domingo, 7 de febrero de 2016

Metabolismo de los aminoácidos.



Utilización del nitrógeno inorgánico: ciclo del Nitrógeno

Las formas más abundantes en el planeta en que se encuentra el N son el N2 atmosférico y el NO3 presentes en la corteza terrestre.
Todos los organismos pueden emplear el NH3 para generar compuestos orgánicos sencillos (aminoácidos,  nucleótidos,  coenzimas...)  y  a  partir  de  estos  generar  estructuras  más complejas (proteínas, DNA, RNA…) en diferentes procesos de biosíntesis.
Además, todos son capaces de llevar a cabo rutas catabólicas en las que se degraden estos compuestos para obtener de nuevo NH3.
No obstante, no todos los organismos son capaces de generar el NH3  desde el N2  o el NO3-­‐.
Determinados microorganismos (muchos de ellos viviendo en simbiosis con las plantas) son capaces de fijar el N2 atmosférico a NH3. La reducción del NO3 multitud de plantas y microorganismos.
De manera análoga sucede con la reoxidación del NH3; ciertos microorganismos son capaces de obtener su energía metabólica por medio de dicha reoxidación.
Todos estos elementos constituyen parte del denominado ciclo del nitrógeno.

Utilización del NH3

El NH3 a elevadas concentraciones resulta tóxico para los organismos animales pero a bajas concentraciones supone un metabolito esencial.

Todos los organismos asimilan el NH3 a través de reacciones que conducen al Glu, Gln, Asn y el carbamoil fosfato.

En este punto, el destino metabólico de dicho NH3 asimilado variará.
La mayor parte del NH3 va a parar a procesarse a través del Glu y de la Gln

Glutamato deshidrogenasa

La glutamato deshidrogenasa se encarga de catalizar la aminación del α-­‐cetoglutarato. Se trata de la misma enzima que participa en las reacciones anapleróticas.
El uso de NAD+ o NADP+ depende de los organismos. En los animales suele emplearse NAD+. Localizada  en  las  mitocondrias, su  regulación es  alostérica. El  ATP  suele  activarla  en  el
sen5do de formación del Glu y el ADP en el sentido inverso.
Aun así, la fuente principal de Glu proviene de la Gln y la glutamato sintasa ya que la glutamato deshidrogenasa posee una KM elevada por el NH3.

Glutamina sintetasa

El Glu puede aceptar un nuevo NH3 para originar Gln por medio de la glutamina sintetasa.


La reacción es irreversible y requiere el consumo de un ATP.

Esta reacción es clave pues el N amida se emplea en la biosíntesis de varios aminoácidos, purinas, pirimidinas y aminoazúcares.

Esta enzima resulta esencial en la eliminación del exceso de NH3 que se pueda generar en un catabolismo de aa elevado en el cerebro. La Gln, además, es un combustible importante para las células del sistema inmunitario.

Asparagina sintetasa

La transformación del Asp a Asn es otro mecanismo para procesar el NH3 e incorporarlo a las rutas metabólicas.
Esta reacción está catalizada por la asparagina sintetasa.

La reacción es también irreversible y consume un ATP para generar AMP y PPi (equivalente a dos ATPs).
La asparagina sólo sirve para hacer proteínas.

Carbamoil fosfato sintetasa

La generación de carbamoil fosfato es esencial para la síntesis de la Arg y de las pirimidinas. Además también resulta parte esencial de la generación de la urea en el ciclo de la urea.
La carbamoil fosfato sintetasa se encarga de catalizar la síntesis de este compuesto desde el propio NH3 o desde la Gln.
Los organismos eucariotas poseen dos isoformas de la enzima: I y II.
La isoforma I posee preferencia por el NH3  y se localiza principalmente en la mitocondria para sintetizar Arg y urea (Ciclo de la urea). Hace la primera reacción
La isoforma II emplea la Gln, se localiza en el citosol. Participa en la síntesis de pirimidinas. Hace la segunda reacción.

