Transaminasa. Piridoxal-fosfato. α-cetoácido O C. Glutamato deshidrogenasa CH 2 C O

Transcripción

1 XVII. Degradación de aminoácidos Eliminación del amonio. El catabolismo de los aminoácidos se inicia con frecuencia con la pérdida del (o los) átomo(s) de nitrógeno, seguida de la degradación de las cadenas de carbono resultantes. Los aminoácidos en exceso, ya sea provenientes de la dieta, o derivados del recambio normal de proteínas del organismo, se desaminan primero, y luego, las cadenas de carbono se modifican para entrar en las vías centrales del metabolismo de los hidratos de carbono. La desaminación de los aminoácidos se efectúa en varias formas ya que hay varios aminoácidos con más de un nitrógeno en su molécula, todos los cuales pueden ser catabolizados. La ruta principal corresponde a la eliminación del α-amino ya que este grupo está presente en todos los aminoácidos. Esta eliminación comienza con la reacción de transaminación entre el grupo α-amino del aminoácido que se está degradando con el grupo α-ceto del α-cetoglutarato para formar un α-cetoácido y glutamato. Este último es oxidado por el AD, por medio de la reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa. En un teórico anterior, habíamos mencionado esta enzima aunque en un contexto biosintético. 3 α-aminoácido Transaminasa iridoxal-fosfato α-cetoácido 3 3 AD Glutamato deshidrogenasa 4 AD 3 α-aminoácido AD 4 α-cetoácido AD Algunos de los otros átomos de nitrógeno unidos a los carbonos del resto de un aminoácido son también eliminados por medio de una reacción de transaminación con el α-cetoglutarato, para producir glutamato, y el ceto derivado del grupo amino que se transfirió. El nitrógeno del ε-amino de la lisina y uno de los

2 nitrógenos del guanidinio de la arginina (el que permanece en la estructura de la ornitina) puede seguir esta vía de degradación. En los mamíferos, los otros nitrógenos del guanidinio de la arginina son convertidos en urea. En la histidina, uno de los nitrógenos del anillo de imidazol es convertido en el grupo α-amino del aspartato, mientras que el otro (al igual que el propio nitrógeno α de la is) puede ser liberado como amonio. Los átomos de nitrógeno del triptofano también se liberan, en general, como amonio. Los grupos amida de la glutamina y la asparagina son hidrolizados por enzimas específicas (glutaminasa y asparaginasa, respectivamente) para producir amonio y los aminoácidos glutamato y aspartato, respectivamente. El amonio, proveniente de la glutamato deshidrogenasa o de las hidrolasas mencionadas, es muy tóxico para las células, por lo que, en general, su concentración se mantiene a niveles bajos y la mayoría de los organismos han desarrollado mecanismos para eliminarlo activamente. Se han encontrado al menos tres rutas distintas para la eliminación del nitrógeno de desecho, en diferentes organismos. or un lado, los microorganismos y muchos organismos acuáticos son capaces de excretar directamente el amonio, a través de las membranas de sus células o (en el caso de los organismos pluricelulares) a través de las células de los tejidos de las agallas, para diluirlo en la vasta cantidad de agua de su medio ambiente. or otro lado, las aves y muchos reptiles (descendientes de los dinosaurios) convierten el excedente de amoniaco en ácido úrico, un compuesto relativamente insoluble que precipita de la solución acuosa con formación de cristales, y que eliminan por las heces. Aún dentro de sus huevos, los embriones de estos organismos excretan urato en los sacos membranosos, y continúan excretándolo durante toda su vida de adulto. omo veremos más adelante, el urato es también el producto final de la degradación de los nucleótidos de purina para muchos organismos, entre ellos las aves y los reptiles, por lo que la eliminación del nitrógeno en exceso por este medio implica que estos organismos utilizan parte de la ruta de biosíntesis de purinas como si fuera una ruta degradativa. El urato es también el producto final de la degradación de los nucleótidos de purina para los primates (aunque no del nitrógeno de sus aminoácidos). En este sentido (la producción de urato como producto final de la degradación de purinas) los primates nos diferenciamos del resto de los mamíferos que son capaces de degradar hasta un nivel mayor al ácido úrico. La degradación del urato se considerará más adelante. or último, el resto de los vertebrados terrestres (incluidos los primates) convierten el nitrógeno de desecho proveniente de sus aminoácidos en un producto menos tóxico. Este producto es la urea, que no tiene carga, y que es un compuesto muy soluble en agua, y, por lo mismo, puede ser transportado en la sangre hacia los riñones, en donde se excreta como el principal soluto de la orina. iclo de la urea. En los mamíferos, la síntesis de urea, o ureogénesis, se efectúa exclusivamente en el hígado. La urea es el producto de un conjunto de reacciones que se denomina ciclo de la urea. Esta vía fue dilucidada por ans

