CAPITULO 4: METABOLÍSMO DE AMINOÁCIDOS

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1 Introducción CAPITUL 4: METABLÍSM DE AMINÁCIDS Los aminoácidos además de ser unidades monoméricas de las proteínas, son metabolitos energéticos y precursores de muchos compuestos biológicamente activos que contienen nitrógeno, tales como aminas, nucleótidos y coenzimas. Los organismos muestran sustanciales diferencias en su capacidad de sintetizar aminoácidos. Plantas y microorganismos pueden formar todos sus compuestos nitrogenados, incluidos los aminoácidos, a partir de formas inorgánicas de nitrógeno, tales como NH4 + y N3 -. Por el contrario, los animales solo pueden sintetizar la mitad de los aminoácidos necesarios para sintetizar proteínas, los restantes deben ser ingeridos en la dieta. Incorporación del nitrógeno en los organismos La fijación de nitrógeno es la conversión del nitrógeno del aire (N2) a distintas formas que permitan su incorporación a la composición del suelo o de los seres vivos, como el ion amonio (NH4 + ) o los iones nitrito (N2 ) o nitrato (N3 ). La fijación biológica del nitrógeno es un fenómeno que depende de la habilidad metabólica de unos pocos organismos que poseen la habilidad de tomar el N2 y reducirlo a NH4 +. Estos organismos son microorganismos que viven en el suelo o en simbiosis con algunas plantas y principalmente se localizan en las raíces. La fijación biológica del nitrógeno entonces es llevada a cabo por la nitrogenasa bacteriana que forman nitrógeno reducido (NH4 + ) el cual puede ser utilizado por las plantas para formar los aminoácidos. Fig Descripción del flujo de nitrógeno en animales. Una de las enzimas que cataliza la incorporación del amonio a un α-cetoácido es la glutamato deshidrogenasa de acuerdo a la siguiente reacción: 61

2 Sin embargo el Km de ésta enzima para el NH4 + es muy alto, lo que indica que para actuar necesita una elevada concentración de amonio para catalizar la reacción. Altos valores de amonio son tóxicos para las plantas, por lo que esta reacción es muy poco probable y solo ocurre en las raíces de unas pocas plantas. Por lo tanto la incorporación del amonio en las plantas ocurre a través de la siguiente reacción catalizada por la enzima glutamina sintetasa: H H H NH 2 ATP ADP NH 3 Pi NH 2 NH 2 Glutamina sintetasa Glutamina sintetasa H P 3 - NH 2 Glutamato -fosfato-glutamil (intermedio) Glutamina La glutamina sintetasa posee una afinidad por el amonio tres veces mayor que la glutamato deshidrogenasa. Esta enzima cataliza la incorporación de amonio a una molécula de glutamato para dar como producto glutamina. A partir de la glutamina se puede obtener glutamato y de ahí los de más aminoácidos. El nitrógeno atmosférico (fijación biológica de nitrógeno) y el amonio y nitrito (nitrificación), son utilizados por las bacterias del suelo, con la finalidad de generar nitratos que serán absorbidos y asimilados por las plantas para la síntesis de proteínas, los animales asimilan estos compuestos como proteínas en la dieta, por lo tanto la incorporación del nitrógeno en animales difiere del de las plantas. Los animales incorporan los aminoácidos a partir de las proteínas de la dieta. Los mamíferos pueden sintetizar a partir de precursores metabólicos 10 de los 20 aminoácidos necesarios para la síntesis de proteínas, los demás son obtenidos a partir de la alimentación. Aquellos aminoácidos que pueden ser sintetizados se clasifican como no-esenciales, ya que no es esencial que estos aminoácidos se incorporen con la dieta. Sin embargo, los mamíferos son incapaces de sintetizar 10 aminoácidos de los 20 necesarios, estos aminoácidos son clasificados como esenciales y deben ser incorporados en la dieta. 62

