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.
