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Mecanismos de bioquímica · Metabolic pathways

Metabolismo de lípidos y nucleótidos

Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.

¿Atascado con metabolismo de lípidos y nucleótidos? Escanea el problema.

Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.

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Lo que aprenderás

  • Draw the four reactions of a β-oxidation round (flavin dehydrogenation, hydration, NAD⁺ oxidation and thiolysis) with the acid, base and cofactor each active site supplies.
  • Draw the decarboxylative Claisen condensation, the two reductions and the dehydration of fatty acid synthesis, and contrast them with β-oxidation in carrier, cofactor, stereochemistry and compartment.
  • Explain how HMG-CoA links acetyl-CoA to ketone bodies and to cholesterol, and why the liver exports ketone bodies.
  • Draw phosphoryl and pyrophosphoryl transfers from ATP (adenylate kinase, nucleoside diphosphate kinase, PRPP synthetase, ATP hydrolysis) as in-line attacks on a chosen phosphorus.
  • Calculate ATP yields, NADPH costs, ΔG of ATP hydrolysis in the cell and the adenylate energy charge.
  • Explain the radical chemistry of ribonucleotide reductase and the one-carbon chemistry of thymidylate synthase, and how hydroxyurea and 5-fluoro-dUMP stop them.

Lección gratis

El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.

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Activación de un ácido graso y su entrada a la mitocondria

Un ácido graso libre se convierte primero en un tioéster. La acil-CoA sintetasa permite que el carboxilato ataque el fósforo α del ATP, lo que da un acil adenilato y pirofosfato; luego la coenzima A desplaza al AMP. La pirofosfatasa hidroliza el pirofosfato, de modo que la activación cuesta dos enlaces fosfoanhídrido (dos equivalentes de ATP). La membrana mitocondrial interna no deja pasar el acil-CoA. La carnitina palmitoiltransferasa I, en la membrana externa, traslada el grupo acilo desde la CoA hasta el hidroxilo de la carnitina (se muestra la palmitoilcarnitina); una translocasa transporta la acilcarnitina a través de la membrana interna, y la carnitina palmitoiltransferasa II devuelve el grupo acilo a una CoA mitocondrial. El malonil-CoA, primer intermediario de la síntesis de ácidos grasos, inhibe la carnitina palmitoiltransferasa I, de modo que una célula que está sintetizando ácidos grasos no los quema al mismo tiempo.

Una ronda de β-oxidación

Cada ronda elimina dos carbonos en forma de acetil-CoA y transcurre a través de cuatro reacciones; el dibujo muestra, de izquierda a derecha, el butiril-CoA y los tres intermediarios de su β-oxidación. La acil-CoA deshidrogenasa usa un glutamato para quitar un protón α, que el tioéster hace ácido, mientras el hidrógeno β se traslada como hidruro al N5 del FAD: el producto es el trans-2-enoil-CoA. La enoil-CoA hidratasa adiciona agua al doble enlace C=C: un agua activada por un glutamato ataca el carbono β en una adición conjugada, y el enolato del tioéster se protona en el carbono α, lo que da el L-(S)-3-hidroxiacil-CoA. La 3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa oxida entonces el alcohol a cetona con NAD⁺, una histidina toma el protón del O–H mientras el hidrógeno del C–H se traslada como hidruro al C4 de la nicotinamida. La tiolasa termina la ronda: una cisteína del sitio activo se adiciona al carbonilo de la cetona, el intermediario tetraédrico expulsa el enolato del acetil-CoA (una ruptura retro-Claisen) y una segunda cisteína lo protona, dejando el grupo acilo acortado sobre la enzima; luego la coenzima A lo recupera como acil-CoA.

Cálculo del rendimiento, cadenas impares y dobles enlaces

El palmitoil-CoA (C16) necesita siete rondas y da 8 acetil-CoA, 7 NADH y 7 FADH₂ (los electrones de la flavina llegan a la ubiquinona a través de la flavoproteína transferidora de electrones). Con unos 2.5 ATP por NADH, 1.5 por FADH₂ y 10 por acetil-CoA oxidado en el ciclo del ácido cítrico, eso da 80 + 17.5 + 10.5 = 108 ATP, o 106 netos después de los dos equivalentes de ATP de la activación. Un acil-CoA de cadena impar termina como propionil-CoA, que una carboxilasa dependiente de biotina convierte en (S)-metilmalonil-CoA; una epimerasa da el isómero (R), y la enzima radicalaria dependiente de vitamina B₁₂ (adenosilcobalamina) metilmalonil-CoA mutasa lo reordena a succinil-CoA. Un doble enlace cis natural en posición impar, como en el oleato, termina como un cis-Δ³-enoil-CoA que la acil-CoA deshidrogenasa no puede usar; la enoil-CoA isomerasa lo traslada a la posición trans-Δ² para que la ronda pueda continuar, saltándose una reducción de FAD.

