Bioquímica General Unidad 11 y 12 Metabolismo de Aminoácidos
Introducción Comprende interconversiones catalizadas por enzimas de moléculas pequeñas que contienen el elemento nitrógeno. El gas inerte, N 2 es la fuente última del nitrógeno biológico. El amoniaco (NH 3 ) derivado del N 2 es incorporado en los metabolitos intermedios, incluyendo los aminoácidos vía glutamato y glutamina. 2
El metabolismo de aminoácidos se puede considerar desde dos puntos de vista: 1.Orígenes y destino del N 2.Orígenes y destinos de esqueletos de C El N 2 puede ser fijado por unas pocas especies. El producto de la fijación es NH 3, el cual puede ser metabolizado por todos los organismos. 3
El metabolismo de los precursores y la degradación de aminoácidos se intersecan con muchas de las principales vías metabólicas. Pocos organismos asimilan el N 2 para integrarlo al carbono. Otros integran cadenas de carbono pero requieren NH 3. Los mamíferos tienen menor capacidad para biosíntesis de aminoácidos (sólo la mitad). 4
Los patrones de biosíntesis varía entre las diferentes especies, así como la ruta de degradación. La función primordial de los aminoácidos es de construir proteínas (no utilizar como energía). En situaciones como el ayuno o con dieta alta en proteínas, los metabolitos de aminoácidos entran a la vía de la gluconeogénesis. 5
Ciclo del Nitrógeno 6
Nitrógeno ciclado a través de la biósfera La atmósfera contiene alrededor de 80% de N 2 gaseoso. Su triple enlace lo hace muy inerte (energía unión = 225 kcal/mol) N N : : Se requiere sistemas muy específicos y sofisticados para iniciar la serie de reacciones químicas 7
Organismos efectúan fijación En la industria química se fija para utilizarlo como fertilizantes, en procesos que comprenden alta temperatura y presión asociados con catalizadores para reducir N 2 a NH 3. Algunas pocas bacterias y algas tiene capacidad de sintetizar el complejo enzimático nitrogenasa. 8
La nitrogenasa se encuentra en el género Rhizobium que viven en forma simbiotica en nódulos de las raíces de muchas plantas (algunas leguminosas, frijoles, guisantes, alfalfa y trebol). También es fijado por bacterias libres como Azotobacter, Klebsiella y Clostridium y por cianobacterias de ambientes acuosos. Nódulos en raíces 9
La enzima nitrogenasa consta de dos componentes proteínicos, uno que contiene hierro y otro con hierro y molibdeno. 10
Un fuerte agente reductor es necesario para la reducción enzimática de N 2 a NH 3. En el curso una sola molécula de N 2 requiere que 12 ATP pasen a ADP y Pi, pero el costo es más elevado debido a reacciones colaterales, se estima en 16 ATP. 2e-, 2H+ 2e-, 2H+ 2e-, 2H+ N N Dinitrógeno HN NH Diimina H 2 N NH 2 Hidrazina 2NH 3 Amoniaco (Intermediarios postulados) 11
Plantas y microoganismos convierten nitratos y nitritos en amoniaco Durante tormentas con rayos, descargas electricas catalizan la oxidación del N 2. El N 2 y el O 2 de la atmósfera forman nitrato (NO 3- ) y nitrito (NO 2- ) biológicamente utilizables y llevados al suelo. Los microorganismos Nitrosomonas y Nitrobacter oxidan el amoniaco a nitrato y nitrito. 12
La mayor parte de plantas y microorganismos contienen nitrato reductasa y nitrito reductasa que catalizan la reducción de nitrito y nitrato a amoniaco. NO 3 _ NAD(P)H, H + Nitrato reductasa NAD(P) H 2 O + NO 2 _ NO 2 _ NO _ NH 2 OH (intermediarios postulados) NH 3 13
Algunas bacterias convierten el amoniaco en nitrito, y otras convierten el nitrito a nitrato, esta formación a nitratos recibe el nombre de nitrificación. Otras bacterias pueden reducir los nitratos a nitritos o a N 2 (desnitrificación) 14
Ciclo de nitrógeno Nitrógeno atmosférico Relámpago N 2 Nitrogenasa NO 3 _ Nitrato NH 3 Amoniaco Vías metabólicas Aminoácidos Nucleótidos Fosfolípidos Nitrato reductasa NO 2 _ Nitrito Nitrito reductasa El amoniaco es incorporado a las biomoléculas. Bacterias convierten los nitratos y nitritos a amoniaco y viceversa. 15
