt siendo el otro brazo crítico dado que contiene el anticodón. Los otros dos brazos se sabe que juegan un papel importante en el plegamiento, aunque la función

específica no se tiene clara.

Ribosoma. Se constituye en el último de los elementos estructurales importantes en lasíntesis, consiste en un complejo supramolecular que para el caso de los procariotes puedellegar hasta 15.000 por célula, lo que se traduce en que representa aproximadamente el 35%de la proteína presente. Un ribosoma posee un diámetro aproximado de 18 nm con dossubunidades denominados 30 S y 50 S en procariotas. En la tabla y figura siguientes sedescriben los componentes y la estructura tanto para procariotas como para eucariotas.



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La Síntesis Proteica

Definidos los elementos estructurales necesarios para la síntesis y teniendo en cuenta que esun proceso endergónico, queda por establecer el mecanismo general; que como se planteóanteriormente está compuesto por cinco etapas.

Etapa 1. Activación de los aminoácidos.

Los tRNA son activados por la presencia de la tRNA-Aminoacil Sintetasas al nivel delcitosol, siendo el producto de esta activación la esterificación con sus correspondientestRNAs. Muchos organismos poseen enzimas específicos por cada aminoácido. En lafigura siguiente se describe la activación del aminoácido y su posterior esterificación.



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En estudios para los diferentes aminoácidos se ha demostrado que existe una gran

especificidad dado que el sistema distingue entre valina e isoleucina que como se sabe sediferencian estructuralmente por la presencia de un metileno (-CH2).

Etapa 2. Iniciación

La síntesis de proteínas propiamente dicha comienza por el extremo amino terminal, talcomo lo establecio H. Dintzis en 1961. El codón de iniciación AUG corresponde ametionina y es el mismo para el caso de todos los eucariotas. Existe un segundo codón parametionina que se emplea en las codificaciones internas de la cadena que se estásintetizando. Existen pequeñas diferencias en los modelos descritos para procariotas yeucariotas, sin embargo se puede dar cuenta de un modelo general biológico.

En las células eucariotas todos los polipéptidos que se sintetizan en los ribosomascitosólicos comienzan por Met; mientras que en bacterias se inicia por formilmetionina. Laetapa de iniciación en bacterias se discrimina a su vez en tres pasos y requiere de lossiguientes elementos:

La unidad ribosomal 30 S. mRNA específico para el polipéptido en proceso de síntesis.



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Complejo de iniciación fMet-tRNA Factores de iniciación proteicos (IF-1, IF-2 y IF-3) GTP y Mg2+ Unidad 50 S

El procedimiento general de la primera fase y que corresponde al complejo de iniciación, sedescribe en el esquema siguiente.

La subunidad 30 S se une a los factores IF-1 y IF-3. El factor 3 se sabe que actúa previniendo que las subunidades ribosomales (mayor y menor) se unan de manera prematura. Posteriormente se une el mRNA ubicando el codón AUG en el sitio P,anteponiendo una secuencia que se conoce Shine-Dalgarno y que se asume cumple un papel de acoplamiento. En la figura se describen los sitios P y A. Para el caso bacteriano

se han identificado 3 sitios específicos en el ribosoma que se denominan sitio aminoacil

(A), sitio Peptidil (P) y sitio de salida (E). Ambas subunidades ribosomales estáncomprometidas en la conformación espacial de los sitio P y A, mientras que E está básicamente definido por la subunidad 50S. El sitio de iniciación está ubicado en P y soloel complejo fMet-tRNAfmet se puede acoplar. El IF-1 se une a A evitando que el tRNA seuna durante la iniciación. La segunda parte de la formación del complejo de iniciaciónimplica que al primer ensamble se ajuste el mRNA.Con esto ya queda conformado adecuadamente el sitio de iniciación y de esta maneraentran fMet-tRNAfmet + IF-2 + GTP. En este instante Anticodón y Codón deben alinearsecorrectamente.



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El nuevo complejo se une a la subunidad 50S y concomitantemente el GTP es hidrolizado ylos tres factores salen del complejo dando por terminada esta primera etapa.

En eucariotas la formación del complejo de iniciación es básicamente el mismo, con pequeñas diferencias:

1. El RNA se encuentra formando un complejo con proteínas que se denominan deunión.

2. En el extremo 3´ del mRNA se encuentra una proteína PoliA unida a su vez a la proteína PAB.

En la figura siguiente se presenta un esquema de la formación del complejo de iniciación eneucariotas y en la tabla se resumen los factores requeridos en el complejo de inicación tanto para procariotas como para eucariotas.



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Etapa 3. Formación de Enlaces peptídicos y elongación de la Cadena

En esta fase además del complejo de iniciación se requiere:

a.a-tRNAs

Proteínas citosólicas solubles denominadas factores de elongación (EF-Tu, EF-Ts yEF-G) GTP.

La etapa de elongación a su vez se discrimina en tres pasos:

1. Unión con aminoacil-tRNA “entrante”

El segundo aminoacil-tRNA se acomoda en el sitio A aexpensas de la hidrólisis de GTP y un programa de reciclaje.Ver figura al costado.

En el paso siguiente de la elongación se da la formación delenlace peptídico. Este proceso involucra al aminoácido situadoen P y al nuevo aminoácido situado en A. El aa de A atacanucleofílicamente al complejo situado en P, desplazando eltRNAfmet . Históricamente se había referido esta actividad a laacción del enzima PEPTIDIL-TRANSFERASA y que seencontraría asociado a la subunidad mayor. Hoy se consideraque esta acción es responsabilidad de la unidad catalítica 23 Sdel rRNA al actuar como ribozima. El esquema inferior modela el hecho.