HMG-CoA: cuerpos cetónicos y la ruta hacia el colesterol

La tiolasa, en la dirección de condensación, une dos acetil-CoA para dar acetoacetil-CoA. La HMG-CoA sintasa primero transfiere un grupo acetilo a una cisteína del sitio activo; un glutamato quita un protón metílico de esa acetil-enzima, y el enolato se adiciona al carbonilo cetónico del acetoacetil-CoA. Una histidina protona el nuevo alcóxido, y la hidrólisis del tioéster de cisteína libera el (S)-3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA, mostrado como su modelo de N-acetilcisteamina). En las mitocondrias del hígado, la HMG-CoA liasa realiza un retro-aldol: el alcóxido en C3 vuelve a formar una cetona y expulsa el enolato del acetil-CoA, lo que da acetoacetato. El acetoacetato se reduce con NADH a D-(R)-3-hidroxibutirato y pierde CO₂ lentamente para dar acetona; estos tres son los cuerpos cetónicos. El hígado los produce pero no puede usarlos, porque carece de succinil-CoA:3-oxoácido CoA-transferasa, la enzima que reactiva el acetoacetato en corazón, músculo y cerebro. En el citosol, el HMG-CoA se reduce en cambio: la HMG-CoA reductasa usa dos NADPH para convertir el tioéster en el alcohol primario del mevalonato, el paso comprometido de la síntesis de colesterol y la diana de las estatinas.

Síntesis de ácidos grasos: los mismos carbonos, química distinta

La acetil-CoA carboxilasa usa biotina, ATP y bicarbonato para formar malonil-CoA (mostrado como su modelo de N-acetilcisteamina), el paso comprometido. El grupo malonilo se traslada al tiol de fosfopanteteína de la proteína transportadora de acilos (ACP), y la cadena acilo en crecimiento se ubica sobre una cisteína de la cetosintasa. La cetosintasa descarboxila el malonil-ACP; el enolato del tioéster que resulta ataca el tioéster de acil-cisteína, y el intermediario tetraédrico expulsa la cisteína, lo que da un 3-cetoacil-ACP. La pérdida de CO₂ hace que esta condensación de Claisen sea muy favorable, cosa que no lo es una condensación de dos tioésteres de acetilo. La cetorreductasa entrega entonces hidruro desde el NADPH y un protón de una tirosina para dar el D-(R)-3-hidroxiacil-ACP, el enantiómero opuesto del intermediario de la β-oxidación; la deshidratasa quita el protón α con una histidina y pierde el hidroxilo β para dar el trans-2-enoil-ACP; y la enoil reductasa adiciona hidruro desde el NADPH al carbono β. Siete ciclos producen palmitato, con un costo de 7 ATP (por 7 malonil-CoA) y 14 NADPH, en el citosol y no en la mitocondria.

Transferencia de fosforilo desde el ATP

Casi todas las reacciones enzimáticas del ATP son un ataque nucleofílico sobre uno de sus tres átomos de fósforo (se muestra el ATP), en línea con el enlace que se rompe; las raras excepciones atacan el C5′ en su lugar, como en la síntesis de S-adenosilmetionina. El ataque al fósforo γ transfiere un grupo fosforilo: quinasas, la hidrólisis del ATP por un agua activada y la adenilato quinasa, en la que un oxígeno fosfato del AMP ataca al ATP para formar dos ADP. El ataque al fósforo β transfiere pirofosfato y libera AMP: la PRPP sintetasa forma así el 5-fosforribosil 1-pirofosfato, conservando la configuración α de la ribosa porque el enlace C1–O no se rompe. El ataque al fósforo α transfiere AMP y libera pirofosfato: las acil-CoA sintetasas. La nucleósido difosfato quinasa funciona en dos mitades (ping-pong): una histidina toma el grupo γ-fosforilo del ATP, y la fosfohistidina lo pasa a cualquier NDP. La hidrólisis del ATP tiene ΔG°′ ≈ −30.5 kJ/mol, pero en una célula ΔG = ΔG°′ + RT ln([ADP][Pᵢ]/[ATP]) es de unos −50 kJ/mol porque el ATP se mantiene muy por encima del equilibrio. La carga energética adenilato, ([ATP] + ½[ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP]), normalmente se mantiene entre 0.8 y 0.95.

