Teórico 16 Oxidación de Aminoácidos y producción de Urea (2017)

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Teórico 16: Oxidación de Aminoácidos y producción de Urea
Prof.: Dra. Susana Gallego
Año 2017 (y 2015)
La utilización de los aminoácidos como fuente de energía varía con los diferentes
organismos.
•Cerca del 90% de las necesidades energéticas de los carnívoros pueden ser satisfechas por los
aminoácidos inmediatamente después de una comida. Porque si el carnívoro, en su ingesta no
están incluidos los Hidratos de Carbono o los Ácidos Grasos, significa que todo el poder reductor
para poder obtener energía va a venir de esas proteínas. Esto no sucede en el caso de los
herbívoros, donde la mayor cantidad de energía va a venir de la digestión en todo caso de Hidratos
de Carbono de las plantas, por ejemplo. Tampoco va a suceder en el caso de los microorganismos
salvo que uno esté específicamente en un cultivo alimentando esos microorganismos sólo con
Aminoácidos.
•Los microorganismos extraen aminoácidos de su medio ambiente para obtener combustible
cuando es necesario.
•Sólo una pequeña fracción de las necesidades energéticas de los herbívoros se satisfacen con los
aminoácidos.
•Las plantas no usan aminoácidos como fuente de combustible, pero pueden degradar los
Aminoácidos para formar otros metabolitos.
Un Carnívoro o un omnívoro como nosotros, tiene exceso de nitrógeno que vamos a tener
que excretar.
En este teórico veremos Oxidación de Aminoácidos, fundamentalmente viendo al
esqueleto carbonado de los Aminoácidos como aportadores de Carbono en el Ciclo de Krebs. Hay
que ver la dinámica de los Ciclos. Uno del Ciclo de Krebs está sacando continuamente productos
por ejemplo para sintetizar Glucosa otra vez. Si uno sólo sacara y no ingresa nada en ese Ciclo, el
Ciclo va a parar. Si para el Ciclo la toxicidad para la célula es muy grande. Entonces, lo que hay es
posibilidades de aportar desde otras biomoléculas, en este caso de las proteínas se aportan los
Aminoácidos. Estas reacciones que aportan intermediarios de Krebs son las que se conocen como
reacciones Anapleróticas. Veremos cómo es que los Aminoácidos aportan esqueleto carbonado.
A diferencia de los
que vimos en Hidratos
de Carbono y de lo que
vimos con Lípidos,
cuando hablamos de
Aminoácidos hablamos
de una molécula que
contiene Nitrógeno. Acá
va a aparecer siempre
como que el Nitrógeno
molesta. Pero pensar
que el Nitrógeno es el
4to elemento en importancia en los organismos vivos (C, H, O, N). Entonces, en el caso de
organismos como somos los humanos que comemos mucho nitrógeno, especializaron sus
mecanismos de excreción de Nitrógeno. Esto es muy diferente a los organismos que son de
características sésiles como pueden ser las plantas o algunos hongos, donde no pueden darse el
lujo de excretar el Nitrógeno, sino que han mejorado todos sus mecanismos de obtener Nitrógeno.
Vamos a seguir discutiendo a lo largo de todo el teórico sobre los animales. ¿En animales
cuándo se va a dar que utilicemos Aminoácidos como productor de energía?... Se va a dar
en algunas condiciones metabólicas determinadas.
•Con aquellos Aminoácidos que durante el recambio Proteico (o sea la síntesis y la degradación)
no sean utilizados. Un concepto importante es que los animales no almacenamos Aminoácidos.
Podemos almacenar alguna proteína, pero en condiciones normales no se almacenan Aminoácidos.
O sea que los Aminoácidos que no se usen para re-sintetizar proteínas van ser de alguna manera
catabolizados para obtener energía.
•Cuando uno tenga una dieta muy rica en proteínas. Ahí se van a usar los Aminoácidos como
manera de obtener energía porque acá estamos bajando lo que serían hidratos de carbonos o
lípidos.
•En una Inanición. Si un animal o un humano deja de alimentarse, va a empezar a degradar
proteínas para obtener energía a partir de los Aminoácidos.
•En una situación patológica: diabetes mellitus no controlada.
En la Inanición o Diabetes Mellitus, son situaciones en donde no ingresa el Hidrato de
Carbono a las células (ya sea porque no lo ingiero o por una situación patológica como la diabetes)
para obtener energía. En esos casos, se pueden degradar Aminoácidos.
En el caso de los animales, la degradación oxidativa de los Aminoácidos se hace en el
Hígado. Siempre terminamos llevando todo al Hígado y es allí donde se van a metabolizar.
Quien describió por primera vez el Ciclo de la Urea, fue Krebs. De hecho, describe el Ciclo
de la Urea (uno de los primeros ciclos bioquímicos en ser descriptos), antes de describir el Ciclo del
Ácido Cítrico.
18.1-DESTINOS METABÓLICOS DE LOS GRUPOS AMINO
Este es un esquema que, si bien lo podemos traspasar a diferentes seres vivos, está
presentado para MAMÍFEROS.
Las fuentes de los Aminoácidos
pueden ser dos (dejando de lado la
inanición o la diabetes): -Recambio proteico. -Dieta proteica.
Cuando se quieren degradar los Aminoácidos vamos a empezar a separarlos justamente en
dos partes:
-Un Esqueleto Carbonado.
-Un Nitrógeno en la forma de Amonio.
Entonces en un esquema general, vamos a dividir a ese Aminoácido es un Esqueleto
Carbonado y en un Amonio (NH4
+). En ese contexto, veremos qué pasa con el Amonio y qué pasa
con el Esqueleto Carbonado, que como se le saca el Amino al Cα del Aminoácido, queda un
α-Cetoácido que puede ser intermediario del Ciclo de Krebs. Como parte de Intermediario del Ciclo
de Krebs va a poder tener 2 destinos: se puede usar para obtener energía o para Gluconeogénesis
(pasa a Oxalacetato y entrar en la síntesis de Glucosa).
Por otra parte, el
Amonio puede ser:
re-asimilado en la
síntesis de
Aminoácidos
nuevamente o de otros
compuestos que
necesiten Nitrógeno o
va a tener que ser
excretado. ¿Por qué?
