TEMA 2: DESTINOS DEL ION AMONIO.

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1 TEMA 2: DESTINOS DEL ION AMONIO. INTRODUCCIÓN El amonio tiene distintas formas según el ph de la célula, que puede provocar que sea un ion o un gas (NH3). El NH3 atraviesa fácilmente la membrana celular, por lo que al formarse se vuelve rápidamente a transformar en NH4 +. Este ion tiene propiedades parecidas a las del ion potasio. Entre sus funciones esta la biosíntesis de los aminoácidos, de los que pueden derivar otros compuestos. Uno de los principales destinos del amonio es la formación de glutamina. FIGURE 18-8 Ammonia transport in the form of glutamine. Excess ammonia in tissues is added to glutamate to form glutamine, a process catalyzed by glutamine synthetase. After transport in the bloodstream, the glutamine enters the liver and NH4+ is libera II.B. Formación de glutamato. Síntesis de glutamina El amonio se incorpora al α-cetoglutarato por la reacción vista anteriormente, formando glutamato. La síntesis de glutamina se produce por la incorporación del amonio al glutamato, reacción catalizada por la glutamina sintetasa (GS), consumiendo una molécula de ATP7. El ATP tiene la finalidad de activar el glutamato, ya que el fosfato que queda libre se une a la cadena lateral y forma γ-glutamilfosfato, un anhidro mixto rico en energía. Este compuesto es atacado por los iones amonio, que se incorporan al fosfato, liberándose y uniéndose el amonio al extremo libre, formando la molécula de glutamina. La glutaminasa hidroliza el enlace, formando de nuevo glutamato8 La enzima que cataliza el proceso de síntesis es la glutamina sintetasa, esta enzima es una enzima compleja, se regula por la acción concertada de dos mecanismos el primer mecanismo es una retroinhibición regulativa y el segundo es una modificación covalente de la enzima. La primera se lleva a cabo por los productos finales de la glutamina, estos productos son la histidina, los nucleótidos cistidina trifosfato, glucosamina 6P y AMP y CP y todos estos actúan como inhibidores de la enzima. También lo son la alanina y la glicina. Cada subunidad de la enzima tiene un sitio de unión para cada uno de estos ocho inhibidores. La unión de cada uno de ellos produce una inhibición parcial de la enzima, según se van uniendo la inhibición es mayor y cuando están todos unidos es total. El otro mecanismo de activación es una modificación covalente de la enzima que se lleva a cabo por ADENILACIÓN, que consiste en la unión de AMP al grupo hidroxilo de un residuo de tirosina específico que se encuentra en cada una de la subunidades de la enzima, para esto se necesita la hidrolisis de una de las

2 moléculas de ATP (liberando pirofosfato y AMP). La unión de la AMP a la enzima la inactiva y además esta enzima es más susceptible de la retroinhibicion acumulativa, por eso son dos mecanismos acoplados. Este proceso esta catalizado por la adenilil transferasa, pero esta enzima actúa con una PT reguladora, este proceso es reversible de manera que la misma enzima cataliza la liberación del AMP previamente unido, o sea la DESANILILACIÓN, para qué esto ocurra se necesita fosfato, este desplaza al AMP y se libera en forma de ATP, pero para que la enzima actúe en este sentido la tampoco reguladora tiene que ir unida a UMP, este se une por el mismo proceso igual que se une el AMP. El UMP se une a la PT reguladora y no sé que más. En organismos superiores, no se conoce con exactitud el mecanismo de regulación de la adenil transferasa, pero se sabe que se regula por oxidación llevada a cabo por radicales libres. Síntesis de la ASPARRAGINA: El NH4+ también sirve para sintetizar asparagina. Para ello, se une al aspartato, de forma bastante parecida a la glutamina, en una reacción que consume ATP, aunque esto solo sucede en los microorganismos, ya que los humanos sintetizamos asparagina por reacción entre el aspartato y la glutamina. También se utiliza para la síntesis de carbamil fosfato, utilizado en la síntesis de las pirimidinas. El ion amonio es el principal regulador de la glucolisis del músculo y del cerebro. También va a controlar el balance acido-base de los riñones. Los iones amonio que no se utilizan con estos fines se tienen que eliminar debido a su toxicidad. La forma de eliminar el amonio depende de los animales. Así la mayoría de los microorganismos y de los animales acuáticos eliminan el amonio sin transformar porque el amonio es soluble en agua ya e elimina, a estos se les denomina animales AMONIOTÉLICOS. Sin embargo, hay animales como aves y reptiles que tienen que conservar agua y transforman el amonio en ácido úrico porque este es muy insoluble con lo cual precipita y se elimina sin pérdida de agua. Estos animales se denominan URICOTÉLICOS. Y la mayoría de los vertebrados terrestres y los tiburones eliminan el amonio en forma de urea en la orina, son los