Resumen de Reacciones metabolicas

Reacciones comunes en el metabolismo.
1. Deshidrogenasas
a. Dependientes de niacina
Existen dos coenzimas derivadas de la vitamina niacina, El NAD y el NADP, Ambas son
importantes transportadores de electrones, el NAD generalmente asociado a reacciones
degradativas mientras que el NADP generalmente asociado a reacciones biosintéticas.
de alcohol a ceto
NADH + H+
NAD+
R
R
H
C
C O
OH
R
R
NADH + H+
NAD+
En la oxidación de alcohol a ceto, en general la coenzima interviniente es el NADH.
Ejemplo: Lactato deshidrogenasa, alcohol deshidrogenasa
de aldehido a ácido
+
NAD+ NADH + H
Pi
O
C
H
O
R
Pi
NAD+
NADH + H+
ATP
ADP
C
O
O
P
C
OH
R
R
ATP
ADP
La oxidación de aldehídos a ácidos carboxílicos se realiza utilizando un par de etapas que
incluyen la conservación de parte de la energía asociada con la oxidación en la forma de un
enlace fosfoanhidro en el ATP. Ejemplo: gliceraldehido-3-P deshidrogenasa.
desaminación oxidativa del glutamato:
HO
HO
O
C
H2N CH
CH2
CH2
C
O
HO
glutamato
+
NAD+
+
H2O
O
C
C O
CH2
CH2
C
O
HO
+
α-cetoglutarato
NH4+
+
NADH
Isomerizaciones asociadas a deshidrogenasas
La isomería del carbono que se oxida pasa de tetraédrica o sp4 en el alcohol a planar o sp2, en
el aldehido. Por ello, algunas reacciones de isomerización (por ejemplo en la reacción clave de
O
O
O
HO
O
NH
O
P
O
P
OH
HO
O
CH2 OH
CH2 OH
O
CH 2
O
O
OH
N
O
O
HO
OH
O
P
OH
OH
NAD+
HO
NH
O
O
P
OH
O
CH 2
O
N
O
OH
OH
UDP-Glucosa
NADH
+ H+
HO
OH
O
O
O
UDP-Glucosa
4-epimerasa
O
O
P
NH
O
O
OH
HO
O
CH2 OH
CH2 OH
P
O
CH 2
O
O
N
O
O
OH
O
OH
O
OH
OH
HO
NH
O
P
O
OH
P
O
CH 2
N
O
O
OH
OH
HO
Intermediario oxidado
NADH
+ H+
OH
O
NAD+
CH2 OH
O
HO
O
O
P
OH
HO
O
O
P
O
CH 2
O
OH
N
O
OH
O
O
OH
OH
HO
O
CH2 OH
HO
O
NH
P
OH
NH
O
O
P
O
CH 2
N
O
O
OH
OH
HO
OH
UDP-Galactosa
la epimerización entre glucosa y galactosa) utilizan un mecanismo en el cual se obtiene un
intermediario de reacción oxidado (y planar) que puede ser convertido en alguno de los dos
epímeros dependiendo del plano desde donde se porduzca el ataque para regenerar el grupo
alcohólico.
b. Dependientes de Rivoflavina
Dos derivados de esta vitamina (B2) actúan como cofactores, el flavin mononucleótido (FMN) y
el flavin adenin dinucleótido (FAD). Ambas coenzimas contienen un anillo de isoaloxacina que
funciona como sitio funcional. En realidad el FMN, no es un verdadero nucleótido, sino un
derivado reducido de estos, ya que el anillo de isoloxacina no está unido a un azúcar sino al
polialcohol ribitol (obtenido por reducción del C1 de la ribosa). En general las coenzimas se
encuentran unidas por enlaces no covalentes a las enzimas aunque hay algunos casos donde
se encuentran enlazadas covalentes.
La importancia bioquímica de estas coenzimas reside en su versatilidad redox, incluyendo
transferencias electrónicas y la activación del O2 molecular para reacciones de oxigenación.
