Un nucleósido trifosfato es un nucleósido que contiene una base nitrogenada unida a un azúcar de 5 carbonos (ya sea ribosa o desoxirribosa ), con tres grupos fosfato unidos al azúcar. [1] Son los precursores moleculares tanto del ADN como del ARN , que son cadenas de nucleótidos formadas mediante los procesos de replicación y transcripción del ADN . [2] Los nucleósidos trifosfatos también sirven como fuente de energía para reacciones celulares [3] y participan en vías de señalización. [4]
Los nucleósidos trifosfato no se pueden absorber bien, por lo que normalmente se sintetizan dentro de la célula. [5] Las vías de síntesis difieren dependiendo del nucleósido trifosfato específico que se produzca, pero dadas las muchas funciones importantes de los nucleósido trifosfato, la síntesis está estrechamente regulada en todos los casos. [6] Los análogos de nucleósidos también se pueden utilizar para tratar infecciones virales. [7] Por ejemplo, la azidotimidina (AZT) es un análogo de nucleósido utilizado para prevenir y tratar el VIH/SIDA . [8]
El término nucleósido se refiere a una base nitrogenada unida a un azúcar de 5 carbonos (ya sea ribosa o desoxirribosa ). [1] Los nucleótidos son nucleósidos unidos covalentemente a uno o más grupos fosfato . [9] Para proporcionar información sobre la cantidad de fosfatos, los nucleótidos pueden denominarse nucleósidos (mono, di o tri) fosfatos. [10] Por lo tanto, los nucleósidos trifosfatos son un tipo de nucleótido. [10]
Los nucleótidos suelen abreviarse con 3 letras (4 o 5 en el caso de desoxi o didesoxinucleótidos). La primera letra indica la identidad de la base nitrogenada (p. ej., A para adenina , G para guanina ), la segunda letra indica el número de fosfatos (mono, di, tri) y la tercera letra es P, que representa fosfato. [11] Los nucleósidos trifosfato que contienen ribosa como azúcar se abrevian convencionalmente como NTP, mientras que los nucleósidos trifosfato que contienen desoxirribosa como azúcar se abrevian como dNTP. Por ejemplo, dATP significa trifosfato de adenosina desoxirribosa. Los NTP son los componentes básicos del ARN y los dNTP son los componentes básicos del ADN . [12]
Los carbonos del azúcar en un nucleósido trifosfato están numerados alrededor del anillo de carbono a partir del carbonilo original del azúcar. Convencionalmente, los números de carbonos de un azúcar van seguidos del símbolo primo (') para distinguirlos de los carbonos de la base nitrogenada. La base nitrogenada está unida al carbono 1' mediante un enlace glicosídico , y los grupos fosfato están unidos covalentemente al carbono 5'. [13] El primer grupo fosfato unido al azúcar se denomina α-fosfato, el segundo es β-fosfato y el tercero es γ-fosfato; estos están unidos entre sí mediante dos enlaces fosfoanhídrido . [14]
Los procesos celulares de replicación y transcripción del ADN implican la síntesis de ADN y ARN, respectivamente. La síntesis de ADN utiliza dNTP como sustratos, mientras que la síntesis de ARN utiliza rNTP como sustratos. [2] Los NTP no se pueden convertir directamente a dNTP. El ADN contiene cuatro bases nitrogenadas diferentes: adenina , guanina , citosina y timina . El ARN también contiene adenina, guanina y citosina, pero reemplaza la timina por uracilo . [15] Por lo tanto, la síntesis de ADN requiere dATP, dGTP, dCTP y dTTP como sustratos, mientras que la síntesis de ARN requiere ATP, GTP, CTP y UTP.
La síntesis de ácidos nucleicos es catalizada por la ADN polimerasa o la ARN polimerasa para la síntesis de ADN y ARN, respectivamente. [16] Estas enzimas unen covalentemente el grupo -OH libre en el carbono 3' de una cadena de nucleótidos en crecimiento al α-fosfato en el carbono 5' del siguiente (d)NTP, liberando los grupos β- y γ-fosfato. como pirofosfato (PP i ). [17] Esto da como resultado un enlace fosfodiéster entre los dos (d)NTP. La liberación de PP i proporciona la energía necesaria para que se produzca la reacción. [17] Es importante señalar que la síntesis de ácidos nucleicos se produce exclusivamente en la dirección 5' a 3' .