Porque el Amonio como
tal, adentro de una célula
y de un organismo es
tóxico. No sólo porque va
a modificar el pH sino
porque puede tener
varias reacciones con
compuestos que lo hacen
muy tóxico. Veremos
particularmente y con
mucho detalle el Ciclo de la Urea como un mecanismo de deshacernos de ese Nitrógeno. La urea
va a ser el producto de excreción.
Ahora no vamos a hablar de los mamíferos sino de los vertebrados (o sea estoy un poquito
más arriba de los mamíferos). Lo que muestra la diapo, es algo muy general. Estamos en el Hígado
(no hace distinción de organelas).
En los animales, gran parte del metabolismo va a ser el Hígado. ¿Cómo llegan los
Aminoácidos al Hígado? Al Hígado de los Vertebrados llegan Aminoácidos de la ingesta proteica
por la Vena Porta. O vamos a tener otros dos orígenes: que serían todos los tejidos extrahepáticos.
Puede ser que en un Músculo trabajando, la forma de exportar Nitrógeno del Músculo al Hígado,
va a ser exportando Alanina. O sea, si yo desamino un Aminoácido en cualquier tejido
extrahepático, no puedo excretar Amonio al torrente sanguíneo, ya de tan sólo pensarlo nos
damos cuenta que eso variaría el pH. De hecho, es una manera de compensación renal en la acidez
metabólica a través del Riñón. Pero no nos metamos con eso. Sepamos que el Amonio en sangre
no es una manera de transportar el Nitrógeno. Cuando el músculo está trabajando veremos que el
Ciclo es de Alanina (la Alanina transporta el Amonio desde el Músculo al Hígado). Por otro lado, el
otro Aminoácidos que nos sirve como transporte y que tenemos en altas concentraciones en
sangre es la Glutamina. La Glutamina es la forma más común de transportar Nitrógeno al Hígado.
En el Hígado, el Glutamato y la Glutamina van a ser dos Aminoácidos que vamos a nombrar mucho
porque permiten hacer un ciclo y transportar el nitrógeno (lo veremos más adelante y
entenderemos a lo que nos referimos).
Entonces, el Amonio que no sea reciclado va a ser excretado. El hígado va a excretar a sangre la
Urea, que va a ser lo que después van a tomar los Riñones y va a ser lo que excretamos en la Orina.
Dentro del hígado es donde
se van a Desaminar (se les
remueve el grupo Amino). Y
ese Amonio (NH4
+) va a ser
excretado. O sea, el lugar
donde se genera todo el
metabolismo del Amonio para
su excreción en los
Vertebrados es en el hígado.
Se marcan dos
Intermediarios de los que
hablaremos mucho en esta
clase que son:el Glutamato y
la Glutamina.
También se marca que
desde el Hígado podemos
tener 3 productos (en los vertebrados):
-Amonio.
-Urea.
-Ácido Úrico.
De acuerdo al tipo de vertebrado que estemos considerando, va a ser el tipo de producto
que se va a excretar para justamente poder excretar el Nitrógeno.
El producto de excreción es el Amonio (NH4
+) directamente, en aquellos vertebrados que
han evolucionado en hábitats que les permiten excretar Amonio. Pensar que, al estar hablando de
Amonio, estamos considerando a una base, con lo cual vamos a estar hablando de pH muy altos. Si
nosotros excretáramos Amonio deberíamos tener modificaciones en toda nuestra vía urinaria
porque nos quemaríamos. En cambio, en el caso de los Peces, ese Amonio del Hígado pasa a
sangre y de la sangre van a las Branquias y el Agua directamente lo retira. Entonces, los peces
tienen un sistema urinario no muy desarrollado, y no necesitan más metabolismo que
directamente la excreción del Amonio como tal.
Cuando los animales nos fuimos alejando del agua, entonces empiezan a aparecer otros
metabolitos como formas de excreción de Nitrógeno. En el caso de muchos vertebrados y varios de
los mamíferos (y nuestro caso), el producto de excreción del Nitrógeno es la Urea. La Urea es un
metabolito inerte, notar que no tiene carga. El único problema de la Urea que podemos
argumentar es que para excretarla necesita mucha Agua. Es muy soluble y necesita una carga
importante de agua.
Notar que las Aves, si tuvieran que tener una vejiga cargada de agua entonces se les
dificultaría el vuelo, necesitarían una ingesta mayor de Agua. Entonces en el caso de las Aves, el
producto de excreción del Nitrógeno es el Ácido Úrico. Las aves tienen una Cloaca donde
desemboca lo equivalente a lo que sería nuestra orina y nuestra materia fecal. El Ácido Úrico lo
secretan de manera cristalina. Es lo que mancha la pintura de los autos cuando las excretas de las
aves se depositan en los autos.
¿Qué características tiene la Urea y el Ácido Úrico? Que los carbonos están muy oxidados.
¿Qué significa eso? Que el individuo lo que hizo es llevarlo a su máximo estado de oxidación para
poderle sacar todo el poder reductor que nos sirve para obtener energía. El organismo obtuvo la
mayor energía que pudo de esos Carbonos y los excreta ya en forma de máxima oxidación. Si
excretáramos Carbono reducido, estaríamos siendo relativamente ineficientes.
Ahora vamos a entrar a hablar fundamentalmente en mamíferos que excretan Urea. Así
podemos discutir el metabolismo humano.
Dijimos que los Aminoácidos que podemos utilizar pueden provenir de la dieta. ¿Cómo son
incorporados esos Aminoácidos a nuestro torrente sanguíneo? Si ingerimos alimento (proteínas),
lo que va a ocurrir a nivel del Estómago es que se secreta una Hormona que es la Gastrina que
actúa sobre dos tipos celulares del estómago: las células parietales secretan HCl y las células
principales secretan Pepsinógeno. Ese HCl lo que hace es que el pH estomacal baje. Aquí, además,
la mayor carga bacteriana que pudiera a llegar a tener el alimento es inactivada. Además, el HCl va
a actuar sobre un zimógeno (proteína con actividad enzimática que está inactiva), el Pepsinógeno,
para activarlo y dar así Pepsina. La Pepsina es una proteasa, que va a comenzar así una digestión
parcial de esas proteínas.
