METABOLISMO DE LOS AMINOÁCIDOS Los aminoácidos son comúnmente utilizados en el cuerpo como los bloques de construcción para la síntesis de proteínas y una variedad de compuestos nitrogenados fisiológicamente activos (hormonas, enzimas, y otras sustancias funcionalmente importantes). Esta función estructural de los aminoácidos es única e irremplazable. Son la principal fuente de nitrógeno en el cuerpo. Mientras que los aminoácidos también se pueden utilizar como combustible, este papel es secundario y reemplazable por los carbohidratos y las grasas. A diferencia de los carbohidratos y las grasas, los aminoácidos no se almacenan en el cuerpo. Sus cantidades dependen del anabolismo de aminoácidos y el catabolismo en el cuerpo, o el equilibrio de nitrógeno, que está directamente relacionado con la velocidad de síntesis y degradación de las proteínas. En adultos normales, existe un equilibrio entre la ingesta de nitrógeno de la dieta y la eliminación de nitrógeno a través de la orina y las heces. Durante el crecimiento y el embarazo, el consumo de nitrógeno excede su excreción. Se dice que el balance de nitrógeno es positivo; El exceso de nitrógeno se utiliza en la síntesis de nuevas estructuras de tejido. Por el contrario, en casos de desnutrición proteica, afecciones febriles severas, cáncer o diabetes no controlada, la excreción de nitrógeno excede su consumo y el balance de nitrógeno es negativo. Las proteínas que vienen con los alimentos se digieren e hidrolizan en sus aminoácidos constituyentes, que se absorben fácilmente en el intestino y, a través de la circulación, se distribuyen a todos los tejidos. Los aminoácidos son llevados a las células por los sistemas transportadores. Una vez en el citoplasma, pueden seguir diferentes alternativas metabólicas: (1) no se modifican y se usan para la síntesis de proteínas específicas, (2) se transforman en compuestos no proteicos fisiológicamente importantes o (3) se degradan con fines energéticos. A diferencia del glucógeno, en el que la molécula se somete a alargamiento y acortamiento permanente, las proteínas se renuevan continuamente, se degradan y se vuelven a sintetizar a diferentes velocidades, dependiendo de sus vidas medias particulares. Los aminoácidos liberados por la degradación de las proteínas endógenas, junto con los que provienen de las proteínas de la dieta, forman un grupo común de aminoácidos en el cuerpo a partir del cual se sintetizan nuevas proteínas y otros compuestos que contienen nitrógeno. Un adulto normal degrada aproximadamente 400 g de proteína por día. De los aminoácidos liberados, aproximadamente el 75% se reutilizan en la síntesis de nuevas proteínas. El resto ingresa a diferentes vías metabólicas, incluida la gluconeogénesis, la cetogénesis y la síntesis de una variedad de otros compuestos no proteicos. Síntesis de proteínas. Los niveles de proteína en la célula se controlan regulando su síntesis y degradación. Las nuevas proteínas se forman mediante la unión de aminoácidos, uno tras otro, a través de enlaces peptídicos, siguiendo una secuencia dictada por el genoma celular. La vida media de las proteínas. Después de un período de tiempo, las proteínas celulares se degradan, con un tiempo de renovación variable según la proteína considerada. Las proteínas producidas para la exportación celular, como las enzimas digestivas, las hormonas y los anticuerpos tienen una vida media de unas pocas horas o días, después de lo cual se degradan rápidamente. Incluso se han reportado vidas medias más cortas para proteínas que tienen funciones reguladoras, como las enzimas, que catalizan reacciones limitantes en las rutas metabólicas, las proteínas del ciclo celular y los factores de transcripción, que controlan la división celular. En contraste, las proteínas con un papel estructural, como el colágeno, son más estables y tienen una vida media promedio de varios meses. La vida media de una proteína puede estar influenciada por diferentes agentes. En particular, las especies reactivas de oxígeno pueden afectar la estructura, la conformación espacial y la actividad biológica de las proteínas. Las proteínas alteradas se degradan rápidamente en la célula. Degradación de proteínas. La célula tiene varios sistemas involucrados en la eliminación de proteínas que han llegado al final de su vida. Estos incluyen lo siguiente: Degradación lisosómica. Los lisosomas contienen hidrolasas, que degradan proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y carbohidratos. Las proteasas lisosómicas incluyen una familia de enzimas conocidas como catepsinas, que funcionan específicamente en medio ácido. Los lisosomas catalizan la hidrólisis de proteínas extracelulares, que la célula captura mediante endocitosis, o proteínas intracelulares solubles y asociadas a orgánulos, que tienen vidas medias largas, a través de un proceso llamado autofagia. La unión de Ub a proteínas o ubiquitinación está precedida por una serie de etapas. Éstos incluyen: Además de las catepsinas, otras enzimas están involucradas en la degradación de proteínas. Estos incluyen calpaínas (cisteína proteasas citosólicas activadas por Ca2+) y caspasas (proteasas involucradas en el proceso de muerte celular programada o apoptosis). 1. Activación de Ub. Se forma un tioéster entre el carboxilo del residuo de glicina terminal de Ub y un residuo de cisteína de la enzima activadora, o E1. La energía que alimenta esta reacción es proporcionada por la hidrólisis de ATP. La autofagia es un proceso para la degradación de proteínas de larga duración, carbohidratos, lípidos y orgánulos (mitocondrias, peroxisomas, ribosomas, retículo endoplasmático y núcleo), particularmente en condiciones de inanición y estrés celular. Se han descrito tres tipos diferentes de autofagia: (1) macroautofagia, (2) microautofagia y (3) autofagia mediada por chaperones. 2. Conjugación a E2. Ub activado se transfiere a un residuo de cisteína de una enzima conjugadora, o E2. 1. Macroautofagia. El material a ser degradado está envuelto en vesículas derivadas de la membrana del retículo endoplásmico. Estas vesículas se dirigen y se fusionan con un lisosoma, formando una nueva vesícula llamada autofagosoma. Las hidrolasas contenidas dentro del lisosoma degradan el material importado. 2. Microautofagia. El material a ser degradado (principalmente proteínas citoplasmáticas) es directamente internalizado y digerido por los lisosomas. 3. Autofagia mediada por chaperones. El polipéptido que se va a degradar está unido por una proteína chaperona, que lo entrega al lisosoma, donde será hidrolizado. Durante los períodos de inanición celular, las células hidrolizan las proteínas citosólicas que llevan la secuencia señal (Lys-Phe-Glu-Arg-Gln). Estas son, en general, proteínas con una larga vida media, funcionalmente no esenciales para la célula, pero, como la proteína de choque térmico de 70 kD, importante como fuente de energía y aminoácidos. Estas proteínas ingresan al compartimento lisosómico y se despliegan por asociación con proteínas chaperonas (Hsp70). Degradación de ubiquitina-proteasoma. Esta es la vía principal para la hidrólisis selectiva de, en general, proteínas de vida media corta. Las moléculas degradadas en esta vía se marcan primero mediante la inserción de un polipéptido de 76 aminoácidos llamado ubiquitina (Ub), que se distribuye ampliamente en todas las células. La ubiquitina tiene una masa de 8,5 kDa, siete residuos de lisina y un residuo de glicina en el extremo C terminal. 3. Enlace de Ub a E3. Una nueva transesterificación une Ub a la enzima ubiquitina ligasa, o E3. La mayoría de las células tienen un tipo de E1, pero diferentes formas de E2 y E3. Diferentes tipos de E2 y E3 reconocen diferentes proteínas como sustrato. Inserción de Ub en la proteína. Ub está unido por su carboxilo terminal al grupo ε-amina de un residuo de lisina en la proteína destinada a la degradación. La reacción es catalizada por la ubiquitina ligasa. Este paso se repite varias veces, hasta que varias moléculas de Ub se unen para formar una cadena de poli-Ub (Fig. 16.1). Un residuo de lisina (K48) es el principal aminoácido involucrado en la unión de las moléculas Ub. La polimerización de Ub permite que la proteína ingrese al proteasoma. Los proteasomas son estructuras de 2000 kDa y 26S (S = coeficiente de sedimentación estándar, una medida de la velocidad de sedimentación de una partícula sometida a ultracentrifugación) formadas cada una por una variedad de proteínas diferentes. Tienen un núcleo que consiste en un cilindro hueco de 20 S formado por la asociación de cuatro anillos de siete subunidades de polipéptidos cada uno. La superficie interna de esta estructura tubular está cubierta por numerosas proteasas. Ambos extremos del cilindro funcionan como compuertas o tapas y contienen proteínas con actividad ATPasa ubiquitina hidrolasa. La tapa recibe el polipéptido ubiquitinado, separa a Ub de la proteína y devuelve Ub al citoplasma, donde se reutilizará para el etiquetado de otras proteínas destinadas a la degradación. Una vez en el proteasoma, la proteína, ahora desprovista de Ub, ingresa a la cavidad del cilindro, se somete a la acción de las proteasas de la pared interna del proteasoma y se hidroliza a péptidos más pequeños. Estos péptidos se liberan al citosol donde se degradan aún más por las peptidasas (Fig. 16.1). FIGURA 16.1 Sistema ubiquitinaproteasoma. En el primer paso, una molécula de ubiquitina (Ub) se asocia con la enzima activadora (E1). Luego, Ub se transfiere a la enzima conjugadora (E2). La ligasa (E3) cataliza la unión de Ub a la proteína del sustrato. Este paso puede realizarse mediante transferencia directa de Ub desde E2 al sustrato o formando un intermedio E3-Ub como se muestra. Estos pasos se repiten para formar una cadena de poliUb. El sustrato es capturado por el proteasoma, la cadena polyUb se hidroliza y sus subunidades se reciclan para su uso futuro. El sustrato proteico se degrada a oligopéptidos en la cavidad del proteasoma. La vía ubiquitina-proteasoma es responsable de la eliminación de numerosas proteínas reguladoras, como los moduladores del ciclo celular, incluidas las ciclinas, p27, quinasas, la proteína supresora de tumores p53, los factores de transcripción, las proteínas del sistema de reparación del ADN, la subunidad reguladora de cAMP dependiente proteína quinasa y antígenos. La degradación de proteínas mediada por ubiquitina juega un papel importante en el crecimiento celular, la reparación del ADN y la respuesta inmune. Su disfunción contribuye al desarrollo de cáncer, enfermedades neurodegenerativas y trastornos del sistema inmunitario. Varios factores influyen en la vida media de las proteínas. Estos incluyen, por ejemplo, la estructura de la proteína. Cuando el aminoácido N-terminal es serina, la proteína dura más de 24 h; sin embargo, si el aspartato es el aminoácido N-terminal, la proteína tiene una vida media de unos pocos minutos. Además, las proteínas que muestran la secuencia prolinaglutamataserina-treonina tienen una vida corta. Además, los defectos en la estructura de la proteína o la ubiquitinación los hacen propensos a la degradación rápida. El sistema ubiquitina-proteasoma, así como la autofagia, contribuyen a mantener la calidad y la homeostasis de las proteínas. Además, la autofagia degrada otros nutrientes, como carbohidratos, lípidos y minerales que transportan proteínas (hierro). La ubiquitinación promueve la degradación de la proteína, pero también puede ejercer otras acciones sobre la proteína del sustrato. AMINOÁCIDOS ESENCIALES Los experimentos nutricionales llevaron al hallazgo de que hay dos tipos de aminoácidos, esenciales y no esenciales. Los aminoácidos esenciales o indispensables son aquellos que se deben suministrar en una cantidad adecuada en la dieta, para mantener el crecimiento normal en niños y jóvenes y el equilibrio adecuado de nitrógeno en adultos. Se requiere su suministro exógeno porque los humanos no tienen vías metabólicas para sintetizarlos. En contraste, los aminoácidos no esenciales o prescindibles se sintetizan en el cuerpo, no se requiere su administración en la dieta. Sin embargo, la presencia de aminoácidos no esenciales en la dieta disminuye la necesidad de aminoácidos esenciales. Si se reduce la