animales UREOTÉLICOS. Transformación de amonio en urea. UREOGÉNESIS. Vía metabólica cíclica, descubridores: Krebs y Henselent. Esta vía metabólica consta de cinco reacciones consecutivas que comienzan en las mitocondrias y terminan en el citoplasma. La primera reacción es mitocondrial y consiste en la síntesis de carbamil fosfato, esta se lleva a cabo mediante la incorporación de amonio al bicarbonato y se consumen 2 moléculas de ATP. Esta reacción transcurre en dos etapas, la primera una de las moléculas de ATP tiene como finalidad activar a los iones bicarbonato, formando carboxifosfato, el amonio desplaza al fosfato y se forma el ácido carbamico y la segunda molécula de ATP pasa a ADP y se forma carbamil fosfato. El hecho de consumirse dos moléculas de ATP hace que sea prácticamente irreversible

3 por lo tanto se asegura la entrada del máximo número de iones amonio al ciclo. La enzima carbamil fosfato sintetasa 1 CPS1. Tiene una isoenzima citoplasmática CPS II también produce carbamil fosfato, pero a partir del nitrógeno amidico de la glutamina. La primera es dependiente de amonio e interviene en la síntesis de urea y la segunda de la glutamina e interviene en la síntesis de pirimidinas. Una vez formado el carbamil fosfato tiene lugar la reacción que consiste en la transferencia del grupo carbamilo del carbamil fosfato a la ornitina. Es un aminoácido no proteico, estructura muy parecido a la de la lisina (la citrulina). Este compuesto se forma en el citoplasma pero es transportado a las mitocondrias. Se libera el carbamil fosfato y el carbamilo se une al N de la cadena lateral de la ornitina. La enzima que cataliza es la ornitina transcarbamilasa OTC. La citrulina formada por las mitocondrias se va al citoplasma utilizando el mismo transportador que introduce la ornitina a las mitocondrias y se encuentra en la membrana mitocondrial interna por cada molécula de citrulina que sale hace que entre una de ornitina. La siguiente reacción se da en el citoplasma y consiste en la condensación de citrulina con aspartato. En esta condensación se consumé otra molécula de ATP que tiene como finalidad activar a la citrulina para ello el ATP libera pirofosfato (PPi) y un AMP que se une a la citrulina adelinandola. Se forma un compuesto intermedio y el grupo α-amino del aspartato va a desplazar al AMP que se libera y se une la molécula de aspartato en su lugar. Y el compuesto resultante es el argininosuccinato. La enzima es la argininosuccinato sintetasa (ASS). Hidrolisis del argininosuccinato por acción de la ASL que también se conoce como argininosuccinasa liasa. En esta hidrolisis se libera el esqueleto carbonado del aspartato. El compuesto resultante es la arginina. La mayoría de los organismos sintetizan la arginina a partir de la ornitina, sin embargo solamente los organismos UREOTELICOS contienen arginasa que es la enzima responsable de la formación de urea, esta es la última del ciclo y Cataliza la hidrolisis de la arginina con lo cual se genera la urea y la ornitina y esta última vuelve a la mitocondria por el transportador. La mayoría de las enzimas de este ciclo existen en todos los tejidos a excepción de la ornitina transcarbamilasa (OTC) que sólo se encuentra en el hígado y también en pequeña proporción en la mucosa intestinal, es por eso que el ciclo de la urea tiene lugar casi exclusivamente en el hígado de los organismos UREOTELICOS. De los dos átomos de N de la urea uno procede de los átomos de nitrógeno libres y otros del aspartato. Los iones amonio proceden de la desaminación de la mayoría de los aminoácidos. Además el grupo α-amino que aporta el aspartato al ciclo de la urea también puede venir del grupo amino de otro aa'. Intermediarios del ciclo de la urea los únicos que se forman en las mitocondrias son el carbamilofosfato y la citrulina. El precursor inmediato de la urea es la arginina. La ornitina la única función que tiene es transportar los átomos de la urea. Una vez formada la urea en el hígado transportada a la sangre para ser captada por los riñones en estos se filtra selectivamente a través de los glomérulos y se elimina por la orina ya que la urea no puede ser degradada en los animales superiores porque no tiene ureasa. Si algo de urea se absorbe a través de las membranas hepáticas y llega al intestino esta se degrada por la ureasa de las bacterias intestinales. Estas moléculas se vuelven a reabsorber para volver al ciclo. Es por esto que la urea es el principal compuesto nitrogenado de la orina. Así cuándo se ingiere una dieta normal, la urea 80% del total del N, cuando se altera la función renal la urea no puede filtrarse por el glomérulo y no se elimina por la orina, por tanto pasa a sangre. Cuando encontramos niveles elevados de urea en sangre es indicativo de insuficiencia renal. Altos niveles de urea en sangre son la consecuencia de la alteración renal no la causa.

