METABOLISMO DE COMPUESTOS NITROGENADOS. Profesor: Dra. Aurora Lara Nuñez 3 sesiones Objetivo particular: Este capítulo tiene como propósito familiarizar.

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1 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.

2 Bibliografía: Buchanan, Gruissem, Jones. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists. Capítulos 8 - Amino ácidos 16 - Nitrógeno

3 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)

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6 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).

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8 Ciclo del nitrógeno

9 Panorama general de asimilación de nitrógeno en plantas

10 Reducción enzimática de N2 Filogenias 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

11 Enzimología de la fijación del nitrógeno

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

13 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.

14 Formación de nódulos fijadores de nitrógeno Invasión de pelos radiculares Nódulo indeterminado Meristemo nodular Nódulo determinado (esférico)

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

16 Genes que se expresan sólo durante la formación del nódulo

17 Genes Nod

18 Elicitores que segrega la planta para inducir genes nod

19 Factores Nod

20 Mecanismo de producción de ATP en un ambiente bajo de oxígeno

21 Rutas de asimilación primaria de nitrógeno en nódulos I

22 Síntesis de aminoácidos

23 Rutas de asimilación primaria de nitrógeno en nódulos II

24 Transporte de nitrato y su asimilación

25 Transportadores de Amonio AMT SAT Km 10-70 µM Km 5 mM

26 Cinética de entrada de nitrato a la planta Alta afinidad Baja afinidad Familia NTR2 Familia NTR1 HATS o mecanismo I Km 10-100 µM LATS o mecanismo II No saturación

27 Nitrato reductasa

28 Regulación de la expresión del gen de NR

29 Modelo de regulación de la actividad de NR

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

38 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:

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

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43 Aminotransferasas o transaminasas Reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa: desaminación oxidativa (Matriz mitocondrial) L-glutamato + NAD(P) + +H 2 O -Cetoglutarato + NH 4 + + 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.

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45 Procedente de la pirimidina (vitamina B6)

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47 Aminotransferasas Aspartato aminotransferasa L-aspartato + -Cetoglutarato Oxalacetato + L-glutamato Alanina aminotransferasa L-alanina + -cetoglutarato Piruvato + L-glutamato

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49 Ciclo de la UREA

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55 Ecuación balanceada del ciclo de la urea HCO 3 - + 2ATP + NH 4 carbamilfosfato + 2 ADP + Pi Carbamilfosfato + ornitina citrulina + Pi Citrulina + ATP + Aspartato PPi + AMP + argininosuccinato Argininosuccinato + H 2 O Arginina + fumarato Arginina + H 2 O Urea + Ornitina HCO 3 - +NH 4 + +3ATP+Aspartato+2H 2 O Urea+2ADP+AMP+2Pi+PPi+fumarato

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57 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

58 Amino ácidos cetogénicos 1.- acetil-CoA 2.- Acetoacetil-CoA (leucina y lisina) Amino ácidos glucogénicos 3.- piruvato 4.- alfa cetoglutarato 5.- succinil-CoA 6.- fumarato 7.- oxalacetato (14 amino ácidos restantes) Animoactidos ceto y glucogénicos Pueden dar cualquiera de los siete intermediarios del ciclo de Krebs (isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina) Destino de la degradación de amino ácidos

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60 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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63 10/8/13 Biosíntesis de nucleótidos

64 10/8/13 Piridiminas y purinas

65 10/8/13 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.

66 10/8/13 Diferencias entre nucleósido y nucleótido

67 10/8/13 Piridiminas Purinas

68 10/8/13 Origen de cada uno de los átomos de una purina

69 10/8/13 Formación de ribonucleótidos y desoxirribonucleótidos

70 10/8/13 Ribosa 5 fosfato 5 fosforribosil 1 pirofosfato Ribosa fosfato pirofosfocinasa ATP AMP ¿Qué molécula dona la ribosa fosfato en la síntesis de purinas?

71 10/8/13 10 pasos formación del anillo de purinas 1. Gln (grupo amida): N9 2. Gli: C4, C5 y N7 3. N 10 formiltetrahidrofolato: C8 4.Gln (grupo amida): N3 5. Formación del primer anillo 6. CO 2 : C6 7. Asp: N1 8. Eliminación de fumarato 9. N 10 formiltetrahidrofolato: C2 10. Formación del segundo anillo

72 10/8/13 Síntesis del AMP y GMP

73 10/8/13 PURINA PPi PRPP Purina ribonucleótido Vía de salvamento (reutilización) de purinas Adenina fosforribosil transferasa Adenina + PRPP Adenilato + PPi Hipoxantina guanina fosforribosil transferasa Hipoxantina + PRPP Inosinato + PPi Guanina + PRPP Guanilato + PPi

74 10/8/13 Diferencias entre la síntesis de novo y la vía de salvamento

75 10/8/13

76 Origen de cada uno de los átomos de una piridimina

77 10/8/13 Carbamoilfosfato sintetasa II Glutamina + 2 ATP + HCO 3 - Carbamoilfosfato + 2 ADP + Pi + Glu Diferencias con la carbamoilfosfato sintetasa I. El donador de N es Gln y no NH 4 +. Reacción citosólica. El N-acetilglutamato no es un activador alostérico.

78 10/8/13 Paso regulatorio

79 10/8/13 Ribonucleósido difosfato Deoxiribonucleósido difosfato NADPH + H + NADP + +H 2 O Precursores de la síntesis de ADN

80 10/8/13 Timidilato sintasa

81 10/8/13

82 Regeneración de N 5, N 10 - metilen H 4 folato: Aplicaciones clínicas

83 10/8/13