ingesta de aminoácidos no esenciales, el cuerpo los sintetizará a partir de aminoácidos esenciales. TABLA 16.1 Requisito mínimo diario de aminoácidos esenciales (humano adulto normal) La Tabla 16.1 indica los requerimientos diarios mínimos de aminoácidos esenciales en un adulto cuando se cubre el aporte adicional de nitrógeno y carbono para la síntesis de aminoácidos no esenciales. La arginina y la histidina deben agregarse a los ocho aminoácidos esenciales, ya que, si bien se sintetizan en el cuerpo, se producen en cantidades insuficientes para satisfacer las demandas durante el crecimiento, el embarazo y la lactancia. En ciertas situaciones, un aminoácido no esencial puede volverse esencial. Por ejemplo, en pacientes con fenilcetonuria, un defecto genético en el que no se puede convertir la fenilalanina en tirosina, el aminoácido tirosina resulta esencial. Los errores congénitos en la síntesis de cisteína a partir de metionina requieren que la cisteína se proporcione como un aminoácido esencial. En bebés prematuros, su inmadurez funcional impide la síntesis de algunos aminoácidos no esenciales, como la cisteína o la prolina. En pacientes con insuficiencia hepática grave, la capacidad de producir tirosina o cisteína se ve afectada. Cuando se proporcionan α-cetoácidos con las mismas cadenas de carbono que la leucina, isoleucina, valina, triptófano, metionina o fenilalanina, estos aminoácidos pueden sintetizarse mediante la adición de un grupo amina catalizado por aminotransferasas. La lisina, la treonina y la histidina no participan en las reacciones de transaminación (ver secciones posteriores) y no son reemplazables por sus cetoácidos. Requerimientos de proteínas Las proteínas son un componente esencial de cualquier dieta normal, ya que proporcionan los aminoácidos necesarios para sintetizar proteínas corporales, otros compuestos nitrogenados y para mantener el equilibrio adecuado de nitrógeno en el cuerpo. Es necesaria la presencia simultánea de cantidades adecuadas de todos los aminoácidos en la dieta. La síntesis de proteínas disminuye cuando un solo aminoácido es deficiente, incluso si todos los demás están disponibles. La ingesta diaria recomendada de proteínas en adultos es de 0,8 g / kg de peso corporal. En las mujeres, se deben agregar 30 g / día durante el embarazo y 20 g / día durante la lactancia para satisfacer las necesidades de síntesis de proteínas de la leche. El requisito para bebés de hasta 1 año es de 2 g / kg / día, para niños de 1 a 10 años, 1,2 g / kg / día, y para adolescentes, 1 g / kg / día. En todos los grupos de edad, la necesidad aumenta durante los procesos que mejoran el catabolismo proteico (sepsis, trauma, cirugía). Una dieta adecuada debe contener no solo la cantidad adecuada de proteína, sino que también debe tener la calidad de proteína adecuada. Valor biológico. El valor biológico se refiere a una estimación de la proporción de proteína absorbida presente en un alimento en particular, que se incorpora a las proteínas endógenas del cuerpo. El valor biológico de una proteína está directamente relacionado con su digestibilidad, o cantidad de aminoácidos en la proteína ingerida que se absorbe, y el contenido de aminoácidos esenciales. Se puede cuantificar comparando la cantidad de nitrógeno retenido en el cuerpo después de la ingestión de una cierta cantidad de proteína en relación con la misma cantidad de proteína de referencia (normalmente se usa proteína de huevo). Un valor biológico de 100 corresponde a la proteína del huevo e indica que se incorpora el 100% del nitrógeno absorbido. Las proteínas animales son 90% –99% digeribles, mientras que las proteínas de los vegetales son 70% –80% digeribles. Las proteínas de alta calidad, también llamadas proteínas completas, contienen todos los aminoácidos esenciales en las cantidades requeridas por los humanos. Las proteínas de origen animal (leche, carnes blancas y rojas, huevos) son ejemplos de proteínas completas. Una excepción es la gelatina, obtenida hirviendo colágeno, que no contiene triptófano. La mayoría de las proteínas vegetales (legumbres, cereales, vegetales) carecen o tienen cantidades muy bajas de uno o más aminoácidos esenciales. Una excepción es la soya, que contiene todos los aminoácidos. En los cereales, la cantidad de lisina, treonina o triptófano es baja, mientras que las legumbres son muy deficientes en metionina. Para garantizar un suministro adecuado de todos los aminoácidos esenciales, una dieta debe incluir proteínas animales. En el caso de una dieta vegetariana, es importante incluir frijoles y granos, que se complementan entre sí con respecto a su contenido de aminoácidos. La calidad de una proteína se estima tomando la relación entre su contenido en aminoácidos esenciales y los aminoácidos esenciales presentes en la proteína del huevo, multiplicada por 100. El aminoácido limitante es el aminoácido esencial presente en la cantidad más baja en una proteína en comparación con el contenido de ese mismo aminoácido en una proteína de referencia, generalmente la clara de huevo. Por ejemplo, si el triptófano es el aminoácido limitante que está presente en una proteína dada a niveles que son 50% de los de la clara de huevo, la proteína tiene un puntaje de 50 con respecto a ese aminoácido. El valor óptimo es 100. El término aminoácido limitante también se aplica a los aminoácidos esenciales en un alimento en particular, que no alcanza la cantidad requerida por los humanos. Las necesidades energéticas del cuerpo se satisfacen principalmente con carbohidratos y grasas. Si los carbohidratos y las grasas en la dieta son bajos, los aminoácidos se utilizarán como fuente de energía, lo que aumenta la cantidad de proteína requerida en la dieta. Una dieta baja en proteínas es la causa más común de desnutrición y uno de los principales problemas sociales y de salud humana. La desnutrición es más común en los países en desarrollo, donde está asociada a la pobreza y tiene la mayor incidencia entre los niños. Las condiciones más graves de desnutrición proteica son el kwashiorkor y el marasmo. Kwashiorkor, una palabra de origen africano, se observa en bebés con dietas pobres en proteínas y ricas en carbohidratos. Se caracteriza por un marcado retraso en el crecimiento, abdomen hinchado, edema, disminución de la albúmina plasmática, anemia y hepatomegalia. El marasmo es una condición clínica de emaciación severa, causada por una deficiencia crónica en la dieta de proteínas y calorías. Causa pérdida de grasa corporal total y masa muscular. FIGURA 16.2 Resumen del metabolismo de aminoácidos. Destino de los aminoácidos en el cuerpo Transporte de aminoácidos Los aminoácidos pueden seguir diferentes destinos en el cuerpo. 1. La mayoría de los aminoácidos se usan, sin modificar, para la síntesis de nuevas proteínas. 2. Ciertos aminoácidos ingresan en vías metabólicas específicas que los convierten en compuestos nitrogenados no proteicos de importancia fisiológica importante. 3. Los aminoácidos también pueden degradarse y finalmente oxidarse para la producción de energía en un proceso que implica la separación y eliminación del grupo amina. La figura 16.2 muestra un resumen de las rutas metabólicas a las que están sujetos los aminoácidos. Los aminoácidos atraviesan las membranas celulares transportadas por sistemas de transporte específicos que reconocen solo los isómeros L. Se han caracterizado varios transportadores; se agrupan en dos categorías: (1) transportadores activos secundarios, que utilizan el gradiente electroquímico de Na+ creado por la Na, K+ ATPasa para cotransportar aminoácidos a la célula. (2) Difusión facilitada, que utiliza sistemas de uniportes que son independientes de Na+ y permiten el transporte de aminoácidos siguiendo su gradiente de concentración. Entre los transportistas dependientes de Na+ están los siguientes: 1. Transportadores de aminoácidos neutros. Estos exhiben una amplia especificidad de aminoácidos. Algunos prefieren los aminoácidos alifáticos pequeños (alanina, serina o treonina). Otros reconocen aminoácidos hidrófobos, aromáticos y alifáticos (fenilalanina, tirosina, metionina, valina, leucina e isoleucina). Estos incluyen los sistemas y+L, ASC y B°,+. 2. Transportadores de aminoácidos básicos. Estos son portadores de lisina, arginina y ornitina (es decir, y+L, B°,+). 3. Transportadores de aminoácidos ácidos. Estos son portadores selectivos de aspartato y glutamato (es decir, XAG). 4. Transportadores de aminoácidos y glicina. Estos portadores transportan prolina, hidroxiprolina y glicina (portadores Pro y Gly). 5. Transportadores de glutamina, asparagina e histidina. Este subgrupo de transportistas incluye los N transportadores. Estos transportadores de aminoácidos se encuentran en muchos tejidos, especialmente en el borde en cepillo de la mucosa intestinal y el epitelio tubular renal. Entre los portadores de difusión facilitados independientes de Na+, existen diferentes tipos según su especificidad para el sustrato transportado: 1. Aminoácidos neutros (sistemas L, asc, b°,+). 2. Aminoácidos catiónicos (y+, b°,+ portadores). 3. Glutamato (transportadores Xc, xAG). CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS Los aminoácidos inician su proceso de degradación mediante la separación de su grupo α-amino. Las vías metabólicas específicas tratan con el grupo nitrógeno, que incluyen reacciones de transferencia (transaminación) y separación (desaminación). Transaminación Este proceso se refiere a la transferencia del grupo aminoácido α-amina a un α-cetoácido. El aminoácido se convierte en un cetoácido, y el aceptor αcetoácido del grupo amina se convierte en el correspondiente aminoácido. La ecuación general es: Ciclo γ-glutamilo. Este ciclo transporta aminoácidos en varios órganos, especialmente hígado, riñones e intestinos. Defectos genéticos en el transporte de aminoácidos. Se han descrito enfermedades en las que se alteran los sistemas de transporte de aminoácidos. Estos incluyen lo siguiente: Enfermedad de Hartnup. En esta enfermedad, el defecto está en los transportadores de aminoácidos neutros hidrófobos, aromáticos y alifáticos. Se transmite con un rasgo autosómico recesivo. Los pacientes con esta alteración son incapaces de absorber aminoácidos neutros en el intestino y los túbulos renales, lo que conduce a bajos niveles plasmáticos de estos aminoácidos en plasma y a su mayor excreción en la orina (aminoaciduria). La enfermedad puede causar deficiencia de vitaminas (pelagra) debido a la falta de triptófano, que es el precursor del ácido nicotínico, una vitamina del complejo B. A pesar de estas alteraciones, los pacientes no sufren deficiencia severa de aminoácidos esenciales porque los transportadores de di y tripéptidos en el intestino pueden compensar la absorción de aminoácidos para los cuales la ingesta del individuo está bloqueada. Cistinuria Esta condición resulta de mutaciones en los transportadores básicos de aminoácidos y cistina. Se hereda de forma autosómica recesiva y es el defecto genético más común relacionado con la absorción de aminoácidos (1 de cada 7000 nacimientos). Los niveles de cistina, lisina, arginina y ornitina en la orina son 20-30 veces superiores a lo normal. El principal problema en estos pacientes es la formación de cálculos renales que contienen cistina debido a la baja solubilidad de este aminoácido en orina ácida. Esta reacción es fácilmente reversible; Está catalizada por la transaminasa o aminotransferasa, una enzima que utiliza fosfato de piridoxal como coenzima, que está fuertemente unida a la enzima. El fosfato de piridoxal se deriva de la piridoxina, una vitamina del complejo B. Participa en numerosas reacciones formando con el aminoácido un compuesto intermedio base de Schiff (Fig. 16.3). Esta reacción permite que todos los enlaces de carbono α en los aminoácidos se vuelvan más lábiles, facilitando las reacciones posteriores (transferencia del grupo amina, descarboxilación y otros). La enzima es responsable de guiar la dirección de la reacción y asegurar la naturaleza del cambio. Las aminotransferasas catalizan la separación y transferencia del grupo amina unido al carbono α. El fosfato de piridoxal sirve como aceptor y transportador del grupo amina. FIGURA 16.3 Formación de base de Schiff (fosfato de aminoácido-piridoxal). La transaminación es una reacción bimolecular y su mecanismo es bien conocido. Primero, el aminoácido se une al sitio activo para formar una base de Schiff con fosfato de piridoxal. Luego, el grupo α-amina se separa por hidrólisis y se forma y libera un α-cetoácido, derivado del aminoácido original. El grupo protésico de la enzima se convierte en fosfato de piridoxamina. Posteriormente, otro α-cetoácido ingresa al sitio catalítico como un segundo sustrato, formando una base de Schiff con fosfato de piridoxamina. El grupo amina se transfiere al cetoácido, se regenera el fosfato de piridoxal y se libera el aminoácido recién formado. Ambos sustratos se unen de forma sucesiva e independiente a la enzima y el primer producto se elimina antes de que el segundo sustrato se una. El fosfato de piridoxal actúa como un aceptor transitorio del grupo amina. Comúnmente, el α-cetoácido es α-cetoglutarato; la enzima recibe su nombre del donante de aminoácidos del grupo amina. Por ejemplo, la aspartato aminotransferasa cataliza la siguiente reacción reversible: Uno de los sustratos / productos de esta reacción, la alanina, es un importante portador de amina. En el músculo, los grupos amina se transfieren de aminoácidos distintos del α-cetoglutarato para producir glutamato y eventualmente piruvato. La alanina, que ingresa a la circulación, es absorbida por los tejidos, principalmente el hígado, donde se transamina nuevamente para regenerar el glutamato y el piruvato. Aspartato aminotransferasa y alanina aminotransferasa son los nombres recomendados para estas enzimas por el IUBMB; sin embargo, las iniciales GOT y GPT (transaminasas de ácido glutámico-oxaloacético y glutámicopirúvico) se usan ampliamente en las clínicas. Ambas aminotransferasas son particularmente abundantes en el hígado y el corazón, lo que explica el aumento de estas enzimas en el plasma cuando hay procesos patológicos de estos órganos (es decir, hepatitis e infarto de miocardio). Por lo tanto, la determinación de estas enzimas en plasma a menudo se usa con fines de diagnóstico y pronóstico. Otros reacciones de incluyen los Esta reacción es particularmente importante en el hígado. En la reacción inversa, el oxaloacetato actúa como un aceptor del grupo amina donado por glutamato. ejemplos de transaminación siguientes: Estas reacciones son todas reversibles. Ciertas aminotransferasas se expresan como dos isoenzimas con diferente localización intracelular, el citosol y la matriz mitocondrial. La alanina aminotransferasa es responsable de la reacción: Con la excepción de la lisina y la treonina, todos los aminoácidos están involucrados en las reacciones de transaminación con los α-cetoácidos piruvato, oxaloacetato o α-cetoglutarato, que se convierten en alanina, aspartato o glutamato, respectivamente. Los aminoácidos originales forman los correspondientes α-cetoácidos. A su vez, la alanina y el aspartato, producidos por la transaminación del piruvato, y el oxaloacetato reaccionan con el α-cetoglutarato. Los grupos amina se usan para la formación de glutamato (Fig. 16.4). La glutamato deshidrogenasa se encuentra en la matriz mitocondrial. Es una enzima alostérica, activada por ADP y GDP e inhibida por ATP y GTP. Cuando el nivel de ADP en la célula es alto, la enzima se activa. El aumento de la producción de α cetoglutarato, un alimentador del ciclo de Krebs, mejora el funcionamiento de esta vía, generando ATP. Cuando la célula tiene abundante ATP y GTP (este último producido en la reacción catalizada por la succinato de tioquinasa), se inhibe la glutamato deshidrogenasa, se reduce el suministro de α-cetoglutarato y se reduce la actividad del ciclo. FIGURA 16.4 Destino del grupo amino de aminoácidos. En las transaminaciones, el grupo amina del aminoácido no se elimina, sino que se transfiere a un cetoácido para formar otro aminoácido. Por esta razón, la reacción no es solo el primer paso en la degradación de la cadena de carbono de los aminoácidos, sino también el último paso en la síntesis de aminoácidos. A través de las transaminaciones, se puede generar un aminoácido dado si está disponible el αcetoácido correspondiente. Desaminación de glutamato El sustrato más frecuentemente involucrado en las transaminaciones es el αcetoglutarato. Los grupos amina de casi todos los aminoácidos convergen para formar glutamato. El grupo nitrógeno del glutamato se puede eliminar mediante desaminación oxidativa catalizada por la glutamato deshidrogenasa. Esta enzima, activa en la mayoría de los tejidos de mamíferos, utiliza NAD y NADP como coenzimas. En la reacción hacia adelante, NAD+ generalmente participa y se forman α-cetoglutarato y amoníaco. La mayor parte del amoníaco producido en los tejidos es generado por esta reacción. A pH fisiológico, el amoníaco (NH3) captura un protón y se convierte en ion amonio (NH4+). La reacción es reversible; el amoniaco puede unirse al cetoglutarato α para formar glutamato. Aparentemente, mientras que la reacción directa usa preferiblemente coenzima NAD, la reacción inversa implica la reducción de NADP. La utilización de diferentes coenzimas dependiendo de la dirección de la reacción permite la regulación independiente de los eventos de desaminación y aminación. Debido a la reversibilidad de la reacción, la glutamato deshidrogenasa actúa en el catabolismo, así como en la síntesis de glutamato. Hay otras enzimas que catalizan la desaminación oxidativa de los aminoácidos, estas son las flavoproteínas llamadas amino oxidasas. Su papel en los tejidos humanos no es importante. Desamidación Los grupos amida de asparagina y glutamina se liberan como amoníaco por hidrólisis, catalizados por asparaginasa y glutaminasa, respectivamente, que producen aspartato y glutamato; el amoniaco se protona para dar NH4+. CAMINOS METABÓLICOS DE AMONIACO La principal fuente de amoníaco en el cuerpo es la desaminación oxidativa del glutamato en varios tejidos. Además, las bacterias de la flora intestinal producen cantidades significativas de amoníaco a partir de alimentos nitrogenados. Este amoníaco se absorbe a través de la circulación portal. En sangre normal, los niveles de amoníaco permanecen bajos (10–50 µg / dL o 5–30 µM), lo que indica la alta eficiencia de los mecanismos responsables de su eliminación. Mantener el amoníaco bajo es importante debido a la toxicidad de este compuesto, particularmente a nivel del sistema nervioso central. El hígado es el órgano principal involucrado en la eliminación de amoníaco; En casos de insuficiencia hepática grave, aumenta el amoníaco en la sangre y esto conduce a la encefalopatía, el coma e incluso la muerte. La ruta principal de eliminación de amoníaco en humanos es a través de la síntesis de urea. Otro mecanismo es la formación de glutamina. Formación de glutamina La glutamina es producida por la glutamina sintetasa, una enzima mitocondrial que cataliza la formación del enlace amida entre el amoníaco y el glutamato. Esta reacción requiere energía liberada por hidrólisis de ATP en ADP y Pi. La reacción es prácticamente irreversible. Formación de úrea Casi todo el amoníaco producido por la desaminación se convierte en urea en el hígado, el único órgano que posee todas las enzimas necesarias para esta conversión. La síntesis de urea tiene lugar principalmente en los hepatocitos que rodean los vasos porta mediante un mecanismo cíclico, originalmente descrito por Krebs y Henseleit en 1932. El ciclo involucra cinco enzimas; El amoníaco, el dióxido de carbono y el aspartato (donante de amina) son los alimentadores del ciclo. El proceso consume cuatro enlaces fosfato de alta energía por molécula de urea. Incluye las siguientes reacciones: La síntesis de glutamina es un mecanismo importante para la eliminación de amoníaco en varios tejidos. En el hígado, se produce principalmente en los hepatocitos que rodean la vena central de los lóbulos hepáticos. La actividad de la glutamina sintetasa también es importante en los tejidos musculares, renales y cerebrales. El cerebro es particularmente sensible a la presencia de amoníaco y, por lo tanto, produce activamente glutamina a partir de amoníaco. La glutamina se hidroliza a ácido glutámico y amoníaco por acción de la glutaminasa. Dado que la reacción de síntesis de glutamina es irreversible, su hidrólisis no se realiza invirtiendo el mismo proceso, sino por un mecanismo diferente. La glutaminasa se expresa en hepatocitos periportales y túbulos renales, donde la producción de amoníaco y su excreción en la orina es uno de los mecanismos que regulan el equilibrio ácido-base y la conservación de cationes. Una reacción similar es catalizada por la asparaginasa que hidroliza la asparagina a aspartato y amoníaco. Algunos tumores requieren altas cantidades de glutamina y asparagina para su desarrollo. Por esta razón, la glutaminasa y la asparaginasa se han probado como agentes antitumorales. 1. Síntesis de carbamoil fosfato. Esto incluye la condensación de amoníaco, dióxido de carbono y fosfato (de ATP) para formar fosfato de carbamoilo. La reacción es catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa 1 (CPS-1), presente en las mitocondrias hepáticas. Dos moléculas de ATP se hidrolizan. La enzima requiere Mg2+ y N-acetil glutamato, que actúa como un activador alostérico. Hay dos isoformas de carbamoilfosfato sintetasa; CPS-2, ubicado en el citosol de la mayoría de las células, participa en la síntesis de nucleótidos de pirimidina. 2. Síntesis de citrulina. La porción de carbamoilo se transfiere de fosfato de carbamoilo a ornitina (el primer ciclo intermedio). Se forma citrulina y se libera Pi. La reacción es catalizada por la ornitina transcarbamoilasa, una enzima de la matriz mitocondrial. El equilibrio de la reacción se desplaza fuertemente hacia la derecha. Los siguientes pasos ocurren en el citosol y la citrulina debe abandonar las mitocondrias a través de un sistema de intercambio. 3. Síntesis de argininosuccinato. En esta reacción, el aspartato entra en el ciclo, que se une a la citrulina para formar argininosuccinato. La enzima responsable es la argininosuccinato sintetasa. Se requiere ATP, hidrolizado a AMP y pirofosfato inorgánico (PPi). El proceso es prácticamente irreversible debido a la rápida hidrólisis del pirofosfato. La urea, el producto final liberado después de cada ciclo de reacciones, se difunde desde el hígado a la circulación sistémica. El riñón es el órgano principal para su excreción; aproximadamente el 75% de la urea formada se elimina por la orina. La urea restante pasa al colon, donde es hidrolizada por la ureasa de la flora bacteriana normal y el amoníaco producido regresa al hígado a través de la vena porta. La ornitina inicia otra serie de reacciones que se unen a un resto carbamoilo. Para esto, necesita ingresar a las mitocondrias utilizando el sistema de intercambio de citrulina / ornitina (antiportador) en la membrana mitocondrial interna. La figura 16.5 muestra las etapas del ciclo de la urea y la ubicación celular de las reacciones. 4. Ruptura de argininosuccinato. La escisión es catalizada por la argininosuccinasa, una liasa. El esqueleto de carbono del aspartato ingresado en la reacción anterior se libera como fumarato y el grupo amina se convierte en parte de la cadena lateral de arginina. 