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BIOQUIMICA 2014-2015

TEMA 7. DEGRADACIÓN DE AMINOÁCIDOS Y CICLO DE LA UREA Las proteínas que aporta la dieta son una fuente crucial de aminoácidos. Las proteínas que ingerimos se digieren a aminoácidos o a péptidos pequeños que pueden ser absorbidos por el intestino y transportados por la sangre. Otra fuente de aminoácidos es la degradación de proteínas celulares defectuosas o innecesarias. En las células, el recambio de proteínas (degradación y síntesis) se produce constantemente. ¿Cuál es el destino de los aminoácidos liberados durante la degradación de las proteínas? Los aminoácidos NO SE ALMACENAN como los carbohidratos o las grasas, y por lo tanto se han de metabolizar bioquímicamente. La prioridad es utilizarlos como materiales de construcción para las reacciones anabólicas, como la síntesis de proteínas y nucleótidos. Si estas necesidades están cubiertas, los aminoácidos se degradan y los esqueletos carbonados se utilizan en el catabolismo o en el anabolismo. ¿Qué ocurre con el nitrógeno de los aminoácidos? Es importante deshacerse de él de forma segura porque el exceso de nitrógeno en forma de amoníaco resulta TÓXICO.

ELIMINACIÓN DEL NITRÓGENO ES EL PRIMER PASO DE LA DEGRADACIÓN DE AMINOÁCIDOS Los aminoácidos NO SE ALMACENAN para ser utilizados en otro momento. Cualquier aminoácido que no sea necesario como material de construcción se degrada liberando diversos compuestos, en función del tipo de aminoácido y del tejido donde se ha originado. En MAMÍFEROS, el primer lugar donde se lleva a cabo la degradación de aminoácidos es en el HÍGADO. El primer paso consiste en eliminar el nitrógeno. A continuación, los α-cetoácidos resultantes se metabolizan para que sus esqueletos carbonados puedan incorporarse a las principales rutas metabólicas como precursores de la glucosa o intermediarios del ciclo del ácido cítrico. MEDIANTE LA DESAMINACIÓN OXIDATIVA DEL GLUTAMATO, LOS GRUPOS α-AMINO SE CONVIERTEN EN IONES AMONIO El grupo α-amino de muchos aminoácidos se transfiere al α-cetoglutarato formando GLUTAMATO que, posteriormente, se desamina de forma oxidativa dando lugar al ion amonio (NH4+)

Las AMINOTRANSFERASAS catalizan la transferencia de un grupo α-amino de un α-aminoácido a un α-cetoácido. Por lo general, estas enzimas, también denominadas TRANSAMINASAS, suelen canalizar los grupos α-amino de diversos aminoácidos hacia el α-cetoglutarato para que

BIOQUIMICA 2014-2015 se conviertan en NH4+. Hay que señalas que estas mismas enzimas transaminasas se pueden utilizar para la síntesis de aminoácidos. La ASPARTATO TRANSAMINASAN o AMINOTRANSFERASA, una de las enzimas más importantes de esta grupo, cataliza la transferencia del grupo α-amino del ASPARTATO al αCETOGLUTARATO. La ALANINA AMINOTRANSFERASA cataliza la transferencia del grupo amino de la ALANINA al α-CETOGLUTARATO. Mediante la desaminación oxidativa del GLUTAMATO, el átomo de nitrógeno que se transfiere al α-cetoglutarato en la reacción de TRANSAMINACIÓN se convierte en un ion amonio libre, al tiempo que se regenera el α-cetoglutarato. Esta reacción está catalizada por la GLUTAMATO DESHIDROGENASA. Esta enzima, ayuda a que el nitrógeno se incorpore o se retire de los sistemas biológicos. La GLUTAMATO DESHIDROGENASA es atípica, ya que puede utilizar NADH o NADPH como poder reductor, al menos en algunas especies. Se localiza en las MITOCONDRIAS, al igual que algunas de las otras enzimas necesarias para la síntesis de urea, la forma utilizada por la mayoría de los vertebrados para excretar el NH4+. Esta compartimentación permite mantener confinado el amoniaco libre, que es muy tóxico. En VERTEBRADOS¸ la actividad de la GLUTAMATO DESHIDROGENASA se regula alostéricamente. La enzima consta de 6 subunidades idénticas. La GUANOSINA TRIFOSFATO y la ADENOSINA TRIFOSFATO son inhibidores alostéricos, mientras que la GUANOSINA DIFOSFATO y la ADENOSINA DIFOSFATO son activadores alostéricos. Por tanto, una disminución de la carga energética de la célula acelera la oxidación de los aminoácidos. Aunque los átomos de nitrógeno de la mayoría de los aminoácidos se transfieren al αcetoglutarato antes de ser eliminados, los grupos α-amino de la SERINA y de la TREONINA se pueden convertir directamente en NH4+. Estas desaminaciones directas están catalizadas por la SERINA DESHIDRATASA y por la TREONINA DESHIDRATASA, enzimas que utilizan el PIRIDOXAL FOSFATO (PLP) como grupo prostético.