Biosíntesis de aminoácidos 16
Biogénesis del Nitrógeno Orgánico El NH 3 a concentraciones elevadas es tóxico, pero a concentraciones bajas constituye un metabolito central, que actúa como sustrato de cinco enzimas que lo convierten en diversos compuestos nitrogenados. 17
18
Glutamato Deshidrogenasa Generación de un intermediario para la síntesis de otros aminoácidos. 19
Glutamato Deshidrogenasa Aminación reductora del α-cetoglutarato se da tanto en plantas como en animales. 20
Glutamato Deshidrogenasa Comprende la condensación del amoniaco con el grupo carbonilo del a-cetoglutarato, formando un intermediario y reducido por la transferencia de un ion hidruro (NADH o NADPH). COO C=O _ NH 4 + H2 O COO + H 2 N=C _ NAD(P)H, H + NAD(P) + COO + H 3 N _ C _ CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO a-cetoglutarato _ CH 2 COO Ion iminio _ CH 2 _ COO L-glutamato 21
Glutamina Sintetasa Generación de un intermediario para la síntesis de purinas, amino azúcares, triptófano e histidina. 22
Glutamina Sintetasa Otra reacción critica para la asimilación del amoniaco es la reacción entre glutamato y amoniaco, catalizada por glutamina sintetasa. 23
Glutamina Sintetasa La glutamina es un donador de nitrógeno en mucha de las biosíntesis. El nitrógeno de la glutamina es el precursor directo de varios nitrógenos de los sistemas anulares de la pirimidina y purina. La glutamina tiene papel especial en los mamíferos, donde la formación de este compuesto reduce la concentración de NH 4 + (tóxico en circulación) 24
Glutamato Sintetasa Generación de glutamato. 25
Glutamato Sintetasa α-cetoglutarato + glutamina + NADPH + H + 2 Glutamato + NADP + La glutamato sintetasa cataliza esta reacción comparable a la catalizada por la glutamato deshidrogenasa, pero actúa fundamentalmente en la síntesis del glutamato. 26
Asparagina Sintetasa Generación de asparagina. 27
Asparagina Sintetasa Una reacción semejante de amidación. La aspargina se sintetiza en muchos animales en una reacción que comprende la transferencia del nitrógeno amídico de la glutamina al aspartato catalizada por aspargina sintetasa. 28
Carbamoil Fosfato Sintetasa Generación de un intermediario para la síntesis de arginina, urea y pirimidinas. 29
Se discutirá su función en el Ciclo de la Urea. 30
Transaminación Proporciona una ruta para la redistribución del nitrógeno de los aminoácidos. El glutamato es un producto abundante de la asimilación del amoniaco, y la transaminación utiliza el nitrógeno del glutamato para la síntesis de otros aminoácidos. La coenzima involucrada es la fosfato de piridoxal. 31
El grupo amino del glutamato es transferido a diversos a-cetoácidos, generando los correspondientes a-aminoácidos. El catabolismo algunas reacciones de transaminación generan glutamato o aspartato. Sus grupos amino entran a las vías que llevan a la disposición del nitrógeno, ej. El ciclo de la urea o en la síntesis de ácido úrico. 32
Fosfato de Piridoxal (PLP) En 1938 la piridoxina fue aislada de la vitamina B 6 cuya deficiencia produce acrodinia (una dermatitis) en ratas. En sí la piridoxina puede ser convertida a piridoxal o piridoxamina. La forma activa se produce por acción de una quinasa. 33
Fosfato de Piridoxal El fosfato de piridoxal se une a la enzima en tres puntos: la formación de una base de Schiff, interacción del fosfato a residuos positivos y del amino secundario del anillo a otro residuo. La entrada de un aminoácido se asocia a la destrucción y reformación de la base de Schiff. 34
Fosfato de Piridoxal En general, el fosfato de piridoxal presenta un mecanismo en el que hay un movimiento de pares de electrones que empieza con la estabilización de carga en el amino del ciclo. Esto provoca la migración de enlaces hasta que uno de los tres enlaces del carbono alfa del aminoácido (el del hidrógeno, el del carbonilo o el del grupo R) es afectado. 35
36