5. Hidrólisis de arginina. Esta es la última etapa del ciclo, donde el grupo de arginina guanidina se hidroliza y forma urea y ornitina. La ornitina, el primer ciclo intermedio, se regenera. La arginasa es la enzima responsable de la reacción. FIGURA 16.5 El ciclo Urea Krebs – Henseleit. Etapas del ciclo y su compartimentación celular. Consideraciones sobre el ciclo de la urea La ecuación total del ciclo de la urea es: CO2 + NH3 + 3 ATP + Aspartato + H2O → Urea + 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi + Fumarato Los primeros dos pasos de esta vía ocurren dentro de las mitocondrias. El carbamoilo que participa en la formación de urea se sintetiza en la matriz mitocondrial, donde se encuentra la isoenzima de carbamoil fosfato sintetasa CPS-1. La síntesis de bases de pirimidina también requiere carbamoilo; sin embargo, se produce en el citosol en una reacción catalizada por la isoenzima citosólica carbamoil fosfato sintetasa CPS-2, que es diferente de CPS-1. Esta compartimentación de isoenzimas es importante para mantener la independencia funcional de las vías metabólicas, evitando interferencias en el uso de sustratos y productos y permitiendo su regulación por separado. Ambos nitrógenos en la urea se derivan de aminoácidos involucrados en las transaminaciones. El amoniaco ingresado en la primera reacción proviene principalmente de la desaminación oxidativa del glutamato formado por la transferencia de amina de otro aminoácido al α-cetoglutarato. El segundo nitrógeno es donado por el aspartato y deriva de transaminaciones con oxaloacetato. Por lo tanto, los residuos nitrogenados de casi todos los aminoácidos catabolizados convergen en el ciclo. El producto final, la urea, es un compuesto no tóxico que se puede excretar fácilmente. El fumarato liberado en la reacción 4 es un ciclo intermedio del ácido cítrico. En este ciclo, se hidrata a malato y luego se oxida a oxaloacetato. El oxaloacetato tiene las siguientes alternativas metabólicas: (1) condensación con acetil-CoA para formar citrato (primer paso del ciclo del ácido cítrico), (2) conversión a fosfoenolpiruvato en la reacción catalizada por fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (gluconeogénesis), (3) formación de aspartato por transaminación, alimentando el ciclo de la urea. El oxaloacetato y el fumarato conectan los ciclos de la urea y el ácido cítrico de tal manera que la operación de un ciclo impulsa la función del otro (Fig. 16.6). La síntesis de urea requiere cuatro enlaces de alta energía P; La oxidación del fumarato a aspartato (oxaloacetato → malato) genera tres ATP que ayudan a mantener el proceso general. FIGURA 16.6 Diafonía de los ciclos de urea y ácido cítrico. Las moléculas de nitrógeno que ingresan al ciclo para formar parte de la molécula de urea se muestran en rojo. El funcionamiento eficiente del ciclo de la urea requiere enzimas adicionales que las involucradas en el ciclo. Estos incluyen glutaminasa hepática y Nacetil glutamato sintetasa, así como los intercambiadores de ornitina / citrulina y aspartato / fumarato incrustados en la membrana mitocondrial interna. Un adulto normal, con una dieta equilibrada, elimina 25-30 g de urea en la orina todos los días, lo que corresponde al 90% del nitrógeno total excretado por esta ruta. La cantidad de urea eliminada está relacionada con la ingesta de proteínas. Los niveles de otras sustancias nitrogenadas, principalmente ácido úrico, creatinina, amoníaco y aminoácidos, permanecen más o menos constantes y relativamente independientes de la cantidad de alimento nitrogenado ingerido. La urea es soluble, fácilmente difusible a través de las membranas celulares y no tóxica. Se encuentra en la sangre circulante a concentraciones de 20-30 mg / dL (promedio 0.4 mM). Su nivel aumenta en casos de insuficiencia renal en una condición conocida como uremia. La toxicidad asociada con la uremia no está directamente relacionada con el aumento de la urea en la sangre y los tejidos, sino con el aumento de otros catabolitos dañinos que el riñón no puede eliminar. Además de producir urea, el ciclo sirve como una vía para la síntesis de arginina. De esta manera, la arginina no es esencial para el equilibrio de nitrógeno en adultos y solo debe complementarse en la dieta durante situaciones de mayor requerimiento (crecimiento, embarazo o lactancia). insuficiencia hepática grave, la hiperamonemia es la principal responsable de la encefalopatía y el coma. Errores innatos del ciclo de la urea A pH fisiológico, casi todo el amoníaco (NH3) se convierte en ion amonio (NH4+), la relación NH4+ / NH3 es 100/1. El amoníaco, una molécula eléctricamente neutra, cruza libremente las membranas celulares, mientras que el ion amonio no lo hace. En el cerebro, los niveles normales de amoníaco son de aproximadamente 0.18 mM, los valores que alcanzan 0.5 mM son patológicos y los niveles, hasta 1.0 mM pueden estar asociados con convulsiones y coma. Se han informado enfermedades debidas a alteraciones genéticas que afectan la síntesis de enzimas del ciclo de la urea (tabla 16.2). Las deficiencias graves de la carbamoil fosfato sintetasa, la ornitina transcarbamoilasa, la argininosuccinato sintetasa o la argininosuccinasa bloquean la síntesis de urea y producen un marcado aumento en la concentración de amoníaco en la sangre y los tejidos. La ausencia de ornitina transcarbamoilasa, una enfermedad ligada al cromosoma X, es relativamente frecuente. Las otras alteraciones siguen un patrón de herencia autosómico recesivo. Como la mayoría de las reacciones del ciclo son irreversibles, la determinación de los niveles intermedios metabólicos de urea en sangre y / u orina permite la identificación de la deficiencia enzimática TABLA 16.2 Enfermedades hereditarias relacionadas con el ciclo de la urea Los mecanismos que determinan la toxicidad del amoníaco no se conocen con precisión; sin embargo, algunas causas posibles incluyen las siguientes: 1. Acumulación de glutamina. La glutamina es un producto importante del metabolismo del amoníaco. Los niveles de esta sustancia en la sangre, los tejidos y el líquido cefalorraquídeo aumentan notablemente en los casos de amoníaco alto. La acumulación de glutamina en el cerebro, especialmente en los astrocitos, produce inflamación, aumento de la presión intracraneal e hipoxia cerebral a través de sus efectos osmóticos. 2. Inhibición de la lanzadera de malato-aspartato. La síntesis de glutamina reduce los niveles de glutamato e inhibe el funcionamiento de la lanzadera de malato-aspartato. Esto conduce a una mayor reducción de lactato y pH en el cerebro. La falta total de cualquiera de las enzimas del ciclo es incompatible con la vida. Los niños afectados parecen normales al nacer, pero 24–48 h después, presentan hipotermia, letargo, apnea y un cuadro clínico de encefalopatía severa, que conduce a la muerte. Las deficiencias parciales de estas enzimas pueden no ser fatales, pero pueden causar retraso mental y otras alteraciones. En la deficiencia de arginasa, la hiperamonemia no es tan grave. Hay retraso mental progresivo. En las formas más leves de estas enfermedades genéticas, una dieta baja en proteínas, que tiende a reducir los niveles de amoníaco en la sangre, ayuda a controlar la enfermedad. Toxicidad de amoniaco La encefalopatía asociada con defectos graves del ciclo de la urea se debe al aumento de amoníaco en la sangre y los tejidos. En pacientes con 3. Activación de la glucólisis. El amoníaco estimula la fosfofructoquinasa y la actividad glucolítica. Aumenta las relaciones lactato / piruvato y NADH / NAD+. 4. Inhibición del ciclo del ácido cítrico. El aumento de amoníaco desvía la reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa hacia la aminación del α-cetoglutarato y la producción de glutamato. Esto drena un ciclo intermedio y deprime la actividad de esta vía de oxidación final. Todos los factores mencionados anteriormente afectan el metabolismo energético del cerebro. Además, se ha demostrado que alteran la función de los neurotransmisores y sus receptores y, por lo tanto, las propiedades electrofisiológicas de las neuronas. Papel de varios órganos en el metabolismo de aminoácidos El intestino delgado, el hígado, los riñones y los músculos son órganos que juegan un papel esencial en el metabolismo de los aminoácidos. El papel principal de cada uno se da de la siguiente manera. Intestino. Los aminoácidos de la digestión de proteínas se absorben en el intestino delgado. El intestino utiliza preferiblemente glutamina y asparagina como proveedores de energía. Los productos formados, junto con los aminoácidos restantes en la dieta, se envían al hígado a través de la vena porta. Durante los períodos de ayuno, el intestino oxida la glutamina que el músculo libera en la circulación. Hígado. El catabolismo de los aminoácidos, excepto aquellos con cadenas ramificadas, comienza en el hígado. El grupo amina se separa y se incorpora a la urea. Los esqueletos de carbono pueden oxidarse a CO2 y H2O o usarse para gluconeogénesis y cetogénesis. El hígado es muy eficiente en la eliminación de amoníaco. Sin embargo, no todos los hepatocitos están igualmente involucrados en esta función. Las células hepáticas ubicadas alrededor de los vasos del sistema portal (hepatocitos portal) reciben sangre directamente del intestino y son ricas en glutaminasa, glutamato deshidrogenasa y todas las enzimas del ciclo de la urea. El NH3 producido en reacciones catalizadas por glutaminasa y glutamato deshidrogenasa se usa para la síntesis de carbamoil fosfato en el primer paso del ciclo. Los hepatocitos ubicados al lado del sistema de la vena cava (hepatocitos venosos) son ricos en glutamina sintetasa. Aquí, el NH3 se transfiere principalmente al glutamato para formar glutamina. Los estudios que utilizan isótopos radiactivos confirmaron el concepto del intercambio dinámico de átomos de carbono entre carbohidratos, grasas y proteínas. En animales diabéticos con balance negativo de nitrógeno, la administración de ciertos aminoácidos aumenta la excreción de glucosa en la orina, mientras que otros causan un aumento en los cuerpos cetónicos. Esta observación provocó la clasificación de los aminoácidos no en glucogénicos y cetogénicos. Casi todos los aminoácidos no esenciales son glucogénicos, lo que indica que la conversión de estos aminoácidos en glucosa es un proceso reversible; sus esqueletos de carbono pueden sintetizarse a partir de intermedios del metabolismo de la glucosa. Además, casi todos los aminoácidos cetogénicos son esenciales. Se pueden convertir en cuerpos cetónicos, pero no sirven como precursores de aminoácidos. Aminoácidos glucogénicos. Alanina, arginina, aspartato, cisteína, glicina, glutamato, histidina, hidroxiprolina, prolina, metionina, serina, treonina y valina son aminoácidos glucogénicos. El catabolismo de estos aminoácidos genera uno de los siguientes intermedios: piruvato, oxaloacetato, fumarato, succinil-CoA o α-cetoglutarato. Aminoácidos cetogénicos. Estos incluyen leucina y lisina. Aminoácidos glucogénicos y cetogénicos. Algunos aminoácidos, como la fenilalanina, isoleucina, tirosina y triptófano son glucogénicos y cetogénicos. La figura 16.7 resume el destino de los aminoácidos y su relación con el ciclo del ácido cítrico. Músculo. La degradación de los aminoácidos de cadena ramificada comienza principalmente en el músculo esquelético. Los grupos amina se transfieren al piruvato para formar alanina. Más de la mitad de los aminoácidos musculares liberados a la circulación son alanina y glutamina. Ambos actúan como portadores de aminas de otros tejidos. Riñón. Este órgano captura la glutamina liberada de los músculos. Las reacciones catalizadas por la glutaminasa y la glutamato deshidrogenasa producen amoníaco, que se convierte en ion amonio y se excreta en la orina, neutralizando los aniones. La amoniagénesis es uno de los mecanismos utilizados por los riñones para mantener el equilibrio ácido-base del cuerpo. Destino del esqueleto de carbono de los aminoácidos FIGURA 16.7 Destino de las cadenas de aminoácidos del carbono. Metabolitos intermedios formados por el catabolismo de aminoácidos Las rutas de degradación de las cadenas de aminoácidos amino desaminados varían según la naturaleza de esas cadenas. Los productos intermedios producidos están relacionados con las vías metabólicas de los carbohidratos o grasas. Los metabolitos intermedios y los aminoácidos a partir de los cuales pueden generarse se indican a continuación. El oxaloacetato se forma a partir del aspartato y su amida, la asparagina. La asparagina se hidroliza por asparaginasa en aspartato y amoníaco. El aspartato, por transaminación, se convierte en oxaloacetato, un intermedio en el ciclo del ácido cítrico. α-cetoglutarato. A través de diferentes vías, arginina, histidina, prolina e hidroxiprolina se convierten en glutamato. El glutamato, por transaminación o desaminación oxidativa, produce α-cetoglutarato, un intermedio del ciclo del ácido cítrico. El succinil-CoA puede originarse a partir de metionina, isoleucina y valina. El piruvato puede derivarse de alanina, serina, cisteína y cistina. La glicina también forma piruvato, pero primero debe convertirse en serina. La treonina pierde los carbonos β y γ para dar acetil-CoA