Biosíntesis y Degradación de Nucleótidos: Rutas y Regulación

Existen dos rutas principales para la síntesis de nucleótidos: la ruta de novo y la ruta de recuperación.

Componentes de los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos se conforman por dos tipos de bases nitrogenadas:

• Las bases púricas (purinas): que incluyen la adenina (A) y la guanina (G).
• Las bases pirimidínicas (pirimidinas): que incluyen la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U).

Ruta de Biosíntesis de Purinas

La formación del anillo de las purinas comienza con la unión del 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP) a una glutamina. Esta reacción transfiere un grupo amino, generando 5-fosforribosilamina, un compuesto altamente inestable con una vida media de aproximadamente 30 segundos, que debe ser estabilizado rápidamente gracias a la unión de glicina.

Este complejo proceso consta de 11 reacciones enzimáticas que culminan en la formación del inosinato (IMP), un precursor clave.

La regulación de la producción de nucleótidos se da principalmente mediante la retroalimentación negativa, donde los productos finales inhiben enzimas clave en los primeros pasos de la ruta metabólica.

Ruta de Biosíntesis de Pirimidinas

En la ruta de biosíntesis de pirimidinas, a diferencia de las purinas, el anillo pirimidínico se forma primero y luego se une al 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP) para incorporar la ribosa 5-fosfato. Sus precursores principales son el aspartato, el carbamoil fosfato y el 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP).

En el caso del timidilato (dTMP), este se forma a partir de la uridina 5′-monofosfato (UMP) y la citidina 5′-monofosfato (CMP), que se convierten a desoxiuridina monofosfato (dUMP) y, finalmente, en timidilato (dTMP).

Funciones Biológicas de las Porfirinas y Derivados de Aminoácidos

Las Porfirinas: Esenciales para Hemoproteínas

Las porfirinas poseen una importancia central como núcleo estructural de las hemoproteínas, tales como la hemoglobina y los citocromos. La hemoglobina, al unirse a la porfirina y fijar el hierro, es fundamental para el transporte de oxígeno a los órganos y tejidos.

Moléculas Biológicamente Activas Derivadas de Aminoácidos

Además de ser los bloques constructores de las proteínas, los aminoácidos son precursores de una amplia variedad de moléculas biológicamente activas, sumamente importantes para el organismo.

• Las porfirinas, que se sintetizan a partir de la glicina, constituyen la base estructural del grupo hemo de la hemoglobina y la mioglobina (responsables del transporte de oxígeno), así como de los citocromos de la fosforilación oxidativa (implicados en el transporte de electrones).
• A partir de la glicina y la arginina se sintetiza la fosfocreatina, una forma crucial de almacenamiento de energía en los músculos, que restaura rápidamente el ATP desfosforilado durante la contracción muscular.
• La histamina, derivada de la histidina, está involucrada en procesos inflamatorios, desencadenando vasodilatación, vasoconstricción y movilización de células inmunes.
• La tirosina es el precursor de la melanina, las catecolaminas y las hormonas tiroideas.
  • La melanina es un pigmento de la piel y el pelo que protege contra los rayos ultravioleta.
  • Las catecolaminas son un grupo de compuestos que incluyen la dopamina (un neurotransmisor cerebral relacionado con las funciones motrices), la adrenalina (una hormona secretada en situaciones de alerta que aumenta la glucemia, el ritmo cardíaco y la presión arterial), y la noradrenalina (que desempeña funciones similares a la adrenalina).
  • Las hormonas tiroideas, como la tiroxina (T4) y la triyodotironina (T3), estimulan el metabolismo de carbohidratos, lípidos y aminoácidos.
• La serotonina y la melatonina se forman a partir del triptófano.
  • La serotonina es un neurotransmisor que induce el sueño, controla el apetito, inhibe la secreción gástrica, aumenta el peristaltismo, estimula la secreción de hormonas de la hipófisis, produce vasoconstricción, disminuye la contracción cardíaca, aumenta la agregación plaquetaria y es broncoconstrictor.
  • La melatonina, al igual que la serotonina, modula el sueño; además, controla los ciclos reproductivos de acuerdo con el fotoperíodo y, recientemente, se ha relacionado con el envejecimiento.
• El glutatión forma parte de un sistema que protege a las células contra el estrés oxidativo; el glutamato, la cisteína y la glicina son sus precursores.

El Nitrógeno: Elemento Esencial y su Ciclo Biológico

El nitrógeno (N) es el cuarto elemento más abundante que contribuye a la formación de la biomasa en nuestro planeta.

La mayor parte del nitrógeno biológico se encuentra en los aminoácidos y nucleótidos. Ambas moléculas comparten rutas metabólicas que, al final, dan lugar a la formación de proteínas (a partir de aminoácidos) y ácidos nucleicos (a partir de nucleótidos).