Síntesis de los aminoácidos.

El metabolismo de las proteínas y de los ácidos nucleicos difieren de manera significativa al de los hidratos de carbono y los lípidos.
En el caso de hidratos de carbono y lípidos existen sustancias dedicadas exclusivamente al almacenamiento y posterior movilización de estas sustancias. No sucede así con proteínas y ácidos nucleicos.
Los organismos animales deben reponer continuamente mediante la dieta las sustancias nitrogenadas para compensar aquellas que se pierden en el catabolismo.
Cuando las proteínas aportadas a través de la alimentación son insuficientes para cubrir esta demanda, se degradan las proteínas musculares y éstas no se reponen.
Existen microorganismos capaces de sintetizar los 20 aa proteicos por ellos mismos. Otros (como Lactobacillus) son incapaces de hacerlo y requieren del aporte exógeno de los 20 aa en el medio de cultivo.
Los organismos superiores se sitúan en un punto intermedio pues son capaces de sintetizar aproximadamente la mitad de los aa proteicos.
Se distinguen entre aa esenciales y aa no esenciales.
Los aminoácidos esenciales son aquellos que poseen cierta complejidad estructural (anillos aromáticos, cadenas laterales hidrocarbonadas de gran tamaño…) y tenemos que adquirirlos por la dieta. Los no esenciales son aquellos que se pueden sintetizar fácilmente a partir de metabolitos intermedios de la glucólisis o del ciclo de Krebs.
Una vía esencial para la síntesis de los diferentes aminoácidos son las reacciones de transaminación, ya que proporcionan una ruta para la redistribución del N en los aa.
En estas reacciones, el Glu juega un papel fundamental como fuente de N para la síntesis de otros aminoácidos ya que es el producto principal de la asimilación del NH3.
Las  reacciones  de  transaminación  están  catalizadas  por  las  enzimas  transaminasas  o
aminotransferasas.



Las células animales poseen aminotransferasas específicas para la síntesis de casi todos los aminoácidos salvo para la treonina y la lisina. El punto limitante, y que determina que un organismo un aminoácido sea esencial o no, es la presencia de las enzimas necesarias para la síntesis del esqueleto α-­‐cetoácido correspondiente.
Las transaminasas actúan próximas al equilibrio. Así, el sentido viene determinado por la concentración de reactivos a un lado o a otro de la reacción.
Por tanto, las reacciones de transaminación no sólo se emplean para la síntesis de aminoácidos, sino que también se emplean para degradarlos cuando existe un exceso de éstos.
En el sentido degradativo, la transaminasa correspondiente suele actuar en tándem con la glutamato deshidrogenasa.

Degradación de los aminoácidos

En los organismos animales, cuando la ingesta de proteínas supera los requerimientos célulares  de  biosíntesis  de  aminoácidos  y  proteínas,  el  exceso  de  N  se  elimina  y  los esqueletos carbonados correspondientes se metabolizan en el ciclo de Krebs.
El primer paso en la degradación de aminoácidos consiste en la eliminación del grupo α-­‐
amino para originar el α-­‐cetoácido correspondiente. Transaminación.
Otra posibilidad es el uso de una enzima denominada L-­‐aminoácido oxidasa que desamina directamente el aminoácido en cuestión para liberar NH3 en forma de NH4 especialmente abundante en el riñón y en el hígado.

