T111 PDF

Preview

Summary

11. METABOLISME DEL NITROGEN Compostos nitrogenats: la seva estructura que no associada amb una les seves funcions principals estructurals o de transport. Tenen una associada (no reservori Si necessari per a i energia, sol en casos molt puntuals com privacitat nutricional. El nitrogen un compost que...

Description

11. METABOLISME DEL NITROGEN Compostos nitrogenats: la seva estructura que no associada amb una funció energètica, les seves funcions principals són estructurals o bé de transport. Tenen una funció pròpia associada (no és reservori d’aminoàcids). Si és necessari s’utilitzarà per a reduir-la i extreure’n energia, però sol en casos molt puntuals com privacitat nutricional. El nitrogen atmosfèric és un compost que

sol

poden

organismes.

En

utilitzar la

certs

majoria

dels

organismes utilitzem l’ió amoni. El cicle del nitrogen està limitat als organismes

que

poden

incloure

aquest nitrogen, per tant és ideal no perdre aquest nitrogen un cop està dintre del cicle dels organismes vius. FIXACIÓ DEL NITROGEN Està limitada a uns quants grups: -

Cianobacteris

-

Azotobacter, Klebsiella

-

Rhizobium (simbionts)

La reacció de reducció que es produeix en la majoria dels organismes és: N2 + 8e- + 16 ATP + 10 H+ à 2 NH4+ + 16 ADP + 16 Pi + H2 Aquesta reacció es dóna en el complex nitrogenasa (dinitrogenasa) que està composta per: · Ferredoxina · Dinitrogenasa reductasa (Fe – S) · Dinitrogenasa (Fe – Mo) És una reacció que té lloc en condicions d’anaerobiosi, en presencia d’oxigen la reacció s’atura. Per exemple el gènere Rhizobium té una proteïna (Leg-hemoglobina) que capta l’oxigen i evita que aquest interfereixi en la reacció. Aquesta necessitat d’anaerobiosi també és un factor que dificulta l’estudi dels processos.

La ferredoxina reduïda transfereix els electrons a la dinitrogenasa reductasa i queda oxidada. Aquesta mitjançant els ATP transfereix els electrons a la nitrogenasa i queda oxidada de nou. Aquesta última acaba oxidant el N2 i passa a NH4+ i allibera H2.

I Ferredoxina II Ferredoxina Reductasa

La fixació de nitrogen comença amb el grup molibdè de la Ferredoxina al qual mitjançant 3 cicles de reducció amb

la

ferredoxina

aconseguim

una

reductasa

molècula

de

Molibdè unida a 3 H. Aquesta se li poden extreure dos hidrògens i unirhi

una

molècula

de

nitrogen

atmosfèric. Gràcies a a tres cicles de la nitrogenada reductasa s’afegeixen hidrògens fins alliberar una primera molècula de NH3. Un cop hem alliberat la molècula tornem a fer tres cicles amb la nitrogenasa reductasa i alliberem una segona molècula de NH 3 i la proteïna estaria llesta per a tornar a entrar al cicle de fixació.

Nitrificació Algunes plantes, fongs i bactèries poden passar de l’ió nitrit o nitrat a ió amoni de nou, i aquest tornaria a entrar en el cicle de vida dels organismes superiors. BIOSÍNTESI D’AMINOÀCIDS

Podem considerar un aminoàcid com una barreja de un α-cetoàcid (esquelet carbonat) i grup amino. Els organismes vius produeixen reaccions de transaminació: mouen grups amino entre els esquelets carbonats. Els enzims que catalitzen la reacció són les transaminases o aminotrasferasa que mouen l’ió amoni i dóna lloc al α-cetoglutarat i un α-aminoàcid

Per a la síntesi d’aminoàcids tenim diversos mètodes disponibles. Però tenen en comú l’addició del grup amino a un esquelet carbonat. Aquesta reacció està catalitzada per la glutamat deshidrogenasa: permet afegir el grup amoni al α-Cetoglutarat.