En la mayoría de los vertebrados terrestres, el NH4+ se convierte, en UREA para que pueda ser excretada. LOS TEJIDOS PERIFÉRICOS TRANSPORTAN NITRÓGENO AL HÍGADO Aunque gran parte de la degradación de aminoácidos tiene lugar en el hígado, este órgano, por sí sólo, es incapaz de desaminar los aminoácidos de cadena ramificada: LEUCINA, ISOLEUCINA y VALINA. Otros tejidos, sobre todo el MÚSCULO, utilizan los aminoácidos de cadena ramificada como fuente de combustible. Al igual que en el hígado, el primer paso consiste en la eliminación del nitrógeno del aminoácido. Sin embargo, el músculo carece de las enzimas del ciclo de la urea, el conjunto de reacciones que preparan al nitrógeno para su excreción: por

BIOQUIMICA 2014-2015 tanto, en el músculo, el nitrógeno primero se tiene que liberar en una forma que pueda ser absorbida por el hígado y convertida en urea. El nitrógeno se transporta desde el músculo hasta el hígado principalmente de dos maneras: una forma de ALANINA y en forma de GLUTAMINA. El GLUTAMATO se forma a partir de la transaminación, pero posteriormente, el nitrógeno se transfiere al piruvato para formar ALANINA, que se libera a la sangre. El HÍGADO absorbe la alanina y la vuelve a convertir en piruvato mediante una transaminación. El piruvato se puede utilizar para la gluconeogénesis y el grupo amino acaba apareciendo en la urea. A este transporte se le denomina CICLO GLUCOSA-ALANINA. El nitrógeno también se puede transportar en forma de GLUTAMINA. La GLUTAMINA SINTASA cataliza la síntesis de glutamina a partir de GLUTAMATO y NH4+ mediante una reacción dependiente de ATP. En el hígado, los átomos de nitrógeno de la glutamina se pueden convertir en urea.

CICLO DE LA UREA Parte del NH4+ formado durante la descomposición de los aminoácidos se consume en la biosíntesis de compuestos nitrogenados. En la mayoría de los vertebrados terrestres, el exceso de NH4+ se convierte en UREA, y posteriormente, se excreta. Estos organismos se denominan UROTÉLICOS. En estos vertebrados terrestres, la urea se sintetiza mediante el ciclo de la urea. Uno de los átomos de nitrógeno de la urea se transfiere desde un aminoácido, el ASPARTATO. El otro átomo de nitrógeno procede directamente del NH4+ libre, mientras que el átomo de carbono procede del HCO3-, que se forma por la hidratación del CO2. El ciclo de la urea comienza en la MATRIZ MITOCONDRIAL, con el acoplamiento del NH4+ libre y el HCO3- para formar CARBAMILFOSFATO. Aunque se trata de una molécula sencilla, su biosíntesis, que necesita energía, es compleja y consta de tres pasos, todos ellos catabolizados por la CARBAMILFOSFATO SINTETASA. Hay que señalar que el NH3, al ser una base fuerte, en disolución acuosa se encuentra normalmente en forma de NH4+. Sin embargo, la CARBAMILFOSFATO SINTETASA desprotona el ion y utiliza el NH3 como sustrato. La reacción comienza con la fosforilación del HCO3formando carboxifosfato que, posteriormente, reacciona con el amoniaco formando ácido carbámico. Por último, una segunda molécula de ATP fosforila el ácido carbámico dnado lugar al CARBAMILFOSFATO. El consumo de dos moléculas de ATP hace que esta síntesis de carbamilfosfato sea prácticamente irreversible. Para ser activa, la enzima de los mamíferos necesita la molécula reguladora N-acetilglutamato. Esta molécula solo se sintetiza si hay aminoácidos libres presentes, una señal bioquímica de que todo el amoniaco que se genere debe ser eliminado. El grupo carbamilo del CARBAMILFOSFATO se transifere a la ORNITINA¸con lo que se forma CITRULINA a partir de la ORNITINA TRANSCARBAMILASA.

BIOQUIMICA 2014-2015 Estas reacciones tienen lugar en la MATRIZ MITOCONDRIAL, por el contrario, las siguientes tres reacciones del ciclo de la urea, que dan lugar a la formación de urea, tienen lugar en el citoplasma.

