Tema 10. Metabolismo de los aminoacidos PDF

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TEMA 12: METABOLISMO DE LOS AMINOÁCIDOS 1. UTILIZACIÓN

DEL

NITRÓGENO

INORGÁNICO:

CICLO

DEL

NITRÓGENO. Las formas más abundantes en el planeta en que se encuentra el nitrógeno son el N2 atmosférico y el NO3- presentes en la corteza terrestre. Todos los organismos pueden emplear el NH3 para generar compuestos orgánicos sencillos (aminoácidos, nucleótidos, coenzimas...) y a partir de estos generar estructuras más complejas (proteínas, DNA, RNA…) en diferentes procesos de biosíntesis. Además, todos son capaces de llevar a cabo rutas catabólicas en las que se degraden estos compuestos para obtener de nuevo NH3. No obstante, no todos los organismos son capaces de generar el NH3 desde el N2 o el NO3-. Determinados microorganismos (muchos de ellos viviendo en simbiosis con las plantas) son capaces de fijar el N2 atmosférico a NH3. La reducción del NO3 - a NH3 la pueden llevar a cabo multitud de plantas y microorganismos. De manera análoga a como sucede con la reoxidación del NH 3, ciertos microorganismos son capaces de obtener su energía metabólica por medio de dicha reoxidación. Todos estos elementos forman parte del denominado ciclo del nitrógeno.

2. UTILIZACIÓN DEL NH3. El NH3 a elevadas concentraciones resulta tóxico para los organismos animales pero a bajas concentraciones supone un metabolito esencial. Todos los organismos asimilan el NH3 a través de reacciones que conducen al Glu, Gln, Asn y el carbamoil fosfato. En este punto, el destino metabólico de dicho NH3 “asimilado” variará. La mayor parte del NH3 va a parar a procesarse a través del Glu y de la Gln. El glutámico es un aminoácido precursor muy importante. La mayor parte del amoniaco va a ser procesado por la síntesis de glutámico y la glutamina.

3. GLUTAMATO DESHIDROGENASA La glutamato deshidrogenasa que se encarga de catalizar la aminación del α cetoglutarato. Se trata de la misma enzima que participa en las reacciones anapletóricas.

El uso de NAD+ o NADP+ depende de los organismos. En los animales suele emplearse NAD. La enzima está localizada en las mitocondrias, su regulación es alostérica. El ATP activa a esta enzima, por lo que va hacia la derecha, en el sentido de formación del glutámico. El ADP traslada la reacción en sentido inverso, necesitamos generar energía, necesitaremos intermediarios del ciclo de Krebs. Va a favorecer que se forme el α cetoglutarato. Si necesitamos energía (alta concentración de ADP), degradamos las proteínas cuando no hay azúcares ni grasas, degradamos los aminoácidos de esa proteína, y así poder generar energía. Aun así, la fuente principal de glutamato proviene de la glutamato sintasa.  GLUTAMATO SINTASA Aunque la glutamato deshidrogenasa aporta parte del glutamato, la mayor cantidad de glutamato proviene de la glutamato sintasa. Esta enzima es una sintasa, es decir, que sintetizan algo sin utilizar ATP. Las sintetasas son aquellas que sintetizan algo utilizando ATP.

Esta enzima fabrica glutámico con α - cetoglutarato, glutamina y un equivalente reductor (NADPH) y da lugar a dos moléculas de glutamato. La reacción consiste en captar el NH2 de la cadena lateral de la glutamina y transferirlo al glutámico. El α cetoglutarato se amina dando lugar al glutamato. Es por ello por lo que da lugar a dos moléculas de glutamato. Casi todo el glutamato que se va a sintetizar viene de esta reacción porque la glutamato deshidrogenasa posee una KM elevada por el NH3, es decir, baja afinidad por el amoniaco. Ese es el problema que tiene esta enzima. Por lo que no es una principal vía para asimilar amoniaco.

Por lo que como hemos explicado anteriormente, existen dos formas de sintetizar glutámico: -

Glutamato deshidrogenasa

-

Glutamato sintasa.

4. GLUTAMINA SINTETASA Esta reacción es irreversible y requiere del consumo de un ATP. Esta reacción es calve, puesto que el N amida se emplea en la biosíntesis de varios aminoácidos, purinas, pirimidinas y aminoazúcares. Asimilamos el amoniaco condensándolo con un glutámico y dando lugar glutamina.