y glicina, lo que contribuye a formar piruvato, previa conversión en serina. Acetil-CoA. Bajo una dieta adecuada, todos los aminoácidos que se convierten en piruvato producen acetil-CoA, que se oxida a CO2 y H2O cuando el ciclo del ácido cítrico funciona normalmente (el piruvato, además de formar acetil-CoA, alimenta el ciclo por la reacción anaplerótica del piruvato al oxaloacetato) Durante el ayuno prolongado, el piruvato derivado de aminoácidos se usa en la gluconeogénesis en lugar de formar acetil-CoA. La fenilalanina, la tirosina, el triptófano, la leucina y la lisina no forman primero el piruvato, pero producen acetil-CoA, que en condiciones de ayuno o con un metabolismo pobre de los carbohidratos produce acetoacetato, uno de los cuerpos cetónicos. Fumarato. Además del acetoacetato, la fenilalanina y la tirosina generan fumarato, un intermedio del ciclo del ácido cítrico. Por lo tanto, estos aminoácidos son gluco y cetogénicos. Catabolismo final. Los metabolitos mencionados anteriormente continúan su degradación total a CO2 y H2O en el ciclo del ácido cítrico. Los intermedios del ciclo y el piruvato pueden ingresar a la gluconeogénesis para formar glucosa o glucógeno. El acetil-CoA tiene numerosas posibilidades metabólicas, incluida la síntesis de ácidos grasos. Destino metabólico de los aminoácidos de cadena ramificada El catabolismo de valina, leucina e isoleucina tiene lugar en el músculo esquelético, donde la transaminación de estos aminoácidos es muy activa. Los grupos amina se transfieren principalmente a piruvato con producción de alanina. Los α-cetoácidos generados se utilizan como combustible en el tejido muscular y hepático; están descarboxilados por la α-deshidrogenasa de cetoácidos de cadena ramificada, un complejo multienzimático con estructura, mecanismo y acción similares, a piruvato y a-cetoglutarato de deshidrogenasas. Este complejo enzimático se encuentra en las mitocondrias, requiere cinco coenzimas (pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, coenzima A, NAD y FAD), y es inhibido alostéricamente por los productos finales NADH y CoA. La α-deshidrogenasa de cetoácidos de cadena ramificada también está regulada por la fosforilación-desfosforilación; La unión covalente de fosfato al complejo lo inactiva. Cada acil-CoA resultante de la reacción se degrada independientemente por oxidación. El acil-CoA derivado de la valina produce propionil CoA, que proviene de la leucina genera acetoacetil-CoA y acil-CoA, y el de isoleucina, produce propionil-CoA y acetil-CoA. El propionil-CoA se metila en metilmalonil-CoA, una reacción catalizada por la metilmalonil-CoA mutasa, que depende de la vitamina B12. Se produce una redistribución de átomos en la molécula para formar succinil-CoA, un intermedio del ciclo del ácido cítrico. Los defectos genéticos que afectan la síntesis de enzimas en el complejo αdeshidrogenasa de cetoácidos de cadena ramificada son la causa de la enfermedad del jarabe de arce. La orina de estos pacientes huele a azúcar quemada (jarabe de arce). Los pacientes sufren daño cerebral y, en casos graves, mueren durante el primer año de vida. La enfermedad se hereda como un rasgo autosómico recesivo, con una frecuencia de 1: 185,000 nacimientos. Las alteraciones genéticas de la síntesis de propionil CoA carboxilasa y metilmalonil CoA mutasa producen acidosis metabólica, con un aumento en la excreción de ácidos orgánicos en la orina (aciduria orgánica). Biosíntesis de Aminoácidos Los seres humanos no pueden sintetizar aminoácidos esenciales; todos los demás pueden sintetizarse. En general, si se puede sintetizar el correspondiente α-cetoácido, es posible la producción del aminoácido por transaminación. pulmón y estimula la secreción de ácido clorhídrico y pepsina en el estómago. OTROS MECANISMOS GENERALES DEL METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS Descarboxilación Biosíntesis de aminas biológicas Algunas bacterias poseen la capacidad de descarboxilar aminoácidos. La reacción es una de las etapas de la putrefacción de proteínas por bacterias; Como resultado, se producen aminas biogénicas (sustancias fisiológicamente activas). La lisina y la ornitina generan cadaverina y putrescina, respectivamente, a través de la descarboxilación. FIGURA 16.8 Descarboxilación de histidina. La histamina se almacena en los mastocitos, desde donde se libera abruptamente en respuesta a los agentes sensibilizadores exógenos que ingresan al cuerpo y causan reacciones alérgicas o inflamatorias de diversos tipos. Los compuestos antihistamínicos se usan para tratar reacciones alérgicas. Son sustancias con una estructura química similar a la histamina y tienen como antagonistas competitivos. Dada la intensa actividad de la histamina, el cuerpo debe degradarla rápidamente después de su producción. Este proceso lo realiza la histaminasa, una enzima que cataliza la oxidación de la his-tamina y la convierte en un producto inactivo: la tiramina y la triptamina. La descarboxilación de la tirosina produce tiramina, mientras que la descarboxilación del triptófano genera triptamina. Ambas aminas biogénicas tienen acción vasoconstrictora. Los tejidos animales también tienen enzimas que catalizan la descarboxilación de aminoácidos. La coenzima fosfato de piridoxal es utilizado por estas descarboxilasas. Muchas de las aminas biológicas formadas por la descarboxilación de aminoácidos son sustancias de gran importancia funcional. Histamina. Esta amina biogénica se produce por descarboxilación de histidina (Fig. 16.8). La reacción es catalizada por la histidina descarboxilasa y por un aminoácido aromático descarboxilasa, que también utiliza fenilalanina, triptófano y tirosina como sustratos. Ambas enzimas requieren la coenzima fosfato de piridoxal. La histamina tiene una importante actividad fisiológica. Es un mensajero químico en muchas respuestas celulares, un vasodilatador que contribuye a disminuir la presión sanguínea y, en grandes dosis, puede producir colapso vascular. Causa constricción bronquiolar en el Ácido γ-aminobutírico (GABA). Este compuesto está formado por la descarboxilación del ácido glutámico. La enzima que cataliza esta reacción predomina en la materia gris del sistema nervioso central y requiere fosfato de piridoxal. En las reacciones de transaminación, los aminoácidos pueden donar su grupo funcional amina a una molécula receptora. Algunos aminoácidos también participan en reacciones en las que se transfieren otros grupos, utilizados en la síntesis de sustancias funcionales importantes. Por ejemplo, el grupo amidina de arginina, o el grupo amida de glutamina y asparagina, se emplean en la síntesis de diversos compuestos. GABA juega un papel funcional importante como regulador químico de la actividad neuronal. Presiona la transmisión del impulso nervioso. La enfermedad de Huntington es una afección hereditaria, progresiva y mortal caracterizada por movimientos bruscos e involuntarios (conocida como corea). Los pacientes sufren degeneración de los neutrógenos GABAérgicos, lo que conduce a niveles disminuidos de GABA. Poliaminas. La putrescina se genera a partir de la descarboxilación de ornitina. Reacciona con la metionina descarboxilasa para formar las poliaminas espermidina y espermina. Estas poliaminas son particularmente abundantes en las células con una alta actividad mitótica. Su carácter de policationes les permite asociarse con moléculas polianiónicas, como los ácidos nucleicos, e influir en su actividad. Interactúan con fosfatos en la doble hélice de ADN o en las regiones de ARN bicatenarias. El bacteriófago T4, por ejemplo, tiene aproximadamente el 40% de sus cargas negativas de ADN neutralizadas por las poliaminas. En algunas especies, el ARN de transferencia está unido a la espermidina y al espermatozoide. Hay proteínas que tienen poliaminas ligadas covalentemente al carboxilo de glutamato. Las poliaminas pueden desempeñar un papel en la regulación del ciclo celular. La difluorometillornitina, un inhibidor de la ornitina descarboxilasa, detiene la progresión del ciclo celular. Transferencia de grupos de monocarbono Los grupos de monocarbono son fragmentos moleculares importantes que se transfieren con frecuencia en procesos de síntesis de estructuras químicas más o menos complejas. Pueden exhibir diferentes grados de oxidación, como metilo (─CH3), hidroximetilo (─CH2OH), formilo (─COH) y dióxido de carbono (CO2), que también se considera un residuo de monocarbono. El principal donante de metilo es la metionina; su grupo metilo se usa en la síntesis de numerosas sustancias como la colina, la creatina, la línea adrena, la carnitina y el ARN metilado. Esto es posible solo si la metionina está activada, para lo cual debe reaccionar con ATP para formar Sadenosilmetionina (SAM). El átomo de azufre de la metionina está unido a C5' de adenosina. Dos de los grupos fosfato de ATP se liberan como pirofosfato y el tercero como fosfato inorgánico. SAM es la forma activa de metionina. El enlace entre metilo y azufre es de alta energía, lo que explica la capacidad del grupo metilo para participar en las reacciones de transferencia. Las reacciones en las que SAM transfiere grupos metilo para formar diferentes compuestos son catalizadas por metiltransferasas que son específicas para cada compuesto. Homocisteína La S-adenosil-homocisteína, un producto de transmetilaciones, se hidroliza a adenosina y homocisteína. La cisteína o la metionina se sintetizan a partir de este compuesto. Hay defectos genéticos que alteran el metabolismo de la homocisteína (homocisteinuria y cisteinuria). Debido a su relación estructural, estos aminoácidos se consideran juntos. Los humanos no pueden sintetizar el anillo de benceno y este grupo necesita ser proporcionado de manera exógena a partir de residuos de fenilalanina y tirosina introducidos con la dieta. Se observa un aumento de la homocisteína plasmática en las deficiencias de vitamina B12 y ácido fólico. La hiper-homocisteinemia es un factor de riesgo para la aterosclerosis de los vasos coronarios, cerebrales y periféricos. Otro agente de transporte de monocarbonos [met-ilo, metileno (─CH2─), metenilo (= CH─) y formilo] es el ácido tetrahidrofólico (THF), un derivado del ácido fólico, que es un miembro del complejo de la vitamina B. La metilcobalamina, relacionada con la vitamina B12, es otro factor esencial en las reacciones de transferencia de un carbono. La mayoría de estos grupos son donados al THF por metabolitos producidos por la degradación de los aminoácidos serina, glicina, histidina o triptófano y transferidos para la síntesis de purina, timina y metionina. El dióxido de carbono (CO2) producido en el ciclo del ácido cítrico o la reacción de descarboxilación de aminoácidos se transfiere en reacciones catalizadas por carboxilasa. La coenzima es la vitamina B biotina. Las carboxilaciones requieren ATP y forman intermedios metabólicos importantes. Las tres principales carboxilasas que usan biotina son: (1) piruvato carboxilasa, que cataliza el primer paso de la gluco-neogénesis (también reacción anaplerótica del ciclo del ácido cítrico), (2) acetil CoA carboxilasa, involucrada en el primer paso de la grasa síntesis ácida y (3) propionil-CoA carboxilasa, una enzima clave en el catabolismo de valina e isoleucina. La fenilalanina se convierte en tirosina principalmente en el hígado. No hay enzima para catalizar la reacción inversa (formación de fenilalanina a partir de tirosina). Por esta razón, la fenilalanina es un aminoácido esencial, pero la tirosina no lo es si hay una cantidad adecuada de fenilalanina presente. La vía catabólica de estos aminoácidos conduce a la formación de fumarato y acetoacetato, intermedios metabólicos relacionados con el metabolismo de carbohidratos y ácidos grasos, respectivamente. Por esta razón, la fenilalanina y la tirosina son glucogénicas y cetogénicas. La secuencia de reacción catabólica de fenilala-nueve y tirosina se muestra en la figura 16.9. El primer paso es la conversión de fenilalanina en tirosina, una reacción que es catalizada por un sistema que consta de dos enzimas: fenilalanina hidroxilasa y dihidrobiopterina reductasa. Estas enzimas introducen un grupo hidroxilo en la posición para en el anillo de benceno. Se requiere oxígeno molecular y la