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Tema 3. Metabolismo de los aminoácidos y ciclo de la Urea Los aminoácidos son un grupo de moléculas de gran importancia cuya estructura química común es R-CH(NH3+)COO-. Aunque los aminoácidos primarios comparten la facultad de polimerizar el uno con el otro para formar proteínas y aunque algunos de ellos pueden interconvertirse mediante reacciones metabólicas, cada uno de ellos es un compuesto único con un metabolismo y unas funciones biológicas individuales. Los aminoácidos se encuentran fundamentalmente formando parte de las proteínas, las cuales representan la mayor parte del peso seco del cuerpo humano. Muchos de los aminoácidos que se incorporan a las proteínas humanas proceden de las proteínas de la dieta a través de su absorción por el intestino. Sin embargo, dado que la composición de las proteínas de la ingesta no se corresponde exactamente con las necesidades del individuo, algunos de los aminoácidos de las proteínas humanas se sintetizan a partir de otros constituyentes de la dieta; el carbono, hidrógeno y oxígeno pueden derivar de otros aminoácidos o de precursores glucídicos o lipídicos, pero el nitrógeno procede casi exclusivamente de los aminoácidos de la ingesta. Los aminoácidos no esenciales son aquellos compuestos necesarios para las proteínas que pueden ser producidos por el metabolismo humano. Los aminoácidos esenciales no pueden ser sintetizados por el cuerpo humano porque sus células carecen de los enzimas biosintéticos necesarios. Requerimiento dietético de aminoácidos Esenciales No esenciales Argininaa Fenilalaninab Histidina Isoleucina Leucina Lisina Metioninac Treonina Triptófano Valina Alanina Aspartato Cisteína Glutamato Glicina Prolina Serina Tirosina La arginina se sintetiza en los tejidos de los mamíferos, pero a una velocidad insuficiente para satisfacer las necesidades del aminoácido durante el crecimiento. Se necesitan grandes cantidades de fenilalanina para formar tirosina, si es que ésta no se suministra adecuadamente a través de la dieta. La metionina se necesita en grandes cantidades para producir cisteína, si es que ésta no se suministra adecuadamente a través de la dieta Los aminoácidos esenciales y no esenciales son sólo una pequeña parte de los que se encuentran en la naturaleza. Estos dos grupos incluyen solamente aquellos aminoácidos que deben estar presentes para la síntesis de cualquier proteína. Además, se sintetizan dos derivados para su incorporación a las proteínas, la glutamina a partir del ácido glutámico y la asparagina a partir del ácido aspártico, lo que eleva la lista de monómeros de las proteínas a 20. El resto de los aminoácidos, que se hallan sólo en determinadas proteínas, son derivados que se obtienen mediante las denominadas modificaciones postraducción de una o más de las 20 unidades estructurales primarias, una vez que se hallan incorporadas en las cadenas polipeptídicas. La cantidad de nitrógeno en cada individuo se halla regulada a niveles prácticamente constantes, excepto durante el crecimiento en que la cantidad debe aumentar en proporción al mismo. No existe ninguna forma de almacenar las reservas de nitrógeno; sólo una pequeña parte de este nitrógeno se halla en forma de aminoácidos libres u otros compuestos que pueden utilizarse para la síntesis de aminoácidos. En consecuencia, deben ingerirse frecuentemente las cantidades adecuadas de aminoácidos. Los aminoácidos son sustratos de multitud de procesos biosintéticos esenciales. Sin embargo, las dietas normales contienen un exceso de aminoácidos respecto a las necesidades de síntesis proteica o de otros constituyentes celulares, con lo que la mayor parte de este exceso se degrada a productos que, o bien se oxidan para obtener energía, o se almacenan en forma de grasa o glucógeno. Sea cul fuere