Transaminación La transaminación es la transferencia reversible de un grupo amino desde un aminoácido a un cetoácido, con la intervención del piridoxal fosfato, (procedente de la vitamina B 6 ) como coenzima. 37
Transaminación Reacción entre lado de la cadena de lisina de la enzima La entrada de un nuevo sustrato a-cetoácido y la inversa de cada reacción produce un nuevo aa y regenera E-PLP Una imina entre fosfato de piridoxal y lisina de la enzima Imina entre el fosfato de piridoxal y el a-aminoácido a-cetoácido hidrólisis Fosfato de piridoxamina Intermediario quinonoide (carbanión estabilizado por resonancia) 38
La mayor parte de aminoácidos comunes se pueden formar por transaminación. No obstante el a-cetoácido que conduce a la lisina es inestable. Además el a-cetoácido de la treonina es malo, por lo que se forma poca treonina. 39
Transaminación El glutamato se puede formar tanto por aminación reductiva como por transaminación del a-cetoglutarato. El oxaloacetato es el receptor del grupo amino para formar el aspartato. COO C=O _ Amino ácido a-ceto ácido COO + H 3 N _ C _ CH 2 COO _ Oxaloacetato Transaminación CH 2 _ COO Aspartato 40
La mayor parte de los organismos no disponen de compuestos de nitrógeno poliméricos cuya función sea el almacenamiento o la liberación, según la demanda. Por tanto, hay amplias diferencias en cuanto a su capacidad de sintetizar aminoácidos. Muchas bacterias pueden sintetizar todos sus metabolitos nitrogenados a partir de una única fuente de nitrógeno. 41
Sin embargo, muchos microorganismos utilizarán un aminoácido ya formado cuando disponga de él, en vez de sintetizarlo. Un ejemplo es Lactobacillus, que ha perdido muchas capacidades de biosíntesis porque crece en la leche, que es un medio de abundantes nutrientes. 42
A esta bacteria se le han de proporcionar los 20 aa para poder cultivarla en el laboratorio. Los mamíferos son capaces de sintetizar aproximadamente la mitad de los aminoácidos. 43
Aminoácido Moles de ATP por cada mol de aminoácido producido No esencial Glicina 12 Serina 18 Cisteina 19 (de aa esenciales) Alanina 20 Aspartato 21 Aspargina 22 Glutamato 30 Glutamina 31 Esencial Treonina 31 Prolina 39 Valina 39 Histidina 42 Arginina 44 Metionina 44 Leucina 47 Lisina 50 ó 51 Isoleucina 55 Tirosina 62 (de aa esenciales) Fenilalanina 65 Aminoácidos esenciales y no esenciales para el hombre con requerimiento energético para biosíntesis Los aminoácidos con mayor requerimiento energético para su biosíntesis son por lo general esenciales Triptofano 78 44
Aminoácidos Esenciales Estos son en general, los que tienen estructuras complejas, como anillos aromáticos y cadenas laterales hidrocarbonadas. No esenciales Son los que se sintetizan con facilidad a partir de metabolitos abundantes, como intermediarios de la glucólisis o ciclo de Krebs. 45
Serina, glicina y cisteína derivados del 3-fosfoglicerato La serina es el precursor biosintético más importante de glicina y cisteína. La formación de serina se inicia con 3-fosfoglicerato y comprende tres reacciones (oxidación, transaminación, hidrólisis) 46
Rutas metabólicas de serina y la glicina Esfingolípidos Esfingosina Fosfatidilserina Serina Cisteína Purinas Glicina glutatión Ácidos biliares Porfobilinógeno Glioxilato Creatina fosfato Porforinas Clorofila Hemo Cobalamina 47
Prolina a partir de glutamato La g-glutamato cinasa cataliza la fosforilación, y convierte a glutamato g-semialdehído El glutamato g-semialdehído experimenta una ciclación no enzimática (base de Schiff interna) Por último una reductasa cataliza la formación de prolina. 48
Bacterias y plantas sintetizan aminoácidos La mayoría de aminoácidos esenciales para los mamíferos se producen en bacterias. Se consideran que las plantas sintetizan estos aminoácidos por vías semejantes. 49
Aminoácidos aromáticos El shikimato es el intermediario clave en la síntesis de aminoácidos. 50
