Ribosa

La ribosa es un azúcar simple y carbohidrato con fórmula molecular C ₅ H ₁₀ O ₅ y composición de forma lineal H−(C=O)−(CHOH) ₄ −H. La forma natural, d -ribosa , es un componente de los ribonucleótidos a partir de los cuales se construye el ARN , por lo que este compuesto es necesario para la codificación , decodificación , regulación y expresión de los genes . Tiene un análogo estructural , la desoxirribosa , que es un componente igualmente esencial del ADN . La l -ribosa es un azúcar no natural que fue preparado por primera vez por Emil Fischer y Oscar Piloty en 1891. ^{[ 4 ]} No fue hasta 1909 que Phoebus Levene y Walter Jacobs reconocieron que la d -ribosa era un producto natural , el enantiómero del producto de Fischer y Piloty, y un componente esencial de los ácidos nucleicos . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Fischer eligió el nombre "ribosa" porque es una reordenación parcial del nombre de otro azúcar, la arabinosa , de la cual la ribosa es un epímero en el carbono 2'; ambos nombres también se relacionan con la goma arábiga , de la cual se aisló por primera vez la arabinosa y de la cual prepararon la l- ribosa . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

β- d -ribofuranosa

α- d- ribopiranosa

d -ribosa

l -ribosa

Izquierda: Proyecciones de Haworth de una de cada una de las formas furanosa y piranosa de la d -ribosa. Derecha: Proyección de Fischer de las formas de cadena abierta de la d- y l -ribosa.

Como la mayoría de los azúcares, la ribosa existe como una mezcla de formas cíclicas en equilibrio con su forma lineal, y estas se interconvierten fácilmente, especialmente en solución acuosa . ^{[ 9 ]} El nombre "ribosa" se usa en bioquímica y biología para referirse a todas estas formas, aunque se usan nombres más específicos para cada una cuando es necesario. En su forma lineal, la ribosa puede reconocerse como el azúcar pentosa con todos sus grupos funcionales hidroxilo en el mismo lado en su proyección de Fischer . La d -ribosa tiene estos grupos hidroxilo en el lado derecho y se asocia con el nombre sistemático (2 R ,3 R ,4 R )-2,3,4,5-tetrahidroxipentanal, ^{[ 10 ]} mientras que la l -ribosa tiene sus grupos hidroxilo que aparecen en el lado izquierdo en una proyección de Fischer. La ciclación de la ribosa ocurre a través de la formación de hemiacetal debido al ataque del grupo hidroxilo C4' al aldehído para producir una forma furanosa o del grupo hidroxilo C5' para producir una forma piranosa . En cada caso, existen dos posibles resultados geométricos, denominados α y β y conocidos como anómeros , dependiendo de la estereoquímica en el átomo de carbono hemiacetálico (el "carbono anomérico"). A temperatura ambiente, aproximadamente el 76% de la d -ribosa está presente en formas piranosas ^{[ 9 ] : 228} (α:β = 1:2) ^{[ 11 ]} y el 24% en formas furanosas ^{[ 9 ] : 228} (α:β = 1:3), ^{[ 11 ]} con solo alrededor del 0,1% de la forma lineal presente. ^{[ 12 ] [ 13 ]}    

Los ribonucleósidos adenosina , citidina , guanosina y uridina son todos derivados de la β- d- ribofuranosa. Entre las especies metabólicamente importantes que incluyen ribosa fosforilada se encuentran el ADP , el ATP , la coenzima A , ^{[ 9 ] : 228–229} y el NADH . El AMPc y el GMPc actúan como segundos mensajeros en algunas vías de señalización y también son derivados de la ribosa. La porción de ribosa aparece en algunos fármacos, incluidos los antibióticos neomicina y paromomicina . ^{[ 11 ]}

La ribosa, en forma de éster 5-fosfato, se produce típicamente a partir de glucosa mediante la vía de las pentosas fosfato . En al menos algunas arqueas, se han identificado vías alternativas. ^{[ 14 ]}

La ribosa se puede sintetizar químicamente, pero la producción comercial se basa en la fermentación de la glucosa. Utilizando cepas genéticamente modificadas de B. subtilis , se pueden producir 90 g/litro de ribosa a partir de 200 g de glucosa. La conversión implica la formación de gluconato y ribulosa como intermediarios. ^{[ 15 ]}

Se ha detectado ribosa en meteoritos . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

La ribosa es una aldopentosa (un monosacárido que contiene cinco átomos de carbono y que, en su forma de cadena abierta , tiene un grupo funcional aldehído en un extremo). En la nomenclatura convencional de los monosacáridos, los átomos de carbono se numeran desde C1' (en el grupo aldehído) hasta C5'. El derivado de la desoxirribosa que se encuentra en el ADN se diferencia de la ribosa por tener un átomo de hidrógeno en lugar del grupo hidroxilo en C2'. Este grupo hidroxilo desempeña una función en el empalme del ARN .