coenzima donante de hidrógeno tetrahidrobiopterina (THB). La reacción es irreversible. La dihidrobiopterina reductasa regenera THB a partir de dihidrobiopterina y NADPH. CAMINOS METABÓLICOS DE AMINOÁCIDOS Además de los procesos metabólicos generales mencionados, cada aminoácido tiene vías específicas que conducen a diferentes productos. El metabolismo de los aminoácidos es uno de los más complejos en el estudio de las transformaciones bioquímicas. No es el propósito de este texto cubrir el análisis comprensivo de este tema. Solo se presentarán algunos ejemplos, dando una idea de la multiplicidad de posibilidades del metabolismo de aminoácidos. Metabolismo de fenilalanina y tirosina FIGURA 16.9 Catabolismo de fenilalanina y tirosina. En una segunda etapa, una reacción de transaminación genera el correspondiente ácido α-ceto, ácido p-hidroxifenilpirúvico. El tercer paso es una reacción compleja que produce oxidación, desplazamiento de la cadena lateral a otra posición en el anillo de benceno y descarboxilación para formar ácido homogentisico. Este compuesto se oxida a maleyil-acetoacetato (no se muestra en la secuencia de la figura 16.9), que se isomeriza a fumarylacetoacetato. Finalmente, el fumaryl-acetoace-tate se hidroliza a fumarato y acetoacetato. El fumarato es un intermediario en el ciclo del ácido cítrico, mientras que el acetoacetato es un cuerpo cetónico. Ambos pueden oxidarse a dióxido de carbono y agua. 1. Formación de DOPA. La tirosina hidroxilasa introduce un segundo grupo hidroxilo en el anillo de benceno de la tirosina para formar 3,4dihidroxifenilalanina, también conocida por sus siglas DOPA. La reacción requiere oxígeno y THB. Para mantener el nivel de THB, se requiere la presencia de dihidrobiopterina THB reductasa y NADPH. La tirosina hidroxilasa es una enzima reguladora. Se inhibe por la dopamina y la noradrenalina y se activa por la fosforilación dependiente de AMPc. Todas las enzimas involucradas en esta vía se pueden encontrar en el hígado. La mayor parte del catabolismo de fenilalanina sigue el camino descrito. Sin embargo, hay una cantidad menor que sigue una ruta alternativa, que comienza con una reacción de transaminación para dar ácido fenilpirúvico, que luego se descarboxila a ácido fenilacético o se reduce a ácido fenilláctico (Fig. 16.10). Normalmente, el fenilpirúvico y el ácido fenil-láctico se convierten nuevamente en fenilalanina y se metabolizan por la vía que conduce a la tirosina y al ácido homogentisico. El fenilacetato se excreta en la orina. 2. Formación de dopamina. DOPA descarboxilasa usa fosfato de piridoxal como coenzima para catalizar la formación de esta amina biogénica. La enzima tiene una amplia especificidad de sustrato, actuando sobre aminoácidos y derivados aromáticos. La dopamina pertenece a la familia de las catecolaminas y es un neurotransmisor (químico intermedio) en el sistema nervioso. En algunas neuronas del sistema nervioso central, la vía metabólica termina en la producción de dopamina; en otras neuronas, continúa produciendo otras catecolaminas. El contenido de dopamina en los centros neuronales, como el núcleo caudado, el putamen y el pálido, es muy bajo en pacientes con enfermedad de Parkinson. Este hallazgo es de gran interés clínico y farmacológico, y tiene una aplicación clínica inmediata. La administración de DOPA en dosis altas se utiliza en el tratamiento de esta enfermedad. El compuesto se mueve desde la sangre al centro nervioso, donde se convierte en dopamina. La dopamina no puede usarse en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson porque la catecolamina no puede cruzar la "barrera cerebral"; por lo tanto, se usa el precursor difusible DOPA. FIGURA 16.10 Vía metabólica alternativa de fenilalanina. Biosíntesis de catecolaminas Otra vía metabólica de la fenilalanina y la tirosina conduce a la producción de compuestos con alta actividad fisiológica, como las catecolaminas, dopamina, noradrenalina y epinefrina. Estos compuestos se sintetizan en las células cromafines del sistema nervioso y la médula suprarrenal. La designación de chro-maffin se deriva de los gránulos de color marrón que adquieren estas células cuando se marcan con dicromato de potasio. La secuencia de reacción para la síntesis de catecolaminas a partir de tirosina es la siguiente: 3. Formación de norepinefrina. La dopamina puede ser hidroxilada por la dopamina-β-hidroxilasa para producir noradrenalina (también llamada noradrenalina). El oxígeno molecular, el ácido ascórbico (vitamina C) y el cobre son necesarios para la reacción. La mayor parte de la noradrenalina sintetizada en el cuerpo se produce en el sistema nervioso simpático. 4. Epinefrina o adrenalina. La norepinefrina se puede convertir en epinefrina (también llamada adrenalina) por transmetilación. La reacción es catalizada por feniletanolamina-N-metiltransferasa (PNMT) y requiere SAM como donante de metilo. La enzima se encuentra en la médula suprarrenal. La adrenalina es la principal catecolamina sintetizada en esta glándula. La síntesis de PNMT es inducida por la hormona cortisol de la corteza suprarrenal. La figura 16.11 resume el camino. desaminación oxidativa de las catecolaminas y otras aminas biológicas, como la tiramina, la triptamina y la serotonina. COMT cataliza la metilación de uno de los grupos hidroxilo de las catecolaminas, generalmente, el OH unido al anillo de benceno en la posición meta. En la sección sobre hormonas medulares suprarrenales se dan más detalles sobre las formas de inactivación de catecolaminas. Se conocen varios inhibidores de la MAO. Su administración provoca un aumento de los niveles de catecolaminas en el sistema nervioso, provocando efectos estimulantes. Algunos de estos medicamentos se usan para tratar las depresiones nerviosas. La reserpina es un medicamento que tiene efectos opuestos a los inhibidores de la MAO. Determinan la reducción de los depósitos de adrenalina acumulados en las terminaciones nerviosas. Síntesis de melanina FIGURA 16.11 Biosíntesis de catecolaminas. Las catecolaminas son transmisores químicos del sistema adrenérgico. Su acción es variada; tienen acciones vasoconstrictoras en algunas regiones vasculares y acciones vasodilatadoras en otras. Aumentan la frecuencia cardíaca y el gasto cardíaco, tienen efectos relajantes en los músculos bronquiales y estimulan la glucogenólisis muscular y la lipólisis en el tejido adiposo. El tipo de respuesta depende del tipo de receptores adrenérgicos expresados en los órganos diana. Por ejemplo, los receptores α están involucrados en la vasoconstricción periférica, mientras que los receptores β están asociados con la estimulación cardíaca y la vasodilatación en algunas áreas. La norepinefrina actúa principalmente sobre los receptores α, por lo que predomina la acción vasopresora. La adrenalina tiene efecto en ambos tipos de receptores. Los tumores de tejido de cromafina de la médula suprarrenal o tejido suprarrenal adicional, llamados feocromocitomas, secretan grandes cantidades de ecolaminas de gato, principalmente noradrenalina. Los pacientes con feocromocitomas sufren de hipertensión severa, frecuencia cardíaca elevada y palpitaciones, pérdida de peso, niveles altos de glucosa, dolores de cabeza, aumento de la transpiración, palidez y ansiedad. Como sustancia de gran actividad biológica, las ecolaminas de gato se degradan y eliminan rápidamente del cuerpo; su vida media es de 15-30 s. La inactivación depende de la acción de la monoamino oxidasa (MAO) y la catecol-O-metil transferasa (COMT). MAO es responsable de la La melanina, el pigmento que da color a la piel y al cabello, se deriva de la tirosina que, después de la conversión a DOPA, sufre una serie de transformaciones que resultan en la formación de melanina. La hidroxilación de la tirosina a DOPA en los melanocitos es catalizada por la tirosinasa, una enzima que contiene cobre con una función de tirosina hidroxilasa diferente a la involucrada en la vía de síntesis de catecolaminas en el sistema nervioso y la médula suprarrenal. La actividad de la tirosinasa también promueve la oxidación de DOPA a dopaquinona, que después de una serie de oxidaciones no enzimáticas se polimeriza en gránulos marrones y negros que sirven como pigmentos. Síntesis de hormona tiroidea La tiroxina y la triyodotironina, que son hormonas de la glándula tiroides, se sintetizan a partir de la tirosina. Errores innatos del metabolismo de la tirosina y la fenilalanina Se han descrito varias enfermedades genéticas relacionadas con el metabolismo de la tirosina y la fenilalanina. Aquí solo se mencionarán los más comunes. Fenilcetonuria u oligofrenia fenilpirúvica. Esta enfermedad hereditaria es causada por la incapacidad de las células para convertir fenilalanina en tirosina, que puede ser causada por la falta de fenilalanina hidroxilasa, biopterina reductasa o dihidro y tetrahidro-biopterina. En estos pacientes, la tirosina se convierte en un aminoácido esencial y su metabolismo no se ve afectado. La fenilalanina, que no puede seguir la vía principal de degradación, se transporta a rutas metabólicas alternativas para formar fenilpiruvato, fenilacetato y fenil-lactato (Figs. 16.10 y 16.12). La fenilalanina, junto con estos intermedios, se acumula en los tejidos y la sangre y se excreta en la orina. sintetizar melanina. Hay falta de pigmentación en la piel y el cabello, alta sensibilidad a la radiación solar y tendencia a desarrollar carcinomas de piel. Metabolismo de triptófano Algunas vías del metabolismo del triptófano incluyen las siguientes: Biosíntesis de serotonina Una de las vías para la síntesis de serotonina comprende la hidroxilación de triptófano en el carbono 5 para formar 5-hidroxi-triptófano. Esta reacción es catalizada por el triptófano hidroxilasa, que requiere oxígeno y THB. En una segunda etapa, el compuesto se descarboxila a 5-hidroxitriptamina (5HT), también conocida como sero-tonina, trombocitina o trombotonina (figura 16.13). Este compuesto se sintetiza y se almacena en las células cerebrales e intestinales. Las plaquetas también contienen serotonina que reciben del plasma. FIGURA 16.12 Resumen de las rutas metabólicas de fenilalanina y tirosina. 1 indica el paso bloqueado en fenilcetonuria, 2 en albinismo y 3 en alcaptonuria . Este defecto ocurre con una frecuencia de un caso por cada 10,000 nacimientos. En los niños que padecen esta enfermedad, el sistema nervioso central se ve afectado y presentan un retraso mental grave. La administración de una dieta baja en fenilalanina temprano en la vida previene los defectos mentales. Por lo tanto, el diagnóstico temprano es crítico. La presencia de ácido fenilpirúvico en la orina de los recién nacidos debe investigarse sistemáticamente. Un índice más seguro para un diagnóstico rápido es el nivel de fenilalanina en plasma. Alcaptonuria En esta enfermedad, hay una incapacidad para catabolizar la fenilalanina y la tirosina. El defecto metabólico se debe a la falta de homogentisate oxidase. El ácido homogentisico aumenta, que se excreta en la orina. Por oxidación, esta sustancia se convierte en un pigmento marrón negruzco llamado tono alcap. El oscurecimiento de la orina expuesta al aire es precisamente el síntoma más llamativo de la enfermedad. La pigmentación generalizada del tejido conectivo y la artritis pueden ocurrir en pacientes adultos. Albinismo. Este trastorno genético es causado por varios defectos hereditarios que comprometen la producción de melanina. Algunas formas de albinismo son causadas por la falta de tirosinasa. Estos pacientes no pueden FIGURA 16.13 Biosíntesis de serotonina La serotonina funciona como un neurotransmisor y ejerce múltiples funciones reguladoras en el sistema nervioso. Está involucrado en mecanismos como el sueño, el apetito, la termorregulación, la percepción del dolor y el control de la secreción de la hipófisis anterior. 5HT se produce dentro del cerebro; No cruza la barrera hematoencefálica. Los niveles disminuidos de serotonina en el sistema nervioso central tienen un efecto depresivo sobre la actividad cerebral. 