TEMA 9. METABOLISMO DEL NITRÓGENO PDF

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Apuntes de Bioquímica Aplicada y clínica completos. Profesor: Manuel R. Benito de las Heras...

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TE TEMA MA 9. MET ETAB AB ABO OLIS LISMO MO DE DELL NIT NITRÓ RÓ RÓG GENO Están implicadas las proteínas que son el principal destino de los aminoácidos. Los aminoácidos son sustratos oxidativos aunque este no es su principal destino. Su principal función es la formación del músculo.

ME METABO TABO TABOLI LI LISMO SMO GL GLOB OB OBAL AL D DE E LA LASS PPRO RO ROTEÍN TEÍN TEÍNAS AS EN EL HO HOM MBR BRE E Ingesta diaria de proteínas: 100 g x 70kg Aminoácidos absorbidos (equivalentes proteicos): 160 g x 70kg Pérdida de nitrógeno corporal 92 g x 70 kg Síntesis de proteínas corporales: 300 g x 70 kg El N que ingerimos y el que gastamos están muy balanceados. El balance de nitrógeno balanceado es ligeramente negativo. El nitrógeno absorbido se emplea en la síntesis de proteínas plasmáticas en el hígado, hemoglobina, glóbulos rojos y su reposición cada 120 días, leucocitos, eritrocitos, proteínas intestinales y, sobre todo, el músculo, que repone unos 100 g de musculatura diariamente. En cuanto a la eliminación, fundamentalmente es por heces, a través del sistema digestivo. Los jugos digestivos también pierden proteínas. En principio, si el balance energético es más o menos 0, lo que se absorbe y lo que se elimina, en teoría, no contribuye a la reserva energética corporal. Netamente no contribuye porque se reponen proteínas que ya existían. La masa muscular es una reserva energética de emergencia asociada a un proceso patológico. Se moviliza cuando entramos en caquexia. Por tanto, los aminoácidos ni contribuyen en la reserva energética ni son un sustrato energético al uso. Durante el desarrollo, la situación es distinta ya que aquí, la ganancia neta es enorme. Aquí el balance energético es positivo. Por esta razón las necesidades de aminoácidos son muy distintas. Los aminoácidos esenciales son los que tenemos que tomar con la dieta, como el triptófano que es el más carencial. La caseína de la leche provee todos los aminoácidos menos el triptófano que es esencial en la síntesis de NTs. Las necesidades de aminoácidos esenciales están disparadas en el crecimiento. Los aminoácidos, todos en general y los esenciales en particular, no entran por difusión pasiva sino que son transportados activamente desde la luz intestinal y dirigidos por vía porta hepática hacia el hígado. Los sistemas de transporte están especializados por familias: -

Sistema A: alanina, glicina, prolina, serina, metionina. Sistema ASCP: alanina, serina, cisteína, prolina. Sistema L: leucina, isoleucina, valina, fenilalanina, metionina, tirosina, triptófano. Sistema Ly: lisina, arginina, ornitina, histidina. Sistema dicarboxilato: glutamato, aspartato. 54

- Sistema β: taurina, β-alanina. - Sistema N: glutamina, asparragina, histidina. Si hay exceso de uno de los aminoácidos, compite con los demás en su transporte si comparten transportador.

DES DESTIN TIN TINO OD DE E LO LOSS AMIN AMINOÁ OÁ OÁCIDO CIDO CIDOSS La mayoría de los aminoácidos van al hígado, algunos son compartidos por el músculo y excepcionalmente, los ramificados (isoleucina, leucina y valina) se metabolizan en el músculo.

ME METABO TABO TABOLI LI LISMO SMO DE LO LOSS A AMIN MIN MINOÁ OÁ OÁCIDO CIDO CIDOSS Aminoácido + 2-cetoglutarato2Glutamato- + NAD(P)+ + H2O