Una manifestación especialmente importante de su versatilidad redox es su capacidad de servir
como punto de enlace entre las transferencias electrónicas de a dos electrones por vez (como
usualmente ocurren en el metabolismo citosólico) y las transferencias electrónicas de a un
electrón por vez (que predominan en los transportadores asociados a membranas). Así, las
flavinas son utilizadas en una variedad de reacciones redox en las células, entre ellas:
Deshidrogenasas
• Estas enzimas no usan O2 como aceptor electrónico, los ejemplos más clásicos son la
succinato deshidrogenasa que transfiere los e- a las quinonas y la acil-CoA
deshidrogenasa que transfiere electrones al NAD +. En general estas son reacciones
asociadas a enzimas de membrana y el aceptor de los electrones de las flavinas es la
Coenzima Q como por ejemplo en la succinato deshidrogenasa.
QH2
R
H
H
C
C
Q
E-FADH2
E-FAD
H
R
C
R
C
H
H
H
R
E-FAD E- FADH2
sp2
sp3
Q
QH2
Oxidasas
• Estas enzimas tienen como aceptor final al O2, y lo convierten en H2O o H2O2. Esta última
es finalmente descompuesta en H2O y ½ O2 por acción de otra enzima asociada con la
función oxidasa, la catalasa. Una característica general de las oxidasas es que, cuando un
sustrato orgánico se oxida, el oxígeno agregado no proviene del O2 sino del H2O.
Muchas de las oxidasas son flavoproteinas, asociadas al FAD o al FMN.
La reacción de la citocromo oxidasa dentro del complejo IV de la cadena de transporte
mitocondrial, es un ejemplo del primer tipo, mientras que las aminoácido oxidasas, enzimas
que catalizan la desaminación oxidativa de los L- y D- aminoácidos, catalizan reacciones del
segundo tipo.
O
O
OH
H2N
C
+
H
OH
C
C
+
H2O
E-FMN
C
+
O
NH3
+
E-FMNH2
R
R
+
E-FMNH2
O2
+
E-FMN
H2O2
Oxigenasas
Estas enzimas también producen la reacción del sustrato con O2. Sin embargo, a diferencia de
las oxidasas, en este caso uno o los dos átomos del O2 terminan incorporados en el sustrato
que se oxida. De acuerdo a cuantos átomos de oxígeno incorporan, se clasifican en
monooxigenasas o dioxigenasas.
Monooxigenasas
En estas enzimas el O2 puede actuar como aceptor final. Uno de sus átomos queda unido al
sustrato mientras que el otro se transforma en H2O. Por ejemplo la lactato oxidasa cataliza la
reacción:
O
OH
C
H
E-FMN
OH
C
+
O
OH
C
O2
+
CO2
+ H2O
CH3
CH3
lactato
O
C
OH
OH
E-FMN
OH
+
salicilato
NADH + H
+
+
O2
OH
+
CO2
+
NAD +
+
H2O
La salicilato oxidasa es una enzima múltiple en la que el oxígeno, además de oxidar al
substrato, también oxida al NADH.
Dioxigenasas
El oxígeno molecular también sirve como aceptor final de la transferencia electrónica de las
dioxigenasas. Estas enzimas catalizan reacciones redox más complejas en las que están
involucradas, además de los nucleótidos de flavina y el O2, varios componentes redox como
iones metálicos y centros de Fe-S. Por ejemplo, la triptofano-2,3-dioxigenasa, una enzima que
participa en la ruta de catabolismo del triptofano, permite la apertura del anillo de cinco átomos
del aminoácido
NH2
H2C C
C H
CH
N
H
O
C
OH
+
Triptofano-2,3-dioxigenasa
O2
Triptofano
H2 NH2 O
C C C
OH
C
H
O
O
N C
H
H
N-formilkinureina
2. Transferasas
a. Transferasas de grupos de un carbono
Que utilizan Folato
La vitamina ácido fólico es el precursor de la familia de las coenzimas del tetrahidrofolato. Estas
moléculas sirven como cosubstratos más que como grupos prost'éticos fuertemente unidos, en
reacciones que implican la transferencia de unidades de un carbono.Las unidades de un
carbono son en generla derivados de formaldehido o del formiato. El formaldehido es altamente
reactivo y potencialmente tóxico. Por el contrario, en comparación el formiato es prácticamente
no reactivo.