Tenim diverses famílies d’aminoàcids depenent del promotor que usem i la via de síntesi utilitzada. Podem obtenir

com

a

productes

Carbamoïl

Fosfat,

Asparagina, Glutamat i Glutamina i aquests seran promotors d’altres aminoàcids o bases nitrogenades. Aquest tipus de reaccions es donen principalment en plantes. Si afegim un segon grup amino al glutamat obtenim (catalitzat per glutamina sintasa). Aquest enzim (glutamina sintasa) és un pas clau en l’entrada de nitrogen en el cicle, estarà regulat per dos mecanismes mitjançant regulació al·lostèrica i regulació covalent. La regulació al·lostèrica es dóna principalment pels propis productes derivats de la glutamina, sol es sintetitzaran si són necessàries, ja que són substàncies que no s’emmagatzemen, la regulació covalent es donarà gràcies a una cascada reguladora. Existeixen moltes vies de síntesi d’aminoàcids cadascuna específica per cada aminoàcid. Moltes de les reaccions són produïdes en les cèl·lules però aquelles que no sabem fer necessitem adquirir els aminoàcids per la dieta i poder-los incorporar a l’organisme.

EQUILIBRI DELS COMPOSTOS NITROGENATS Les proteïnes tenen una funció específica dintre de l’organisme, aquestes proteïnes es van renovant (existeix un recanvi proteic constant). Apareix el concepte de vida mitjana de les proteïnes, que és el temps on es renova el 50% de tota la proteïna del nostre cos. Hi ha proteïnes que es renoven molt lentament, anomenades proteïnes constitutives. Aquestes tenen funcions molt estables i sol cal renovar-les en moment esporàdics, en cas de dany o d’ envelliment. En canvi hi ha altres proteïnes que es renoven molt ràpidament, com les proteïnes regulables com els enzims que regulen la quantitat de proteïna funcional que hi ha i les proteïnes que regulen l’entrada d’altres proteïnes a l’organisme (enzims, receptors...). Quan els organismes tenen una mida estable han de tenir un equilibri nitrogenat, és a dir l’entrada de nitrogen i la sortida d’aquest en l’organisme ha de ser equivalent. Per exemple si tenim una dieta hiperproteica i no s’utilitzen, aquest excés es destinat a l’excreció. Podem tenir un balanç positiu quan excretem menys nitrogen del que consumim (com en l’època de creixement). I també podem tenir un balanç negatiu que es dóna quan excretem més nitrogen del que consumim (sobretot en edats tardies, suposa un problema de regulació). En vegetals l’ió amoni es pot modificar a nitrats, en animals no es pot modificar i aquest és tòxic per al cos i necessitem estratègies per a excretar-lo. En animals aquàtics es treballa en dilució a l’infinit. En animals terrestres s’utilitza la síntesi d’urea o bé la síntesi d’àcid úric. CATABOLISME DELS AMINOÀCIDS Per a extreure energia dels aminoàcids primer hem de trencar les proteïnes que els retenen mitjançant el proteasoma, un gran complex proteix que trenca les proteïnes marcades amb una petita proteïna anomenada ubiqüitina, un cop passa pel proteasoma ja trobem aminoàcids lliures. Llavors trenquem l’aminoàcid i el descomponem en l’ió amoni gràcies a les transaminases i en el seu α-oxoàcid corresponent. El destí de l’ió amoni és el cicle de la urea on serà expulsat del cos i el del α-oxoàcid acabarà en el cicle de Krebs on segons l’esquelet carbonat tindrà un o altre rendiment energètic. També es pot utilitzar la via del glutamat on l’aminoàcid dóna el seu grup amino mitjançant una aminotransferasa a un α-cetoglutarat donant lloc a glutamat. Aquest posteriorment serà

hidrolitzat alliberant l’α-cetoglutarat, ió amoni i un NADPH. En aquesta reacció intervé l’enzim glutamat deshidrogenasa que està regulat al·lostèricament. Aquest queda activat amb alts nivells d’ADP i inhibida amb GTP.

Excreció de l’ió amoni Per a l’excreció de l’ió amoni que es produeix en el múscul fins al fetge de forma no tòxica per a l’organisme, existeixen dos vies principals per al transport per la sang d’aquest, el cicle de la Glucosa-Alanina i el cicle del Glutamat. Ambdues vies treuen el nitrogen que s’acumula al múscul. El cicle de la glucosa alanina es basa en la creació de molècules d’alanina a partir de l’ió amoni i piruvat provinent d’una molècula de glucosa. L’ió amoni es passa a un αcetoàcid i d’aquest es trasllada a una molècula

de

piruvat

mitjançant

transaminases. Un cop tenim l’alanina aquesta es transporta pel torrent sanguini fins al fetge. En aquest l’alanina es desamina

gràcies a les transaminases i

l’amoni que s’extreu entra en el cicle de la urea i el piruvat mitjançant gluconeogènesi torna a la cèl·lula.