Una vez que tenemos la glutamina, la utilizamos en la glutamato sintasa, para generar más glutamato. Uno de los glutámicos lo podemos utilizar en la reacción de la glutamina sintetasa. Cogemos amoniaco y lo condensamos con α -cetoglutarato. Por lo que podemos decir que existen dos vías: -

VIA DIRECTA: glutamato deshidrogenasa

-

VIA INDIRECTA: glutamato sintasa y glutamina sintetasa. La glutamina transferirá su glutámico a la glutamato sintasa.

Esta enzima resulta esencial en la eliminación del exceso de NH3 que se pueda generar en un catabolismo de aminoácidos elevado en el cerebro. La Glutamina, además, es un combustible importante para las células del sistema inmunitario.

5. ASPARAGINA SINTETASA La transformación del aspártico a asparagina es otro mecanismo para procesar el NH3 e incorporarlo a las rutas metabólicas. Esta reacción está catalizada por la asparagina sintetasa.

La reacción es también irreversible y consume un ATP al ser sintetasa. Consume un ATP para generar AMP y PPi, equivalente a dos ATP. Generalmente el sustrato se va a adeninilar. Se transfiere el grupo AMP al sustrato, al grupo carboxilo de la cadena lateral del aspártico, lo activa metabólicamente. Viene el amoniaco que sustituye al AMP. Los grupos PPi liberan más energía, 2 ATP.

6. CARBAMOIL FOSFATO SINTETASA La generación de carbamoil fosfato es esencial para la síntesis de la arginina y de las pirimidinas. Además, también resulta parte esencial de la generación de la urea en el ciclo de la urea. La carbomoil fosfato sintetasa se encarga de catalizar la síntesis de este compuesto desde el propio NH3 (de forma directa) o desde la glutamina (forma indirecta). Implica el consumo de 2 ATP.

Los organismos eucariotas poseen dos isoformas de la enzima: -

La isoforma I: posee preferencia por el NH3 y se localiza principalmente en la mitocondria para sintetizar arginina y urea (Ciclo de la urea).

-

La isoforma II: emplea glutamina, se localiza en el citosol. Participa en la síntesis de pirimidinas.

7. SÍNTESIS DE LOS AMINOÁCIDOS El metabolismo de las proteínas y de los ácidos nucleicos difiere de manera significativa al de los hidratos de carbono y los lípidos. En el caso de los hidratos de carbono y lípidos existen sustacias dedicadas exclusivamente al almacenamiento y posterior movilización de estas sustancias. No sucede así con porteínas y ácidos nucleicos. Los organismos animales deben reponer continuamente mediante la dieta las sustancias nitrogenadas para compensar aquellas que se pierden en el catabolismo. Cuando las proteínas aportadas a través de la alimentación son insuficientes para cubrir esta demanda, se degradan las proteínas musculares y éstas no se reponen. Existen microorganismos capaces de sintetizar los 20 aminoácidos por ellos mismos. Otros son incapaces de hacerlo y requieren del aporte exógeno de los 20 aminoácidos en el medio de cultivo. Los organismos superiores se sitúan en un punto intermedio, pues son capaces de sintetizar aproximadamente la mitad de los aminoácidos proteicos. Se distinguen entre aminoácidos esenciales y aminoácidos no esenciales: -

Los aminoácidos esenciales son aquellos que poseen cierta complejidad estructural (anillos aromáticos, cadenas laterales hidrocarbonadas de gran tamaño…). Aquellos que necesitamos ingerir a través de la dieta.

-

Los aminoácidos no esenciales son aquellos que se pueden sintetizar fácilmente a partir de metabolitos intermedios de la glucólisis o del ciclo de Krebs. Somos capaces de sintetizarlos.

Una vía esencial para la síntesis de aminoácidos son las reacciones de transaminación, ya que proporcionan una ruta para la redistribución del N en los aminoácidos. En estas reacciones, el glutámico

juega un papel fundamental como fuente de

nitrógeno para la síntesis de otros aminoácidos ya que es el producto principal de la asimilación del amoniaco. Las reacciones de transaminación están catalizadas por las enzimas transaminasas o aminotransferasas.