4 El ciclo de la urea constituye el principal mecanismo de desintoxicación de amonio de los organismos superiores. Es un proceso muy costoso desde el punto de vista energético, por cada vuelta del ciclo de la urea, se consumen 3 moléculas de ATP. Uno de los ATP se hidroliza formando pirofosfato y este se hidroliza por la pirofosfatasa necesitando otra molécula de ATP. En total se gastan 4 moléculas de ATP. Una dieta con alto contenido proteico no es beneficiosa para el organismo. Los organismos UREOTELICOS pierden el 15% de la E de los aa'. El fumarato que sale de esta reacción va al ciclo de los ácidos tricarboxilicos, formando lo que se conoce como el biciclo de Krebs, ya que fue Krebs quien descubrió ambos. El fumarato se hidrata por la fumarasa en malato, que va a la mitocondria donde la malato deshidrogenasa lo transforma en oxalacetato, liberando NADH, que irá a la cadena de electrones para forma ATP. La unión de los ciclos reduce considerablemente el gasto energético del ciclo de la urea. El oxalacetato puede transaminarse en un aminoácido, transformándose en un aspartato que vuelve al ciclo de la urea, o por el contrario, continuar el ciclo de Krebs para producir energía. Otra opción es la de formar glucosa al entrar en la gluconeogenesis.

5 La actividad del ciclo de la urea depende de la disponibilidad del carbamilfosfato y del aspartato. El CP se sintetiza por la CPS I, que tiene un activador específico, el N-acetilglutamato. Este compuesto es fundamental para el ciclo de la urea. El N-Acetilglutamato se forma por la NAcetilglutamato Sintasa que se activa al aumentar la concentración de arginina. Al aumentar las concentraciones de glutamato y arginina, se indica al organismo que hay exceso de aminoácidos, por lo que se tiene que activar el ciclo de la urea. En este momento, se aumenta la síntesis de Nacetilglutamato, que activa la CPS I. Aparte de esta regulación existe otra que depende del contenido proteico de la dieta. Una dieta rica en proteínas induce a la síntesis de las enzimas de la urea. También ocurre en casos de ayuno prolongado, ya que el cuerpo recurre a las proteínas para obtener energías. Los aminoácidos se degradan en prácticamente todos los tejidos, y teniendo en cuenta que el NH4 + es toxico, veamos cómo se transporta de manera segura hasta el hígado. II.E. Transporte de amonio desde los tejidos periféricos al hígado Para poder hace esto, debe convertirse en otros compuestos que puedan circular sin peligro por la sangre. La mayor parte de las proteínas están en el musculo. En casos de aumento de ejercicio o ayuno, aumenta la degradación de proteínas, y por tanto, se produce amonio. Este se une al α- cetoglutarato para formar glutamato. Este glutamato se transaminasa con el piruvato. Este piruvato al transaminarse forma alanina, y el glutamato vuelve a convertirse en α- cetoglutarato. La alanina es un compuesto no toxico que circula fácilmente por la sangre. En el hígado, por la reacción inversa, la alanina se transamina con el α- cetoglutarato para formar piruvato y glutamato. El glutamato se desoxida por la GDH y vuelve a formar α-cetoglutarato y NH4 +. El piruvato procedente de la Reacción se utiliza para formar glucosa, que vuelve a la sangre y de allí al musculo, para que obtenga energía. Este proceso se conoce como el ciclo glucosa-alanina entre musculo e hígado. La importancia de este ciclo radica en que el musculo se desprende de dos compuestos que no le sirven. Este ciclo es muy similar al ciclo de Cori (ciclo glucosa-lactato entre musculo e hígado). Cuando la actividad de la gluconeogenesis se estimula, por algún motivo (tumores entre otros), aumenta la llegada de aminoácidos al hígado, provenientes de las proteínas musculares, activándose la proteólisis muscular, produciéndose la caquexia (pérdida de masa muscular) que explica la extrema delgadez de algunos enfermos. Los aminoácidos ramificados solo se degradan en el musculo. En los tejidos, el amonio se incorpora al glutamato para formar glutamina. La glutamina, igual que la alanina, es neutra y no toxica, por lo que puede circular por la sangre hasta el hígado, donde se desamida para formar glutamato y amonio. El NH4+ va al ciclo de la urea. La alanina y la glutamina son los principales transportadores de amonio hasta los tejidos. En caso de acidosis, llega más glutamina a los riñones que al hígado. En los riñones, también se degrada por la glutaminasa, pero para formar amonio que se libera por la orina. De esta forma, se ahorra bicarbonato, que nos sirve para compensar la acidosis. La formación de glutamina es de gran importancia para el cerebro, ya que el NH4+ es altamente toxico para el SNC. La glutamina sintetasa abunda mucho en el cerebro, constituyendo el principal sistema defensivo frente al amonio.