Una vez que el contenido Estomacal comienza a ser vaciado en el Intestino. El Intestino lo
que va a hacer es secretar una hormona, la Secretina (primera hormona que se aisló e identificó)
que va a actuar sobre el Páncreas promoviendo la secreción de Bicarbonato (HCO3
-) al Intestino. De
esa manera, el pH Intestinal va a subir. Hay otra hormona que también va a actuar sobre el
Páncreas, que es la Colecistoquinina, que va a estimular la secreción al Intestino de 3 zimógenos:
Tripsinógeno, Quimiotripsinógeno y Procarboxipeptidasa A y B. Así se liberan estas 3 pro-enzimas
al Intestino Delgado. Proteasas propias del Intestino van a actuar sobre el Tripsinógeno activándolo
a Tripsina. La Tripsina vuelve a actuar sobre el Tripsinógeno y va a actuar también sobre el
Quimiotripsinógeno y Procarboxipeptidasas.
Con todas esas actividades de proteasas, prácticamente la mayoría de las proteínas
provenientes en la dieta quedan digeridas a sus Aminoácidos. Lo que va a atravesar las
vellosidades intestinales van a ser los Aminoácidos.
En el caso de que el Conducto del Páncreas esté obstruido por ejemplo por piedras biliares,
etc. lo que puede pasar es que los zimógenos liberados por el Páncreas se pueden activar dentro
del Páncreas. Eso es lo que se llama Pancreatitis Aguda, que es muy dolorosa y es como una
digestión del propio Páncreas. Por eso es que es muy eficiente liberarlas como enzimas inactivas y
no acumularlas como enzimas activas. No tratar una Pancreatitis Aguda es mortal justamente
porque uno autodigiere su propio Páncreas.
Tenemos a los Aminoácidos Libres que dijimos que vienen de la dieta o del recambio, ¿Cómo
empiezan a ser procesados esos Aminoácidos, no para sintetizar proteínas sino para obtener
energía o fuentes carbonadas? ¿Qué reacciones tienen que ir ocurriendo para que ese Esqueleto
carbonado pueda ser tomado para obtener energía?
En este
apartado (18.1) dijimos
que íbamos a hacer
hincapié sobre qué era
lo que pasaba con el
Nitrógeno. El
Nitrógeno de distintos
Aminoácidos, lo que
va a hacer el
organismo es, sin
producir una
desaminación neta, ir
recogiendo todos esos
grupos nitrógeno en
un Aminoácido que es
el Glutamato. Esa recolección de Nitrógeno, se hace a través de una reacción enzimática por
parte de las enzimas llamadas AMINOTRANSFERASAS o TRANSAMINASAS. Las
Aminotransferasas lo que van a hacer justamente es transferir un Nitrógeno α de cualquier
Aminoácido, a un α-Cetoglutarato para obtener Glutamato. Esa es la reacción de Transaminación.
Notar que aquí no se produce pérdida de nitrógeno, simplemente lo que estoy haciendo es
transferir nitrógenos de una molécula a otra.
Estas Aminotransferasas van a recibir distintos nombres. Poseen mucha especificidad por
el α-Cetoglutarato, que va a ser siempre el compuesto sobre el que se va a acomodar el Nitrógeno.
Por otro lado, las especificidades van cambiando por el L-Aminoácido. Por ejemplo, si tiene
especificidad por la L-Alanina, la enzima se llamará “Alanino-Aminotransferasa” (ALAT, ALT, TGP,
GTP). Si es el Aspartato, será la “Aspartato-Aminotransferasa” (ASAT, AST, GOT). Siempre se cumple
que todas las Aminotransferasas son específicas para el α-Cetoglutarato. Todas van a generar
Glutamato ya que parten del α-Cetoglutarato.
En la clínica veremos mucho la medición de muchas Aminotransferasas en suero, que
tienen que ver con marcadores de lesiones a nivel de hígado (ALAT, ASAT) o a nivel cardíaco. El
orden de aparición de las Transaminasas en sangre nos indican grado de lesión, lugar de la lesión.
También se miden en caso de intoxicaciones que pueden afectar al Hígado, porque justamente nos
está midiendo nivel de daño.
La mayoría de las Transaminaciones son reacciones reversibles y se caracterizan estas
Transaminasas por tener como Cofactor el Piridoxal Fosfato (PLP). En otros teóricos decíamos
“siempre que veamos Biotina pensemos en carboxilación”. Ahora decimos “siempre que veamos al
Piridoxal Fosfato (PLP) una de las cosas que hay que pensar es en Transaminación, también en
descarboxilación”.
A este Cofactor Piridoxal Fosfato (PLP), también se lo conoce como Vitamina B6 (en
realidad la vitamina B6 es el Piridoxal).
El Piridoxal Fosfato se une covalentemente a la Enzima a través del Amino terminal de una
Lisina.
¿Por qué es tan importante el Piridoxal Fosfato (PLP)? Porque su estructura puede hacer
resonancia de
electrones y eso le
permite hacer este tipo
de reacciones de
Transaminaciones.
Tenemos el L-Aminoácidos que se va a acomodar sobre el Piridoxal Fosfato (PLP). Se va a rearreglar
y el producto final que vamos a obtener es la Piridoxamina Fosfato (o sea, el Piridoxal que ahora
tiene el grupo Amino) y el α-Cetoácido. Lo que nos ponela diapo que sigue, es la mitad de la
Transaminación. Porque lo que falta después es que entre el α-Cetoglutarato y se lleve el grupo
Amino al Glutámico.
El libro nos muestra (diapo) otras dos reacciones en las que puede estar involucrado el
Piridoxal Fosfato (PLP). Una es la Racemización de Aminoácidos (a partir del L-Aminoácido obtengo
el D-Aminoácido). Y la otra reacción en la que lo encontraremos mucho es en las reacciones de
Descarboxilación.
Lo primero que tenemos que hacer es separar el grupo Amino, y lo hacemos por reacciones
de Transaminación. Vamos juntando todos los Nitrógenos en el Ácido Glutámico. Notar que no hay
desaminación neta, lo que estamos haciendo es cambiar Nitrógeno de un esqueleto carbonado a
otro. Pero todavía no separamos al Amonio del esqueleto carbonado.