Las células animales poseen aminotransferasas específicas para la síntesis de casi todos los aminoácidos, salvo para la treonina y la lisina. El punto limitante y que determina que en un organismo un aminoácido sea esencial o no, es la presencia de las enzimas necesarias para la síntesis del esqueleto α – cetoácido correspondiente. Las transaminasas actúan próximas al equilibrio. Así, el sentido viene determinado por la concentración de reactivos a un lado u otro de la reacción. Por tanto, las reacciones de transaminación no sólo se emplean para la síntesis de aminoácidos, sino que también se emplean para degradarlos cuando existe un exceso de éstos.

En el sentido degradativo, la transaminasa corresponciente suele actuar en tándem con la glutamato deshidrogenasa.

8. DEGRADACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS En los organismos animales, cuando la ingesta de proteínas supera los requerimientos celulares de biosíntesis de aminoácidos y proteínas, el exceso de nitrógeno se elimina y los esqueletos hidrocarbonados correspondientes se metabolizan en el ciclo de Krebs. El primer paso en la degradación de aminoácidos consiste en la eliminación del grupo α – amino para originar el α – cetoácido correspondiente. Transaminación. Otra posibilidad es el uso de una enzima denominada L – aminoácido oxidasa que desamina directamente el aminoácido en cuestión para liberar NH3 en forma de amonio. Es una enzima especialmente abundante en el riñón y en el hígado.

Una vez obtenido el esqueleto hidrocarbonado, éste puede emplearse en dirección degradativa o en dirección biosintética, en función del estado del organismo. Existen aminoácidos que se transforman eficazmente en piruvato y oxalacetato y a partir de ahí pueden generar hidratos de carbono por medio de la gluconeogénesis. Se denominan aminoácidos glucogénicos. Otros conducen a la síntesis efectiva de acetil – CoA y acetoacetil – CoA que se derivan hacia cetogénesis.

Se denominan aminoácidos cetogénicos (cuando se degradan, se quita el amoniaco de encima, y se genera aceto acetato).

El exceso de NH3 acumulado en el organismo resulta tóxico para éste. Por tanto, en condiciones de catabolismo activo de los aminoácidos, el organismo ha de ser capaz de excretar el NH3 según va generándose. Los organismos acuáticos pueden disolverlo en el agua y excretarlo directamente, pues la pérdida del líquido siempre se encuentra compensada. Los reptiles terrestres e insectos, convierten en su mayor parte el exceso de NH3 en ácido úrico. Los mamíferos lo excretan transformándolo en urea. 

CICLO DE LA UREA

La urea se sintetiza en el hígado y se transporta a los riñones para su posterior excreción. Algunas fases de la ruta tienen lugar en el citosol, y otras, en la mitocondria.

La ruta comienza con la condensación en la mitocondria del carbomoil fosfato con la ornitina por medio de la ornitina carbamoiltransferasa para generar citrulina. El carbamoil fosfato proviene de la acción de la carbamoil fosfato sintetasa, isoforma I.

La síntesis de carbamoil fosfato implica el consumo de 2 ATP. Cabe decir que lo que está en blanco tiene lugar en el citosol, y lo más oscuro en la mitocondria. De esta manera, el carbamoil fosfato proporciona el carbono y uno de los nitrógenos de la urea. En el siguiente paso, el aspártico condensa con la citrulina para originar argininosuccinato por medio de la argininosuccianto sintetasa. Esta reacción consume un ATP adicional (AMP y PPi)

La reacción tiene lugar en el citosol, y permite que el aspártico aporte el nitrógeno restante de la urea. En la siguiente reacción, el argininosuccinato se descompone en arginina y fumarato a través de la acción de la argininosuccinasa.

El fumarato se redirige hacia la mitocondria mientras que la arginina permanece en el citosol. Finalmente,la arginina se hidroliza gracias a la acción de la arginasa para dar lugar a ornitina y urea. Gracias a esta reacción la ruta posee un carácter cíclico.

Aunque el objetivo de la ruta ya se ha cumplido, es necesario regenerar el aspártico empleado en la reacción de la argininosuccinato sintetasa puesto que este aminoácido proporciona uno de los nitrógenos de la urea. El fumarato liberado en el paso de argininosuccinasa se hidrata para originar malato gracias a la fumarasa. El malato se oxida a oxalacetato por medio de la malato deshidrogenasa, generándose un equivalente reductor en forma de NADH. El oxalacetato reacciona con el glutámico por medio de una transaminasa para originar α - cetoglutarato y aspártico, que será empleado por la argininosuccinato sintetasa.