La vía se puede bifurcar a partir del corismato COO - COO - CO 2 + OH O Glutamato a-cetoglutarato H NH 3 + COO - O COO - COO - O COO - Fenilpiruvato Fenilalanina HO H Corismato HO H Prefenato NAD + COO - O Glutamato a-cetoglutarato COO - H NH 3 + NADH + CO 2 OH p-hidroxifenilpiruvato OH Tirosina 51
El corismato se puede convertir en antranilato, que posteriormente se convierte en triptófano - OOC + H 3 N H COO - COO - H 2 N COO - HN O HO H Corismato Glutamina Glutamato + Piruvato Antranilato Triptófano 52
Degradación de aminoácidos 53
Degradación de Aminoácidos La degradación de los aminoácidos suele iniciarse con la conversión en el correspondiente α-cetoácido mediante transaminación o desaminación oxidativa. 54
Degradación de Aminoácidos Una vez eliminado el nitrógeno, el esqueleto carbonatado puede procesarse hacia la oxidación en el ciclo del ácido cítrico, puede utilizarse para la biosíntesis de carbohidratos, o para la formación de cuerpos cetónicos. 55
Glucogénicos Cetogénicos Ambos 56
Los aminoácidos cuyos esqueletos generan piruvato u oxalacetato se convierten de manera eficaz en carbohidratos (en condiciones de inanición). Los aminoácidos que producen acetil-coa tienen una contribución a la cetogénesis. 57
Excreción de Amoniaco Para la mayor parte de animales acuáticos, que pueden captar y expulsar cantidades ilimitadas de agua, el amoniaco se disuelve simplemente en el agua y se difunde al exterior. Dado que los animales terrestres necesitan conservar agua, convierten el amoniaco en una forma que pueda excretarse sin que ello signifique pérdidas de agua importantes. 58
Excreción de Amoníaco Los pájaros, reptiles terrestres e insectos convierten su mayor parte de NH 3 excedente en ácido úrico, una purina oxidada. Ácido úrico 59
Excreción de Amoníaco Dado que el ácido úrico es bastante insoluble, precipita y puede excretarse sin pérdida de agua (ruta se verá en ácidos nucleicos). La mayor parte de los mamíferos excretan el nitrógeno en forma de urea, que si es bastante soluble. 60
Ciclo de la Urea La urea se sintetiza en el hígado y se transporta a los riñones. Este ciclo se da tanto en el citosol como en la mitocondria de las células hepáticas. La urea es producto de un conjunto de reacciones que se denomina ciclo de la urea (dilucidada por Hans Krebs y Kurt Henseleit, 1932) 61
62
Ciclo de la Urea La ornitina actúa como transportador sobre el cual se ensamblan el átomo de carbono y los de nitrógeno que finalmente constituirán la urea. La ornitina se sintetiza a partir del glutamato. 63
64
Ciclo de la Urea En la urea, el origen del carbono y un nitrógeno es el carbamoil fosfato, que reacciona con la ornitina para dar citrulina. Enzima: ornitina carbamoil transferasa. 65
66
Ciclo de la Urea El segundo nitrógeno procede del aspartato, que reacciona con la citrulina para dar argininsuccinato. Enzima: argininsuccinato sintetasa. 67
68
Ciclo de la Urea El argininsuccinato se rompe mediante una reacción no hidrolítica y no oxidativa para dar arginina y fumarato. Enzima: argininosuccinasa. 69
70
Ciclo de la Urea La arginina se rompe de forma hidrolítica por la arginasa, para regenerar la ornitina y producir una molécula de urea. Enzima: arginasa. 71
72
Ciclo de la Urea El fumarato se convierte en oxalacetato en el ciclo del ácido cítrico 73
74
Ciclo de la Urea Luego el oxalacetato se convierte a aspartato mediante transaminación. 75
76
Ciclo de la Urea La reacción neta es: CO 2 + NH 4+ + 3ATP + aspartato + 2H 2 O urea + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + fumarato Se consume un total de 4 equivalentes de ATP (3 ATP, convierte dos en ADP y uno en AMP y la hidrólisis de PPi) 77
Transporte de amoníaco al hígado para la síntesis de urea. 78
Tras su síntesis, la urea se transporta por el torrente sanguíneo a los riñones, que lo filtran para su excreción. Cada riñón contiene alrededor de un millón de nefronas (contiene vasos sanguíneos o capilares, glomérulos). Fuente: NKUDIC y NIDDK 79
80