la situación, el nitrógeno se libera como amoniaco. Parte del amoniaco se reutiliza en la síntesis de aminoácidos, parte se destina a otras reacciones biosintéticas, algo se excreta a través de la orina, pero la mayor parte se convierte en urea, la cual se excreta por los riñones. La síntesis de urea tiene lugar principalmente en el hígado, lugar donde también se lleva a cabo la mayor parte de la biosíntesis de los aminoácidos no esenciales y una gran parte de la degradación de todos los aminoácidos. Destinos metabólicos del grupo amino:Reacciones generales de los aminoácidos. 1. Transaminación: Entre las reacciones de transferencia de grupos amino, las transaminaciones son especialmente importantes. Ellas son catalizadas por las transaminasas (que están implicadas tanto en las rutas catabólicas y anabólicas del metabolismo de aminoácidos). Durante la transaminación, el grupo amino de un aminoácido se transfiere a un 2-oxoácido ( - cetoácido). Se forma un 2-oxoácido ( -cetoácido) del aminoácido original y un aminoácido del 2-oxoácido original. Con pocas excepciones, el primer paso de la degradación de los L-aminoácidos consiste en la eliminación del grupo -amino para producir el correspondiente -cetoácido. Esta modificación, conocida por transaminación, está catalizada por las enzimas denominadas aminotransferasas o transaminasas. En estas reacciones de transaminación el grupo -amino de un aminoácido es transferido al átomo de carbono del -cetoglutarato. No hay desaminación neta sino una transferencia del grupo -amino desde un aminoácido hasta un -cetoácido. El objetivo de las reacciones de transaminación es recoger los grupos aminos de muchos aminoácidos diferentes en forma de uno solo, el glutamato, que los canalizará hacia rutas biosintéticas o hacia vías que generan productos nitrogenados de excreción. Las células contienen varias aminotransferasas, muchas de ellas específicas para el -cetoglutarato como aceptor de grupos aminos. Sin embargo difieren en su especificidad para el otro sustrato, el aminoácido que cede el grupo amino, y en función del cual se denominan. Las reacciones catalizadas por las aminotransferasas son reversibles. Las más importantes son la aspartato aminotransferasa y la alanina aminotransferasa. La determinación de la actividad de ciertos enzimas en suero se utiliza habitualmente como parámetro para el diagnóstico de determinadas patologías. La alanina aminotransferasa (también denominada glutamato-piruvato transaminasa o GPT) y la aspartato aminotransferasa (denominada también glutamato-oxalacetato transaminasa o GOT) son muy abundantes en corazón e hígado por lo que después de un infarto de miocardio o una hepatitis infecciosa (u otras lesiones de cualquier órgano) las aminotransferasas de las células lesionadas pasan al torrente circulatorio pudiéndose determinar su concentración en el suero (S). Los valores de SGPT y SGOT proporcionan información sobre la gravedad y el estado de la lesión. En el caso de infarto de miocardio, los valores del enzima creatina quinasa (SCK) son también muy importantes ya que es específico del músculo cardíaco. Reacciones catalizadas por los enzimas alanina transaminasa y aspartato transaminasa O Piruvato + Glutamato COO - C CH 3 O COO - C HH3 N + CH 2 COO - COO - C HH3 N + CH 3 COO - C HH3 N + CH 2 CH 2 COO - COO - C CH 2 CH 2 COO - + Alanina -Cetoglutarato Alanina transaminasa Aspartato O COO - C CH 2 CH 2 COO - -Cetoglutarato + O Oxalacetato + Glutamato COO - C CH 2 COO - C HH3 N + CH 2 CH 2 COO - Aspartato transaminasa COO - 2. Desaminación oxidativa: Cuando el grupo amino de un aminoácido se libera como amoníaco, recibe el nombre de desaminación. De particular importancia es la desaminación oxidativa. En esta reacción, el grupoamino es liberado en forma de amoníaco y se genera un 2-oxoácido. Un ejemplo