Ahora sí
empezamos con
reacciones para
separar el Amonio del
Esqueleto Carbonado
(Desaminación
Oxidativa), y la enzima
que se encarga de
Desaminar es la
GLUTAMATO
DESHIDROGENASA
(GDH). La Glutamato
Deshidrogenasa es una
enzima de la matriz
mitocondrial del
hepatocito (tanto en
animales como en
plantas). Lo que va a hacer es: a partir del L-Glutamato volver a obtener α-Cetoglutarato, pero
ahora sí quitando el Amonio (NH4
+). En animales, esta enzima puede utilizar tanto NAD+ como
NADP+ para realizar la desaminación oxidativa (el NAD(P)+ se reduce). En plantas y bacterias es
bastante más específica por el NADP+ que por el NAD+.
Cabe destacar también que la reacción es reversible. O sea que puede tener actividad
tanto para obtener Esqueleto Carbonado (α-Cetoglutarato) como para resintetizar Glutamato. En
realidad, a pesar de que la reacción es reversible, en general, la función es Desaminar y obtener
Esqueleto Carbonado (α-Cetoglutarato) para Krebs. La Km por el Amonio de esta es bastante alta,
por lo tanto, en condiciones fisiológica (si bien en el tubo de ensayo uno puede hacer la reacción
para los dos lados) está mucho más favorecida la Desaminación en animales. En plantas no tanto,
porque la concentración de Amonio puede ser mayor, entonces podría funcionar aminando.
Ahora bien, pensemos… ¡ESTAMOS LIBERANDO AMONIO (NH4+)!!!! Por lo tanto,
tenemos que estar en el HÍGADO. La liberación de Amonio (NH4
+) no se hace en los tejidos para
excretar, sino a nivel de Hígado.
Si uno considera que el L-Glutamato lo obtuve por Transaminación, y en esta reacción al
L-Glutamato lo Desamino, todo el proceso de la diapo anterior donde vimos Transaminación y esta
que vimos Desaminación Oxidativa, la podemos denominar TRANSDESAMINACIÓN.
En Animales, la Glutamato Deshidrogenasa tiene dos Reguladores: un Regulador Positivo,
el ADP; y un Regulador Negativo, el GTP. Se conocen más porque enzimas que tienen mutados los
sitios de unión de estos reguladores, tienen deficiencia en su actividad.
Entonces, ya del
Glutamato
obtuvimos
Amonio (NH4
+).
Dijimos que de los
tejidos no se
transportaba
Amoníaco porque
el Amoníaco como
tal es tóxico, sino
que
transportábamos
el Amoníaco en
forma de
Glutamina…
En el caso que tengamos Amoníaco en los tejidos, el Amoníaco se va a fijar sobre el
Glutamato a partir de la actividad de una enzima llamada GLUTAMINA SINTETASA (GS). Esta
enzima, al igual que la Glutamato Deshidrogenasa (entre otras) son muy importantes en lo que es
el metabolismo del Nitrógeno. Justamente son los que juegan entre el Glutamato y la Glutamina.
Entonces, la Glutamino Sintetasa (GS) sobre el Glutamato fija el Amonio (NH4
+). Es un poco
la inversa de la GDH (Glutamato Deshidrogenasa) que vimos recién. La GS (Glutamino Sintetasa)
asimila Amonio (NH4
+), es una asimilación secundaria de Amonio. Si hay Amonio libre lo va a fijar
sobre la Glutamina. Dijimos que para fijar el Amonio sobre el α-Cetoglutarato y obtener Glutamato
(o como lo dice siempre la profe sería “para fijar el Amonio sobre el Glutamato”), la GDH tenía una
Km por el Amonio muy alta. La GS tiene una Km muy baja por el Amonio (NH4
+), siempre funciona
asimilando Nitrógeno. La otra particularidad que tiene la GS (Glutamino Sintetasa) es que
utiliza ATP. Es una asimilación de Nitrógeno que tiene gasto de energía. El ATP va a ser usado
para activar al Glutamato (se obtiene γ-Glutamil Fosfato), y para hacer susceptible al carbonilo de
la aminación.
Como Glutamina entonces, transporto ese Amoníaco desde los tejidos al
Hígado. Y una vez en el Hígado, lo que va a pasar es que una GLUTAMINASA, libera el Amonio
(NH4
+) de la Glutamina formando L-Glutamato. O sea, una Glutaminasa me libera el Amonio
(NH4
+) de la Glutamina.
Pero después, la Glutamato Deshidrogenasa (GDH) me libera el Amonio (NH4
+) del
Glutamato que se formó por acción de la Glutaminasa (Desaminación Oxidativa, donde también
se libera el Amonio como tal en el Hígado). Esta reacción me da como producto α-Cetoglutarato.
Las dos fuentes de Amonio (NH4
+) van a ser entonces a partir de la GLUTAMINASA y de la
GLUTAMATO DESHIDROGENASA.
La otra forma en la que llegaba el Amonio al Hígado, además del Glutamina, era la Alanina.
El transporte de Nitrógeno desde el Músculo hacia el Hígado, en forma de Alanina, es importante
cuando el Músculo Esquelético está trabajando.
Lehninger página 681: “La Alanina también juega un papel especial en el
transporte de grupo Amino al Hígado en una forma no tóxica, mediante una ruta denominada
“Ciclo de la Glucosa-Alanina”. En el Músculo y en algunos otros tejidos que degradan
Aminoácidos como combustible, los grupos Amino se recogen en forma de Glutamato
por Transaminación. El Glutamato puede entonces convertirse en Glutamina para su transporte
al Hígado tal como se ha descrito, o puede transferir su grupo α-Amino al Piruvato, un producto de
la Glucólisis muscular fácilmente asequible, por acción de la Alanina Aminotransferasa (ALAT). La
Alanina así formada pasa a la sangre y es transportada al Hígado. En el citosol de los hepatocitos,
la Alanina Aminotransferasa transfiere el grupo Amino de la Alanina al α-Cetoglutarato,
formando Piruvato y Glutamato. El Glutamato puede entrar en las mitocondrias, donde la
reacción de la Glutamato Deshidrogenasa libera NH4
+, o puede experimentar Transaminación con
Oxalacetato, formando Aspartato que, tal como veremos, es otro dador de nitrógeno en la
síntesis de Urea.