3 No esenciales Esenciales Alanina Arginina Asparragina Histidina Aspartato Isoleucina Cisteína Leucina Glutamato Lisina Glutamina Metionina Glicina Fenilalanina Prolina Treonina Serina Triptófano Tirosina Valina El exceso de aminoácidos de la dieta no es ni almacenado ni excretado, se convierten en intermediarios metabólicos comunes tales como piruvato, oxalacetato y α- cetoglutarato. Principales reacciones del metabolismo de los aminoácidos Reacciones de síntesis de aminoácidos Todos los aminoácidos no-esenciales, excepto la tirosina, son sintetizados a partir de uno de estos intermediarios metabólicos comunes: piruvato, oxalacetato, α- cetoglutarato y 3-fosfoglicerato. El flujo de carbono desde la vía metabólica central es un proceso regulado que provee aminoácidos en cantidades necesarias para el crecimiento. Dicho flujo es regulado principalmente por inhibición por producto final: los aminoácidos (producto final) generalmente inhiben la primera enzima de su vía de síntesis. 63

4 α-cetglutarat XALACETAT GLUTAMAT ASPARTAT APARRAGINA TRENINA GLUTAMINA PRLINA ARGININA METININA LISINA ISLEUCINA PIRUVAT 3-FSFGLICERAT ALANINA VALINA LEUCINA SERINA CISTEÍNA GLICINA Fig Familias biosintéticas de aminoácidos. Las principales reacciones del metabolismo de aminoácidos son: Incorporación del amonio (aminación reductiva del α-cetoglutarato y amidación o síntesis de glutamina)(anabólicas), transaminación (anabólica y catabólica), descarboxilación y deaminación oxidativa del glutamato (catabólicas). Incorporación del grupo amonio Tres enzimas pueden incorporar el amonio a las vías biológicas: la glutamato deshidrogenasa, la glutamina sintetasa, y la carbamil fosfato sintetasa en el ciclo de la urea. La glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa, se encuentran en todos los organismos y efectúan la conversión de amonio en los aminoácidos glutamato y glutamina, respectivamente. Los grupos amino y amido de estas 2 substancias son libremente transferidos a otros esqueletos de carbono por reacciones de transaminación y transamidación. La enzima glutamato deshidrogenasa se encuentra en la mitocondria y cataliza la aminación reductiva del α-cetoglutarato para producir glutamato. Esta reacción es muy importante porque relaciona el metabolismo de los hidratos de carbono con el de los aminoácidos, ya que el α-cetoglutarato es un intermediario del ciclo de Krebs. Como se mencionó anteriormente esta enzima posee un Km para el amonio muy alto, necesitando concentraciones de amonio que resultan tóxicas para los seres vivos. La enzima glutamina sintetasa cataliza la amidación del glutamato para formar glutamina. La glutamina pasa a ser el dador de grupos aminos para una nueva síntesis de glutamato en una reacción catalizada por la glutamato sintetasa. 64

5 Una de las dos moléculas de glutamato se utiliza para fijar nuevamente el amonio (para reponer el consumido por la glutamina sintetasa), mientras que la otra molécula de glutamato representa la ganancia neta del proceso y será utilizada para la síntesis de aminoácidos a través del proceso de transaminación. Transaminación Las reacciones de transaminación pueden ser tanto reacciones de síntesis como de degradación de los aminoácidos. En las reacciones de transaminación ocurre la transferencia de un grupo amino a un α-cetoácido para producir un nuevo aminoácido y el correspondiente α-cetoácido del aminoácido original. Las reacciones catalizadas por las aminotransferasas son fácilmente reversibles. La dirección de cualquier transaminación individual depende principalmente del cociente de concentración de los reactantes y de los productos. Por el contrario, las reacciones de transaminación, que son dependientes del ATP, son consideradas irreversibles. Las reacciones de transaminación están catalizadas por enzimas llamadas transaminasas y dependiendo del sentido de la reacción pueden ser de síntesis de aminoácidos como de degradación. El grupo amino del glutamato puede ser transferido al piruvato o al oxalacetato. El piruvato es el α-cetoácido de la alanina, mientras que el oxalacetato es el α-cetoácido del aspartato. La trasferencia del grupo amino del glutamato al oxalacetato está catalizada por la enzima aspartato transferasa (AST): 65