de desaminación oxidativa es la catalizada por el enzima glutamato deshidrogenasa. Glutamato + NAD+(P) -cetoglutarato + amoníaco + NAD(P)H + H+ El glutamato generado en el citosol de las células hepáticas por las reacciones de transaminación es transportado hasta la matriz mitocondrial donde por acción de la glutamato deshidrogenasa sufre desaminación oxidativa, liberándose iones amonio. Este enzima únicamente se encuentra en la matriz mitocondrial y es capaz de utilizar como aceptores de los equivalentes de reducción NAD+ y NADP+. Sus activadores alostéricos son el GDP y el ADP y los efectores alostéricos negativos son el GTP (generado en el ciclo de Krebs) y el ATP. Si un hepatocito necesita combustible para el ciclo de Krebs aumenta la actividad de la glutamato deshidrogenasa, suministrando -cetoglutarato para el ciclo de Krebs y liberando NH4+ para la excreción. Por el contrario, es inhibida si se acumula GTP como consecuencia de una alta actividad del ciclo de Krebs. Por lo tanto, la disminución de la carga energética (disminución de GTP y ATP) acelera la oxidación de los aminoácidos. Transporte de NH4+ a través de la sangre Los iones amonio que se generan durante el metabolismo celular o bacteriano mayoritariamente no circulan libremente disueltos en la sangre sino que lo hacen en forma de aminoácidos y que son glutamina y alanina. Glutamina: El amonio, derivado principalmente de la desaminación de los grupos -amino de los aminoácidos es muy tóxico para todos los animales, especialmente para el sistema nervioso. En la mayoría de los animales el exceso NH4+ producido en los diferentes tejidos es convertido en glutamina antes de ser transportado, a través de la sangre, hasta el riñón, intestino (mucosa intestinal) y en menor medida al hígado. El glutamato, que es tan importante para el metabolismo de los grupos aminos intracelulares, es sustituido por glutamina para dicha función de transporte. Ello se debe a que la glutamina es un compuesto neutro y no tóxico, que puede atravesar fácilmente las membranas celulares, lo cual no podría hacer el glutamato porque posee una carga neta negativa. En muchos tejidos, incluído el cerebro, el amonio se combina con el glutamato y genera FIG. 4 Reacción catalizada por el enzima glutamato deshidrogenasa glutamina, reacción catalizada por la glutamina sintetasa mitocondrial. Este proceso necesita ATP y transcurre en dos etapas. El enzima se denomina específicamente sintetasa, en lugar de sintasa, porque la reacción está acoplada con la hidrólisis del ATP. Ambas enzimas pertenecen a la clase ligasas pero las sintasas no requieren ATP. Como ocurre con el grupo amino del glutamato, el nitrógeno amídico de la glutamina se libera en forma de iones amonio, en las mitocondrias de los tejidos que captan glutamina (riñón, intestino, y en menor medida hígado). La reacción, catalizada por el enzima glutaminasa, convierte la glutamina en glutamato y NH4+. Síntesis de glutamina catalizada por la glutamina sintetasa C O O - C HH3 N + C H 2 C H 2 C P i O N H 2 L -G l u ta m i n a G l u ta m i n a s i n te ta s a O O P O O - O - C O O - C HH3 N + C H 2 C H 2 C AD PATP G l u ta m a to C O O - C HH3 N + C H 2 C H 2 C O O - N H 4 + G l u ta m i n a s i n te ta s a -G l u ta m i l fo s fa to Liberación del grupo amido de la glutamina por acción de la glutaminasa C OO - C HH 3 N + C H 2 C H 2 CO N H 2 L -Glu tamin a Glu tamato C OO - C HH 3 N + C H 2 C H 2 C OO - N H 4 + Glu tamin asa H 2 O U rea Alanina: Desempeña un papel especial en el transporte de amonio hasta el hígado en una forma no tóxica y eléctricamente neutra, mediante el ciclo de la glucosa-alanina. En el músculo y en algunos otros tejidos que degradan aminoácidos como combustible metabólico, los grupos aminos se canalizan hacia el glutamato mediante transaminación. El glutamato