La " d- " en el nombre d- ribosa se refiere a la estereoquímica del átomo de carbono quiral más alejado del grupo aldehído (C4'). En la d -ribosa, como en todos los d -azúcares, este átomo de carbono tiene la misma configuración que en el d -gliceraldehído .

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  α- d -Ribopiranosa
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  β- d -Ribopiranosa
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  α- d- Ribofuranosa
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  β- d- Ribofuranosa

Abundancia relativa de las formas de ribosa en solución: β- d- ribopiranosa (59%), α- d- ribopiranosa (20%), β- d- ribofuranosa (13%), α- d- ribofuranosa (7%) y cadena abierta (0,1%). ^{[ 12 ]}

Para los residuos de ribosa en nucleósidos y nucleótidos , los ángulos de torsión para la rotación que abarca los enlaces influyen en la configuración del nucleósido y nucleótido correspondiente. La estructura secundaria de un ácido nucleico está determinada por la rotación de sus 7 ángulos de torsión . ^{[ 18 ]} Tener una gran cantidad de ángulos de torsión permite una mayor flexibilidad.

En las ribosas de anillo cerrado, la flexibilidad observada mencionada anteriormente no se observa porque el ciclo del anillo impone un límite al número de ángulos de torsión posibles en la estructura. ^{[ 18 ]} Los conformeros de las ribosas de forma cerrada difieren en cuanto a cómo se posiciona el único oxígeno en la molécula con respecto a la base nitrogenada (también conocida como nucleobase o simplemente base) unida a la ribosa. Si un carbono está orientado hacia la base, entonces la ribosa se etiqueta como endo. Si un carbono está orientado en dirección opuesta a la base, entonces la ribosa se etiqueta como exo. Si hay una molécula de oxígeno unida al carbono 2' de una ribosa de ciclo cerrado, entonces la conformación exo es más estable porque disminuye las interacciones del oxígeno con la base. ^{[ 18 ]} La diferencia en sí es bastante pequeña, pero al observar una cadena completa de ARN, la ligera diferencia se traduce en un impacto considerable.

• Algunas configuraciones plegadas de la ribosa
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  2' endo
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  2' endo 3' exo
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  3' endo 2' exo
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  3' endo

Una molécula de ribosa se representa típicamente como una molécula plana en papel. A pesar de esto, en la naturaleza suele ser no plana. Incluso entre los átomos de hidrógeno, los muchos constituyentes de una molécula de ribosa causan impedimento estérico y tensión entre ellos. Para aliviar este hacinamiento y tensión del anillo , el anillo se pliega, es decir, se vuelve no plano. ^{[ 19 ]} Este plegamiento se logra desplazando un átomo del plano, aliviando la tensión y produciendo una conformación más estable. ^{[ 18 ]} El plegamiento, también conocido como conformación del anillo de azúcar (específicamente el azúcar ribosa), se puede describir por la amplitud del plegamiento, así como por el ángulo de pseudorrotación . El ángulo de pseudorrotación se puede describir como un rango "norte (N)" o "sur (S)". Si bien ambos rangos se encuentran en las hélices dobles, el rango norte se asocia comúnmente con el ARN y la forma A del ADN . En contraste, el rango sur se asocia con la forma B del ADN . El ADN-Z contiene azúcares tanto en los rangos norte como sur. ^{[ 20 ]} Cuando solo se desplaza un átomo, se denomina plegamiento de "sobre". Cuando se desplazan dos átomos, se denomina plegamiento de "torsión", en referencia a la orientación en zigzag. ^{[ 21 ]} En un plegamiento "endo", el desplazamiento principal de los átomos se produce en la cara β, el mismo lado que el enlace C4'-C5' y la base. En un plegamiento "exo", el desplazamiento principal de los átomos se produce en la cara α, en el lado opuesto del anillo. Las principales formas de ribosa son el plegamiento 3'-endo (comúnmente adoptado por el ARN y el ADN en forma A) y el plegamiento 2'-endo (comúnmente adoptado por el ADN en forma B). ^{[ 22 ]} Estos plegamientos del anillo se desarrollan a partir de cambios en los ángulos de torsión del anillo; Existen infinitas combinaciones de ángulos, por lo tanto, existe un número infinito de conformaciones de pliegue transponibles, cada una separada por energías de activación dispares.