Una vez obtenido el esqueleto hidrocarbonado, éste puede emplearse en dirección degradativa o en dirección biosintética, en función del estado del organismo.
Existen aminoácidos que se transforman eficazmente en piruvato y oxalacetato y a partir de ahí pueden generar hidratos de carbono por medio de la gluconeogénesis. Se denominan aminoácidos glucogénicos. Otros conducen a la síntesis efectiva de acetil-­‐Coa y acetoacetil-­‐ CoA que se derivan hacia cetogénesis. Se denominan aminoácidos cetogénicos.
El exceso de NH3 acumulado en el organismo resulta tóxico para éste. Por tanto, en condiciones de catabolismo activo de los aminoácidos, el organismo ha de ser capaz de excretar el NH3 según va generándose.
Los organismos acuáticos pueden disolverlo en el agua y excretarlo directamente pues la pérdida del líquido siempre se encuentra compensada.
Los reptiles terrestres e insectos convierten en su mayor parte el exceso de NH3  en ácido úrico.
Los mamíferos lo excretan transformándolo en urea.
La urea se sintetiza en el hígado y se transporta a los riñones para su posterior excreción.
El ciclo de la urea es la ruta que tiene lugar en los mamíferos para procesar el exceso de NH3. Algunas fases de la ruta tienen lugar en el citosol y otras, en la mitocondria.
1.       La ruta comienza con la condensación en la mitocondria del carbamoil fosfato con la ornitina por medio de la ornitina carbamoiltransferasa para originar citrulina.
El carbamoil fosfato proviene de la acción de la carbamoil fosfato sintetasa, isoforma I.
La síntesis de carbamoil fosfato implica el consumo de 2 ATPs.
De esta manera, el carbamoil fosfato proporciona el C y uno de los Ns de la urea.

2.       En el siguiente paso el Asp se condensa con la citrulina para originar argininosuccinato por medio de la argininosuccinato sintetasa. Esta reacción consume un ATP adicional (AMP y PPi).


La reacción tiene lugar en el citosol y permite que el Asp aporte el N restante de la urea.

3.       En la siguiente reacción el argininosuccinato se descompone en arginina y fumarato a través de la acción de la argininosuccinasa.
4.       El  fumarato se  redirige hacia la  mitocondria mientras que  la  arginina permanece en  el citosol.
5.       Finalmente, la arginina se hidroliza gracias a la acción de la arginasa para dar lugar a ornitina y urea. Gracias a esta reacción la ruta posee un carácter cíclico.


Aunque el objetivo de la ruta ya se ha cumplido es necesario regenerar el Asp empleado en la reacción de la argininosuccinato sintetasa puesto que este aminoácido proporciona uno de los N de la urea.


El fumarato liberado en el paso de la argininosuccinasa se hidrata para originar malato gracias a la fumarasa.
El malato se oxida a oxalacetato por medio de la malato deshidrogenasa, generándose un equivalente reductor en la forma de NADH.
El oxalacetato reacciona con el Glu por medio de una transaminasa para originar Asp (que será empleado por la argininosuccinato sintetasa) y α-­‐cetoglutarato.


El Glu se obtiene, a su vez, por medio de la acción de la glutamato deshidrogenasa.
El balance neto de la ruta por cada vuelta del ciclo es:
Tras su síntesis, la urea es secretada al torrente sanguíneo y viaja hasta los riñones donde será excretada con la orina.
Puesto que en todos los tejidos se produce catabolismo de proteínas y de sus aminoácidos correspondientes pero el NH3 es procesado en el hígado, se requiere de su transporte hasta dicho órgano
El  transporte del  NH3  hasta  el  hígado  emplea 2  mecanismos en  función  del  origen del compuesto.
En la mayoría de los tejidos emplean la glutamina sintetasa para generar Gln a partir de Glu y
NH3.
La Gln es transportada por la sangre hasta el hígado y allí libera de nuevo el Glu y el NH3 por medio de la acción de la glutaminasa.
En el caso del músculo, se emplea el denominado ciclo glucosa-­‐alanina.
La glucólisis genera piruvato en el músculo que sufre una transaminación con el Glu para originar Ala y α-­‐cetoglutarato.
El Glu proviene, a su vez, de la acción de la glutamato deshidrogenasa.
La Ala viaja hasta el hígado y, una vez allí, se revierten las transformaciones.
Se regenera el Glu y el piruvato. El Glu reacciona siguiendo el ciclo de la urea.
El piruvato entra en la ruta gluconeogénica para regenerar glucosa que puede ser devuelta al músculo para ser reutilizada en la glucólisis.