puede convertirse en glutamina para su transporte a los tejidos capaces de captarla (fundamentalmente riñón e intestino), o puede transferir su grupo amino al piruvato, producto fácilmente asequible de la glucólisis muscular, por acción del enzima alanina aminotrasferasa. La alanina es neutra a pH fisiológico, por lo que pasa a la sangre y finalmente al hígado. En el hígado, el exceso de nitrógeno es descargado en las mitocondrias de los hepatocitos en forma de NH4+. Para ello, se invierten las reacciones que tuvieron lugar en el músculo. En el citosol, la alanina aminotransferasa hepática transfiere el grupo amino de la alanina al -cetoglutarato para formar glutamato. Parte del glutamato formado se transporta a las mitocondrias donde, por acción de la glutamato deshidrogenasa, se libera NH4+ que es utilizado para la síntesis de urea. Alternativamente, en el citosol también puede transferirse el grupo amino del glutamato al oxalacetato para formar aspartato, catalizado por la aspartato aminotransferasa. El aspartato es el otro dador de nitrógeno para la formación de urea. Transporte del amoníaco al hígado para la síntesis de urea La utilización de la alanina para transportar amonio desde los músculos esqueléticos muy activos al hígado es un ejemplo de la economía intrínseca de los organismos vivos. Los músculos esqueléticos sometidos a contracción vigorosa operan en anaerobiosis y producen, no sólo amonio a partir de la degradación de las proteínas sino grandes cantidades de piruvato a partir de la glucólisis. Los dos productos van al hígado: el amonio para ser convertido en urea que será excretada y el piruvato para formar glucosa y volver a los músculos. Mediante el ciclo se resuelven dos problemas, transportar los átomos de carbono del piruvato y los iones amonio desde el músculo al hígado en forma de alanina. En el hígado, la alanina forma piruvato que entra en la gluconeogénesis y libera NH4+ para la síntesis de urea. Excreción del NH4+ Aunque el amonio es un participante universal en la síntesis y degradación de los aminoácidos, su acumulación en concentraciones anormales tiene consecuencias tóxicas. Por lo tanto, las células con un catabolismo de aminoácidos muy activo deben ser capaces de realizar la desactivación tóxica y/o excreción del amonio con la misma rapidez con que éste se genera. Existen varias estrategias para la eliminación del amonio y en base a las mismas, los animales pueden clasificarse en: Amonotélicos: Excretan amonio y entre ellos están la mayoría de los animales acuáticos que, al ser capaces de captar y expulsar agua continuamente, el amonio se elimina a través del líquido expulsado. En el agua del hábitat el amonio se diluye. Uricotélicos: Excretan el amonio en forma de ácido úrico y entre ellos se encuentran aves, reptiles e insectos. El ácido úrico es bastante insoluble de modo que se excreta sin una pérdida importante de agua que haga variar la presión osmótica. La biosíntesis de ácido úrico tiene lugar a través de la ruta de la biosíntesis de nucleótidos de purina. Ureotélicos: Excretan el amonio en forma de urea y en este grupo se encuentran la mayor parte de los mamíferos y anfibios adultos. La urea es muy soluble en agua, pero al carecer de cargas su acumulación no afecta al pH como ocurre con el NH4+. Ciclo de la urea En los organismos ureotélicos, como los seres humanos, aproximadamente el 80% del nitrógeno total excretado está presente en forma de urea. La síntesis de urea se realiza en el denominado ciclo de la urea, mediante un conjunto de enzimas que actúan coordinadamente. Aunque muchas de esas enzimas suelen estar presentes en la mayor parte de los tejidosde los mamíferos, el ciclo funciona únicamente en el hígado. En la producción de urea a partir de NH4+ intervienen cinco reacciones enzimáticas, dos en la matriz