6 DEFICIENCIAS ENZIMÁTICAS EN EL CICLO DE LA UREA. HIPERAMONEMIAS. ERRORES CONGENITOS DEL METABOLISMO EN GENERAL Estas alteraciones dan lugar a enfermedades metabólicas, que podemos clasificar en dos grupos: Las producidas por el bloqueo de algún paso Las producidas en la alteración de algún transporte de compuesto a través de membrana. Para el primer caso, imaginemos que tenemos una vía metabólica de la siguiente forma: A (E1) B (E2) C (E3) D Si se produce una alteración en E2 por modificación del gen que la codifica, produce varias consecuencias: Los compuestos anteriores a la reacción comienza a acumularse, y los posteriores empiezan a disminuir su concentración. A partir de esa acumulación, se estimulan vías metabólicas que en condiciones normales tienen poca actividad (secundarias) a la vez que puede inhibir otras vías metabólicas que normalmente son muy activas. La gravedad de la alteración depende de la importancia de la vía alterada, de la toxicidad de los compuestos, de la importancia de los que no se forman y de la intensidad del bloqueo. En todas estas alteraciones, el órgano más afectado es el cerebro. La alteración viene de nacimiento, y el cerebro en las primeras etapas de la vida es muy activo y tiene un crecimiento muy acelerado, además de presentar una modelización incompleta. El cerebro es muy vulnerable a cualquier alteración metabólica. Los daños cerebrales son irreversibles, aunque la causa desaparezca. En el caso del ciclo de la urea, se han observado alteraciones en las 5 enzimas que lo componen, todas por alteración de sus genes. La actividad solo disminuye, ya que si se frenara del todo seria mortal. El NH4+ no se transforma del todo y pasa a causar una hiperamonemia. La deficiencia en CPS I causa hiperamonemia de tipo I. Es una enfermedad bastante rara, incluso entre las enfermedades metabólicas, que ya de por si son de baja incidencia. La actividad de la enzima se reduce al 50%. Como su activacion depende en gran medida del N-acetilglutamato, por lo que una alteración en la N- acetilglutamato sintasa también puede provocar hiperamonemia de tipo I. Se ha desarrollado un tratamiento especifico contra los fallos en la CPS I, a base de acido carglumico (N-carbamilglutamato), de nombre comercial Carbaglu, que presenta una gran analogía estructural con el N-acetilglutamato, por lo que también sirve para activar la CPS I, aunque la síntesis del activador falle. El compuesto empieza a surtir efecto a las pocas horas de ser administrado. Es un medicamento huerfano13. Una disfunción en el transportador de la ornitina también bloquea el ciclo de la urea y provoca hiperamonemia. Además, la ornitina va a la sangre y provoca hiperornitemia. El carbamilfosfato no puede transmitir el carbamilo

7 a la ornitina, por lo que se lo cede a la lisina. La lisina se transforma en homocitrulina14, que se elimina fácilmente por la orina, aunque produce homocitrulinuria. La ausencia del transportador provoca el llamado síndrome de la triple H15. En el caso de que la enzima afectada sea la OTC, se produce la hiperamonemia de tipo II. En este caso, se acumula el carbamilfosfato, que sale al citoplasma, estimulando la síntesis de pirimidinas. La ausencia de OTC lo que provoca es un aumento de orotato en la orina, siendo esta la enfermedad de mayor incidencia. El gen que codifica la OTC se encuentra en el cromosoma X, por lo que una mutación aquí es mortal para los varones. La ausencia de la arginato sintetasa provoca hipercitrulinemia, mientras que la deficiencia en arginatosuccinato liasa da igual, lógicamente, a un aumento del argininosuccinato, que se elimina en abundancia por la orina (de hecho, es el sustituto de la urea para eliminar el amonio). El argininosuccianto suele tener concentraciones bajas en sangre, por lo que esta alteración provoca aciduria argininosuccinica. Deficiencias en la última enzima del ciclo (arginasa) provocan hiperargininemia. Los síntomas de esta enfermedad aparecen en unos 4 anos, produciendo retraso mental y de desarrollo. Es importante detectar pronto las enfermedades metabólicas, para poder establecer cuanto antes el tratamiento. La detección de cualquier intermediario va a establecer las pautas a seguir para el diagnostico diferencial de las