Estas coenzimas mantienen a estos sustratos en una forma en la que ellos se encuentran
suficientemente activados para ser utilizados en reacciones metabólicas pero no tanto como
para que llegaran a ser tóxicos.
La lista siguiente indica los miembros de esta familia de coenzimas junto con la actividad
asociada a cada uno de ellos:
1. Tetrahidrofolato es activado por la reacción con formiato y ATP para convertirlo en N10formiltetrahidrofolato. En esta molécula el elemento de un carbono activado posee un estado
de oxidación de +2, idéntico al que poseía como formiato, ya que lo único que se produjo es el
intercambio de una unión C-O (en el formiato) por una unión C-N (en la coenzima). Otra
reacción importante por la que se
2. El N10-formiltetrahidrofolato actúa como un donor de grupos formilo. Esta molécula es
interconvertible con el N5-N10-metenil-tetrahidrofolato por medio de la acción de la
ciclohidrolasa.
3. El N5-N10-metilen-tetrahidrofolato es un donor de grupos hidroximetilos en una gran variedad
de reacciones pero también actúa como donor de grupos metilo para la timidilato sintasa que
cataliza la metilación del dUMP para obtener el dTMP ( en esta reacción el folato es oxidado a
dihiro folato el cual debe ser reducido por NADPH para obtener la coenzima en su estado
activo). El N5-N10-metilen-tetrahidrofolato puede ser obtenido ya sea por la reducción del N5N10-metenil-tetrahidrofolato utilizando NADPH o por la reacción de la serina hidroximetil
transferasa : serina + tetrahidrofolato à glicina + N5-N10-metilen-tetrahidrofolato.
4. el N5-metil-tetrahidrofolato, puede ser obtenido por reducción del N5-N10-metilentetrahidrofolato y es utilizado como donor de grupos metilo para la reacción de metilación del
sulfidrilo de la homocisteína para sintetizar metionina.
H2 N
H
N
N
HN
CH2
C H
N
CH2
H 10
O
N
HN
R
C
5
Estado de oxidación
de la unidad de un carbono
H
N10-formimino-Tetrahidrofolato
H2N
NH3
H
N
N
CH2
H
5 C
N
CH2
H 10
N
O
R
C
HN
O
H2O
H
N
N
H2N
CH2
C H
CH2
N
HN
5
Ciclohidrolasa
10
O
C
H
H
N10-formil-Tetrahidrofolato
OH
O
+
N
C
H
ácido fórmico
R
N5,N10-metenil-Tetrahidrofolato
NADPH + H+
N5,N 10-metilen-Tetrahidrofolato
deshidrogenasa
NADP+
H2 N
N
HN
O
H
N
Serina-hidroximetil
Transferasa
CH2
5
C H
N
CH2
H 10
HN
H2 N
H
N
N
CH2
C H
N
CH2
HN
10
O
Serina
C
H
O
C
NH
C
H
R
formaldehido
H
Glicina
Tetrahidrofolato
N
H
O
5
N 5,N10-metilen-Tetrahidrofolato
NADH + H+
(Glu)n
N5,N10-metilen-Tetrahidrofolato
reductasa
H
N
N
H2N
NAD+
CH2
C H
N
CH2
HN
H
H
5
10
O
CH3
N
H
OH
C
H
R
metanol
N5-metil-Tetrahidrofolato
b. que transfieren grupos aldehido o cetona
a. Dependientes de Tiamina pirofosfato (TPP)
El TPP es un derivado fosforilado de la vitamina B1 o tiamina. Las reacciones en las que
interviene la tiamina pirofosfato como cofactor involucran la ruptura o la formación de enlaces
C-C de uno de estos dos tipos:
a.
R1
C
O
R1
O
OH
H
R3
b.
R3
H
+
C O
R2
C
O
C
C
H
C
OH
O
C
H C OH
R4
O
H
+
C
R2
OH
O
H
C
R4
Si R1 es un OH, la molécula señalada en a es un α-cetoácido y la reacción involucrada es una
descarboxilación, como por ejemplo la del piruvato (R2 = CH3). Como regla general en la
descarboxilación de α-cetoácidos la coenzima asociada a la enzima es la tiamina pirofosfato. El
carbono carboxílico se oxida a CO2 y el carbono carbonílico se reduce a aldehido.
