El ciclo de nucleótidos de purina es una vía metabólica en el metabolismo de proteínas que requiere los aminoácidos aspartato y glutamato . El ciclo se utiliza para regular los niveles de nucleótidos de adenina , en los que se generan amoníaco y fumarato . [2] El AMP se convierte en IMP y el subproducto amoníaco. El IMP se convierte en S-AMP ( adenilosuccinato ), que luego se convierte en AMP y el subproducto fumarato. El fumarato continúa produciendo ATP (energía) a través de la fosforilación oxidativa a medida que ingresa al ciclo de Krebs y luego a la cadena de transporte de electrones . Lowenstein fue el primero en describir esta vía y describió su importancia en procesos que incluyen el catabolismo de aminoácidos y la regulación del flujo a través de la glucólisis y el ciclo de Krebs . [2] [3] [4]
El AMP se produce después de una contracción muscular extenuante cuando el reservorio de ATP es bajo (ADP > ATP) por la reacción de la adenilato quinasa (mioquinasa). [5] [6] El AMP también se produce a partir de adenina y adenosina directamente; sin embargo, el AMP se puede producir a través de vías metabólicas menos directas, como la síntesis de novo de IMP o mediante vías de rescate de guanina (una purina) y cualquiera de los nucleótidos y nucleósidos de purina . El IMP se sintetiza de novo a partir de la glucosa a través de la vía de la pentosa fosfato que produce ribosa 5-P , que luego se convierte en PRPP que con los aminoácidos glicina, glutamina y aspartato ( ver Metabolismo de la purina ) puede convertirse aún más en IMP. [7]
El ciclo comprende tres reacciones catalizadas por enzimas . La primera etapa es la desaminación del nucleótido de purina adenosina monofosfato (AMP) para formar inosina monofosfato (IMP), catalizada por la enzima AMP desaminasa :
La segunda etapa es la formación de adenilosuccinato a partir de IMP y el aminoácido aspartato , que está acoplada a la hidrólisis energéticamente favorable de GTP y catalizada por la enzima adenilosuccinato sintetasa :
Finalmente, el adenilosuccinato es escindido por la enzima adenilosuccinato liasa para liberar fumarato y regenerar el material de partida del AMP:
Un estudio reciente demostró que la activación de HIF-1α permite que los cardiomiocitos mantengan el potencial de membrana mitocondrial durante el estrés anóxico al utilizar el fumarato producido por la adenilosuccinato liasa como un aceptor terminal alternativo de electrones en lugar del oxígeno. Este mecanismo debería ayudar a brindar protección en el corazón isquémico. [8]
El ciclo de los nucleótidos de purina ocurre en el citosol (líquido intracelular) del sarcoplasma del músculo esquelético y en el compartimento citosólico del miocito del citoplasma del músculo cardíaco y liso . El ciclo ocurre cuando los depósitos de ATP se agotan (ADP > ATP), como en el caso de ejercicio extenuante, ayuno o inanición. [5] [9]
Las proteínas se catabolizan en aminoácidos, y los aminoácidos son precursores de purinas, nucleótidos y nucleósidos que se utilizan en el ciclo de nucleótidos de purina. [7] El aminoácido glutamato se utiliza para neutralizar el amoníaco producido cuando el AMP se convierte en IMP. Otro aminoácido, el aspartato , se utiliza junto con el IMP para producir S-AMP en el ciclo. El músculo esquelético contiene aminoácidos para su uso en el catabolismo, conocido como el conjunto de aminoácidos libres; sin embargo, el suministro inadecuado de carbohidratos y/o el ejercicio extenuante requieren el catabolismo de proteínas para mantener los aminoácidos libres. [9]
Cuando el sistema de fosfágeno (ATP-PCr) se ha agotado de fosfocreatina (fosfato de creatina), el ciclo del nucleótido de purina también ayuda a sostener la reacción de la mioquinasa al reducir la acumulación de AMP producido después de la contracción muscular en la siguiente reacción. [6]