enfermedades. Las hiperamonemias en niños se deben a deficiencias enzimáticas, apareciendo en niños normales cuyas madres no presentan riesgo obstétrico, niños que parecen normales en las primeras horas. Los síntomas son aletargamiento, vómitos, hipotermia e hiperventilación, que en ocasiones se confunde con una enfermedad pulmonar. Para discriminar la enfermedad, se les debe practicar una análisis de amonio en sangre. Si no se les trata rápido, pueden entran en coma. Para asegurarse, hay que determinar los aminoácidos en sangre y el orotato y argininosuccinato en orina. Se determina también los niveles de glutamina, alanina, citrulina, arginina y ornitina. En casos de hiperamonemia, aumenta la concentración de la glutamina y de la alanina. La arginina y la ornitina disminuyen. El nivel de citrulina en ocasiones no se detecta o es muy bajo. En este caso, nos encontramos ante una hiperamonemia causada por una deficiencia en CPSI o en OTC. Para diferenciar la causa, se determina el orotato en orina. Si la cantidad de orotato es normal, el problema viene de CPSI, mientras que si es muy alta, la causa está en la OTC. Si los niveles de citrulina son muy elevados, posiblemente fallen ASS o ASL. Si falla ASS, los niveles de citrulina se encuentran en un orden de 100 veces los normales, mientras que si falla ASL el orden es de 10. El análisis de AS se realiza en líquido encefalorraquideo y en sangre. Todo esto se complemente analizando las actividades de la enzima sospechosa de causar la alteración. Además, se determina la secuencia de DNA que codifica la enzima deficitaria. Estos defectos se heredan con carácter autonómico recesivo, a excepción de las alteraciones en OTC que se heredan como carácter dominante ligado al sexo. La mayor parte del amonio se produce en el intestino, por lo que las alteraciones intestinales también pueden ser causa de hiperamonemia. Una disfunción en el hígado disminuye la actividad en el ciclo de la urea. El NH4+ sanguíneo puede llegar fácilmente al cerebro por difusión, causando graves alteraciones neurológicas. Si el problema proviene del hígado, la enfermedad se conoce como encefalopatía hepática, que puede producir la muerte, por edema cerebral y aumento de la presión intracraneal. El tratamiento va dirigido a la disminución de los niveles de amonio en sangre, por lo que el primer paso es suministrar una dieta con bajo contenido proteico, suministrando las proteínas en pequeñas cantidades y frecuentemente, consumiendo solo las necesarias Esto va complementado con la activacion de lactulosa no absorbible que se metaboliza en el colon, formando productos ácidos que disminuyen el ph intestinal y bloquean el transporte de amonio a la sangre, eliminándose este a través de las heces. Hay que administrar antibióticos que ataquen a la flora intestinal, ya que contiene ureasa. Si la hiperamonemia se debe a deficiencias enzimáticas, es conveniente administrar un exceso de arginina, a no ser que el fallo lo tenga la arginasa. De esta manera, producimos un exceso de argininosuccinato, que se elimina a través de la orina. Cada arginina elimina dos moléculas de amonio. También se administran ácidos aromáticos (benzoato y fenilacetico), que se activan como los ácidos grasos y se pueden conjugar fácilmente con la glicina y la glutamina, formando hipurato, eliminándose por la orina fácilmente. De esta manera se

8 eliminan los excesos de glutamina y de glicina. Además, ayuda a eliminar la alanina, lo que fuerza su síntesis, consumiendo amonio. La hiperamonemia causa el aumento del NH4+ en el cerebro, debido a la permeabilidad de la barrera hematoencefalica. Aumenta mucho la glutamina, principal osmolito del cerebro, que provoca un aumento de agua, lo que acaba produciendo un edema. El aumento de la concentración de amonio inhibe la cadena respiratoria y disminuye la síntesis de ATP. Se estimula la actividad de la Na+K+ATPasa, que consume ATP, lo que unido a la disminución en su síntesis provoca una caída del ATP, causando pérdidas de conciencia. Además, se alteran los sistemas neurotransmisores, como el neurotransmisor del glutamato. Hay un fuerte aumento de la producción de oxido nítrico, que provoca un estrés oxidativo. Este es uno de los mecanismos de toxicidad.