glutamato- + cetoácido2-cetoglutarato2- + NAD(P)H + NH4 + H+

La convergencia es gracias a las transaminaciones. Cualquier aminoácido puede dar lugar a otro cediendo su aminoácido al cetoglutarato y mediante una transaminasa se libera el ion amonio. Globalmente, los aminoácidos en presencia de NADP pasan a cetoácidos y se libera el ion amonio. Esta reacción se denomina desaminación oxidativa de los aminoácidos. En la glutamina, que es diaminada, esta reacción tiene dos pasos. El amoniaco liberado va al ciclo de la urea que es soluble y se excreta por la orina. La urea presenta dos moléculas de nitrógeno y una de carbono frente a los cuatro carbonos y un nitrógeno que encontramos en los aminoácidos. Es un mecanismo de economía del organismo. Los aminoácidos pueden proceder del hígado (viajan por vía directa al hígado) o pueden venir de la proteolisis muscular. La proteolisis muscular es la fuente endógena de los aminoácidos. Sean de fuente endógena o exógena el paso por glutámico es obligado y la eliminación de amonio es también obligada. Es decir, el nitrógeno tiene que ir a urea de manera inexcusable. Los aminoácidos aportados por la fuente endógena son solo dos: la glutamina y la alanina. En el caso de la glutamina hay dos grupos amino y uno de ellos se libera por la glutaminasa. El amonio no puede ser transformado en urea porque esto ocurre en el músculo, por lo que tiene que viajar por vía circulatoria al hígado. La glutamina pasa a glutámico y este glutámico sufre la transaminación correspondiente pasando a alanina que igualmente es liberada. La glutamina puede no sufrir la acción de la glutaminasa y dirigirse junto con la alanina al hígado y ser utilizados por este. El glutamato por una alanina-aminotransferasa produce alanina y 2-oxoglutarato que se dirige al ciclo de los ácidos tricarboxílicos para dar malato y piruvato que también puede transformarse en alanina. En el hígado, llegan la alanina y la glutamina. La alanina se convierte en el correspondiente cetoácido que produce piruvato y entra en la vía oxidativa. Si es la glutamina necesita la acción de la alaninaaminotransferasa para producir alanina y oxoglutarato para producir piruvato. El amonio hepático 55

es el único que da urea. El pirúvico va al ciclo tricarboxílico. Si la situación endocrina es de proteolisis, el esqueleto carbonado del aminoácido se acopla a la gluconeogénesis. Para que esto ocurra tienen que darse una serie de circunstancias. La proteolisis que libera glutamina y alanina y se acopla con el hígado ocurre en ciertas circunstancias. En situación severa de ayuno, con una relación insulina/glucagón muy baja y hormonas tiroides y glucocorticoides elevados, se hace posible la proteolisis muscular. Al hígado pueden llegar la glutamina y la alanina. La glutamina produce amonio que va a la urea. Es fuente por otro lado de oxoglutarato que irá al ciclo tricarboxílico en forma de malato para dar piruvato o pasar de malato a oxalacetato y dar fosfoenolpiruvato que es sustrato de la gluconeogénesis. La alanina solo da lugar a piruvato que entra en el ciclo tricarboxílico.

Ciclo gl glucos ucos ucosa/a a/a a/alani lani lanina na En situación de ayuno, la producción de urea esta acoplada a la producción de glucosa. La alanina, en el caso del hígado da urea o transformación de sus carbonos por gluconeogénesis. La predicción de este ciclo es que la glucosa obtenida sería utilizada por el músculo para producir de nuevo alanina y que sea reciclada. Esto es imposible porque en situaciones de ayuno, la glucosa no puede pasar al musculo ya que el

transportador GLUT4 estaría inhibido. Por esto, el ciclo glucosa/alanina es un imposible metabólico.

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ALGU ALGUNOS NOS FACT FACTORE ORE ORESS QUE MOD MODIFI IFI IFICAN CAN LAS VELOC VELOCIDAD IDAD IDADES ES DE SÍNT SÍNTESIS ESIS Y DEGR DEGRAD AD ADACIÓ ACIÓ ACIÓN N DE PROT PROTEÍN EÍN EÍNAS AS EN M MÚ ÚSCU SCULO LO -

Insulina: aumenta la síntesis proteica y disminuye la degradación proteica. Glucagón: aumenta la degradación. Hormona de crecimiento (en animales hipofisectomizados): aumenta la síntesis. Glucocorticoides: aumentan la degradación proteica. Glucosa: disminuye la degradación. Cuerpos cetónicos: disminuyen la degradación. Leucina: disminuye la degradación. Contracción o tensión del músculo: aumenta la sintesis y disminuye la degradación. Nivel normal de T3: aumenta la síntesis y aumenta la degradación proteica. Nivel alto (catabólico) de T3: aumenta la síntesis y mucho más la degradación.