Síntesis de nucleótidos y desoxinucleótidos

Las purinas se ensamblan átomo por átomo sobre la 5-fosforribosilamina, que proviene del PRPP, de modo que el anillo se construye sobre el azúcar; las pirimidinas se forman primero como el anillo libre orotato, que la orotato fosforribosiltransferasa une luego al PRPP. La ribonucleótido reductasa produce todos los desoxinucleótidos reemplazando el 2′-OH de un NDP por H. Emplea química radicalaria: en las enzimas de clase I de los humanos y de E. coli, un radical tirosilo estable junto a un centro de dihierro genera un radical tiolilo de cisteína en el sitio activo, que abstrae el hidrógeno 3′ del sustrato. El radical en 3′ permite que el 2′-OH salga como agua, otras dos cisteínas entregan los electrones (formando un disulfuro) y el hidrógeno 3′ se devuelve al final. La hidroxiurea destruye el radical tirosilo y detiene la síntesis de DNA. La timidilato sintasa convierte el dUMP en dTMP (se muestran ambos): una cisteína se adiciona al C6, el C5 ataca el carbono metilénico del N⁵,N¹⁰-metilen-tetrahidrofolato, y luego se quita el hidrógeno del C5 y un hidruro del folato reduce el metileno exocíclico a metilo, lo que deja dihidrofolato. El 5-fluoro-dUMP entra en la misma ruta pero no tiene hidrógeno en C5 que perder, así que queda unido covalentemente.

Lo que conviene recordar

El metabolismo de lípidos y nucleótidos usa las mismas pocas reacciones que en el matraz: enolatos de tioéster para la química de Claisen y aldólica, transferencia de hidruro hacia y desde NAD(P) y flavinas, adiciones conjugadas y eliminaciones E1cB, y ataque en línea sobre un fósforo elegido del ATP. Sigue el transportador (CoA o ACP), el cofactor (FAD, NAD⁺ o NADPH) y la estereoquímica (L para la degradación, D para la síntesis), y la contabilidad energética se deduce de contar NADH, FADH₂, acetil-CoA y enlaces fosfoanhídrido.

Problemas de práctica (40)

Practicar es gratis con una cuenta.

Dibuja el mecanismo 15

β-Oxidación de los ácidos grasos

  • Acil-CoA deshidrogenasa: de butiril-CoA a trans-crotonil-CoADibuja el primer paso de la β-oxidación: un glutamato elimina el protón α del butiril-CoA mientras el hidrógeno β se transfiere como hidruro al N5 del FAD, lo que da trans-crotonil-CoA y flavina reducida.
  • Enoil-CoA hidratasa: el agua se adiciona al trans-crotonil-CoA y da L-3-hidroxibutiril-CoADibuja la adición conjugada de agua activada por glutamato al carbono β del trans-crotonil-CoA y la protonación del enolato del tioéster en el carbono α, que da L-(S)-3-hidroxibutiril-CoA.
  • 3-Hidroxiacil-CoA deshidrogenasa: el NAD⁺ oxida el L-3-hidroxibutiril-CoA a acetoacetil-CoADibuja la oxidación del alcohol secundario del L-3-hidroxibutiril-CoA a la cetona del acetoacetil-CoA, con el protón del hidroxilo hacia una histidina y el hidrógeno del C–H hacia el C4 del NAD⁺ como hidruro.
  • Tiolasa: ruptura retro-Claisen del 3-oxohexanoil-CoADibuja el ataque de la cisteína de la tiolasa sobre la cetona del 3-oxohexanoil-CoA, el colapso que rompe el enlace C2–C3 y expulsa el enolato de acetil-CoA, y la protonación de ese enolato sobre el carbono.
  • Tiolasa: la coenzima A retira el grupo butanoilo de la enzimaDibuja la transtioesterificación en la que la coenzima A ataca al tioéster butanoil-cisteína de la tiolasa y el intermediario tetraédrico libera la cisteína, dando butanoil-CoA.