El glutámico se obtiene, a su vez, por medio de la acción de la glutamato deshidrogenasa.

El balance neto de la ruta por cada vuelta del ciclo es:

Es una ruta catabólica puesto que cuando se degrada mucha proteína se degrada mucho aminoácido, es decir, hay un catabolismo muy activo de aminoácidos, hay una degradación importante de estas proteínas y se genera un amoniaco que tenemos que excretar. Si cualquier ruta catabólica genera energía, el ciclo de la urea netamente consume energía. Los esqueletos hidrocarbonados de los aminoácidos pueden ir al ciclo de Krebs y generar energía, pero deshacerse del exceso de amoniaco consume energía. Cuando el organismo se encuentra en un ayuno prolongado, se ver forzado a quemar proteínas, este proceso no es muy eficiente en términos energéticos. El esqueleto hidrocarbonado del aminoácido va a generar Energía, pero deshacerse del exceso de amoniaco va a consumir Energía, es por ello por lo que las proteínas no se utilizan como combustibles metabólicos, puesto que no son eficientes.

Tras su síntesis, la urea es secretada al torrente sanguíneo y viaja hasta los riñones donde será excretada con la orina. Puesto que en todos los tejidos se produce catabolismo de proteínas y de sus aminoácidos correspondientes pero el NH3 es procesado en el hígado, se requiere de su transporte hasta dicho órgano.

El transporte de NH3 hasta el hígado emplea 2 mecanismos en función del origen del compuesto: -

En la mayoría de los tejidos emplean la glutamina sintetasa para generar glutamina a partir de glutamato y NH3. La glutamina es transportada por la sangre hasta el hígado y allí libera de nuevo el glutámico y el NH3 por medio de la acción de la glutaminasa.

-

En el caso del músculo, se emplea el denominado ciclo glucosa – alanina. La glucólisis genera piruvato en el músculo, que sufre una transaminación con el glutámico para originar alanina y α – cetoglutarato. Cabe decir, que el glutámico proviene, a su vez, de la acción de la glutamato deshidrogenasa. La alanina viaja hasta el hígado, y una vez allí, se revierten las transformaciones, es decir la alanina reacciona con α - cetoglutrato para formar piruvato mas glutámico. El glutámico reacciona siguiendo el ciclo de la urea.

El piruvato entra en la ruta gluconeogénica para regenerar glucosa que puede ser devuelta al músculo para ser reutilizada en la glucólisis.

 Cabe decir que el piruvato es el esqueleto hidrocarbonado de la alanina. -

En el musculo: el piruvato reacciona con el glutámico para generar alanina y α – cetoglutarato. El α - cetoglutarato

-

En el hígado: el segundo amoniaco proviene del aspártico, que a su vez proviene del glutámico, que a su vez proviene de la reacción de la glutamato deshidrogenasa. Pero no es la única manera de generar ese glutámico que va a aportar el amoniaco al aspártico. El glutámico puede tener dos orígenes más: o Por un lado la mayoría de los tejidos periféricos generan glutamina condensando glutámico con amoniaco. Entonces esa glutamina viaje al hígado y se revierte la reacción generando glutamato y amoniaco libre. Ese amoniaco puede formar el carbamoil fosfato, puede reaccionar otra vez con el α - cetoglutarato a través de la glutamato deshidrogenasa, pero también puede proporcionar directamente al aspártico su grupo amonio. Otra fuente del glutámico es exclusiva del musculo. o FUENTES DE GLUTAMICO QUE TIENE QUE GENERAR EL ASPARTICO o Directa: glutamato deshidrogenasa

o Hidrolisis de la glutaminasa excepto del musculo. Genera amoniaco libre que puede reaccionar de dos formas. También se genera glutámico q puede pasar al oxalacetato y generar aspartico o Ciclo de la glucosa – alanina. Implica ayuno prolongado, degradación de las proteínas musculares solo se degradan cuando no hay nada más que fabricar. Esto implica la fabricación de azucares por gluconeogénesis. Ese glutámico puede formar α - cetoglutarato y luego aspártico. El piruvato que ha llegado al hígado se utiliza para gluconeogénesis, para fabricar glucosa y enviarla de vuelta al musculo o al cerebro....