La dieta es proveedora de glucosa y aminoácidos que pasan al plasma. La insulina es anabolizante al igual que las hormonas esteroideas por lo que dominará la síntesis proteica. En la situación de ayuno prolongado dominan el glucagón y los glucocorticoides, se estimula la proteolisis, aumentan los aminoácidos ramificados y permite el paso de los aminoácidos ramificados a través del hígado y pasan al musculo para transaminarlos. Todo esto contribuye a mantener los aminoácidos plasmáticos en un determinado nivel. Cuando la insulina moviliza los aminoácidos para la síntesis proteica no disminuyen todos los aminoácidos, solo algunos, los aromáticos, los ramificados y la alanina, pero no el triptófano. Por contra, la adrenalina, en situación proteolítica aumenta la movilización de la alanina y la glutamina del músculo. Cuando los glucocorticoides se secretan es porque el ayuno se ha establecido. El glucagón también juega un papel importante iniciando la proteolisis, aumenta la concentración de aminoácidos ramificados (leucina, isoleucina y valina).

AMI AMINO NO NOÁCID ÁCID ÁCIDOS OS ARO AROMÁ MÁ MÁTICO TICO TICOSS El triptófano es el aminoácido que puede dar más carencias. Cuando la tirosina y el triptófano (aromáticos) dan acetil-CoA y acetoacetil-CoA. La fenilalanina y la alanina pueden dar fumarato que entra junto con el acetil-CoA y el acetoacetil CoA en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. 57

La tirosina, la fenilalanina y el triptófano sufren un proceso catabólico. Sus carbonos, a través de distintos pasos, dan fumarato, lo que los convierte en aminoácidos gluconeogénicos, y acetilCoA, siendo, además, cetogénicos. Por tanto, pueden ser utilizados para producir glucosa, igual que la glutamina y la alanina aunque estos dos últimos sean endógenos (proteolisis muscular). El triptófano es algo más que un aminoácido gluconeogénico y cetogénico ya que es precursor de la nicotinamida o NAD, equivalente de reducción muy importante. Además de todo esto, desde el punto de vista funcional son fuente de moléculas sumamente importantes. El déficit de los aminoácidos aromáticos, empezando por la fenilalanina y la tirosina, que se ínterconvierten mediante la fenilalanina oxidasa, causa una importante patología. La fenilalanina y la tirosina son aminoácidos limitantes igual que el triptófano. La tirosina y la fenilalanina, además de dar fumarato, acetoacetil-CoA y acetil-CoA actuando como cetogénicos y gluconeogénicos, la fenilalanina siempre se convierte en tirosina. La tirosina puede oxidarse dando acetoacetil-CoA que es fuente de melanina, dopamina (Parkinson), adrenalina (tanto la hormona como el NT) y noradrenalina, y además, es precursor de la tiroxina o T4. Por otro lado, es fuente de aminoácidos para la síntesis de proteínas orgánicas. Estos aminoácidos son esenciales ya que son carenciales. Por tanto, son precursores de moléculas estratégicas. La tirosina por la tirosina hidroxilasa se transforma en dopa, utilizada en el tratamiento del parkinson. La dopa se transforma mediante una descarboxilasa en dopamina. La dopamina, por la dopamina β-hidroxilasa, que utiliza el cobre y el ácido ascórbico como coenzima de oxidaciónreducción, se produce norepinefrina o noradrenalina. El triptófano utiliza un sistema enzimático con el mismo mecanismo de la fenilalanina hidroxilasa y la tirosina hidroxilasa. Utiliza una triptófano hidroxilasa y se transforma en 5-hidroxi-triptófano y mediante la descarboxilasa se produce 5-hidroxitriptamina o serotonina. La transmisión serotoninérgica está afectada en el cuadro de los esquizofrénicos. La fenilalanina hidroxilasa transforma la L-fenilalanina en L-tirosina. Esta enzima se acopla a una cadena transportadora de electrones donde intervienen la 5, 6, 7, 8-tetrahidrobiopterina y la dihidrobiopterina. La dihidrobiopterina mediante la oxidación de NADH+H+ se reduce a tetrahidrobioterina. Esta última participa en la reacción de fenilalanina a tirosina oxidándose a dihidrobiopterina y reduciendo O2 a H2O.