Aquesta alanina és un aminoàcid i com a tal pot ser usada en proteïnes, però en aquest cas la seva principal funció és el transport de nitrogen cap al fetge per a la seva excreció. Un múscul que estigui degradant proteïnes pot gràcies al parell de transaminases del glutamat afegir un segon amoni al glutamat i format glutamina, aquesta pot transportar el grup amoni al fetge. En el fetge la glutamina es desamina per acció de les transaminases (glutamina deshidrogenasa) alliberant un primer ió amoni i glutamat, aquest pot tornar a ser desaminat (glutamat deshidrogenasa) i perdre el segon grup amoni. Aquests ions es portaran al cicle de la urea per a deixar de ser tòxics per a l’organisme.

La urea que es sintetitza és soluble i es transportada per la sang fins al ronyó, on serà filtrada i excretada a l’exterior. La glutamina també pot anar directament al ronyó i excretar directament el ió amoni en la orina alliberant glutamat, però en casos bastant estranys. La gran majoria de teixits utilitzen la via de la glutamina per a l’excreció, a partir de glutamat addicionen un grup amoni i generen glutamina, aquesta anirà cap al fetge on es desaminarà i es formarà urea. En el fetge però s’utilitza de forma majoritària el cicle de la glucosa-alanina. CICLE DE LA UREA És un cicle que requereix una gran energia, però és una forma molt optimitzada per extreure el nitrogen del cos. El cicle de la urea comença al mitocondri on es combina amoni amb CO2 i gastem 2 ATP per a formar el carbamoïl fosfat i utilitzem la carbamoïl fosfat sintetasa – I, (molt semblant a la fixació de nitrogen). És un punt limitant de la síntesi d’urea. Aquest carbamoïl fosfat gràcies a la ornitina, el passem a citrul·lina gràcies a la ornitina transcarbamoïlasa. Aquesta surt al citosol i es combina amb aspartat i ATP i formen argininosuccinat. Aquest gràcies a la argininosuccinasa allibera l’arginina i el succinat. Aquesta arginina gràcies a la arginasa allibera la urea, que conté dos nitrogen en una molècula hidrosoluble. També allibera fumarat que torna a entrar al mitocondri i al cicle de Krebs. Per a poder realitzar el cicle necessitem introduir

un

nitrogen

provinent

del

mitocondri i combinar-ho amb un espartat que ens aportarà el segon nitrogen que forma la urea. Aquest espartat provindrà d’un oxaloacetat que es combina amb un amoni. Aquest pot estar lliure en el mitocondri o bé pot provenir d’un glutamat/alanina que provinguin de les rutes de buidatge dels músculs o teixits i gràcies a una transaminasa traslladem a un oxaloacetat.

El cicle de la urea esta regulat per la Carbamoïl fosfat sintetasa I, aquest enzim no sol ser massa actiu i per a activar-lo necessita un component al·lostèric que l’activi (n-acetil glutamat que es forma amb n-acetil glutamat sintetasa a partir de glutamat i acetil CoA). Aquest acetil CoA indica que hi ha disponibilitat energètica ja que no s’està usant en cicle de Krebs i el glutamat indica que els nivells d’amoni són alts, ja que és el transport d’amoni cap al fetge. El balanç energètic total per a l’excreció d’urea és de 4 ATP per molècula d’urea, es dues primeres es fan servir en la formació del carbamoïl fosfat i els altres dos es fan servir en la formació de la argininosuccinat ja que l’ATP passa a AMP. METABOLISME DELS NUCLEÒTIDS Formen part dels àcids nucleics, encara que poden formar els nucleòtids trifosfat com l’ATP. Aquests nucleòtids poden ser sintetitzats de novo o bé seguir vies de salvament que reutilitzen aquells nucleòtids que formen part d’altres molècules. Les vies de síntesi es diferencien entre les bases pirimidíniques i les purines en la forma de la seva formació, les purines formen la base damunt la pròpia base mentre que les pirimidíniques la fan separada.