6 La transferencia del grupo amonio del glutamato al piruvato está catalizada por la enzima alanina transferasa (ALT): Biosíntesis de aminoácidos aromáticos En plantas, la síntesis de aminoácidos aromáticos ocurre a través de la vía del ácido siquímico en el citoplasma y en los cloroplastos. Naturalmente, esta ruta no se realiza en mamíferos, por lo que los aminoácidos aromáticos son esenciales y deben ser ingeridos en la dieta. Los precursores de la vía del ácido siquímico son el fosfoenolpiruvato intermediario metabólico de la glucólisis y la eritrosa-4p intermediario metabólico de la vía de las pentosas. Los productos principales de ésta vía son la tirosina y la fenilalanina. Fig Vía del ácido siquímico Reacciones de degradación de aminoácidos La degradación de los aminoácidos comprende vías diferentes para el grupo amino y para el esqueleto carbonado. Las reacciones catabólicas de los aminoácidos son principalmente reacciones de descarboxilación, de transaminación y de deaminación oxidativa del glutamato. 66

7 Descarboxilación Las reacciones de descarboxilación consisten en la pérdida de un grupo carboxilo de un aminoácido para dar como producto la formación de aminas primarias o aminas biológicas. La mayoría de los aminoácidos pueden sufrir reacciones de descarboxilación, proceso que ocurre en casi todas las células eucariotas. La descarboxilación de aminoácidos o sus derivados conduce a la formación de determinadas aminas, denominadas aminas biológicas, cuyas funciones son muy importantes, pueden ser neurotransmisores (dopamina, GABA, etc), hormonas (adrenalina, noradrenalina), compuestos implicados en las reacciones inmunes (histamina), etc. En las plantas se encuentran grandes cantidades de aminas que cumplen varias funciones en su fisiología: interactúan con el DNA participando en su síntesis, se las considera esenciales para completar el proceso de división celular, diferenciación celular. La putrescina y algunas poliaminas como la espermidina y la espermina, están implicadas en diversos procesos celulares de respuesta al estrés y al envejecimiento. Además, las poliaminas pueden ser precursores de muchos alcaloides y las aminas alifáticas actúan atrayendo insectos, para favorecer la polinización. Transaminación Como se mencionó anteriormente, las transaminaciones son reacciones tanto de síntesis como de degradación de aminoácidos. La primera reacción en la degradación de un aminoácido es la remoción de su grupo amino con el objetivo de excretar el exceso de nitrógeno y degradar el esqueleto carbonado remanente. La mayoría de los aminoácidos pierden su grupo amino transfiriéndoselo al α-cetoglutarato para dar glutamato. La mayoría de las transferasas aceptan al α-cetoglutarato o, en menor medida, al oxalacetato como el α-cetoácido sustrato, produciendo glutamato y aspartato como producto. Ciclo Glucosa-Alanina. El ciclo glucosa-alanina se establece entre el músculo e hígado y contribuye a mantener la glucemia en los períodos entre las comidas. Además este mecanismo es utilizado para que el músculo esquelético elimine nitrógeno. La glucosa es degradada en el músculo para formar piruvato, el piruvato mediante una transaminación con glutamato forma alanina. Esta reacción es catalizada por la alanina transaminasa (ALT). Adicionalmente, durante periodos de ayuno, la proteína del músculo esquelético es degrada con el objetivo de obtener energía de los esqueletos carbonos de los aminoácidos, y la alanina es el principal aminoácido de esa proteína. La alanina entonces ingresa al torrente sanguíneo y es transportada al hígado. En este órgano, la alanina transamina con α-cetoglutarato y es convertida nuevamente a piruvato. El piruvato es utilizado como fuente de carbonos para formar glucosa mediante la gluconeogénesis. La alanina representa así una forma de trasporte de NH4 + y piruvato desde el músculo al hígado. La glucosa formada en el hígado vuelve a la circulación desde donde puede ser 67