3 Krebs y Kurt enseleit en 1932, varios años antes de que el mismo Krebs descubriera el ciclo del ácido cítrico. Varias observaciones lo llevaron a su propuesta del ciclo de la urea. or un lado, en el hígado de todos los organismos que sintetizan urea, se observan niveles elevados de la enzima arginasa. or otro, cortes de hígado de rata pueden realizar la conversión neta de amoniaco a urea. La síntesis de urea por estas preparaciones es muy estimulada cuando se adiciona el aminoácido ornitina; la cantidad de urea sintetizada excede por mucho la cantidad adicionada de ornitina, lo cual sugiere que la ornitina actúa catalíticamente. En definitiva, la incorporación de amoniaco en urea requiere cinco etapas. Se forma primero el carbamoil fosfato y su átomo de nitrógeno es incorporado en la urea en las cuatro reacciones del ciclo. Se efectúan dos reacciones en las mitocondrias de las células hepáticas, y las otras tres se llevan a cabo en el citosol. Los precursores de los dos átomos de nitrógeno de la urea son el amoniaco y el aspartato y, en definitiva ambos pueden ser obtenidos del glutamato (el amonio por deshidrogenación y el aspartato por transaminación). El átomo de carbono de la urea proviene del bicarbonato. Arg-succinato liasa Fumarato L-Arginina Urea Arginasa Arg-succinato sintasa Aspartato Arginino-succinato ITSL itrulina AM i AT rnitina itrulina MITDIA rnitina-carbamil transferasa rnitina 2 AD i arbamil-fosfato 2 AT 2 4

4 Así, en la reacción general para la síntesis de la urea se consume un total de cuatro equivalentes de AT. Tres moléculas de AT son convertidas a dos de AD y una de AM durante la formación de una molécula de urea y la hidrólisis de la molécula de pirofosfato inorgánico que se forma consume un cuarto equivalentes de AT. La urea pasa del hígado a través de la corriente sanguínea al riñón, en donde se excreta en la orina. El carbamoil fosfato que llega al ciclo de la urea se sintetiza a partir de amoniaco, bicarbonato y AT en una reacción en las mitocondrias catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa I. Esta enzima es una de las más abundantes en las mitocondrias del hígado, constituyendo tanto como el 20 por ciento de las proteínas de la matriz de las mitocondrias. El mecanismo de la reacción, catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa I comprende tres etapas. rimero, se forma el carbonil fosfato por reacción del bicarbonato con el fosfato gama de AT; entonces el amoníaco desplaza al fosfato para formar carbamato, y por último, se forma carbamoil fosfato por transferencia del fosfato y de una segunda molécula de AT. Una enzima semejante, llamada carbamoil fosfato sintetasa II emplea glutamina con preferencia al amoniaco como donador de nitrógeno. Esta enzima, localizada en el citosol de las células hepáticas y de la mayor parte de otras, cataliza la formación de carbamoil fosfato destinado para la síntesis de nucleótidos de pirimidina. La carbamoil fosfato sintetasa de las mitocondrias es activada alostéricamente por -acetilglutamato, que se forma por la reacción entre glutamato y acetil oa, catalizada por -acetilglutamato sintasa: 4 2 Ácido arbónico AT AD arbonil-fosfato arbamato AT AD arbamil-fosfato arbamil Fosfato Sintasa I Un nivel elevado de transaminación durante el catabolismo de los aminoácidos lleva a una concentración elevada de glutamato y el incremento resultante de la concentración de -acetilglutamato. La activación de la carbamoil fosfato sintetasa I por -acetilglutamato incrementa el suministro de sustrato para el ciclo de la urea. El ciclo de la urea puede resumirse en las siguientes etapas: 1. En la primera reacción del ciclo de la urea, el carbamoil fosfato reacciona en la mitocondria con el intermediario del ciclo de la urea, la ornitina, para