El ATP se deriva de la ribosa; contiene una molécula de ribosa, tres grupos fosfato y una base de adenina . El ATP se crea durante la respiración celular a partir del adenosín difosfato (ATP con un grupo fosfato menos).

Vías de señalización

La ribosa es un componente básico de moléculas de señalización secundarias como el monofosfato de adenosina cíclico (AMPc), que se deriva del ATP. Un caso específico en el que se utiliza el AMPc es en las vías de señalización dependientes de AMPc . En estas vías, un receptor hormonal, ya sea estimulador o inhibidor, se activa mediante una molécula señal . Estos receptores están unidos a una proteína G reguladora, estimuladora o inhibidora . Cuando se activa una proteína G estimuladora, la adenilil ciclasa cataliza la conversión de ATP en AMPc utilizando Mg²⁺ ^o Mn²⁺ ^. El AMPc, un mensajero secundario, activa la proteína quinasa A , una enzima que regula el metabolismo celular . La proteína quinasa A regula las enzimas metabólicas mediante fosforilación , lo que provoca un cambio en la célula dependiendo de la molécula señal original. Lo contrario ocurre cuando se activa una proteína G inhibidora; esta proteína G inhibe la adenilil ciclasa y el ATP no se convierte en AMPc.

Metabolismo

La ribosa se conoce como la "moneda molecular" debido a su participación en las transferencias de energía intracelular. Por ejemplo, el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD), el dinucleótido de flavina y adenina (FAD) y el fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP) contienen la fracción d -ribofuranosa . Cada uno de ellos puede derivarse de la d -ribosa después de que esta se convierte en d -ribosa 5-fosfato por la enzima riboquinasa . ^{[ 23 ] [ 24 ]} El NAD, el FAD y el NADP actúan como aceptores de electrones en reacciones redox bioquímicas en las principales vías metabólicas, incluyendo la glucólisis , el ciclo del ácido cítrico , la fermentación y la cadena de transporte de electrones .

Se ha sugerido el uso de d -ribosa en el tratamiento de la insuficiencia cardíaca congestiva ^{[ 30 ]} (así como otras formas de cardiopatía) y para el síndrome de fatiga crónica (SFC), también llamado encefalomielitis miálgica (EM), en un estudio subjetivo abierto, no ciego, no aleatorizado y no cruzado. ^{[ 31 ]}

La suplementación con d -ribosa puede sortear parte de la vía de las pentosas fosfato , una vía de producción de energía, para generar d- ribosa-5-fosfato. La enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G-6-PDH) suele estar en baja concentración en las células, especialmente en tejidos enfermos, como las células miocárdicas de pacientes con cardiopatías. El suministro de d -ribosa en las mitocondrias está directamente relacionado con la producción de ATP; una menor concentración de d -ribosa reduce la cantidad de ATP producido. Diversos estudios sugieren que la suplementación con d -ribosa tras la isquemia tisular (p. ej., isquemia miocárdica) aumenta la producción de ATP miocárdico y, por consiguiente, la función mitocondrial. En esencia, la administración de d -ribosa suplementaria evita un paso enzimático de la vía de las pentosas fosfato al proporcionar una fuente alternativa de 5-fosfo- d- ribosa 1- pirofosfato para la producción de ATP. La suplementación con d -ribosa mejora la recuperación de los niveles de ATP y, al mismo tiempo, reduce el daño celular en humanos y otros animales. Un estudio sugirió que el uso de suplementos de d -ribosa reduce la incidencia de angina en hombres con enfermedad coronaria diagnosticada . ^{[ 32 ]} La d -ribosa se ha utilizado para tratar muchas afecciones patológicas , como el síndrome de fatiga crónica, la fibromialgia y la disfunción miocárdica. También se utiliza para reducir síntomas como calambres, dolor, rigidez, etc., después del ejercicio y para mejorar el rendimiento deportivo .