En todo caso, siempre es necesario la presencia de un carbono unido a un oxhidrilo,
adyascente a un carbono carnonílico. El mecanismo de reacción involucra la formación y la
estabilización de un carbanión sobre el grupo que se une a la coenzima, según el siguiente
esquema:
O
+
E1-B :
E1-B-H
H
C
S
R2
O
C O
C
R2
R2
+
N
R1
C
S
CH3
R2
E1 -B : OH
C
C
+
N R1
S
CH3
R2
OH
O
C
N
+
O
CO2
C
R1
CH3
C-
R2
S
R2
..
N R1
R2
O
H O
C-
H
C
S
CH3
R2
+
N
H
R1
CH3
O
R2
C
H
En la transcetolasa se transfiere entre dos moléculas el grupo –CO-CH2OH. El C al que estaba
unido el grupo normalmente es un CHOH y queda oxidado a aldehido. El carbono receptor,
normalmente es un aldehido y queda convertido en un CHOH.
CH2OH
C
O
HO C
H
O
H
HC
OH
C
HC
OH
HC
CH2O
b.
CH2OH
+
P
OH
CH2O
H
O
C
HO C
H
HC
OH
OH
HC
OH
HC
P
O
C
CH2O P
+
CH2O
P
Con mecanismo de catálisis ácido-base
Las Aldolasas o transaldolasas pertenecen a este grupo. El mecansimo de catálisis no requiere
de ningún cofactor y los aminoácidos del sitio activo que particpan de la reacción corresponden
a aquellos que pueden poseer ácidos o bases conjugados.
Estas enzimas son muy específicas para sustratos cuya estructura es equivalente a la
estructura de los tres o cuatro primeros átomos de la fructosa.
Transaldolasa
CH2OH
C O
H
-X
Transaldolasa
C
H
OH
CH2OH
CH2OH
C O
C O
CH2OH
C O
HX
HX
HO C
H _
C OH
HO C H
H C
O
H
OH
C
H
:B
CH
H23OPO3-2
H
H
O
C
H
C
OH
C
HB
O
H
C
OH
H
C
OH
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
:B
CH2OPO3-2
CH2OPO3-2
CH
H23OPO3-2
Eritrosa-4-fosfato
gliceraldehido-3-fosfato
CH2OH
CH2OH
C O
C O
HO C
HO C H
H
H
C
OH
H C
OH
H C
OH
H
OH
H
OH
C
HX
CH
H23OPO3-2
Fructosa-6-fosfato
C
CH2 OPO3-2
Sedoheptulosa-7-fosfato
Aldolasa
Esta enzima reconoce el extremo de una molécula de azúcar (o similar) que cotenga un
derivado de la hidroxiacetona.
Rompen o forman un enlace C-C entre un resto de 3 C (hidroxiacetona fosfato) y liberan (o
unen) el resto de la molécula en la que el C1 (que antes tenía un oxhidrilo) será un aldehido por
medio de una catálisis ácido-base similar a la anteriormente mostrada.
H 2C OH
O
H 2C O P O
C O O
HO C
H
H
C
OH
H
C
OH
O
H2C O P O
O
Aldolasa
C
O
H 2C
O
+
O
H
C
O
P O
O
H
C OH
O
H2C O P O
O
c. Acil transferasas
a. que utilizan Coenzima A (CoASH).
La mayoría de las acil transferasas son de este tipo. Un ejemplo es la enzima glutamato-Nacetil transferasa que permite incorporar un grupo acilo sobre el nitrógeno alfa del glutamato
para protegerlo de la ciclación en etapas posteriores en la ruta de síntesis de arginina.
La CoASH es el derivado más importante de la vitamina pantotenato. Esta coenzima activa los
sustratos para las reacciones de transferencia de grupos acilos o de enolización a través de su
esterificación con el grupo sulfidrilo terminal de la coenzima.
En la figura se ve la imagen de la CoA obtenida del programa RASMOL. El código de color es
el siguiente: C-gris, O-rojo, N-azul, P-naranja, S-amarillo. El único átomo de S que contiene la
coenzima A es el sulfhidrilo reactivo donde se unen a los acilos.