La utilización de Alanina para transportar Amoníaco desde el Músculo Esquelético al
Hígado es otro ejemplo de la economía intrínseca de los organismos vivos. Los músculos
esqueléticos sometidos a contracción vigorosa operan de forma Anaeróbica, produciendo
Piruvato y Lactato a partir de la Glucólisis, además de Amoníaco a partir de la degradación de
proteínas. Estos productos han de ir a parar al Hígado, en donde el Piruvato y el Lactato se
incorporan a la Glucosa, que es devuelta a los Músculos, y el Amoníaco se convierte en Urea para
su excreción. El Ciclo de la Glucosa-Alanina, junto con el Ciclo de Cori, consiguen esta transacción.
La carga energética de la Gluconeogénesis se impone así al Hígado y no al Músculo, con
lo que todo el ATP disponible en el Músculo se dedica a la contracción Muscular”.
Cuando el Músculo Esquelético trabaja, en general el trabajo se produce en Anaerobiosis.
Lo que voy a obtener en la degradación de la Glucosa en la Glucólisis, es el Piruvato. Si a ese
Piruvato yo lo cargo con el Amonio (NH4
+) producto de la degradación de Aminoácidos para usarlos
como combustible en este trabajo severo, lo que obtengo es Alanina. Si a la Alanina yo la llevo al
Músculo, en el Músculo puedo desaminar a la Alanina por transaminación y al Piruvato que se
libera lo puedo volver a transformar en Glucosa a través del proceso de Gluconeogénesis. La
Glucosa es la que llevo al Músculo para seguir haciendo el trabajo. Notar que en el Músculo por
Glucólisis obtenemos energía, pero no le cargamos al Músculo tener que volver a sintetizar
Glucosa por Gluconeogénesis. Sino que la carga de usar ATP para sintetizar Glucosa
(Gluconeogénesis) la tiene el Hígado. A la Glucosa sintetizada la vuelvo a llevar al Músculo en
movimiento.
Este ciclose conoce como el “Ciclo de la Glucosa-Alanina”. Es similar al Ciclo de Cori, donde en
lugar de Alanina(Piruvato), lo que va al Hígado es Lactato. Es decir que este sería como un
complemento del Ciclo de Cori. Entonces, con el Ciclo de la Glucosa-Alanina aprovecho y llevo
nitrógeno al Hígado, y también recupero energía y carbono para el músculo.
El
transporte de Alanina al Hígado es muy importante cuando el Músculo está en ejercicio.
Sino, en general, lo que va a transportarse siempre es la Glutamina.
18.2-EXCRECIÓN DEL NITRÓGENO Y CICLO DE LA UREA
Vimos formas de llevar Nitrógeno en el Hígado, y cómo en el Hígado podemos obtener
Amoníaco (NH4
+). Podemos llevarlo en forma de Glutámico, en forma de Alanina o en forma de
Aminoácidos que vienen de la dieta. Una vez que tenemos todo ese Nitrógeno en el Hígado,
¿Cómo hace el Hígado para excretar ese Nitrógeno?
Nosotros veremos lo que respecta a los animales ureotélicos como nosotros, donde la
forma de excretar el nitrógeno es a través de la Urea. En el caso de aves y reptiles, no lo secretar en
forma de Urea sino en forma de Ácido Úrico. ¿Por qué? La Urea es un osmolito que para arrastrarlo
necesita mucha agua. Animales que viven en lugares muy áridos, el agua para arrastrar la Urea les
es un trabajo muy caro. Por otro lado, en el caso de las aves, si tuvieran que almacenar en una
vejiga agua suficiente para diluir la Urea el peso casi les impediría volar. Por eso en esos animales la
forma de excretar Nitrógeno es en forma de Ácido Úrico (animales uricotélicos), que lo vana
excretar en forma de cristales y por las heces.
No veremos en esta clase síntesis de Ácido Úrico, ya que seguramente lo veamos cuando
desarrollemos el tema de degradación de Purinas. Porque el Ácido Úrico es un producto de
degradación de las Purinas. Entonces, para esos animales, el gasto energético de secretar
Nitrógeno es mucho mayor: porque a partir del Amonio van a tener que sintetizar Purinas. Y a
partir de las Purinas sintetizar el Ácido Úrico. El camino metabólico es mucho más grande.
Las plantas también tienen el Ciclo de la Urea, pero en realidad del interés de organismos
como las plantas, para las cuales el Nitrógeno es un elemento muy caro (de hecho, en la agricultura
continuamente hay que agregar Nitrógeno al suelo, de hecho, una forma de agregarlo es en la
forma de Urea) no excretan ese Nitrógeno. El Nitrógeno se recicla y se reasimila. Las plantas no
tienen estos mecanismos de excreción tan necesarios como lo es para animales que tienen una
dieta muy enriquecidas en nitrógeno.
Lo que tenemos en la parte de arriba de la diapo, antes de llegar a la Mitocondria es un
poco lo que venimos diciendo: el Hígado recibe Glutamina de otras partes del cuerpo, recibe otros
Aminoácidos que por transaminación va a fijar el Nitrógeno en el Glutamato, y la Alanina del
Músculo en una actividad intensa que también lo transforma en Glutamato. Ahora veremos
eventos que ocurren dentro de la Mitocondria y eventos que ocurren en el Citosol.
En la Mitocondria, dijimos que a partir de la Glutamato Deshidrogenasa (GDH), podíamos
obtener Amonio (NH4
+). Y otro Amonio (NH4
+) que vamos a tener en la Mitocondria es aquel que
viene en la forma de Aspartato (proviene del Oxalacetato). Entonces, las dos formas
Nitrogenadas que van a intervenir en el Ciclo de la Urea son: •Amonio (NH4
+). •Aspartato.
La urea posee un carbono muy oxidado (carbonilo) y dos grupos Amino unidos a él (así
tenemos 2 Nitrógenos por carbono). Es decir que tenemos una carga de nitrógeno por carbono
muy alta. La urea va a ser lo que el Hígado va a secretar a la sangre y de la sangre va a pasar a la
Orina. Es decir que tenemos que llegar a obtener desde el Glutamato o la Glutamina, la Urea.
Entonces
tenemos Glutamina
que viene de otros
tejidos
extrahepáticos, y
Glutamato que
viene de Aminoácidos
que vienen de la dieta
y la Alanina que vino
del Músculo en
actividad y se
transformó en
Glutamato en el
Hígado.