Los compuestos de nitrógeno solubles y biológicamente utilizables (como el amoníaco o el ion amonio) son escasos en la naturaleza. Por esta razón, los organismos han desarrollado mecanismos para reutilizar los aminoácidos y nucleótidos una vez que han cumplido su función.

Fijación Biológica del Nitrógeno

La fijación biológica del nitrógeno es realizada por un número limitado de procariontes, entre los que se incluyen:

• Cianobacterias (presentes en el suelo, agua dulce y salada).
• Algunas especies de Azotobacter.
• Bacterias que viven como simbiontes en los nódulos de las raíces de las leguminosas (ej., Rhizobium).

El nitrógeno reducido a amonio (NH₄⁺) es incorporado primero a los aminoácidos y, posteriormente, a otras moléculas. Los puntos de entrada clave para el nitrógeno en el metabolismo son los aminoácidos glutamato y glutamina.

Integración y Regulación Hormonal del Metabolismo en Mamíferos

Los organismos pluricelulares se caracterizan por la diferenciación celular y la distribución de funciones entre sus tejidos, órganos y sistemas. Cada uno de estos componentes posee requerimientos energéticos y metabólicos específicos. Las hormonas desempeñan un papel crucial en la coordinación de las actividades metabólicas y la optimización de la función global del organismo.

El sistema neuroendocrino coordina el metabolismo en mamíferos. En la señalización neuronal, los neurotransmisores y algunas hormonas viajan a través de los axones de las neuronas, recorriendo distancias cortas o largas. En la señalización hormonal, las hormonas son liberadas al torrente sanguíneo y transportadas a células diana cercanas o a tejidos distantes.

Características Clave de las Hormonas

• Poseen interacciones hormona-receptor altamente específicas.
• Presentan diversos orígenes químicos: peptídico, lipídico (esteroides), derivados de aminoácidos, o incluso de vitaminas.
• Regulan una amplia gama de procesos metabólicos en el organismo.
• Son extremadamente potentes, ejerciendo efectos significativos sobre las células diana incluso en concentraciones muy bajas, por lo que se producen en pequeñas cantidades.

Mecanismos de Acción Hormonal

La unión de una hormona con su receptor puede ocurrir a nivel extracelular, citosólico o nuclear, dependiendo de la naturaleza de la hormona. Existen dos mecanismos principales que describen esta interacción:

1. Hormonas Hidrosolubles (Peptídicas y Aminas)

Las hormonas peptídicas y aminas hidrosolubles actúan extracelularmente, uniéndose a receptores específicos en la superficie celular. Esta unión amplifica y transmite la señal al interior de la célula, generando moléculas conocidas como segundos mensajeros que participan en cascadas de señalización intracelular. La respuesta celular a estas hormonas suele ser rápida, en cuestión de segundos, debido a la amplificación de la señal por los segundos mensajeros.

2. Hormonas Liposolubles (Esteroideas, Retinoides y Tiroideas)

Las hormonas liposolubles (como las esteroideas, retinoides y tiroideas) atraviesan la membrana celular y alcanzan el citoplasma, e incluso pueden llegar a atravesar la membrana nuclear. Dentro de la célula, se unen a proteínas receptoras específicas, formando un complejo hormona-receptor que interacciona directamente con el ADN, modificando la expresión génica y, por ende, la síntesis de proteínas. La respuesta a estas hormonas es generalmente más lenta, pero de mayor duración.

Clasificación de Hormonas por Modo de Acción

Según la forma en que viajan desde su punto de liberación hasta su tejido diana, las hormonas se clasifican en:

• Hormonas endocrinas: Son liberadas directamente al torrente sanguíneo y transportadas a través del organismo para actuar en tejidos distantes.
• Hormonas paracrinas: Son liberadas en el espacio extracelular y afectan a células diana vecinas.
• Hormonas autocrinas: Son liberadas por una célula y se unen a receptores presentes en la misma célula, afectando su propia función.

Regulación de la Liberación Hormonal

La liberación de hormonas está finamente regulada por señales neuronales y hormonales, a menudo en un sistema jerárquico.

El sistema nervioso central (SNC) recibe una gran cantidad de señales de sensores internos y/o externos. A partir de esta información, el SNC inicia o modula la producción de hormonas en los tejidos endocrinos o glándulas.

Regulación Hormonal del Metabolismo Energético

La glucosa, el glucagón y la insulina son actores clave en la regulación del metabolismo energético:

• Cuando la glucosa en sangre sube, la secreción de insulina sube y la de glucagón baja.
• Cuando la glucosa en sangre baja, la secreción de insulina baja y la de glucagón sube.