Dada su importancia en la célula, la síntesis y degradación de los nucleósidos trifosfato está bajo estricto control. [6] Esta sección se centra en el metabolismo de los nucleósidos trifosfato en humanos, pero el proceso está bastante conservado entre las especies. [18] Los trifosfatos de nucleósidos no se pueden absorber bien, por lo que todos los trifosfatos de nucleósidos generalmente se elaboran de novo . [19] La síntesis de ATP y GTP ( purinas ) difiere de la síntesis de CTP, TTP y UTP ( pirimidinas ). Tanto la síntesis de purinas como de pirimidinas utilizan pirofosfato de fosforribosil (PRPP) como molécula de partida. [20]
La conversión de NTP en dNTP solo se puede realizar en forma de difosfato. Por lo general, a un NTP se le elimina un fosfato para convertirse en un NDP, luego se convierte en un dNDP mediante una enzima llamada ribonucleótido reductasa , luego se agrega nuevamente un fosfato para dar un dNTP. [21]
Una base nitrogenada llamada hipoxantina se ensambla directamente sobre el PRPP. [22] Esto da como resultado un nucleótido llamado monofosfato de inosina (IMP). Luego, IMP se convierte en un precursor de AMP o GMP. Una vez que se forman AMP o GMP, el ATP puede fosforilarlos a sus formas difosfato y trifosfato. [23]
La síntesis de purinas está regulada por la inhibición alostérica de la formación de IMP por los nucleótidos de adenina o guanina. [24] AMP y GMP también inhiben competitivamente la formación de sus precursores a partir de IMP. [25]
Una base nitrogenada llamada orotato se sintetiza independientemente del PRPP. [25] Una vez elaborado el orotato, se une covalentemente al PRPP. Esto da como resultado un nucleótido llamado orotato monofosfato (OMP). [26] La OMP se convierte en UMP, que luego puede ser fosforilada por ATP a UDP y UTP. Luego, el UTP se puede convertir en CTP mediante una reacción de desaminación . [27] La TTP no es un sustrato para la síntesis de ácidos nucleicos, por lo que no se sintetiza en la célula. En cambio, el dTTP se produce indirectamente a partir de dUDP o dCDP después de la conversión a sus respectivas formas de desoxirribosa. [20]
La síntesis de pirimidina está regulada por la inhibición alostérica de la síntesis de orotato por UDP y UTP. PRPP y ATP también son activadores alostéricos de la síntesis de orotato. [28]
La ribonucleótido reductasa (RNR) es la enzima responsable de convertir NTP en dNTP. Dado que los dNTP se utilizan en la replicación del ADN, la actividad de RNR está estrechamente regulada. [6] Es importante tener en cuenta que RNR solo puede procesar NDP, por lo que los NTP primero se desfosforilan a NDP antes de su conversión a dNDP. [29] Los dNDP generalmente se vuelven a fosforilar. RNR tiene 2 subunidades y 3 sitios: el sitio catalítico, el sitio de actividad (A) y el sitio de especificidad (S). [29] El sitio catalítico es donde tiene lugar la reacción de NDP a dNDP, el sitio de actividad determina si la enzima está activa o no y el sitio de especificidad determina qué reacción tiene lugar en el sitio catalítico.
El sitio de actividad puede unirse a ATP o dATP. [30] Cuando se une a ATP, RNR está activo. Cuando ATP o dATP se une al sitio S, RNR catalizará la síntesis de dCDP y dUDP a partir de CDP y UDP. dCDP y dUDP pueden generar indirectamente dTTP. El dTTP unido al sitio S catalizará la síntesis de dGDP a partir de GDP, y la unión de dGDP al sitio S promoverá la síntesis de dADP a partir de ADP. [31] Luego, el dADP se fosforila para dar dATP, que puede unirse al sitio A y desactivar el RNR. [30]
El ATP es la moneda de energía primaria de la célula. [32] A pesar de ser sintetizado a través de la vía metabólica descrita anteriormente, se sintetiza principalmente durante la respiración celular [33] y la fotosíntesis [34] mediante la ATP sintasa . La ATP sintasa acopla la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato con un gradiente electroquímico generado por el bombeo de protones a través de la membrana mitocondrial interna (respiración celular) o la membrana tilacoide (fotosíntesis). [35] Este gradiente electroquímico es necesario porque la formación de ATP es energéticamente desfavorable .
La hidrólisis de ATP a ADP y Pi se produce de la siguiente manera: [36]
Esta reacción es energéticamente favorable y libera 30,5 kJ/mol de energía. [3] En la célula, esta reacción a menudo va acompañada de reacciones desfavorables para proporcionarles la energía necesaria para continuar. [37] El GTP se utiliza ocasionalmente para el acoplamiento de energía de manera similar. [38]
El GTP es esencial para la transducción de señales , especialmente con las proteínas G. Las proteínas G están acopladas a un receptor unido a la membrana celular. [4] Todo este complejo se llama receptor acoplado a proteína G (GPCR). Las proteínas G pueden unirse a GDP o GTP. Cuando se unen al GDP, las proteínas G están inactivas. Cuando un ligando se une a un GPCR, se desencadena un cambio alostérico en la proteína G, lo que hace que el GDP abandone y sea reemplazado por GTP. [39] El GTP activa la subunidad alfa de la proteína G, lo que hace que se disocia de la proteína G y actúa como un efector posterior. [39]
Los análogos de nucleósidos se pueden utilizar para tratar infecciones virales . [40] Los análogos de nucleósidos son nucleósidos que son estructuralmente similares (análogos) a los nucleósidos utilizados en la síntesis de ADN y ARN. [41] Una vez que estos análogos de nucleósidos ingresan a una célula, pueden ser fosforilados por una enzima viral. Los nucleótidos resultantes son lo suficientemente similares a los nucleótidos utilizados en la síntesis de ADN o ARN como para incorporarlos en cadenas de ADN o ARN en crecimiento, pero no tienen un grupo 3' OH disponible para unir el siguiente nucleótido, lo que provoca la terminación de la cadena . [42] Esto puede explotarse para usos terapéuticos en infecciones virales porque la ADN polimerasa viral reconoce ciertos análogos de nucleótidos más fácilmente que la ADN polimerasa eucariota. [40] Por ejemplo, la azidotimidina se utiliza en el tratamiento del VIH/SIDA . [8] Algunos análogos de nucleósidos menos selectivos se pueden utilizar como agentes quimioterapéuticos para tratar el cáncer, [43] como la citosina arabinosa (ara-C) en el tratamiento de ciertas formas de leucemia . [7]
La resistencia a los análogos de nucleósidos es común y frecuentemente se debe a una mutación en la enzima que fosforila el nucleósido después de ingresar a la célula. [7] Esto es común en los análogos de nucleósidos utilizados para tratar el VIH/SIDA. [44]