Así, a partir de
Glutamina y
Glutamato,
obtenemos Amonio
(NH4
+) en el Hígado.
El Amonio puede
venir también vía
Vena Porta si los microorganismos del intestino por su metabolismo producen Amonio (NH4
+).
El Ciclo propio de la Urea tiene 4 pasos enzimáticos. Pero si uno se para desde el Amonio
(NH4
+) serían 5 pasos enzimáticos en el Ciclo de la Urea. Entonces, la primera reacción que está
involucrada en el Ciclo de la Urea es la siguiente: a partir de Amonio (NH4
+) y Bicarbonato
(HCO3
-), se va a obtener Carbamoil Fosfato, por la acción de una enzima que utiliza 2 ATP y se
llama CARBAMOIL FOSFATO SINTETASA I. La Carbamoil Fosfato Sintetasa I es la mitocondrial y
está involucrada en el Ciclo de la Urea, pero también hay una Carbamoil Fosfato Sintetasa II que es
citosólica o citoplasmática, y no está involucrada en el Ciclo de la urea, sino que tiene más que ver
con Biosíntesis de Nucleótidos. En esta reacción de la Carbamoil Fosfato Sintetasa I, se usan dos
moléculas de ATP y sólo un Fosfato (Pi) queda unido en la molécula. Después veremos dónde se
gastan estas dos moléculas de ATP.
El Carbamoil
Fosfato va a
ser el que se
va a unir a la
Ornitina,
para formar
Citrulina. A
este sí se lo
considera el
primer paso
del Ciclo de la
Urea
propiamente
dicho. Este
primer paso
ocurre dentro
de la
Mitocondria
por acción de la enzima ORNITINA TRANSCARBAMILASA.
Prestar atención a las figuras del Lehninger porque con colores nos va mostrando el origen
de los diferentes átomos de la Urea que se va a formar al final del Ciclo. Notar que, en celestito, se
marca el Amonio (NH4
+) Libre que va a reaccionar con la Carbamoil Fosfato Sintetasa I, que luego
va a ser uno de los Nitrógenos que forme parte de la Urea. El otro nitrógeno no viene de otro
Amonio (NH4
+) Libre, sino que va a venir de un Aminoácido (Nitrógeno marcado en verde) que
veremos más adelante, que es el Aspartato.
En esta diapo se muestra por qué se utilizan 2 ATP en la primera reacción del Ciclo de la Urea
propiamente dicho.
Primero, un ATP sirve para activar al Bicarbonato. Y el segundo va a dejar al grupo
Carbamoil activado con un Fosfato. Son 2 ATP, pero sólo un Fosfato queda unido al producto de la
reacción.
Una vez que se forma dentro de la Mitocondria la Citrulina, la Citrulina sale de la
Mitocondria hacia el Citosol. Hay un Transportador que está en la Membrana Interna
Mitocondrial y lo que va a hacer es entrar Ornitina y sacar Citrulina.
La Citrulina una vez en el Citosol, reacciona con el Aspartato que es el donante del
otro Nitrógeno que va a formar parte de la Urea, para dar Argininosuccinato. La enzima
involucrada es la ARGININOSUCCINATO SINTETASA, que también es una enzima dependiente
de ATP. En esta reacción tenemos un Intermediario activado, que a diferencia de los
intermediarios que venimos viendo que siempre se queda con el Fosfato del ATP, en este caso el
Intermediario se queda unido al AMP y lo que se libera es el Pirofosfato. Notar que hay diferentes
formas de activación.
La primera reacción es la que vimos hoy que dijimos que era previo a entrar al Ciclo de la
Urea propiamente dicho, donde el Amonio (NH4
+) reacciona con Bicarbonato (HCO3
-) y 2 ATP para
formar el Carbamoil Fosfato.
La segunda reacción que se muestra en la diapo es la transformación de Citrulina en
Argininosuccinato. La Citrulina va reaccionar con el ATP, y va a ser el AMP el que quede unido a la
Citrulina. Luego cuando entre el Aspartato, se va a liberar el AMP. Y se forma Argininosuccinato.
En la próxima diapo se muestra: Una vez que tenemos el Argininosuccinato (en la diapo
se muestran los átomos que luego van a formar parte de la Urea), va a actuar una
ARGININOSUCCINASA que va a separar al compuesto dando por un lado Fumarato, y por el
otro Arginina. Notar que con el Fumarato ya tenemos un Intermediario de Krebs. Lo otro
interesante es que tenemos la biosíntesis de un Aminoácido como la Arginina, como parte de esta
biosíntesis.
El último paso del Ciclo de la Urea, que es el paso de clivaje de Arginina, para recuperar a
la Ornitinadel Ciclo y liberar a la Urea.
¿Qué tiene de particular este Ciclo de la Urea? Es muy importante en el Ciclo de la Urea lo
que se llama la “Canalización Metabólica”. O sea, una vez que entró Citrulina en el Ciclo, sale
Urea. No hay intermediarios que estén solubles en el citoplasma, sino que cada enzima sucede a la
actividad de la otra enzima que sigue.
Como reacción
general del Ciclo de la
Urea tenemos: al
Dióxido de Carbono
(CO2), Amonio (NH4
+), 3
ATP (2 para la
Carbamoil Fosfato
Sintetasa I y 1 para la
Argininosuccinato
Sintetasa), Aspartato y
2 Agua. Se obtiene
Urea, 2 ADP, 4 Pi, AMP
y Fumarato.
Al principio de la clase mostramos la diapo que aparece en chiquitito acá, y dijimos: el Amonio se
va para un lado y el Esqueleto Carbonado se va para otro lado. En realidad, lo que vimos ahora del
Argininosuccinato como dador de Fumarato y de Arginina, y el Fumarato como Intermediario de
Krebs; lo que uno puede decir es que a pesar de que el Nitrógeno se va para un lado y el Esqueleto
Carbonado se va para otro lado, esos dos ciclos independientes tienen como alguna conexión entre
sí. Por eso vamos a ver que algunos al Ciclo de la Urea y el Ciclo del Ácido Cítrico, lo llaman el
“Doble Ciclo de Krebs”. Notar que hay intermediarios que son comunes, y que terminan generando
un tercer Ciclo, o una unión entre estos dos Ciclos. ¿Qué es lo importante o interesante que uno
puede ver acá? Dijimos que en el Ciclo de la Urea se consumía ATP (3 ATP). Si uno piensa que el
Fumarato puede entrar al Ciclo del Ácido Cítrico y que se puede recuperar NADH. Lo que vamos a
tener es que es como una manera de recuperar ATP para que el Ciclo de la Urea no sea tan caro
energéticamente. No es caro el Ciclo de la Urea, pero bueno, estamos recuperando parte de la
energía que gastamos en él a través de uno de sus Intermediarios (Fumarato).