mitocondrial y tres en el citosol. Reacciones que transcurren en la matriz mitocondrial: a) Síntesis de carbamilfosfato. El primer grupo amino que entra en el ciclo de la urea proviene del NH4+ presente en el interior de las mitocondrias. Este a su vez procede de las rutas ya descritas así como de la oxidación de aminoácidos por las bacterias del tracto intestinal y que llega al hígado a través de la vena porta. El NH4+ se combina con CO2 (en forma de HCO3-) procedente de la respiración mitocondrial, produciendo carbamil fosfato. La reacción está catalizada por la carbamil fosfato sintetasa I. La hidrólisis de dos moléculas de ATP asegura que el proceso de síntesis sea irreversible. El carbamil fosfato es un dador activado de grupos carbamilo. b) Síntesis de citrulina. El carbamil fosfato cede su grupo carbamilo a la ornitina para formar citrulina, reacción catalizada por la ornitina transcarbamilasa. La citrulina, mediante un transportador específico presente en la membrana mitocondrial interna, es enviada al citosol. Reacciones que transcurren en el citosol: a) Síntesis de argininosuccinato. La citrulina y el aspartato (procedente de la matriz mitocondrial y generado por transaminación) se condensan para formar argininosuccinato, proceso favorecido por la hidrólisis del ATP en AMP y PPi, y posterior hidrólisis del pirofosfato. Está catalizado por el enzima argininosuccinato sintetasa. El segundo grupo amino que se introduce en el ciclo de la urea lo hace en forma de aspartato. b) Rotura de argininosuccinato. Por acción del enzima argininosuccinato liasa el argininosuccinato es escindido en arginina, que es el aminoácido precursor de la urea, y fumarato que entra a formar parte de los intermediarios del ciclo de Krebs. c) Hidrólisis de arginina. Se genera ornitina y urea, proceso catalizado por el enzima arginasa. Este enzima es el responsable de la naturaleza cíclica de la ruta de la bisosíntesis de la urea. Prácticamente todos los organismos sintetizan arginina a partir de ornitina, mediante las reacciones mostradas. Sin embargo, únicamente los organismos ureotélicos contienen arginasa. El destino de la ornitina es volver otra vez a la matriz mitocondrial para su utilización en un nuevo ciclo. Ciertos organismos presentan más de una forma de excreción del amonio durante su ciclo vital. Un caso muy peculiar es el del renacuajo puesto que antes de sufrir la metamorfosis es de vida acuática y amonotélico mientras que su forma adulta, la rana, es de vida terrestre y ureotélica. Ello se debe a que durante el proceso de metamorfosis se induce la síntesis del enzima arginasa. Eliminación de la urea La urea abandona el hígado y pasa al sistema circulatorio a través del cual llega a los riñones donde es filtrada para su excreción. La determinación de la concentración de urea en sangre es un indicador clínico de la función renal ya que la filtración y eliminación de urea se ven afectados cuando hay una actividad renal deficiente. Existen excepciones en el caso de animales que hibernan ya que durante el período de hibernación no orinan y la urea, presente en la vejiga urinaria, se reabsorbe y vuelve a los tejidos donde aporta grupos aminos para la biosíntesis de aminoácidos. Regulación del ciclo de la urea La actividad del ciclo de la urea va a estar condicionada por la composición de la dieta. Supongamos las dos situaciones metabólicas siguientes: por un lado la de un individuo alimentado con una dieta constituida esencialmente por proteínas y, por otro, la de un organismo sometido a inanición severa. En ambos casos los aminoácidos (esqueletos hidrocarbonados) serán utilizados como principal fuente de energía y se producirá abundante urea a partir de los grupos aminos excedentes. Los enzimas del ciclo y la carbamilfosfato sintetasa I van a estar regulados a dos niveles. Concentración