Durante la contracción muscular:
Músculo en reposo:
El AMP puede desfosforilarse en adenosina y difundirse fuera de la célula; por lo tanto, el ciclo de nucleótidos de purina también puede reducir la pérdida de adenosina de la célula, ya que los nucleósidos permean las membranas celulares, mientras que los nucleótidos no lo hacen. [6]
El fumarato , producido a partir del ciclo del nucleótido de purina, es un intermediario del ciclo del TCA y entra en las mitocondrias al convertirse en malato y utilizar la lanzadera del malato donde se convierte en ácido oxalacético (OAA). Durante el ejercicio, el OAA entra en el ciclo del TCA o se convierte en aspartato en las mitocondrias. [10]
Como el ciclo de nucleótidos de purina produce amoníaco (ver más abajo en síntesis de amoníaco) , el músculo esquelético necesita sintetizar glutamato de una manera que no aumente aún más el amoníaco, y como tal, el uso de glutaminasa para producir glutamato a partir de glutamina no sería ideal. Además, la glutamina plasmática (liberada de los riñones) requiere transporte activo hacia la célula muscular (consumiendo ATP). [11] En consecuencia, durante el ejercicio cuando el reservorio de ATP es bajo (ADP>ATP), el glutamato se produce a partir de aminoácidos de cadena ramificada (BCAA) y α-cetoglutarato, así como de alanina y α-cetoglutarato. [12] El glutamato se utiliza luego para producir aspartato. El aspartato entra en el ciclo de nucleótidos de purina, donde se utiliza para convertir IMP en S-AMP. [10] [13]
Cuando el músculo esquelético está en reposo (ADP<ATP), el aspartato ya no es necesario para el ciclo del nucleótido de purina y, por lo tanto, puede usarse con α-cetoglutarato para producir glutamato y ácido oxalacético (la reacción anterior se invierte).
α-Cetoglutarato + Aspartato ⇌ Ácido oxalacético + Glutamato (catalizado por la aspartato aminotransferasa )
Durante el ejercicio , cuando el reservorio de ATP es bajo (ADP>ATP), el ciclo de nucleótidos de purina produce amoníaco ( NH3 ) cuando convierte AMP en IMP. (Con la excepción de la deficiencia de AMP deaminasa , donde el amoníaco se produce durante el ejercicio cuando la adenosina, del AMP, se convierte en inosina). Durante el reposo (ADP<ATP), el amoníaco se produce a partir de la conversión de adenosina en inosina por la adenosina desaminasa.
El amoníaco es tóxico, altera el funcionamiento celular y penetra en las membranas celulares. El amoníaco se convierte en amonio ( NH+
4) dependiendo del pH de la célula o del plasma. El amonio es relativamente no tóxico y no penetra fácilmente las membranas celulares. [14]
NH3 + H+
⇌Nuevo México+
4
El amoníaco ( NH 3 ) se difunde en la sangre, circulando hasta el hígado para ser neutralizado por el ciclo de la urea . ( La urea Nb no es lo mismo que el ácido úrico , aunque ambos son productos finales del ciclo de nucleótidos de purina, a partir del amoníaco y los nucleótidos respectivamente). Cuando los músculos esqueléticos están en reposo (ADP<ATP), el amoníaco ( NH 3 ) se combina con el glutamato para producir glutamina , que es un paso que consume energía, y la glutamina ingresa a la sangre. [15] [11]
Glutamato + NH3 + ATP → Glutamina + ADP + P
i(catalizada por la glutamina sintetasa en el músculo esquelético en reposo)
El exceso de glutamina es utilizado por el túbulo proximal de los riñones para la amoniagénesis, que puede contrarrestar cualquier acidosis metabólica causada por la actividad anaeróbica del músculo esquelético. [15] En los riñones, la glutamina se desamina dos veces para formar glutamato y luego α-cetoglutarato . Estas moléculas de NH3 neutralizan los ácidos orgánicos ( ácido láctico y cuerpos cetónicos ) producidos en los músculos.
Glutamina + H2O → Glutamato + NH+
4(catalizada por la glutaminasa en los riñones)
Algunas miopatías metabólicas implican la subutilización o sobreutilización del ciclo de nucleótidos de purina. Las miopatías metabólicas causan un bajo reservorio de ATP en las células musculares (ADP > ATP), lo que resulta en una acumulación excesiva de AMP en el músculo inducida por el ejercicio y una posterior hiperuricemia inducida por el ejercicio (hiperuricemia miogénica) a través de la conversión del exceso de AMP en ácido úrico por medio de AMP → adenosina o AMP → IMP.
Durante el ejercicio extenuante, el AMP se crea mediante el uso de la reacción de la adenilato quinasa (mioquinasa) después de que el sistema de fosfágeno se haya agotado de fosfato de creatina y aún no se esté produciendo suficiente ATP por otras vías (ver la reacción anterior en la sección "Aparición") . En las personas afectadas por miopatías metabólicas, el ejercicio que normalmente no se consideraría extenuante para las personas sanas, sin embargo lo es para ellas debido a su bajo depósito de ATP en las células musculares. Esto da como resultado el uso regular de la reacción de la mioquinasa para las actividades normales y cotidianas.
Además de la reacción de la mioquinasa, un alto consumo de ATP y un bajo reservorio de ATP también aumentan el catabolismo proteico y la recuperación de IMP, lo que da como resultado un aumento de AMP e IMP. Estos dos nucleótidos pueden entonces entrar en el ciclo de nucleótidos de purina para producir fumarato, que a su vez producirá ATP por fosforilación oxidativa. Si el ciclo de nucleótidos de purina está bloqueado (como en el caso de una deficiencia de AMP desaminasa) o si se interrumpe el ejercicio y ya no se necesita una mayor producción de fumarato, entonces el exceso de nucleótidos se convertirá en ácido úrico.
La deficiencia de AMP desaminasa (formalmente conocida como deficiencia de mioadenilato desaminasa o MADD) es una miopatía metabólica que resulta en una acumulación excesiva de AMP provocada por el ejercicio. La AMP desaminasa es necesaria para convertir AMP en IMP en el ciclo de nucleótidos de purina. Sin esta enzima, la acumulación excesiva de AMP se debe inicialmente a la reacción de la adenilato quinasa (mioquinasa) que ocurre después de una contracción muscular. [16] Sin embargo, el AMP también se utiliza para regular alostéricamente la enzima miofosforilasa ( ver Glucógeno fosforilasa § Regulación ), por lo que la acumulación inicial de AMP desencadena la enzima miofosforilasa para liberar glucógeno muscular en glucosa-1-P (glucógeno→glucosa-1-P), [17] que finalmente agota el glucógeno muscular, que a su vez desencadena el metabolismo proteico, que luego produce aún más AMP. En la deficiencia de AMP desaminasa, el exceso de adenosina se convierte en ácido úrico en la siguiente reacción:
La hiperuricemia miogénica , como resultado del ciclo de nucleótidos de purina que se ejecuta cuando los reservorios de ATP en las células musculares son bajos (ADP > ATP), es una característica fisiopatológica común de las glucogenosis como GSD-III , GSD-V y GSD-VII , ya que son miopatías metabólicas que afectan la capacidad de producción de ATP (energía) dentro de las células musculares. En estas miopatías metabólicas, la hiperuricemia miogénica es inducida por el ejercicio; la inosina, la hipoxantina y el ácido úrico aumentan en el plasma después del ejercicio y disminuyen con el paso de las horas de descanso. [18] El exceso de AMP (monofosfato de adenosina) se convierte en ácido úrico . [18]
También se observa hiperamonemia después del ejercicio en la enfermedad de McArdle (GSD-V) y la deficiencia de fosfoglucomutasa (PGM1-CDG, anteriormente GSD-XIV), debido al ciclo de nucleótidos de purina que se ejecuta cuando el reservorio de ATP es bajo debido al bloqueo glucolítico. [19] [20] [21] [22] [23] [24]
AMP + H2O + H+
→ IMP + NH3