METABOLISMO DE COMPUESTOS NITROGENADOS. Profesor: Dra. Aurora Lara Nuñez 3 sesiones

Objetivo particular: Este capítulo tiene como propósito familiarizar a los estudiantes con las estrategias generales para obtener y asimilar el nitrógeno y los mecanismos generales para desechar nitrógeno de compuestos nitrogenados. Se buscará enfatizar la estrecha interrelación que guardan las vías de asimilación y degradación de nitrógeno orgánico con el metabolismo de carbono. El estudio de todas las vías metabólicas se enfocará a aspectos generales, como su función dentro del metabolismo general, el tipo de reacciones químicas de relevancia, el balance de masa y energía, la regulación y la localización intracelular. Se evitará el análisis detallado de todas las reacciones parciales de la ruta metabólica.

Asimilación y fijación del Nitrógeno.

Formas de eliminación del Nitrógeno.

Relación entre el metabolismo del Nitrógeno y el del Carbono.

Bibliografía:

• Buchanan, Gruissem, Jones. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists.

• Capítulos 8 - Amino ácidos16 - Nitrógeno

Artículos:

• Stitt M, Müller C, et al. Steps towards an integrated view of nitrogen metabolism. 2002. J. Exp. Bot. 53(370):959-970 (5 personas)

• Comparot S, Lingiah G, Martin T. Function and specificity of 14-3-3- proteins in the regulation of carbohydrate and nitrogen metabolism. 2003. J. Exp. Bot. 54(382): 595-604 (2 personas)

• Freshi L, Rodrigues MA, et al. 2010. Correlation Between citric acid and nitrate metabolism during CAM cycle in the atmospheric bromeliad Tillandsia pohliana. J. Plant Physiol. 167:1577-1583 (3 personas)

• Oldroyd GED, Downie JA. Coordinating Nodule Morphogenesis with Rhizobial Infection in Legumes. 2008. Annu. Rev. Plant Biol. 59:219-46 (5 personas)

• Provan F, Aksland L-M, Meyer C, Lillo C. Deletion of the nitrate reductase N-terminal domain still allows binding of 14-3-3 proteins but affects their inhibitory properties. 2000. Plant Physiol. 123:757-764. (2 personas)

• Schachtman DP, Shin R. Nutrient sensing and Signaling: NPKS. 2007. Annu. Rev. Plant. Biol. 58:47-69. (2 personas)

Fijación de Nitrógeno Ciclo de transformación de nitrógeno mineral a orgánico

El fuego y los rayos; combustión interna de motores y fertilizantes químicos

El mayor suministro de nitrógeno inorgánico a orgánico (N2 a NH3) es a través de la fijación del carbono, sólo por procariontes.

El NH3 producido puede ser asimilado en aminoácidos y otros compuestos nitrogenados ó se puede convertir en nitratos y nitritos por bacterias nitrificantes.

El NO3- puede entrar al organismo a través de su reducción a NH4+ o puede ser un aceptor de electrones

N es el 4to elemento más abundante en los organismos vivos; 0.1 % de la corteza terrestre, 80 % de la atmósfera (N2).

Ciclo del nitrógeno

Panorama general de asimilación de nitrógeno en plantas

Reducción enzimática de N2Filogenias de eubacterias y algunas arqueas metanogénicas

Nitrogenasa

Única reacción bioquímica que consume compuestos ricos en energía y requiere al mismo tiempo reductores biológicos fuertes → nitrogenasa sensible a O2 → anaerobiosis

Enzimología de la fijación del nitrógeno

Fijación de nitrógeno

Costos: 12-17 g de carbohidratos por g de N fijado: Formación de nódulo, fijación, transporte de amonio.

Eventos que conducen a la formación de la simbiosis Rhizobium-leguminosa

1) Bact. gram negativas (Rizhobia). Asociaciones con leguminosas.

2) Bact. gram positivas. (actinomicetos: Frankia) y dicotiledóneas. Árboles o arbustos leñosos.

3) Cianobacterias y dicotiledóneas. Ej. Anabaena en arroz.

Formación de nódulos fijadores de nitrógeno

Invasión de pelos radiculares

Nódulo indeterminado

Meristemo nodular

Nódulo determinado (esférico)

Liberación de bacterias de un hilo de infección en una célula blanco

Genes que se expresan sólo durante la formación del nódulo

Genes Nod

Elicitores que segrega la planta para inducir genes

nod

Factores Nod

Mecanismo de producción de ATP en un ambiente bajo de oxígeno

Rutas de asimilación primaria de nitrógeno en nódulos I

Síntesis de aminoácidos

Rutas de asimilación primaria de nitrógeno en nódulos II

Transporte de nitrato y su asimilación

Transportadores de AmonioAMT

SAT

Km 10-70 µM

Km 5 mM

Cinética de entrada de nitrato a la planta

Alta afinidad Baja afinidad

Familia NTR2 Familia NTR1

HATS o mecanismo IKm 10-100 µM

LATS o mecanismo IINo saturación

Nitrato reductasa

Regulación de la expresión del gen de NR

Modelo de regulación de la actividad de NR

Los aminoacidos no pueden excretarse directamente, en consecuencia se utilizan como combustible metabólico

Los grupos alfa-amino (de los aminoacidos) se convierten en urea mientras que sus esqueletos carbonados se transforman en acetil-CoA, acetoacetil-CoA, piruvato o algun intermediario del ciclo de Krebs

En vertebrados terrestres:

Esqueleto de carbono de aa que queda -ceto ácido son degradados

Aminotransferasas o transaminasas

Reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa: desaminación oxidativa (Matriz mitocondrial)

L-glutamato + NAD(P)+ +H2O ↔ -Cetoglutarato + NH4+ + NAD(P)H + H+

Enzima de seis subunidades identicas, grupo prostético llamado pirodoxal fosfato

Activadores de la enzima: GDP y ADP

Inhibidores alostéricos: GTP y ATP

Transferencia del grupo amino. Dependientes de NAD+ o de NADP+

Ejemplo: aspartato aminotransferasa, alanina aminotransferasa.