Un ejemplo de la acción de la CoASH es la reacción de condensación entre dos moléculas de
acetil-CoA
2 CH3-CO-SCoA à CH3-CO-CH3-CO-SCoA + CoASH
La coenzima activa la enolización de una de las moléculas de acetil-CoA, de modo que pueda
actuar como nucleófilo, y activa el carbonil del segundo acetato, de manera que actue como
electrófilo, de manera que:
1. La carga que se desarrolla en el recientemente formado enolato, es más estable que la que
podría establecerse en una molécula de acetato, la cual tendría otra carga negativa adyacente.
2. Por la misma razón, el ataque nucleofílico sobre el segundo carbonilo, es mas favorable que
si se realizara sobre el correspondiente carboxilato.
3. El anion CoAS- es un grupo saliente más estable, comparado con el hidroxilato.
4. La reacción tiene dos reactivos y dos productos, por lo que está entrópicamente favorecida si
se la compara con la condensación de dos acetatos libres que implican dos reactivos pero solo
un producto.
El tioester sirve a este propósito aún mejor que el correspondiente oxoéster, debido a que el
átomo de S dona una menor densidad electrónica sobre el carbonilo adyacente que lo que lo
haría el más electronegativo átomo de O. Estas actividades se supone que pueden llegar a
aumentar la actividad catalítica en el orden de 1017 veces. Además, el resto de la CoASH
podría ayudar a estabilizar los estados de transición de otras maneras.
b.
Que utilizan ácido lipoico.
Esta coenzima posee un anillo de 5 miembros, dos de los cuales son átomos de S unidos por
un enlace tioéter. Es capáz de transferir tanto electrones como grupos acilo activados a otra
molécula conteniedo tioles, como la CoASH. En el proceso de transferencia esta coenzima es
reducida transitoriamente a ácido dihidrolipoico (conteniendo los dos átomos de S en la forma
de tioles) el cual es reoxidado por medio de la utilización de coenzimas de niacina o de flavina.
d. Transaminasas
Las podemos clasificar según el grupo dador del nitrógeno y también en base a la
conformación del átomo de carbono que funciona como aceptor. En la tabla siguiente se puede
observar esta clasificación. Además, los cambios en el estado redox de los productos con
respecto a los sustratos son diferentes para los tres tipos de transaminasas.
DADOR
ACEPTOR
PRODUCTODADOR
PRODUCTO
ACEPTOR
glutamato
ceto
α-cetoglutarato
amino-derivado
COOH
H 2N C H
COOH
R1
aspartato
COOH
H 2N C H
CH2
COOH
glutamina
COOH
H 2N C H
CH2
CH2
C
H2N
O
R1
C O
C
CH2
CH2
COOH
REACCIÓN COMUNMENTE
ACOPLADA
O
CH2
H 2N C H
R2
CH2
COOH
ceto
fumarato
R2
COOH
CH
HC
COOH
enol
glutamato
R1
C
O
R2
imino-derivado
ATP à ADP + Pi
R1
o
C
NH
ATP à AMP + PPi
R2
enamino-derivado
COOH
R1
H 2N C H
C OH
R2
CH2
COOH
ATP à ADP + Pi
R1
C
CH2
NH2
R2
a. Transaminasas del tipo I o del glutamato
Corresponden a las transaminaciones más comunes e implican el intercambio de grupos ceto
por amino entre dos sustratos orgánicos. Desde el punto de vista de la biosíntesis de
aminoácidos, el dador de grupos amino más general es el glutamato que se convierte en la
reacción en α-cetoglutarato, y por lo tanto su carbono α se oxida. Por el contrario el sustrato es
un α-oxoácido que se convierte en un compuesto más reducido, el correspondiente αaminoácido. El mecanismo de reacción está explicado más adelante junto con las liasas
dependientes de fosfato de piridoxal. El glutamato puede ceder su grupo amino a otros
compuestos con un ceto, además de a los α-cetoácidos.
En este tipo de transaminaciónes tanto el dador como el aceptor del grupo amino cambian de
estado de oxidación. El balance redox global es nulo.
b.