ATP y transferencia de fosforilo

  • Adenilato quinasa: AMP y ATP dan dos ADPDibuja el ataque en línea de un oxígeno del fosfato del AMP sobre el fósforo γ del ATP, que transfiere un grupo fosforilo y produce dos ADP.
  • Hidrólisis del ATP: un agua activada por un glutamato ataca al γ-fósforoDibuja el ataque en línea de un agua activada por un glutamato sobre el γ-fósforo del ATP, que libera ADP e hidrógeno fosfato.
  • Nucleósido difosfato quinasa: ATP + GDP → ADP + GTP a través de la fosfohistidinaDibuja la transferencia del grupo γ-fosforilo del ATP a la histidina del sitio activo de la nucleósido difosfato quinasa, y su transferencia desde la fosfohistidina al GDP, que da GTP.
  • PRPP sintetasa: transferencia de pirofosforilo del ATP a la ribosa 5-fosfatoDibuja el ataque del oxígeno anomérico de la α-D-ribosa 5-fosfato sobre el fósforo β del ATP, que transfiere el pirofosfato y libera AMP, dando 5-fosfo-α-D-ribosil 1-pirofosfato.

Síntesis de ácidos grasos

  • Deshidratasa: pérdida de agua por E1cB a partir de D-3-hidroxibutiril-ACPDibuja la eliminación del α-protón del D-3-hidroxibutiril-ACP mediada por histidina y la pérdida de agua por E1cB del β-hidroxilo protonado que da trans-crotonil-ACP.
  • Enoil reductasa: el NADPH reduce el trans-crotonil-ACP a butiril-ACPDibuja la entrega conjugada de hidruro desde el NADPH al carbono β del trans-crotonil-ACP y la protonación del enolato de tioéster resultante en el carbono α, que da butiril-ACP.
  • Cetorreductasa: el NADPH reduce el acetoacetil-ACP a D-3-hidroxibutiril-ACPDibuja la transferencia de hidruro desde el NADPH a la cetona del acetoacetil-ACP con donación de protón por parte de una tirosina, lo que da el D-(R)-3-hidroxiacil-ACP.
  • Cetosintasa: condensación de Claisen descarboxilante del malonil-ACP con la acetil-enzimaDibuja la descarboxilación del malonil-ACP al enolato de acetil-ACP, su adición al tioéster de acetil-cisteína de la cetosintasa y el colapso que libera la cisteína y da acetoacetil-ACP.

Cuerpos cetónicos y HMG-CoA

  • HMG-CoA liasa: ruptura retroaldólica a acetoacetato y acetil-CoADibuja la desprotonación del hidroxilo del C3 del HMG-CoA, la ruptura retroaldólica que libera acetoacetato y el enolato de acetil-CoA, y la protonación de ese enolato en el carbono.
  • HMG-CoA sintasa: el enolato de acetil-enzima se adiciona al acetoacetil-CoADibuja la desprotonación de la acetil-cisteína de la HMG-CoA sintasa por parte de un glutamato y la adición del enolato resultante a la cetona del acetoacetil-CoA, con una histidina que protona el alcóxido.

Predice el producto 8

Cuerpos cetónicos y HMG-CoA

  • El cuerpo cetónico del aliento afrutadoPredice el producto de la descarboxilación espontánea del β-cetoácido acetoacetato.

β-Oxidación de los ácidos grasos

  • ¿Qué queda después de una vuelta?Predice el acil-CoA que queda tras una vuelta completa de β-oxidación de un acil-CoA saturado.
  • Ordena la β-oxidaciónOrdena el paso de activación y las cuatro reacciones de una vuelta de β-oxidación reconociendo el sustrato de cada enzima.
  • Superar un doble enlace cisPredice el producto de la enoil-CoA isomerasa sobre el intermediario cis-Δ³ que se forma durante la oxidación del oleato.

Síntesis de ácidos grasos

  • ¿Qué intermediario 3-hidroxibutirilo produce la síntesis?Predice la configuración del intermediario 3-hidroxiacilo de la síntesis de ácidos grasos y contrástala con la de la β-oxidación.