5 formar citrulina en una reacción que cataliza la ornitina carbamil transferasa. Esta etapa incorpora en la citrulina el átomo de nitrógeno que tiene su origen en el amonio. De esta forma, la citrulina contiene la mitad el nitrógeno que se destina a la urea. El mecanismo de la ornitina transcarbamoilasa implica que el grupo amino delta, nucleofílico de la ornitina reacciona con el carbono carbonílico del carbamoil fosfato, liberando fosfato inorgánico y produciendo citrulina. Entonces la citrulina se transporta fuera de la mitocondria en un intercambio electroneutro con ornitina del citosol, un compuesto que se produce en una reacción posterior del ciclo de la urea. 2. El segundo átomo de nitrógeno destinado para la urea se incorpora en el citosol cuando la citrulina se condensa con el aspartato para formar arigininosuccinato. Esta reacción dependiente de AT está catalizada por la argininosuccinato sintetasa. La mayor parte del aspartato de las células se genera en el citosol. or ejemplo, la asparaginasa del citosol cataliza la formación de aspartato a partir de asparagina. El mecanismo de la reacción catalizada por la arginino-succinato sintetasa implica la formación de un intermediario citrulil-am cuando el oxígeno ureídico de la citrulina desplaza al i del AT. El AM se convierte en el grupo saliente cuando el grupo amino de aspartato desplaza a este oxígeno. 3. El arginino-succinato se rompe, no hidrolíticamente, para formar arginina más fumarato en una reacción de eliminación, catalizada por la argininosuccinato liasa. Juntas, la segunda y la tercera etapas del ciclo de la urea ejemplifican la estrategia para la donación del grupo amino de aspartato que encontraremos dos veces más en el teórico siguiente como parte de la biosíntesis de la purina. Los procesos clave son una condensación dependiente de AT, seguida de eliminación de fumarato. La arginina es el precursor inmediato de la urea. El destino metabólico del otro producto de esta reacción, el fumarato, requiere una explicación. Sabemos por experimentos con células hepáticas aisladas que el esqueleto de carbono de este fumarato citosólico se convierte en glucosa y 2. El fumarato es hidratado a malato por la acción de la malato deshidrogenasa. El oxaloacetato entra en la vía de la gluconeogénesis, con tres átomos de carbono que son incorporados en la glucosa y un carbono que se convierte en 2 por la reacción de descarboxilación catalizada por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. omo en cada ronda del ciclo de la urea se consume una molécula de aspartato y se libera una molécula de fumarato podemos sacar la conclusión de que una vía plausible para el suministro continuado de aspartato podría ser fumarato a malato a oxalacetato a aspartato, una ruta que algunas veces de considera en las descripciones del ciclo de la urea. ero los experimentos muestran que el fumarato es metabolizado a glucosa. uál es, entonces la fuente de los átomos de carbono para la molécula de aspartato que se requiere para cada ronda del ciclo de la urea? Este aspartato deriva principalmente de la alanina formada en el músculo por transaminación de piruvato que proviene del catabolismo de la glucosa. La glucosa se origina en el hígado como un resultado de la gluconeogénesis que está ligada al ciclo de la urea.