Vies de Salvament Tenim nucleòtids que formen part d’àcids nucleics i els podem trencar a nucleòsids monofosfat, aquests poden tornar a formar àcids nucleics o bé arribar a fins nucleobase, encara que existeixen dos camins per a la formació un directe i un amb intermediaris. D’aquests nucleòsids monofosfat podem tornar a fer àcids nucleics si els fosforilem amb 2 molècules d’ATP. Encara que aquests poden perdre el fosfat i arribar a formar nucleòsids. Aquest nucleòsid gràcies a una quinasa pot tornar a nucleòsid monofosfat. Aquest pot perdre la ribosa i quedar la base nitrogenada sola o nucleobase. A questa nucleobase pot tornar a formar nucleòsid monofosfat de forma directa amb la intervenció del PRPP (5-fosfo-α-Dribosil-1-pirofosfat) o fent el camí invers al descrit. D’aquestes les purines formaran àcid úric i les pirimidines formaran β-ureidopropinat.

Aquest PRPP és una molècula de ribosa 5-fosfat amb l’addició de dos grups fosfat en el carboni 1. Aquest PRPP

pot

ser

transformat

a

un

nucleòsid monofosfat amb l’addició d’una base en substitució dels grups fosfat que el formen.

Vies de síntesi de Purines Les els àtoms que generen les bases purines provenen de molts intermediaris metabòlics

Partirem del PRPP i damunt d’aquesta base hi sintetitzarem tota la base nitrogenada nova. La glutamina donarà el seu grup amoni al PRPP. A aquest hi afegirem una glicina amb ajuda d’ATP. El tetrahidrofolat deixa un grup formil que s’unirà i la una nova glutamina donarà un altre grup amoni, i gràcies a l’ATP tanquem el primer cicle. I acaba sintetitzant el nucleòtids de miosina monofosfat. La unió a la ribosa 5-fosfat es produeix mentre es forma l’anell de la base. Aquest a partir de les transformacions corresponents acabarà donant bases purines com AMP o GMP. Es produirà una inhibició per feedback, sempre que la concentració d’ATP, ADP o AMP / GMP, GDP o GTP sigui alta quedarà inhibida la síntesi de nucleòtids de novo, ja que suposaria una despesa energètica innecessària.

Síntesi bases pirimidíniques La carbamoïl fosfat sintasa II ens serveix per a la forma carbamoïl fosfat que és la base per a la formació de les bases pirimidíniques. L a CPS II es diferencia de la CPS I de l’origen del seu grup amoni à en la CPS II prové de la glutamina, mentre que en la CPS I està lliure. Al carbamoïl fosfat se li afegirà un aspartat formant el Carbamoïl-Aspartat, aquest prendrà forma cíclica gràcies a la pèrdua d’un grup OH-. Aquesta estructura DHO gràcies a la DHO deshidrogenasa donarà 2 hidrògens al coenzim Q donant lloc a Oratat i aquest acabarà per descarboxilació donarà lloc a la UMP. Precursor de la resta de les pirimidines. L’anell de les pirimidines es forma abans de la seva unió a la ribosa 5-fosfat. La inhibició de la síntesi de pirimidines es dóna en primer lloc amb la formació de la UMP, aquesta inhibeix l’activitat de la CPS II. Quan aquesta UMP passa a UTP gràcies a l’ATP, afecta la formació del carbamoïlaspartat. La conversió de UTP a TTP es produeix per una metilació. El carboni responsable es transportat pel tetrahidrofolat. Aquest és un procés diana en tractaments anticancerígens. CONVERSIÓ DE RIBONUCLEÒTIDS A DESOXIRIBONUCLEÒTIDS Per a formar desoxiribonucleòtids primer formarem ribonucleòtids i després les desoxidarem. En aquest cas el NADPH és la eina que reduirà i donarà lloc als desoxiribonucleòtids. La principal font de NADPH és la via de pentoses fosfat, la qual és molt important en es cèl·lules que es divideixen de forma molt freqüent. El NADPH redueix la tioredoxina reductasa,

aquesta

redueix

la

tioredoxina i aquesta redueix els NDP fins a dNDP i aquests gràcies a una quinasa podran passar fins a NTP...