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El defecto enzimático primario afecta a la enzima fenilalanina hidroxilasa. Es una enfermedad homocigótico-recesiva. Hay enfermos con defecto enzimático en la dihidrobiopterina reductasa o incluso en la dihidrofolato reductasa. Como consecuencia de este defecto enzimático se acumula fenilalanina y, por esta razón, podemos denominarlo hiperfenilalaninemia, idocia fenilpirúvica o fenilcetonuria. Los niveles en sangre de 1-2,5 mM se disparan a 50-60 mM.

ERRO ERROR RES CO CONGÉNIT NGÉNIT NGÉNITOS OS D DEL EL M MET ET ETABOL ABOL ABOLISMO ISMO (AM (AMINO INO INOACID ACID ACIDOP OP OPATÍ ATÍ ATÍAS) AS) Cuando una ruta metabólica es bloqueada por un déficit enzimático se producen los siguientes efectos: - Hiperproducción de sustancias que producen el bloqueo. - Hipoproducción de metabolitos que siguen al mismo, como la tirosina aunque esta puede venir de la dieta. - Desarrollo de vías metabólicas secundarias, habitualmente minoritarias. - Inhibición secundaria de rutas metabólicas principales. - El metabolito (aminoácido) deficientemente metabolizado se acumula en sangre, sobrepasa el dintel de reabsorción renal y se elimina por orina (aminoaciduría). - El cerebro es el órgano más afectado. El cerebro representa el 12% del peso corporal, la BHE es inmadura y el SNC está desmielinizado porque las vainas de Schwan aún no se han formado. Por tanto, el cerebro es muy vulnerable. 59

Fen Fenilce ilce ilceton ton tonuri uri uriaa Como consecuencia de la acumulación de fenilalanina en sangre y en orina en el hígado aparece fenilpirúvico. También se puede obtener hidroxifenil láctico o fenilacético que van a orina. También se puede producir feniletilamina que tiene efecto neurotóxico directo, los demás son inhibidores competitivos de enzimas, por lo que si se revierte esta situación se recupera el estado normal. Por el contrario, la feniletilamina causa un daño cerebral que no revierte si esta situación de hiperfenilalaninemia se soluciona.

Caus Causas as de dell re retras tras traso om men en ental tal en los fe fenilc nilc nilcet et etonúr onúr onúric ic icos os Ninguno de los catabolitaos anómalos producidos en los pacientes fenilcetonúricos tiene una acción neurotóxica directa excepto la feniletilamina. La inhibición de la fenilalanina o de alguno de sus derivados tales como el fenilpirúvico o el fenilacético es de naturaleza competitiva, la cual revierte al bajar las concentraciones del compuesto derivado. Sin embargo, el retraso mental no revierte con el tratamiento en niños mayores de 3 años. Sí lo hace la irritabilidad, la hiperactividad y las convulsiones. La idiocia es irreversible. Se van a producir una serie de efectos sobre vías fundamentales. Estos compuestos anómalos que se acumulan en orina inhiben competitivamente rutas muy importantes como la síntesis proteica cerebral. El transportador de los aminoácidos aromáticos es el mismo por lo que si hay un exceso de fenilalanina se produce una inhibición del transporte de tirosina y triptófano. El aumento de la relación fenilalanina/tirosina, que llega a ser 100:1, hace que se impida la incorporación de tirosina a las proteínas. Esto contribuye al daño cerebral. También se inhibe la síntesis de los lípidos cerebrales. Para que haya lipogénesis tiene que producirse acetil-CoA que viene del citrato que se obtiene del ciclo TCA y este del ciclo de Krebs. La lipogénesis se inhibe por: - Inhibición de la incorporación de glucosa a lípidos cerebrales. La glucosa es la que tiene que entrar en el ciclo tricarboxilíco para dar citrato. El metabolismo de la glucosa está afectado. - Inhibición de la obtención de cuerpos cetónicos y colesterol en el hígado. Todo esto contribuye al daño cerebral. Estos factores contribuyen a la hipomielinización cerebral de los pacientes fenilcetonúricos. La administración de una dieta pobre en fenilalanina a pacientes fenilcetonúricos mejora sus manifestaciones clínicas y si la dieta se instaura precozmente, se evita el retraso mental. Se produce hipopigmentación en los fenilcetonúricos debida a la inhibición de la tirosinasa por niveles elevados de fenilalanina.