¿Hay algún tipo de
regulación de este Ciclo de la
Urea?...
Veremos que existe una
regulación transcripcional. Esto
es, las proteínas involucradas en
el Ciclo aumentan si el individuo
tiene dieta enriquecida en
Aminoácidos. Si tengo dieta rica
en Aminoácidos, tengo más
Nitrógeno para excretar y
simplemente lo que tenemos es
fortalecido en cantidad de
enzimas, el Ciclo de la urea
(síntesis de las 4 enzimas del
Ciclo).
Por otro lado, hay una regulación Alostérica Positiva a través de un compuesto que es el
N-Acetilglutamato, que puede modular positivamente a la primera de las enzimas que vimos
considerando al Amonio (NH4
+): la Carbamoil Fosfato Sintetasa I.
En Humanos hay algunos Aminoácidos que no son esenciales (los podemos sintetizar
nosotros), algunos que derivan de parte de la dieta, y otros Aminoácidos que son absolutamente
esenciales (nosotros no podemos sintetizarlos, necesitamos ingerirlos con la dieta). Esto no se da
para el caso de las plantas, por ejemplo, que pueden sintetizar todo los Aminoácidos.
Si nosotros tenemos alguna deficiencia relacionada con el Nitrógeno, lo que no podemos
decir es que la terapia es no comer proteínas porque justamente tenemos Aminoácidos que son
esenciales. Entonces hay que ver terapias alternativas para ver cómo se suple ese problema
genético en el Ciclo
de la Urea que casi
siempre lleva a una
elevación
sanguínea de los
niveles de Amonio
(NH4
+):
Hiperamonemia. La
Hiperamonemia es
tóxica, y lleva a
edemas cerebrales.
Como solo una de
las enzimas es
reversible. El
acumulo de un
determinado Intermediario, nos va a estar indicando cuál de las enzimas es la que tiene el
problema genético, cuál paso del Ciclo de la Urea es el que está afectado.
Uno de los tratamientos podría ser ingerir más de Ácidos Aromáticos que unan
Aminoácidos en su estructura y sean eliminados por orina.
18.3-RUTAS DE DEGRADACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS
Vimos la parte del Amonio, qué era lo que pasaba con él, cómo se produce la Urea, etc.
Ahora nos queda ver la otra parte, la parte del Esqueleto Carbonado de los Aminoácidos. Que es la
parte a partir de la cual el organismo va a obtener energía. O sea, todo lo que vimos ahora era
cómo nos sacábamos el Nitrógeno, para obtener los compuestos que entren en Krebs, que yo
pueda oxidar y obtener energía.
Nosotros estamos viendo Catabolismo Oxidativo de Aminoácidos. O sea, estamos viendo
oxidación de Aminoácidos con el objeto de obtener energía. Los Aminoácidos se puede degradar
por otras vías. Hay Desaminaciones Reductivas de Aminoácidos, pero no son para obtener energía.
O sea, no creamos que la única forma de degradar a los Aminoácidos es la Oxidativa. Lo que pasa
es que lo estamos viendo en un contexto de Reacciones Anapleróticas, que aportan Intermediarios
de Krebs.
Aquí se muestran
los distintos
Aminoácidos, y qué
Intermediario de
Krebs aportan.
Todos los
Aminoácidos que
figuran en rosa,
quiere decir que
pueden aportar
esqueleto
carbonado que
puede de alguna
manera ser llevado a
Glucosa. Todos los
Aminoácidos en rosa
nos pueden aportar
Esqueleto
Carbonado a partir
de las cuales en el
Hígado se puede sintetizar Glucosa (Gluconeogénesis). Por eso se los llama “Aminoácidos
Glucogénicos”.
En el caso de los Aminoácidos que están en celeste, son “Aminoácidos Cetogénicos”. Si nos
fijamos, por la degradación de su esqueleto carbonado dan Acetil CoA. El Acetil CoA puede
ingresar en el Ciclo de Krebs. Pero como sufre 2 descarboxilaciones allí, yo no puedo sintetizar
Glucosa a partir de Acetil CoA. Entonces, si yo no puedo sintetizar Glucosa, aquellos Aminoácidos
que me den Acetil CoA me están dando un Intermediario, pero no puedo generar Glucosa. Pero
recordemos que a partir del Acetil CoA podemos generar Cuerpos Cetónicos. Que es otra manera
cuando no puedo sintetizar Glucosa, se llevar energía, por ejemplo, al Cerebro. Estos Aminoácidos
entonces se denominan Cetogénicos porque a partir de ellos puedo llevar energía en forma de
Cuerpos Cetónicos. ¿Por qué tenemos una estrellita en sólo 2 Aminoácidos de todos los
Aminoácidos Cetogénicos (celestes)? Porque si nos fijamos, a los otros Aminoácidos como
Fenilalanina, Triptofano, Tirosina, etc. también los podemos encontrar como Glucogénicos (notar
que también aparecen en Rosa. Sólo 2 Aminoácidos (Leucina y Lisina) son exclusivamente
Aminoácidos Cetogénicos. Los otros 7 Aminoácidos que aparecen en celeste, pueden ser
Cetogénicos o Glucogénicos. Después vamos a ver que en las vías de degradación pueden dar tanto
Acetil CoA como así también Intermediarios de Krebs que puedan servirnos luego para sintetizar
Glucosa.
En este teórico vimos al Piridoxal Fosfato (PLP) como un Cofactor importante en
reacciones de Transaminación.
Ahora van a parecer otros
Cofactores importantes: la
Biotina nos sirve como
carrier de CO2 activados
(transporta un
Monocarbonado bien
oxidado).
Hay otros dos que van a
aparecer en muchas
reacciones que es el
Tetrahidrofolato
(transfiere grupos
carbonados, pueden ser
metilos, pero en general son aldehídos y alcoholes: grupos Monocarbonados de oxidación
intermedia) y la S-Adenosilmetionina (transfiere metilos, transporta el Monocarbonado más
reducido).