Transaminasas de tipo II o del aspartato
En este tipo de transaminaciones el aceptor es también un ceto, pero en este caso es
convertido a una imina, sin cambiar su estado de oxidación. Por su parte el compuesto dador
de nitrógeno, el aspartato, es convertido en fumarato, también sin cambiar su estado de
oxidación global. Sin embargo si existe un cambio de estado de oxidación en los dos átomos
de carbono centrales de la molécula de aspartato, el C2 se reduce una unidad, mientras que el
C3 se oxida en la misma proporción.
Por lo mismo, en este tipo de transaminaciónes aunque ni el dador ni el aceptor del grupo
amino cambian de estado de oxidación, si existe un cambio en la estructura redox del dador de
nitrógenos. El balance redox global es nulo.
Cuando el aspartato es el dador de nitrógeno, como en la síntesis de arginina o en la síntesis
de AMP, se produce una reacción de intercambio en el que el dador se convierte en fumarato
mientras que el aceptor (un ceto) se convierte en primera instancia en un imino. Tomando
como ejemplo este último caso:
COOH
NADH
+ H+
NAD+ COOH
H O CH
C O
glutamato
HC
H 2N CH
N
POH 2C
O
N
HOOC CH2 CH COOH
N
CH2
COOH
Aspartato
NH
N
POH2C
N
H
H O OH
IMP
GTP
H2O
COOH
COOH
O
N
CH2
COOH
Malato
CH2
COOH
Oxalacetato
α-cetoglutarato
NH 2
O
N
POH 2C
O
H
H O OH
N
N
H
H O OH
AMP
CH
COOH
Fumarato
NH
N
NH
N
N
POH2C
O
N
NH
N
H
HO OH
GDP + Pi
Vemos que debido a la necesidad de regeneración del aspartato a partir del fumarato, se
genera poder reductor en el proceso de transaminación como si estuviéramos en una ruta de
oxidación de los sustratos. Ese poder reductor proviene de una molécula de glutamato que se
oxida a α-cetoglutarato, en forma neta por cada vuelta del ciclo que mostramos.
En algunos casos (como en la síntesis de arginina) estas reacciones están acopladas a la
hidrólisis de enlaces de alta energía, a veces a uno y otras a dos de estos enlaces.
c.
Transaminasas de tipo III o de la glutamina
Cuando el dador de grupos amino es la glutamina, no cambia el estado de oxidación ni del
dador ni del aceptor del grupo amino. En general estas reacciones están acopladas a la
hidrólisis del ATP. La glutamina se convierte en glutamato (igual estado redox) y el sustrato
puede modificarse por medio del intercambio de una unión C-OH por otra C-NH2 o en menor
proporción de casos de una unión C=O por otra C=NH, conservando también su estado redox.
d.
Aminaciones reductivas
La incorporación de NH4+ inorgánico en el oxalacetato es una reacción redox que requiere del
gasto de una molécula de NADPH.
e. Kinasas
a. Intercambiadoras de fosfoanhidros
Ejemplo: fosfogliceratoquinasa.
b. Tiokinasas
Ejemplo: succinil-CoA tiokinasa.
c. Fosforilación de OH
Ejemplo: hexoquinasa en C6 o fructoquinasa en C1
3. Hidrolasas
Ciclasas
Ejemplo: dihidroorotato sintasa.
Generadoras de un enlace de alta energía
Ejemplo: enolasa.
Isomerasas
Ejemplo: aconitasa.
Oxidación de un metileno.
Ejemplo: succinato deshidrogenasa + fumarasa.
4. Liasas/Descarboxilasas
Las descarboxilasas eliminan un grupo ácido carboxílico de un compuesto reemplazando la
unión C-C por una C-H. Muchas descarboxilasas/carboxilasas tienen como cofactor a la biotina
(ejemplo OMP descarboxilasa) o no tienen ningun cofactor.