Síntesis de nucleótidos y desoxirribonucleótidos

  • ¿Qué produce la ribonucleótido reductasa a partir de UDP?Predice qué grupo hidroxilo elimina la ribonucleótido reductasa de un ribonucleósido difosfato.
  • Dónde se inicia el radicalPredice de qué hidrógeno de la ribosa abstrae el radical tiolilo de la ribonucleótido reductasa y por qué eso permite la pérdida del 2′-OH.
  • Timidilato sintasa: a dónde va el carbonoPredice el producto de la timidilato sintasa y reconoce que el folato aporta tanto el carbono como los equivalentes reductores.

Clasificar 2

Cuerpos cetónicos y HMG-CoA

  • Un cuerpo cetónico sin cetonaClasifica los cuerpos cetónicos por grupo funcional e identifica el que no contiene ninguna cetona.

Síntesis de nucleótidos y desoxirribonucleótidos

  • ¿Primero el anillo o primero el azúcar?Clasifica las rutas de novo de purinas y pirimidinas según cuándo se une la ribosa fosfato.

Comparar 2

Síntesis de ácidos grasos

  • Sigue el C3 a lo largo de un ciclo de síntesisOrdena los cuatro intermediarios acilo de un ciclo de síntesis de ácidos grasos según el estado de oxidación del C3.

ATP y transferencia de fosforilo

  • Ordenar los dadores de fosforiloOrdena los metabolitos fosforilados según su energía libre estándar de hidrólisis y relaciona el orden con sus estructuras.

Calcular 5

ATP y transferencia de fosforilo

  • Carga energética de adenilatosCalcula la carga energética de adenilatos de una célula a partir de sus concentraciones de ATP, ADP y AMP.
  • ΔG de la hidrólisis del ATP en una célulaCalcula la energía libre real de la hidrólisis del ATP a partir de ΔG°′ y de las concentraciones celulares.

β-Oxidación de los ácidos grasos

  • Acetil-CoA a partir de un ácido graso de cadena imparCuenta el acetil-CoA que se libera cuando un acil-CoA de cadena impar se β-oxida por completo.
  • ATP neto del palmitatoCalcula el rendimiento neto de ATP de la oxidación completa del palmitato a partir de los productos de la β-oxidación.

Síntesis de ácidos grasos

  • Costo de NADPH del palmitatoCalcula el NADPH que consume la ácido graso sintasa para formar un palmitato a partir de acetil-CoA y malonil-CoA.

Encuentra el error 1

  • Encuentra el error: la síntesis es la β-oxidación al revésDiagnostica el fallo de tratar la síntesis de ácidos grasos como la β-oxidación en sentido inverso.

Interpreta la evidencia 1

  • Interpretar un resultado de EPR para la hidroxiureaInterpreta la pérdida de la señal del radical de tirosilo como el mecanismo por el cual la hidroxiurea detiene la ribonucleótido reductasa.

Planea una síntesis 2

Síntesis de ácidos grasos

  • ¿Qué necesita la acetil-CoA carboxilasa?Elige el cofactor y los cosustratos que usa una carboxilasa dependiente de biotina para formar malonil-CoA.

Cuerpos cetónicos y HMG-CoA

  • Dónde bloquear la síntesis de colesterolElige la enzima cuya inhibición reduce de forma más selectiva la síntesis de colesterol, usando el paso comprometido de la ruta del mevalonato.

Explica por qué 4

β-Oxidación de los ácidos grasos

  • Por qué los ácidos grasos necesitan carnitinaExplica por qué los grupos acilo de cadena larga atraviesan la membrana mitocondrial interna como acilcarnitinas.

Síntesis de nucleótidos y desoxirribonucleótidos

  • Por qué el 5-fluoro-dUMP inactiva la timidilato sintasaExplica por qué el 5-fluoro-dUMP forma un complejo covalente sin salida con la timidilato sintasa.

Cuerpos cetónicos y HMG-CoA

  • Por qué el hígado no quema sus propios cuerpos cetónicosExplica qué enzima ausente convierte al hígado en exportador neto de cuerpos cetónicos.

Síntesis de ácidos grasos

  • Detener un ciclo fútilExplica cómo el malonil-CoA impide que los ácidos grasos recién sintetizados se oxiden al mismo tiempo.

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