Entonces, tanto la Biotina, Tetrahidrofolato y la S-Adenosilmetionina, transportan
Monocarbonos. La
diferencia entre ellos
es el grado de
oxidación de ese
Monocarbono.
En esta diapo
tenemos el
Tetrahidrofolato (el carrier). Entre el Nitrógeno 5 y el Nitrógeno 10 se va a unir el carbono que yo
tengo que transportar de una molécula hacia la otra. Se puede quedar en la forma más reducida
que es el Metilo (-CH3). Pero el Tetrahidrofolato en general transporta poco Metilo. Es la
S-Adenosilmetionina la que transporta los Metilos.
El Tetrahidrofolato puede quedar en estadios de reacciones intermedias, notar que se
muestra un alcohol en la diapo.
En el último caso se muestra el Tetrahidrofolato transportando un Aldehído. Así
concluimos con las tres formas Carriers que tiene el Tetrahidrofolato.
En el caso de la
S-Adenosilmetionina,
justamente el ATP
toma el Metilo de una
Metionina. La
Metionina queda ahora
como
S-Adenosilmetionina.
Esa Metionina (-CH3) es
la que puede transferir
como grupo. Luegose
recupera la Metionina.
Acá empieza a
aparecer la Vitamina
B12 como Coenzima
para regenerar la
Metionina. Empiezan a
aparecer algunas
patologías como la anemia perniciosa, que son por deficiencia de Vitamina B12. A veces hay que
ver si la deficiencia está en la Vitamina B12 o en la enzima Metionina Sintetasa, porque ambos
casos dan una anemia perniciosa.
Seis (6) son los
Aminoácidos que se
degradan a Piruvato:
Alanina, Triptofano,
Cisteína, Serina,
Glicina y Treonina.
Notar que para
algunos Aminoácidos
los pasos son muy
sencillos:
simplemente la
Transaminación de la
Alanina nos da el
Piruvato, por acción
de la Alanina Aminotransferasa.
El Triptofano a partir de 4 reacciones (que no se muestran) se transforma en Alanina, que
luego por Transaminación da Piruvato. Notar que, si sacamos la cadena lateral del Triptofano, el
resto es lo que nos va a aportar lo que después va a ser la Alanina y después el Piruvato.
En el caso de la Cisteína lo que hay es una desulfuración, se elimina el azúfre y luego
tenemos una transaminación y ya nos da el Piruvato.
En el caso de la Serina, hay pérdida de una molécula de agua, una deshidratación, para dar
el Piruvato.
En el caso de la
Glicina, tenemos 3
formas de degradar
Glicina. En un caso
la degradación es a
CO2 y NH4
+, ahí no
me aporta nada,
esa no es una
reacción
anaplerótica. Es
una reacción de
mineralización de
la Glicina. Sin
embargo, hay otras
reacciones que
sufre la Glicina
donde sí puede
aportar
intermediarios de Krebs. En un tercer caso, otra serie de reacciones transforma la Glicina en
Oxalato, que es otra manera de catabolizar Glicina.
En el caso de la Treonina, se degrada a Piruvato, pero también da Acetil CoA. Por eso
decimos que por un lado es Cetogénico (da Acetil CoA) y por el otro decimos que es Glucogénico
porque parte de su esqueleto se puede usar para Gluconeogénesis.
Ahora veremos los Aminoácidos que son Cetogénicos: Treonina, Isoleucina, Leucina,
Tirosina, Lisina, Triptofano, Fenilalanina. No hay que
saberse estas diapos de memoria, solamente el concepto
de cuáles reacciones son anapleróticas, por qué, cuáles son
Cetogénicos, etc.
Los Aminoácidos Triptofano, Lisina e Isoleucina, tenemos
cadenas entonces lo que va a haber son reacciones de
β-Oxidación.
El Triptofano es precursor biosintético de otros compuestos
de relevancia. Entre ellos un Neurotransmisor que es la
Serotonina.
La Fenilalanina es un Aminoácido que se conoce mucho sobre su catabolismo porque hay
muchas patologías asociadas
a su degradación. Una de
ellas es la Fenilcetonuria. La
primera enzima implicada en
la degradación de la
Fenilalanina es la Fenilalanina
Hidroxilasa.
Las personas con deficiencias
en la Fenilalanina hidroxilasa,
acumulan Fenilalanina. El
problema de acumular este
Aminoácido que forma parte
de los sistemas de
Neurotransmisores es que
entran al cerebro con mucha
facilidad. En general vamos a
ver que su acumulación trae
trastornos mentales, etc. Y
pueden llevar a la muerte.
Esto se pesquisa en los
neonatos cuando le pinchan el talón. Simplemente con disminuir la ingesta de proteínas con
mucho contenido de Fenilalanina, estamos haciendo mucho. También hay que tener cuidado con
los edulcorantes que tengan Aspartamo que es Fenilalanina y Ácido Aspártico.
Existe una segunda ruta de degradación de la Fenilalanina que aparece en la última diapo,
pero que no es la más activa. Es una transaminación, generación de Fenilpiruvato, y lo que se
excreta son Fenilacetato y Fenillactato. Antes se detectaba la enfermedad por la orina porque estos
compuestos dan olores característicos, pero cuando ya el almacenamiento en cerebro y sus
consecuencias estaba muy avanzado.
Otra patología es la falta de la enzima
que figura en la diapo, y lo que se
acumula es el Homogentisato. Esto lleva
a algo característico que es la orina
negra.
En el caso de los Aminoácidos de cadena ramificada, ¿Qué es lo que sucede? Sabemos que
la mayor parte del metabolismo de los Aminoácidos ocurre en el Músculo. Pero en este caso, la
Leucina, Isoleucina y Valina, se oxidan en el Músculo. ¿Por qué? Porque la Aminotransferasa que
interviene no se expresa en el Hígado.
Entonces, lo que tenemos es una Transaminación que nos va a dar el correspondiente
Cetoácido. Sobre esos Cetoácidos, actúa un complejo Deshidrogenasa que es específico para cada
Aminoácido ramificado. Tiene 5 Cofactores que interviene en la reacción, para terminar dando, los
Intermediarios de Krebs.