6 La glucosa y la alanina son transportadas entre el hígado y el músculo a través de la circulación sanguínea. Esta transferencia de glucosa y alanina entre órganos recibe el nombre de ciclo de la glucosa y la alanina. Lo consideraremos de nuevo más adelante, al estudiar las interrelaciones entre los órganos en los mamíferos. 4. En la reacción final del ciclo de la urea, el grupo guanidinio de la arginina se rompe hidrolíticamente para formar ornitina y urea en una reacción catalizada por arginasa. Muchos tejidos de mamíferos tienen algunas enzimas del ciclo de la urea, pero sólo el hígado las tiene todas ellas. En particular, el hígado es el único sitio con una actividad apreciable de la arginasa, y el hígado es el único sitio de ureogénesis significativa. La ornitina generada por la acción de la arginasa es transportada a la mitocondria por la misma reacción de intercambio que transporta la citrulina al citosol. La ornitina de la mitocondria reacciona con el carbamoil fosfato para continuar con el funcionamiento del ciclo de la urea. Aporte de nitrógeno al ciclo de la urea. ay un conjunto de reacciones auxiliares que equilibran el suministro de sustrato hacia el ciclo de la urea. Las reacciones del ciclo de la urea convierten cantidades estequiométricas de amoniaco y de aspartato en urea. Muchos aminoácidos pueden participar como donadores de grupo amino a través de reacciones de transaminación con α- cetoglutarato, formando glutamato. El glutamato puede experimentar tanto una transaminación con oxalacetato para formar aspartato, como una desaminación para formar amoniaco. Tanto la glutamato deshidrogenasa como la aspartato transaminasa son abundantes en las mitocondrias hepáticas y catalizan reacciones cercanas al equilibrio. or lo mismo, el glutamato es la fuente final de ambos nitrógenos de la urea, el que aporta el amonio o el que aporta el aspartato. Las dos reacciones en las que interviene el glutamato pueden convertir cualquier proporción dada de aminoácidos y de amoniaco en cantidades iguales de aspartato y amoniaco que se consumirán durante la operación del ciclo de la urea. onsideremos el caso de un excedente relativo de amoniaco. En esta circunstancia, el equilibrio de la reacción catalizada por glutamato deshidrogenasa será desalojado en la dirección de la formación de glutamato; concentraciones elevadas de glutamato desalojaran el equilibrio de la reacción catalizada por aspartato transaminasa de modo que haya un incremento proporcionado de aspartato. or el contrario, en caso de que exista un exceso de aspartato, las reacciones catalizadas por glutamato deshidrogenasa y aspartato transaminasa correrán en direcciones opuestas para producir amoniaco para la formación de urea. El hombre no sintetiza suficiente cantidad de arginina para satisfacer las necesidades tanto de la síntesis de proteína como de formación de urea, por consiguiente requieren un suministro exógeno. En las plantas y en los microorganismos, la conversión de ornitina en arginina es una etapa integral en la biosíntesis de arginina. omo vimos, la síntesis de ornitina se inicia con la acetilación del grupo α-amino del glutamato por un grupo acetilo de la acetil oa. Enseguida, el carboxilo-γ es convertido en un aldehído por fosforilación y reducción,

7 reacciones análogas a las dos primeras etapas de la biosíntesis de la prolina. El γ- semialdehido--acetilglutamato que resulta sufre una transaminación y una desacetilación, formando ornitina. Entonces, la ornitina es convertida en arginina por las mismas reacciones como etapas 1, 2, y 3 del ciclo de la urea. La acetilación del grupo amino del glutamato en la primera etapa de la síntesis de la ornitina y su desacetilación final se puede ver como un desperdicio. Sin embargo, como ya vimos, la sustitución del grupo amino lo protege de reaccionar con el grupo γ-aldehído para formar una base de Schiff interna. Degradación de los esqueletos carbonados. Las vías para el catabolismo de las cadenas de carbono de los aminoácidos convergen con las principales vías de metabolismo. Algunos aminoácidos son degradados a intermedios del ciclo del ácido cítrico, otros a piruvato y aún otros a acetil-oa. Los aminoácidos que son degradados a intermedios del ciclo del ácido cítrico pueden aportar sustratos para la ruta de la gluconeogénesis y, por ello, se llaman glucogénicos. Aquellos aminoácidos que se degradan hasta acetil-oa pueden contribuir a la formación de ácidos grasos o de cuerpos cetónicos y, por lo mismo, se llaman cetogénicos. Finalmente, los aminoácidos que forman piruvato se pueden metabolizar tanto a oxalacetato como a acetil-oa y por ello, pueden ser tanto glucogénicos como cetogénicos. o mencionaremos más detalle de las rutas de la degradación de los aminoácidos ya que a pesar de utilizar reacciones cuya lógica metabólica ya hemos analizado, son muy diferentes en distintos organismos y deberíamos poder deducirlas si conocemos cual es el sustrato y cual el producto de cada degradación.