a. Liasas Dependientes de Fosfato de Piridoxal
Esta coenzima es derivada de la vitamina B6. El grupo activo es el aldehido, que forma una
R3
R4
H
+
NH3
O
C
βC
αC
O
O
H
C
O
R2
R1
base de Schiff con el grupo amino de los α-aminoácidos. Esta base de Schiff permite estabilizar
la formación de un carbanión en los átomos de C α o β del aminoácido. Esto facilita la ruptura y
el consiguiente intercambio de cualquiera de los enlaces marcados por las flechas azules o
rojas de esta figura:
Los tipos de actividades que son catalizadas por enzimas que utilizan al fosfato de piridoxal
como cofactor son las siguientes:
Tipo de Enzima
Transaminasas:
Racemasas:
Liasas (tipo aldolasa):
β-Descarboxilasa:
ejemplo
oxalacetato + glutamato ---> L-aspartato + α-cetoglutarato
L-alanina ---> D-alanina
glicina + formil-THF ---> L-serina
L-aspartato ---> CO2 + L-alanina
El mecanismo general de estas reacciones es el que se muestra más abajo. Todos los
mecanismos comienzan por la reacción señalada como 1, que implica la formación de la base
de Schiff.
El resto del mecanismo es utilizada solo en parte por cada uno de los tipos de reacción que
individualizamos en la tabla más arriba.
R
H
H
Cβ
Cα
H
NH 3
O
+
+
H
1
C
Cβ
O
CH 2
PO
O
H2O
O
+
N
O
Cα
R
C
+
O
H
N
H
HC
HC
PO
O
R
H 2O
O
H
CH 2
O
+
N
CH 3
+
N
CH3
H
R
C
O
PO
O
+
Hβ
H
R
Cβ
H
HC
PO
O
-
Cα
N
CH 2
Hα
H
O
H
C
R
O
+
+
α
O
Cβ
H
H
C
N
PO
O
CH 3
H
a
O
Cβ
H
H
-
HC
O
..
N
H
R
O
+
CH 2
H
C
α
HC
O
+
N
4
+
Hβ
PO
O
Cα
N
CH 2
H
b
O
+
H
R
+
H
O
+
N
CH3
H
3
C
CH 3
H
+
PO
O
O
Cβ
Cα
C
+
H
N
H
H
C
H
CH 2
O
+
N
O
CH3
H
c
d
Por ejemplo las transaminasas utilizan solo las reacciones 1, 2 y 3. En estas enzimas, la
hidrólisis del compuesto señalado como d. produce la amina derivada del piridoxal
(piridoxamina) y libera un α-cetoácido. La piridoxamina puede a su vez reaccionar con otro αcetoácido para regenerar un compuesto del tipo d. Este compuesto puede ahora revertir las
reacciones, perdiendo un protón del carbono aldehídico del piridoxal, luego tautomerizándose
(para formar un carbanión en el Cα, un compuesto del tipo a.) y captando un protón para
regenerar una base de Schiff, que contiene el esqueleto carbonado del α-cetoácido que fue
incorporado en último término. La hidrólisis de esta base de Schiff regenerará el fosfato de
piridoxal y liberará un α-aminoácido.
En las reacciones de racemización el tipo de reacciones utilizadas es solamente la 1 y la 2. En
el compuesto marcado como b., el Cα inicialmente tetraédrico está convertido en un carbono
planar (sp2). De esta manera el H+ de la reacción 2. puede ser reincorporado de cualquiera de
los dos lados del plano para regenerar la base de Schiff. La hidrólisis de esta base generará
entonces cualquiera de los dos compuestos racémicos.
b. que utilizan Biotina
Esta vitamina está normalmente unida a la enzima a través de una larga cadena
hidrocarbonada. El grupo funcional para la carboxilación es el átomo de nitrógeno N1 de un
grupo imidazol. La biotina sirve como agente carboxilante que utiliza el bicarbonato como
sustrato y fuente del grupo carboxilo. En la primera etapa el bicarbonato es activado:
HO
C
O
HO
+
ATP
C
O
+
O
O P
bicarbonato
carbonil-fosfato
ADP
C
H
N
H
H
C
H
CH2
O
H
e
2
Cα
+
N
Sustratos
+
Cβ
CH 3
H
Base de Schiff
H
Cα
+
H
N
H
H
C
H
CH2
O
PO
O
O
O
-
Cβ
CH 3
f
O
Después el grupo carboxilo activado se une a la biotina a través del N1 recién mencionado, y
desde allí es transferido a otra molécula orgánica como por ejemplo en la carboxilación del
piruvato a oxalacetato:
O
HO
O
C
HN
O
NH
+
O P
O
Enz
O
NH
C N
1
NH
HO
S
carbonil-fosfato
Enz
O
C
OH
O
CH2
C N
+
Pi
S
O
O
C
+
biotina
O
O
NH
NH
HO
O
Enz
O
NH
C
OH
HN
C O
2
CH2
S
H
HO
C
O
NH
Enz
O
NH
+
S
biotina
La biotina se encuentra unida a la enzima en forma covalente, a travéz de una unión amida con
el resto amino de una lisina de la proteína. De esta manera el centro activo de la biotina (el sitio
de unión al CO2) esta ligado a la enzima a través de un largo brazo que contiene en forma
mayoritaria metilenos (8 en total, 4 de la lisina y 4 de la biotina) y que por lo mismo posee una
gran flexibilidad y posibilidad de movimientos. En general los sitios catalíticos de estas dos
actividades (reacciones 1 y 2 en la figura) están bien separados, de manera que la biotina se
encuentra particularmente bien localizada (con su largo brazo de unión a la enzima) para hacer
de puente entre ambos.