8 tomada por los tejidos y por supuesto por el músculo cerrando el ciclo. El grupo amino transportado desde el músculo al hígado en la forma de alanina se convierte en urea en el ciclo de la urea para ser excretado. Glucosa ATP Alanina Fig Ciclo Glucosa-Alanina. Deaminación oxidativa del glutamato Las transaminaciones no son deaminaciones netas. La deaminación ocurre a través de la deaminación oxidativa del glutamato en la mitocondria por la enzima glutamato deshidrogenasa. Esta reacción requiere de NAD + o NADP + como coenzima, produce amonio y regenera al α-cetoglutarato para ser usado en otras reacciones de transaminación. NAD + + H NADH GLUTAMAT α-cetglutarat + NH 4 NADP + + H NADPH El amonio resultante de la deaminación puede ser asimilado por microorganismos y plantas y usado para formar otros compuestos que contienen nitrógeno. Los animales son los únicos organismos que consumen un exceso de nitrógeno en su dieta. El exceso de nitrógeno es liberado por medio de la degradación de aminoácidos y luego excretado de diferentes maneras. La mayoría de las especies acuáticas excretan el nitrógeno amínico en forma de amoníaco. Pero en muchos animales el amoníaco es tóxico, por lo que el amonio resultante de la deaminación debe ser detoxificado previamente a su eliminación, siendo en algunos animales ácido úrico y en otros urea el producto final. Ciclo de la urea La urea es sintetizada en el hígado por enzimas del ciclo de la urea. Después es secretada al torrente sanguíneo y excretada por los riñones en la orina. Las dos primeras reacciones del ciclo de la urea ocurren en las mitocondrias del hígado y las tres reacciones siguientes ocurren en el citoplasma, por lo tanto, el ciclo ocurre en dos compartimentos celulares. El transporte de la ornitina y la citrulina a través de la membrana mitocondrial se realizan por sistemas de transporte específicos. 68

9 rnitina rnitina Carbamil-P Primer paso Fig Ciclo de la urea. El primer grupo amonio del ciclo de la urea proviene de la deaminación oxidativa del glutamato. En el primer paso del ciclo de la urea ocurre una reacción de condensación entre el grupo NH4 + y HC3 - para formar carbamil-p. Esta reacción es catalizada por la enzima carbamil fosfato sintetasa en la mitocondria con la hidrólisis de dos moléculas de ATP. Segundo paso En el segundo paso del ciclo de la urea ocurre la reacción entre carbamil-p y ornitina para formar citrulina. La reacción está catalizada por la enzima ornitina transcarbamilasa. Luego la citrulina es transportada al citosol a través de un transportador específico donde ocurre el tercer paso del ciclo de la urea. Tercer paso El segundo grupo amonio proviene del aspartato y es introducido en la tercera reacción del ciclo de la urea. Por lo tanto en el tercer paso ocurre la condensación del la citrulina con el grupo amino del aspartato para formar arginosuccinato. Esta reacción es catalizada por la enzima succinato sintetasa y necesita de la hidrólisis de ATP a AMP + PPi. Cuarto paso En el cuarto paso del ciclo de la urea ocurre la ruptura de la molécula arginosuccinato para formar arginina y fumarato. La reacción está catalizada por la enzima arginosuccinasa. El fumarato es utilizado para producir nuevamente aspartato. Por lo tanto, el fumarato es transformado en primer lugar en malato y luego el malato es 69

10 oxidado a oxalacetato. Mediante una reacción de transaminación entre el glutamato y el oxalcetato se genera aspartato, el dador del segundo grupo amonio de la urea. Quinto paso La reacción del último paso del ciclo de la urea está catalizada por la enzima arginasa, la cual hidroliza a la arginina para producir urea y regenerar ornitina. La ornitina retorna a la mitocodria a través de transportadores específicos, para reiniciar el ciclo. La producción de urea para eliminar el exceso de nitrógeno de la dieta tiene un costo de cuatro uniones de alta energía (dos hidrólisis de ATP a ADP y una de ATP a AMP). Este costo energético es recuperado mediante la reoxidación en la cadena respiratoria de las coenzimas reducidas NADH que se producen en: la deaminación oxidativa del glutamato y en la conversión de fumarato en aspartato a través de oxalacetato. Destino de los átomos de carbono de aminoácidos degradados En la degradación de los aminoácidos, luego de la eliminación del grupo amonio, los esqueletos carbonados son transformados en intermediarios para producir glucosa, ácidos grasos o cuerpos cetónicos, u oxidarse completamente en el Ciclo de Krebs para producir energía. Los 20 aminoácidos se transforman en 7 moléculas: acetil-coa, acetoacetil CoA, piruvato, α-cetoglutarato, succinil-coa, fumarato y oxalacetato. Los que forman las 2 primeras moléculas son cetogénicos (generan cuerpos cetónicos o ácidos grasos) y los que generan las demás moléculas son glucogénicos (generan glucosa). Fig Interrelación metabólica de los esqueletos carbonados de los aminoácidos. 70