La CITRULINA, transportada al citoplasma a cambio de ornitina, se condesa con el ASPARTATO, el donador del segundo grupo amino de la urea. Esta síntesis de ARGININO SUCINATO, catalizada por la ARGININOSUCCINATO SINTETASA, está impulsada por la escisión del ATP a AMP y pirofosfato, y la subsiguiente hidrólisis del pirofosfato. A continuación, la ARGININOSUCCINASA escinde el argininosuccinato dando lugar a ARGININA y FUMARATO. De este modo, el esqueleto carbonado del aspartato se preserva en forma de fumarato. Por último, la ARGININA se hidroliza generando UREA y ORNITINA, en una reacción catalizada por la ARGINASA. Posteriormente, la ORNITINA es transportada de vuelta a la mitocondria para comenzar un nuevo ciclo. La urea se excreta. EL CICLO DEL A UREA ESTÁ CONECTADO CON LA GLUCONEOGÉNESIS El pirofosfato se hidroliza rápidamente, por lo que para sintetizar una molécula de urea, estas reacciones consumen el equivalente a 4 ATP. La síntesis de FUMARATO por medio del ciclo de la urea es importante porque es un precursor para la síntesis de glucosa. El fumarato se hidrata a MALATO, un intermediario del ciclo del ácido cítrico, que a su vez, es oxidado a OXALACETATO. Este último se puede convertir en glucosa mediante gluconeogénesis o se puede transaminar generando ASPARTATO.

LOS ÁTOMOS DE CARBONO DE LOS AMINOÁCIDOS DEGRADADOS APARECEN EN LOS PRINCIPALES INTERMEDIARIOS METABÓLICOS Ahora en los destinos que aguardan a los equeletos carbonados de los aminoácidos, una vez eliminado en el grupo α-amino. La estrategia de la degradación de los aminoácidos consiste en transformar los esqueletos carbonados en los principales intermediarios metabólicos para que se puedan convertir en glucosa o para que sean oxidados mediante el ciclo del ácido cítrico. Los esqueletos carbonados de los 20 Aa fundamentales son canalizados hacia la formación de tan solo 7 moléculas: PIRUVATO, ACETIL-COA, ACETOACETIL COA, α-CETOGLUTARATO, SUCCINIL-COA, FUMARATO y OXALACETATO. 

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Aa. Cetógenicos: Son los que se degradan a ACETIL-COA o ACETOACETIL-COA, ya que pueden generar cuerpos cetónicos o ácidos grasos, pero no pueden ser utilizados para sintetizar glucosa. LEUCINA, LISINA. Aa. Glucógenicos: Son los que se degradan a PIRUVATO, OXALACETATO, SUCCINILCOA, FUMARATO y α-CETOGLUTARATO.

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Aa. Mixtos: ISOLEUCINA, TREONINA Y AROMATICOS ( FENILALANINA, TIROSINA Y TRIPTOFANO.

El PIRUVATO ES UN PUNTO DE ENTRADA AL METABOLISMO El PIRUVATO es el punto de entrada a las principales rutas del metabolismo de los aminoácidos con 3C (ALANINA, SERINA y CISTEÍNA). La transaminación de alanina genera directamente piruvato. Otra reacción de la degradación de los aminoácidos es la DESAMINACIÓN DE SERINA a piruvato a partir de la SERINA DESHIDRATASA. La conversión de CISTEÍNA en piruvato es más compleja, ya que puede producirse mediante varias rutas, en las cuales, el átomo de azufre de la císteina puede aparecer en forma de H2N, SCN- o SO32-. Los átomos de carbono de otros tres aminoácidos también se pueden convertir en piruvato. La GLICINA se puede convertir en SERINA mediante la adición enzimática de un grupo hidroximetilo o se puede escindir generando CO2, NH4 y la unidad monocarbonada activada tetrahidrofolato. La TREONINA genera 2-amino 3 – cetobutirato que puede generar PIRUVATO o ACETILCOA. Tres de los átomos del TRIPTOFANO pueden aparecer en la ALANINA que se pueden convertir en piruvato. EL OXALACETATO El ASPARTATO y la ASPARAGINA se convierten en OXALACETATO, un intermediario del ciclo del ácido cítrico. El ASPARTATO, es un aminoácido de 4C, se transamina directamente a oxalacetato. La ASPARAGINA, se hidroliza por la asparginasa a NH4+ y aspartato, que después se transamina, igual que antes. El aspartato también se puede convertir en FUMARATO a partir del ciclo de la urea. Este FUMARATO también es un punto de entrada para la TIROSINA y FENILALANINA. α-CETOGLUTARATO Los esqueletos carbonados de varios aminoácidos con 5C se incorporan al ciclo de Krebs como α-CETOGLUTARATO. Estos aminoácidos se convierten primero en GLUTAMATO que, se desamina oxidativamente por medio de la glutamato deshidrogenasa en αCETOGLUTARATO. La HISTIDINA se convierte en GLUTAMATO a través del intermediario 4-imidazolona-5propionato. La GLUTAMINA se hidroliza a glutamato. Tanto la PROLINA como la ARGININA también se oxidan dnado lugar a glutamato.

BIOQUIMICA 2014-2015 SUCCINIL-COA Es un punto de entrada para algunos de los átomos de carbono de METIONINA, ISOLEUCINA y VALINA. La ruta de la PROPIONIL-COA a la succinil-CoA también se utiliza durante la oxidación de los ácidos grasos de cadena impar. AMINOÁCIDOS DE CADENA RAMIFICADA (LEUCINA, ISOLEUCINA Y VALINA)...