Prin Princip cip cipales ales inh inhib ib ibicion icion iciones es enz enzim im imátic átic áticas as p prod rod roducid ucid ucidas as po porr la ffeni eni enilal lal lalanin anin aninaa y sus metab etabolitos olitos

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Sistema enzimático

Vía metabólica

Inhibidor

Tirosinasa

Síntesis de melanina

Fenilalanina

Dopa descarboxilasa

Síntesis de adrenalina

Fenilpiruvato

Triptófano hidroxilasa

Síntesis de serotonina

Fenilalanina

5-hidroxitriptófano descarboxilasa

Síntesis de serotonina

Fenilalanina

Glutamato descarboxilasa

Síntesis de GABA

O-Hidroxifenolacetato

Hexoquinasa

Glucolisis

Fenilpiruvato

piruvatoquinasa

Glucolisis

Fenilalanina

6-fosfogluconato DH

Ciclo pentosa-fosfato

Fenilpiruvato

Piruvato DH

Formación de acetil-CoA

Fenilpiruvato

Inhibición de la síntesis de serotonina: los estudios enzimáticos en ratas sobrealimentadas con fenilalanina sugieren que la reducción en la actividad de la 5-hidroxitriptófano descarboxilasa no puede justificar directamente la disminución de la serotonina en el cerebro. Es posible que la inhibición en el transporte de 5-hidroxitriptófano en el cerebro y la reducción de la triptófano hidroxilasa sean la causa conjunta de la disminución de los niveles de serotonina.

Vía oxid oxidati ati ativa va d de e llaa fen fenilalan ilalan ilalanina ina y llaa tiros tirosina ina Una de las razones por la que no se producen ciertos NTs, además de las inhibiciones enzimáticas correspondientes, es la disponibilidad de NADH. Si el NADH está comprometido, todos los procesos enzimáticos dependientes de este, se ven afectados. El aminoácido rigurosamente esencial es la fenilalanina. Hay dos pasos, uno de ellos es la transformación de tirosina por la tirosinasa en melanina. La tirosinosis se debe al defecto enzimático en tirosinatransaminasa que falla y se acumula tirosina. La acumulación de tirosina hace que el transporte de aminoácidos se vea afectado así como la incorporación normal de estos a las proteínas. Esta enzima media el paso de tirosina en ácido 4-OH-fenilpiruvico. FENILALANINA –(fenilalanina hidroxilasa) TIROSINA –(tirosintransaminasa) ÁCIDO 4HIDROXIFENILPIRUVICO –(ácido 4-fenilpirúvico hidroxilasa) ÁCIDO HOMOGENTÍSTICO –(ácido homogentístico 1,2-dioxigenasa) ÁCIDO ACETOACÉTICO + ÁCIDO FUMÁRICO El paso de ácido homogentísico a ácido malonilacetoacético se produce por la homogéntísico 1,2dioxigenasa y un fallo en esta enzima produce la alcaptonuria que se caracteriza por una orina de color negro (enfermedad autosómica recesiva).

Alca Alcapton pton ptonuri uri uriaa

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Se produce por el fallo en la homogentísico 1,2-dioxigenasa y la acumulación de ácido homogentísico. Se produce la acumulación de un polímero que es el pigmento ocronótico que le da el aspecto oscuro a la orina de estos pacientes. Es una enfermedad autosómica recesiva. En la carencia de función debe producirse el 100% de la pérdida mientras que en la ganancia de función es suficiente el 50% de la dotación genética. Este polímero que oscurece un poco la orina, tiende a acumularse en los cartílagos. Este pigmento ataca el cartílago y causa osteoartritis que se manifiesta a los 50 años y puede parecer una artritis asociada a la edad.

AMI AMINO NO NOÁCID ÁCID ÁCIDOS OS AZU AZUFR FR FRADO ADO ADOSS Son la cisteína y la metionina. La metionina da succinil-CoA. Ambos son gluconeogénicos.

Me Metioni tioni tionina na La metionina es un aminoácido esencial y proteinogenético. Tiene una característica singular y es que además de ser un pilar de síntesis proteica, es un donador de grupos monocarbonados. En presencia de ATP, por la metionina adenosil transferasa, se produce S-adenosil-metionina. La S-adenosil-metionina es el más importante donador de cadenas monocarbonadas que existe en la célula. Un aceptor pasa a aceptor metilado gracias a que la S-adenosil-metionina pasa a Sadenosil-homocisteína y esta a ho...