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El paso final de la etapa de elongación se denomina translocación y supone el moverse enun codón hacia el extremo 3´. Con este movimiento se transfiere el tRNA-dipéptido deA→P y el tRNA libre de P→E, para posteriomente salir a citosol. El resultado de laoperación deja el sitio A libre para que se acople un nuevo anticodón. Todo el proceso detranslocación es dependiente de un enzima traslocasa (EF-G) que a su vez procede a

expensas de la hidrólisis de un GTP. En resumen, por cada aa adicionado se gastan 2 GTP.La etapa de elongación en eucariotases bastante similar a lo sucedido en bacterias, siendo los factores deelongación eEF1, eEF1 y eEF2.Una importante diferencia se tieneen que los ribosomas de eucariotasno poseen sitio E y el tRNAdescargado es expelido directamentedesde P.

Prueba de Lectura en el Ribosoma

La actividad de la GTPasa del EF-TU durante la etapa de elongación(ver figura lateral de página anterior)es fundamental para que se de unacorrecta lectura del lenguaje genéticodado que el complejo EF-TU-GTPexiste solo por unos pocos

milisegundos. Esto permite que la interacción Codón-Anticodón actue como corrector delectura ya que un aminoacil-tRNA incorrecto se disocia en A. Cuando se emplean basesanálogas como GTPS disminuye la velocidad de hidrólisis y simultáneamente mejora lafidelidad, pero disminuye la velocidad de síntesis.

La síntesis proteica es un claro ejemplo de balance evolutivo entre fidelidad y velocidad:El mejoramiento de una es detrimento de la otra y viceversa. Además es importante tener en cuenta que la prueba de lectura únicamente se da en el apareamiento de bases y por tanto cuando se porta un aa inadecuado este es EFICIENTEMENTE incorporado en la proteína.

4. Etapa de Finalización

La elongación de la cadena continúa hasta que se consolida la etapa de finalización, que asu vez se da en 4 pasos. El primero implica la presencia de uno de los tres codones definalización en el mRNA (UAA, UAG, UGA). En bacterias, una vez el codón definalización ocupa A, tres factores de finalización (proteínas RF1, RF2 y RF3) actúan paraque termine el proceso de síntesis. La secuencia se puede describir así:

Ubicación del codón de finalización en el sitio A



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Hidrólisis del enlace peptido-tRNA final Disociaciación del complejo ribosomal.

En la figura siguiente se describe la etapa final del proceso de síntesis.

5. Etapa de Plegamiento y modificaciones postraduccionales

Una vez realizada la síntesis y antes o después del plegamiento, el polipéptdo puede ser sometido a modificaciones enzimáticas que pueden incluir la remosión de uno o másaminoácidos del aminoTerminal, la adición de acetil, fosforil, metil, carboxil u otros gruposy sobre aas específicos, hidrólisis enzimática o adición de oligosacáridos o grupos prostéticos. En la figura siguiente se presenta un esquema específico de modificación postraduccional que se da en el caso de las proteínas. La ruta establecida se puede resumir de la siguiente manera: Síntesis en Ribosomas → Modificación en Retículo



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Endoplasmático → Modificación en Complejo de Golgi → Exportación.

TALLER 15



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1. Determine la estructura primaria del péptido que se generaría a partir de la siguientefracción de un gen del DNA.

3’TTGTATACATAGGAGGAGGAGATATCTAGATACATACCTATACATACTCA5’

2. Investigue entre las proteínas, los carbohidratos y los lípidos, que biomoléculageneraría mayor cantidad de ATP por gramo consumido y explique la razón

3. Realice cálculos de ATP producidos por el catabolismo aerobio década una de lassiguientes moléculas: glucosa, alanina, ácido oleico, ácido palmítico

4. Si se tiene una molécula de triptófano marcada en todos sus carbonos y se degradaen el organismo y un producto de la degradación pudiera utilizarse paragluconeogénesis, en qué carbono quedaría marcada la glucosa formada?

5. Si tiene acetil CoA y se quiere obtener un tromboxano TX2 (una molécula que actúacomo hormona de acción local que permite la coagulación sanguínea), y usted pudiera manipular el metabolismo de una célula modelo de laboratorio, en qué rutametabólica utilizaría el acetil CoA?

6. El cianuro y el fluoroacetato son inhibidores irreversibles, en que rutas metabólicasactúan y cuál es su modo de acción

7. Si tengo un polisacárido de almacenamiento tal como el almidón y lo degrado, lo puedo utilizar para producir lípidos? ¿cómo?

8. Si tengo un polisacárido de almacenamiento tal como el almidón y lo degrado, lo puedo utilizar para producir proteínas? ¿cómo?

9. Si tengo un polisacárido de almacenamiento tal como el almidón y lo degrado lo puedo utilizar para producir ácidos nucleicos? ¿cómo?

10. Si tengo un lípido como un aceite y lo degrado, lo puedo utilizar para producir carbohidratos? ¿cómo?

11. Si tengo una proteína y la degrado, la puedo utilizar para producir carbohidratos?¿cómo?

12. Si tengo una proteína y la degrado, la puedo utilizar para producir lípidos? ¿cómo?13. Si tengo una proteína y la degrado, la puedo utilizar para producir ácidos nucleicos?

¿cómo?14. Enumere dos rutas anabólicas y dos rutas catabólicas de cada una de las

biomoléculas15. Por qué motivo los ésteres fosfato se presentan como alternativas energéticas

mejores para ser utilizadas en las rutas metabólicas que los ésteres normales?

Procesos Metabólicos def

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