Procedente de la pirimidina (vitamina B6)

Aminotransferasas

Aspartato aminotransferasa

L-aspartato + -Cetoglutarato ↔ Oxalacetato + L-glutamato

Alanina aminotransferasa

L-alanina + -cetoglutarato ↔ Piruvato + L-glutamato

Ciclo de la UREA

Ecuación balanceada del ciclo de la urea

HCO3- + 2ATP + NH4 → carbamilfosfato + 2 ADP + Pi

Carbamilfosfato + ornitina → citrulina + PiCitrulina + ATP + Aspartato → PPi + AMP + argininosuccinato

Argininosuccinato + H2O → Arginina + fumarato

Arginina + H2O → Urea + Ornitina

HCO3- +NH4

++3ATP+Aspartato+2H2O →

→ Urea+2ADP+AMP+2Pi+PPi+fumarato

La estrategia de la degradación de aminoácidos es transformar los esqueletos carbonados en intermediarios metabólicos que pueden convertirse en glucosa o en intermediarios del ciclo de Krebs

Amino ácidos cetogénicos1.- acetil-CoA2.- Acetoacetil-CoA(leucina y lisina)

Amino ácidos glucogénicos3.- piruvato4.- alfa cetoglutarato5.- succinil-CoA6.- fumarato7.- oxalacetato(14 amino ácidos restantes)

Animoactidos ceto y glucogénicosPueden dar cualquiera de los siete intermediarios del ciclo de

Krebs(isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina)

Destino de la degradación de amino ácidos

Vómito neonatal, retraso mental

Fenilalanina hidroxilasa

Conversión de fenilalanina a tirosina

Fenilcetonuria

Vómito, convulsiones, retraso mental, muerte

temprana

Metilmalonil-CoA mutasa

Conversión de propionil-CoA a succinil-CoA

Acidemia metilmalonica

Vómito, convulsiones, retraso mental, muerte

temprana

Complejo deshidrogenasa de alfa-ceto ácidos de cadena ramificada

Isoleucina, leucina y valina

Enfermedad de orina de jarabe

de maple

Letargo *, convulsiones, muerte temprana

Carbamilfosfato sintetasa I

Síntesis de ureaDeficiencia de la CPSI

Vómito y convulsionesArginosuccinato liasaSíntesis de ureaAcidemia arginosuccinica

Retraso mentalArginasaSíntesis de ureaArgininemia

Pigmentación obscura de la orina; desarrollo

tardío de artritis

homogenistato 1,2-dioxigenasa

Degradación de tirosinaAlcaptonuria

Falta de pigmentación; pelo blanco, piel rosa

Tirosina 3-monooxigenasa

(tirosinasa)

síntesis de melanina a partir de tirosina

Albinismo

síntomas y fenotipoenzima defectuosaDefectoCondición Médica

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Biosíntesis de nucleótidos

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Piridiminas y purinas

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Procesos metabólicos en los que participan los nucleótidos

Precursores activados de ADN y ARN• Intermediarios activados: UDP-glucosa, CDP-

diacilglicerol, S-adenosilmetionina• El ATP es un acarreador de energía, el GTP

participa en la síntesis de proteínas.• Los nucleótidos de la adenina son componentes de

NAD+, FAD+ y coenzima A.• Son reguladores metabólicos: AMPc, adenilación

de la glutamina sintetasa.

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Diferencias entre nucleósido y nucleótido

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Piridiminas

Purinas

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Origen de cada uno de los átomos de una purina

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Formación de ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos

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Ribosa 5 fosfato 5 fosforribosil 1 pirofosfato

Ribosa fosfato pirofosfocinasa

ATP AMP

¿Qué molécula dona la ribosa fosfato en la síntesis de purinas?

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10 pasos formación del anillo de purinas 1. Gln (grupo amida): N9 2. Gli: C4, C5 y N7 3. N10 formiltetrahidrofolato: C8 4.Gln (grupo amida): N3 5. Formación del primer anillo 6. CO2: C6 7. Asp: N1 8. Eliminación de fumarato 9. N10 formiltetrahidrofolato: C2 10. Formación del segundo anillo

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Síntesis del AMP y GMP

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PURINA PURINAPPi

PRPP Purina ribonucleótido

Vía de salvamento (reutilización) de purinas

Adenina fosforribosil transferasaAdenina + PRPP Adenilato + PPi

Hipoxantina guanina fosforribosil transferasaHipoxantina + PRPP Inosinato + PPiGuanina + PRPP Guanilato + PPi

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Diferencias entre la síntesis de novo y la vía de salvamento

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Origen de cada uno de los átomos de una piridimina

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Carbamoilfosfato sintetasa II Glutamina + 2 ATP + HCO3

- Carbamoilfosfato + 2 ADP + Pi + Glu

Diferencias con la carbamoilfosfato sintetasa I.

El donador de N es Gln y no NH4+.

Reacción citosólica. El N-acetilglutamato no es un activador

alostérico.

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Paso regulatorio

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Ribonucleósido difosfato

Deoxiribonucleósido difosfato

NADPH + H+ NADP+ +H2O

Precursores de la síntesis de ADN

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Timidilato sintasa

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Regeneración de N5, N10 - metilen H4folato: Aplicaciones clínicas

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