de los enzimas: los enzimas del ciclo de la urea (incluido carbamilfosfato sintetasa I) son sintetizadas a una velocidad superior cuando se ingiere una dieta rica en proteínas que cuando se consume una dieta equilibrada (abundan glúcidos y lípidos). Lo mismo es aplicable cuando se trata de inanición ya que las proteínas musculares van a actuar como principal fuente de energía metabólica. Y al contrario, cuando no se consumen proteínas la velocidad de síntesis disminuye. Se trata de un mecanismo de regulación que funciona a largo plazo. Regulación alostérica: es ejercida sobre el enzima carbamilfostato sintetasa I. Su activador alostérico es el N-acetilglutamato que, a su vez, se sintetiza a partir de acetil-CoA y glutamato por acción del enzima N-acetilglutamato sintetasa mitocondrial. El enzima N- acetilglutamato sintetasa es activada por arginina, intermediario del ciclo de la urea, que se acumula cuando la síntesis de urea va muy lenta en comparación con la producción de amonio a partir del catabolismo de aminoácidos. Este mecanismo de regulación es el primero que se ejerce para intentar controlar el flujo de nitrógeno a través del ciclo y por lo tanto se trata de una regulación a corto plazo. Balance químico total del ciclo de la urea NH3 + CO2 + 2 ATP carbamoilfosfato + 2 ADP + 2Pi Carbamoilfosfato + ornitina citrulina + Pi Citrulina + ATP + Aspartato arginosuccinato + AMP + PPi Arginosuccinato arginina + fumarato Arginina urea + ornitina 2 NH3 + CO2 + 3 ATP urea + 2 ADP + AMP + PPi + 2 Pi Destinos metabólicos del esqueleto hidrocarbonado Una vez se ha separado el grupo NH4+, el catabolismo del esqueleto hidrocarbonado resultante va a generar dos tipos de moléculas: aquellas cuyo destino final es la oxidación en el ciclo de Krebs (acetil-CoA o acetacetil-CoA) o moléculas de naturaleza anfibólica (algunos intermediarios del ciclo de Krebs) capaces de generar glucosa. Aunque cada uno de los veinte aminoácidos tiene su propia ruta para ser catabolizado, sus esqueletos hidrocarbonados se canalizan únicamente hacia siete moléculas que son piruvato, acetil-CoA, acetacetil-CoA, -cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxalacetato. Desde el punto de vista del tipo de molécula que se obtiene tras la degradación del esqueleto hidrocarbonado, los aminoácidos pueden clasificarse en: Glucogénicos: los que se degradan a piruvato, -cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxalacetato y se denominan así porque la síntesis de glucosa a partir de dichas moléculas es factible. Tanto el piruvato como los intermediarios del ciclo de Krebs señalados pueden convertirse en fosfoenolpiruvato y posteriormente en glucosa a través de la gluconeogénesis. Cetogénicos: los que generan acetil-CoA o acetacetil-CoA y reciben este nombre porque pueden originar cuerpos cetónicos. Puesto que los mamíferos carecen del sistema enzimático adecuado, estos compuestos nunca podrán ser utilizados como precursores para la biosíntesis de glucosa. De los veinte aminoácidos universales, catorce son puramente glucogénicos y dos puramente cetogénicos (leucina y lisina). Los cuatro restantes (isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina) son glucogénicos y cetogénicos simultaneamente ya que una parte del esqueleto hidrocarbonado origina precursores para la biosíntesis de la glucosa (piruvato o intermediarios del ciclo de Krebs) y la otra parte acetil-CoA o acetacetil-CoA. Glucogénic os Cetogénic os Alanina Arginina Asparragin a Aspartato Cisteína Glutamina Glutamato Glicina Histidina IsoleucinaMetionina Fenilalanin a Prolina Serina Treonina Triptófano Tirosina Valina Isoleucina Leucina Lisina Fenilalani na Triptófano Tirosina Clasificación de los aminoácidos en función del destino del esqueleto hidrocarbonado
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