5. Transferencia electrónica
a. De a un electrón por vez
Las proteínas que contienen iones metálicos, como hierro, Cu, Mg o Mn, transfieren en general
los electrones de a uno por vez a su aceptor. Entre estas tenemos a los citocromos, las
proteínas de los clusters de Fe-S, las clorofilas (y sus derivados no asociados a iones las
feofitinas), y los componentes de la rueda de Mn.
En general estas trasportadores de a un electron por vez están asociados a membranas.
b. De a dos electrones por vez
Estas transferencias se dan en general en el metabolismo en solución. La mayoría de las
deshidrogenasas celulares que utilizan derivados de la niacina o de la riboflavina como
coenzimas intervienen en este tipo de procesos.
c. De a uno o dos electrones por vez
Los nucleótidos de flavina (FMN o FAD) así como la coenzima Q, son capaces de intervenir en
transferencias electrónicas de a dos electrones al mismo tiempo o de sólo un electrón por vez.
En este último caso se genera un intermediario (que incluso puede tener una carga negativa
como en el caso de la CoQ) que contiene un electrón desapareado. Estos intermediarios del
FAD, FMN o de la CoQ, son semiquinonas que, a diferencia de las formas totalmente oxidadas
o totalmente reducidas de las coenzimas, son normalmente incapaces de moverse libremente a
A
B
O
O
H3C
N
C
H3C
N
5
C
C
1
N
H3C
N
H3C
N
C
5
e-
NH
C
C
+
H
C
1
N
O
R
Flavoquinona
(FMN o FAD)
NH
C
O
O
CH2
OH
HC
OH
HC
OH
+
O
O
O
P
O
O
CH2
C H
N
O
N
CH
C
HC
OH OH
H
N
H3C
N
5
C
C
C
1
NH
C
N
H
+
O
e-
R
FMN (en negro) o FAD (en negro y azul)
los átomos reactivos están en rojo
H
Flavohidroquinona
(FMNH2 o FADH2)
través de la membrana. Generalmente, estas semiquinonas tienen sitios de anclaje a una
proteína, perteneciente a alguno de los complejos donde actúan, siempre en un sitio
adyascente a una de las soluciones acuosas en contacto con la membrana, ya sea la matriz o
el espacio intermembrana.
O
H3C
H3C
O
O
CH3
H3C
H
CH 2C
O
O
Ubiquinona
(Coenzima Q)
O
H3C
O
H3C
O
CH3
H
H
CH2C
H3C
6-10
e-
CH 3
C CH2
H
6-10
O
Plastoquinona
O
e-
R
O
CH3
C CH2
1
N
O
H3C
H
H
NH
C
R
Flavosemiquinona
(FMN. o FAD.)
N
HC
C
C
N
NH2
N
O
H3C
H
CH2
P
5
H
HC
-O
H
N
H3C
H3C
O
H3C
O
CH 3
e- 2 H+
OH
H 3C
O
H 3C
O
CH3
R
O
2 H+
e-
R
OH
Cambios en los estados de oxidación de la Ubiquinona
De esta manera estas coenzimas están adaptadas para hacer de nexo entre las reacciones
redox que ocurren en el citosol (de a dos electrones) y las que ocurren en las membranas (de a
un electrón).
O