5HT estimula la contracción del músculo liso, es un poderoso vasoconstrictor. Existe un tipo de neoplasia maligna que se genera por transformación de las células de enterocromafina que sintetizan serotonina (argentaffinoma). Entre otros síntomas, esta patología causa el síndrome carcinoide, que se caracteriza por enrojecimiento, diarrea, calambres musculares y, con menos frecuencia, espasmo bronquial y cardiopatía restrictiva. La mayor parte de la serotonina liberada se somete a desaminación oxidativa (MAO) para dar 5-OH-en-doleacético, un compuesto inactivo. Los inhibidores de la MAO producen estimulación psíquica porque prolongan la acción de la serotonina. La dietilamida del ácido lisérgico (LSD) compite con la serotonina. La intoxicación por LSD puede tratarse mediante la administración de serotonina. circadiano y la función reproductiva. La melatonina se ha utilizado como ayuda para dormir en los trastornos del sueño. Síntesis de ácido nicotínico El ácido nicotínico es una vitamina del complejo B. Uno de sus derivados, la nicotinamida, forma parte de las coenzimas NAD y NADP. La falta de esta vitamina en la dieta produce una enfermedad muy grave conocida como pelagra. El consumo de alimentos ricos en triptófano mejora los síntomas causados por la pelagra, incluso cuando no se suministra ácido nicotínico. Esto se debe a que el ácido nicotínico se produce en una de las vías metabólicas del triptófano. Síntesis de melatonina La melatonina es una hormona liberada por la glándula pineal y está presente en los nervios periféricos de los humanos. Bloquea la acción de las hormonas estimuladoras de los melanocitos y las hormonas adrenocorticotróficas. Se sintetiza a partir del triptófano, que primero debe convertirse en serotonina. Esto es luego acetilado y metilado (Fig. 16.14). Putrefacción bacteriana Las bacterias de la flora intestinal actúan sobre los residuos de triptófano presentes en el contenido del tracto digestivo y producen una serie de sustancias. Estos incluyen indol, indolacetato, skatole e indoxilo. Todos estos productos pueden excretarse con las heces o absorberse y eliminarse en la orina. El indoxilo conjugado con sulfato se encuentra en la orina de personas con dietas altas en proteínas. La sal de potasio del sulfato de in-doxilo se denomina indicación urinaria. FIGURA 16.14 Biosíntesis de melatonina. La síntesis de melatonina está regulada por fotoperiodos claros y oscuros. Esta hormona está estrechamente relacionada con la producción del ritmo Síntesis de óxido nítrico El óxido nítrico (NO•) es un gas generado a partir de arginina en una reacción catalizada por el óxido nítrico sintasa (NOS). Las coenzimas NADPH, FMN, FAD y THB participan en las reacciones que generan NO. NOS contiene hemo Fe2+ y se activa por el complejo Ca2+ -calmodulina. Se producen citrulina y óxido nítrico. El óxido nítrico se produce en diferentes áreas del cerebro. Aunque es un rototransmisor neu muy atípico, existe evidencia de su implicación en funciones importantes del sistema nervioso. En los macrófagos, la NOS es inducida por estímulos y factores liberados en focos inflamatorios o después de la entrada de agentes extraños. La liberación repentina de NO• genera radicales libres con acción tóxica sobre bacterias, células tumorales y otros materiales fagocitados. Uso de aminoácidos en reacciones de desintoxicación o biotransformación Se requieren NADPH y dihidrobiopterina para regenerar THB. El óxido nítrico es un radical libre de alta reactividad química. Por esta razón, tiene una vida media muy corta de menos de 5 s. Gracias a su pequeño tamaño, el NO• se difunde rápidamente a través de las membranas. NO• es un importante regulador y mensajero multifuncional. Los mamíferos expresan tres isoenzimas de NOS, con diferente distribución celular y propiedades reguladoras. Uno se encuentra en las células endoteliales de los vasos sanguíneos (eNOS o I), otro se encuentra en los macrófagos (iNOS o II), y una tercera isoenzima está presente en las células neuronales (nNOS o III). Si bien los tejidos mencionados son la ubicación principal de NOS, otros tejidos también tienen NOS, aunque en niveles más bajos. Las isoenzimas I y III son constitutivas. En contraste, la isoforma de macrófagos (iNOS o II) es inducible. NO• es el factor de relajación vascular derivado del endotelio vascular. Fue descrito antes de conocer su naturaleza química. Participa como mensajero de un sistema de señal celular que incluye guanilato ciclasa. El efecto del NO• es la vasodilatación en diferentes áreas vasculares, incluidos los cuerpos cavernosos del pene, donde contribuye a la erección del pene. Durante muchos años, la nitroglicerina y los nitratos orgánicos fueron utilizados como vasodilatadores en el tratamiento de la enfermedad coronaria. Hoy, se sabe que estos compuestos actúan liberando NO•. Algunos aminoácidos, o sustancias derivadas de ellos, están involucrados en reacciones que facilitan la eliminación de sustancias tóxicas en el cuerpo. Por ejemplo, la glicina forma complejos no tóxicos con diversas sustancias aromáticas. Cuando se combina con ácido benzoico, forma ácido hipúrico (hipurato), que se excreta en la orina (Fig. 16.15). La síntesis de ácido hipúrico se lleva a cabo principalmente en el hígado, por lo tanto, su determinación en orina después de la administración de benzoato puede usarse como una prueba de función hepática. FIGURA 16.15 Biosíntesis de ácido hipúrico. La cisteína participa en reacciones de biotransformación de compuestos orgánicos. El aminoácido se convierte en taurina después de varios pasos metabólicos. La taurina está involucrada en conjugaciones (por ejemplo, ver formación de taurocolato). El residuo de cisteína del glutatión se usa en la formación de ácidos mercaptúricos, compuestos solubles que se eliminan fácilmente en la orina, como resultado de la desintoxicación de compuestos halogenados, organofosforados y otros. La sulfoconjugación es un proceso de biotransformación en el que el sulfato participa después de la activación por reacción con ATP. La adenosina-3′- fosfato5′-fosfosulfato y la fosfoadenosina-adenosina-fosfosulfato (PAPS), o sulfatos activos, pueden transferir sulfato a una sustancia aceptora. Gran parte del sulfato de la oxidación de azufre de la cisteína y la metionina se elimina por la orina como sulfato inorgánico. Una pequeña parte se combina con compuestos orgánicos derivados de fenol, indol o skatole. Indican es la sal de potasio de indoxilsulfato. La cantidad de este compuesto en la orina refleja la magnitud de la putrefacción bacteriana en el intestino. Síntesis de creatina La creatina, libre o unida al fosfato (fosfocreatina o fosfato de creatina), está presente en el músculo esquelético, el miocardio y los tejidos cerebrales. Tres aminoácidos, arginina, glicina y metionina están involucrados en la biosíntesis de creatina. La primera reacción tiene lugar en los riñones y consiste en la unión del resto amidina de la arginina a la glicina, para formar ácido guanidoacético. La síntesis de creatina se completa en el hígado mediante la metilación del ácido guanidoacético (Fig. 16.16). El donante de metilo es S-adenosil metionina. Desde el hígado, la creatina ingresa a la circulación y es absorbida por el músculo esquelético, el miocardio y los tejidos cerebrales, donde reacciona con el ATP para formar fosfato de creatina. La fosforilación es catalizada por la creatinfosfato quinasa, que se encuentra en el espacio intermembrana de las mitocondrias. Creatina fosfato quinasa isoenzimas. La enzima es un dímero formado por las posibles asociaciones entre las subunidades M (músculo) y B (cerebro), lo que resulta en la existencia de tres isoformas: MM, MB y BB. La isoenzima cerebral es BB, el músculo esquelético es casi completamente MM y el corazón contiene aproximadamente 15% de MB y el resto es MM. La determinación de la actividad de la creatinofosfato quinasa en el plasma sanguíneo es útil en el diagnóstico de infarto de miocardio. El nivel de enzima aumenta en el plasma 6–8 h después de que se produce un infarto de miocardio; alcanza niveles máximos a las 24–48 h después del infarto. La detección de isoenzimas de plasma MB permite la identificación de daño cardíaco. El fosfato de creatina tiene un enlace fosfato de alta energía. Es un compuesto de reserva de energía utilizado para mantener el nivel intracelular de ATP en el músculo durante breves períodos de intensa actividad contráctil. La reacción es reversible; cuando se requiere ATP, se puede generar a partir de fosfato de creatina y ADP. El fosfato de creatina es un compuesto inestable, se cicla de forma espontánea e irreversible para formar creatinina y fosfato libre. FIGURA 16.16 Biosíntesis de creatina. La creatinina se excreta en la orina; La cantidad excretada en 24 h es relativamente constante para cada individuo y depende de la masa muscular del individuo. La concentración plasmática de creatinina en adultos normales es de 0.9-1.4 mg / dL en hombres y 0.8-1.2 mg / dL en mujeres. Sus niveles se usan comúnmente como un indicador de la función renal. Glutatión Todas las células contienen γ-glutamil-cisteinil-glicina a una concentración de ~ 5 mM. La función principal de este compuesto depende de su poder reductor. El glutatión ayuda a mantener el estado reducido de los grupos de proteínas sulfhidrilo y es un mecanismo de defensa contra la acción de las especies reactivas de oxígeno. En los glóbulos rojos, el glutatión disminuye la formación de metahemoglobina y previene el daño oxidativo de la membrana celular. También se requiere para la síntesis de eicosanoides y la biotransformación de sustancias extrañas al cuerpo. clínicas asociadas con estos defectos hereditarios presentan diferentes síntomas, incluyendo anemia hemolítica y anormalidades neurológicas y mentales. Ciclo γ-glutamilo. Otra función del glutatión es actuar como intermediario en un sistema de transporte de aminoácidos unido a la membrana. Es un mecanismo cíclico presente en varios órganos (hígado, riñón e intestino). El proceso se resume en la figura 16.17. Todos los aminoácidos, excepto la prolina, pueden usar este mecanismo para ingresar a las células. La glutatión peroxidasa, una enzima que contiene selenio, se localiza en el citosol y las mitocondrias; Cataliza la reducción de hidroperóxidos orgánicos y peróxido de hidrógeno. En esta reacción, el glutatión se oxida (GSSG) y debe reducirse para mantener la relación GSH / GSSG dentro del valor normal, que es cercano a 100. La reducción de GSSG es catalizada por la enzima glutatión reductasa (dependiente de NADPH), responsable de Regeneración GSH. Síntesis de glutatión. Esta vía metabólica comprende dos etapas. En el primero, se forma un enlace amida entre el γ-carboxilo del glutamato y el grupo αamina de la cisteína. La reacción es catalizada por la γ-glutamilcisteína sintetasa, que utiliza la energía proporcionada por la hidrólisis de ATP. El siguiente paso es catalizado por la glutatión sintetasa, que forma un enlace peptídico entre el grupo carboxilo del residuo de dipéptido cisteína generado en la primera reacción y el grupo amina de la glicina. La reacción se combina con la descomposición de ATP a ADP y Pi. Existen defectos genéticos que reducen la capacidad de sintetizar glutatión (deficiencia de γ glutamil cisteína y glutatión sintetasa). Las condiciones FIGURA 16.17 Ciclo γ-Glutamilo. Los pasos del ciclo son los siguientes: primero, el aminoácido que se transportará está unido a un sitio específico en la cara externa de la membrana plasmática, donde se inserta la γ-glutamil transferasa o transpeptidasa. Esta enzima cataliza la separación del resto γ-glutamil del glutatión citosólico. El γ-glutamilo se une al aminoácido que está unido a la membrana. Los productos de la reacción son los dipéptidos, el γ-glutamilaminoácido y la cisteinil-glicina. Este último se hidroliza para liberar cisteína y glicina mediante una dipeptidasa. El dipéptido γ-glutamil-aminoácido se transfiere a la célula y se escinde por la γ-glutamil ciclotransferasa. El resultado neto de esta reacción es la incorporación de un aminoácido al citoplasma y la liberación de glutamato. La misma γ-glutamil ciclotransferasa convierte el glutamato en un compuesto cíclico estable, la 5-oxoprolina, también llamado ácido piroglutámico. La 5oxoprolinasa promueve la conversión de 5-oxoprolina en glutamato, en una reacción que requiere la hidrólisis del ATP. En las dos fases restantes, catalizadas por γ glutamil-cisteína sintetasa y glutatión sintetasa, el glutatión se regenera. En el curso de este capítulo, solo se han mencionado algunas de las enfermedades hereditarias del metabolismo de los aminoácidos. Hoy en día, se conoce un gran número de ellos. No está dentro del alcance de este libro hacer una presentación exhaustiva de los errores congénitos, sino simplemente enfatizar la existencia de estos trastornos, que deben identificarse, diagnosticarse temprano y tratarse. Con la excepción de la enzima que cataliza el primer paso del ciclo, que es una proteína de membrana integral, todas las otras enzimas se encuentran en el citosol celular. Este sistema de transporte es energéticamente costoso; cada ingesta de aminoácidos exige tres enlaces de ATP de alta energía. RESUMEN Los niveles de γ-glutamil transferasa se determinan en laboratorios clínicos para el diagnóstico. Su actividad en plasma aumenta en pacientes con obstrucción biliar, daño hepático por consumo de alcohol, neoplasia diseminada y carcinoma de próstata. Errores innatos del metabolismo de los aminoácidos Estas condiciones generalmente resultan de mutaciones que afectan la síntesis de enzimas. Algunas veces el defecto involucra sitios importantes o residuos críticos de aminoácidos en la molécula, lo que lleva a la alteración de su eficiencia catalítica; otros bloquean completamente la síntesis. Cualquier defecto que provoque la pérdida de la actividad de una enzima en una vía metabólica provoca la interrupción del flujo de sustratos y la acumulación de metabolitos intermedios de etapas que se encuentran antes del sitio afectado. En general, el aumento de las concentraciones de metabolitos tiene efectos nocivos, especialmente en el sistema nervioso central de los lactantes, lo que lleva a retraso mental frecuente y trastornos neurológicos. En algunos casos, es posible reducir el riesgo de lesiones graves por las dietas que eliminan o reducen el aminoácido cuyo metabolismo se ve afectado. Por lo tanto, es imprescindible diagnosticar estas deficiencias antes de que ocurra un daño irreversible. En la mayoría de los casos, las enfermedades genéticas humanas relacionadas con el metabolismo de los aminoácidos involucran enzimas de vías catabólicas o síntesis de derivados. En niños bien alimentados, no se han observado deficiencias de aminoácidos no esenciales causadas por alteraciones en su síntesis. Los aminoácidos (AA) que vienen con la dieta se mezclan con los generados por la degradación de la proteína endógena para formar un grupo metabólico común en el cuerpo. El equilibrio de nitrógeno es el equilibrio que existe en adultos normales y bien alimentados, entre la ingesta de nitrógeno (representado principalmente por el contenido de proteínas de la dieta) y el nitrógeno excretado a través de la orina y las heces. El nivel de proteína en una célula es el resultado del equilibrio entre la síntesis de proteínas y la degradación. La vida media de la proteína es un indicador del tiempo de renovación de una proteína; normalmente varía entre horas y varios meses. Una vez que la vida de una proteína ha llegado a su fin, se hidroliza en sus aminoácidos constituyentes. Los principales sistemas responsables de esta función son: 1. Lisosomas, que contienen proteasas llamadas catepsinas e hidrolasas de lípidos y carbohidratos. Estos hidrolizan proteínas extracelulares ingresadas por endocitosis o moléculas y orgánulos citosólicos por un proceso llamado autofagia. 2. Ubiquitina-proteasoma, que degrada las proteínas marcadas por la inserción en tándem de múltiples unidades de ubiquitina. El proceso se cataliza mediante la activación de enzimas (E1), conjugación (E2) y ligasa (E3). Una vez ubiquitinados, las proteínas se alimentan al proteasoma, que lo hidroliza a oligopéptidos. El proteasoma es un cilindro hueco formado por múltiples subunidades; en su superficie interna tiene sitios proteolíticos. Los aminoácidos esenciales son aquellos que no pueden ser sintetizados por las células humanas y necesitan ser suministrados con la dieta. Incluyen: fenilamina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina. La arginina y la histidina son relativamente esenciales. El catabolismo de aminoácidos se produce cuando los AA no se usan en la síntesis de proteínas u otros compuestos nitrogenados, sino que se degradan con fines energéticos. El grupo amina se separa y sigue rutas metabólicas independientes de las de la cadena de carbono. Los procesos relacionados con el destino del grupo amina incluyen transaminación y desaminación. La transaminación es la reacción por la cual el grupo α-amino de AA se transfiere a un α-cetoácido. La reacción es catalizada por transaminasas o aminotransferasas, usando fosfato de piridoxal como coenzima. La piridoxalP sirve como aceptor y transportador del grupo amina, convirtiéndose reversiblemente en piridoxamina-P. Excepto la lisina y la treonina, todos los AA participan en reacciones de transaminación con piruvato, oxaloacetato o α-cetoglutarato para formar alanina, aspartato o glutamato, respectivamente, y los α-cetoácidos correspondientes al AA original. A su vez, la alanina y el aspartato reaccionan con el α-cetoglutarato. En consecuencia, los grupos amina de todos los AA convergen para formar glutamato. La desaminación del glutamato es catalizada por la glutamato deshidrogenasa, que utiliza NAD o NADP. Los productos de la reacción son α cetoglutarato y amoníaco, que al pH de las células, el 99% del amoníaco se convierte en ion amonio (NH4 +). El NH3 producido por desaminaciones en los tejidos, y también generado por la flora bacteriana intestinal, llega a la sangre y debe eliminarse porque es tóxico. Un mecanismo de eliminación es la formación de glutamina. La glutamina se forma a partir de NH3 y glutamato en una reacción catalizada por la glutamina sintetasa; Requiere ATP. La glutamina se hidroliza a glutamato y NH3 por glutaminasa. En los riñones, la producción de amoníaco es importante como mecanismo para mantener el equilibrio ácido-base del cuerpo. En los mamíferos, el proceso principal para la eliminación del amoníaco es el ciclo de la urea. La formación de urea ocurre en el hígado por las siguientes reacciones: 1. Síntesis de carbamoilo, por condensación de NH3, CO2 y fosfato (por la carbamoil fosfato sintetasa). La reacción ocurre en las mitocondrias, se hidrolizan dos ATP y se requiere N-acetil glutamato. 2. Síntesis de citrulina. El carbamoilo se transfiere a ornitina (ornitina transcarbamoilasa). La citrulina abandona las mitocondrias y continúa los siguientes pasos en el citosol celular. 3. Síntesis de argininosuccinato. La citrulina se une al aspartato (argininosuccinato sintetasa). El ATP se hidroliza a AMP y PPi. 4. Escisión de argininosuccinato. El argininosuccinato se separa en fumarato y arginina (por arginino succinasa, una liasa). 5. Hidrólisis de arginina: se forman urea y ornitina (por arginasa). Para comenzar otro ciclo, la ornitina necesita moverse hacia las mitocondrias. Uno de los nitrógenos de urea proviene del NH3 producido por la desaminación oxidativa del glutamato y el otro del aspartato, que adquiere su grupo amina por transaminación con oxaloacetato. El fumarato liberado en la reacción 4 es un intermedio del ciclo del ácido cítrico. En este ciclo, el fumarato se convierte sucesivamente en malato y oxaloacetato, que produce aspartato por transaminación. Esta estrecha asociación en el funcionamiento de los ciclos de urea y ácido cítrico contribuye a la formación de urea (en la oxidación del malato, se generan tres ATP. Se necesitan cuatro ATP para la producción de una molécula de urea). La urea se excreta en la orina. El destino del esqueleto de carbono de los aminoácidos depende de que el AA sea glucógeno o cetogénico. Los AA glucogénicos se metabolizan a piruvato o intermedios del ciclo del ácido cítrico. Los AA cetogénicos generan acetil-CoA o acetoacetato. Los mecanismos metabólicos generales para la degradación de AA incluyen los siguientes: La descarboxilación conduce a la pérdida del grupo carboxilo AA, lo que da como resultado la formación de aminas biológicas o biogénicas, de intensa acción fisiológica. La reacción es catalizada por la descarboxilasa (fosfato de piridoxal de coenzima). Por descarboxilación, las formas de lisina: cadaverina; ornitina, putrescina; histidina, histamina; tirosina, tiramina; triptófano, triptamina; y ácido glutámico, GABA. Las poliaminas, como la espermidina y la espermina, se forman a partir de la putrescina. La transferencia de grupos monocarbonados (metilo, OH-metilo, formilo y CO2) se utilizan en diversos procesos de síntesis, catalizados por metiltransferasas específicas. El principal donante de metilo es la metionina activa (S-adenosil-metionina). Otros agentes de transporte de un grupo C son THF y metilcobalamina, ambos derivados de vitaminas del complejo B. El CO2 se transfiere en reacciones catalizadas por carboxilasa con coenzima biotina (una vitamina del complejo B). La fenilalanina y la tirosina siguen las siguientes vías metabólicas: 1. Degradación: a. La fenilalanina se convierte en tirosina (por fenilalanina hidroxilasa y biopterina reductasa, usando O2, THB y NADPH). b. Transaminación (por tirosina aminotransferasa). Forma p-OHfenilpirúvico. c. Oxidación y descarboxilación (por p-OH-fenilpiruvato hidroxilasa). Forma ácido homogentisico. d. La oxidasa de homogenizado cataliza la formación de acetato de maleilo, que se isomeriza a acetato de fumarato. e. Formación de fumarato y acetoacetato (por fuilacetoacetato hidrolasa). 2. Síntesis de catecolaminas. a. Formación de DOPA: la tirosina se convierte en 3,4 dihidroxifenilalanina (tirosina hidroxilasa, O2, THB). b. Formación de dopamina (por DOPA descarboxilasa). c. Formación de noradrenalina (noradrenalina): la dopamina se hidroxila (por dopamina-hidroxilasa, que requiere O2 y ácido ascórbico). d. Formación de epinefrina (adrenalina): transmetilación a partir de 5adenosilmetionina (por metiltransferasa). Las catecolaminas actúan como transmisores químicos del sistema adrenérgico. La inactivación es realizada por MAO y COMT. La síntesis de melanina se obtiene por primera formación de DOPA, luego varios pasos de reacción producen melanina. Los errores congénitos del metabolismo de AA debido a la falta de fenilalanina hidroxilasa o dihidrobiopterina reductasa conducen a fenilcetonuria u oligofrenia de fenilpiruvato. La falta de oxidasa homogentisica causa alcaptonuria y la ausencia de tirosinasa en los melanocitos causa albinismo. La serotonina se sintetiza por hidroxilación de tryotophan en C5. El 5-OHtriptófano formado se convierte en 5-OHtryptamina, o serotonina cuando se descarboxila. MAO inactiva la serotonina. La síntesis de melatonina implica la acetilatación y la metilación de la serotonina. La melatonina es una hormona secretada por la glándula pineal. El ácido nicotínico (complejo de vitamina B) se sintetiza a partir del triptófano. El triptófano forma indol, indol acetato, skatole, indoxil y sal de potasio de indoxilsulfato (indica) en el intestino como resultado de la putrefacción bacteriana. Síntesis de óxido nítrico. NO • el gas es un radical libre que actúa como un importante mensajero químico. Se forma a partir de la arginina por la acción de NOS. Las reacciones de biotransformación en las que están involucrados los AA sirven como mecanismo de desintoxicación en el cuerpo. Algunos ejemplos son los siguientes: La glicina reacciona con ácido benzoico para formar ácido hipúrico. La cisteína se convierte en taurina que se une a los ácidos biliares (taurocolato). La oxidación del azufre de la metionina y la cisteína libera sulfato. En las sulfoconjugaciones, se utiliza sulfato activo (fosfoadenosinafosfosulfato, PAPS). La síntesis de creatina requiere arginina, glicina y metionina. El grupo amidina de la arginina se transfiere a la glicina para formar ácido guanidoacético. Esto está metilado y da creatina, el donante de metilo es SAM. La creatina forma fosfato de creatina (fosfocreatina quinasa, ATP). El fosfato de creatina es una reserva de energía muscular. A través de la deshidratación, la creatina se convierte en creatinina, que se excreta en la orina. El glutatión ayuda a mantener el estado reducido de los grupos de proteínas sulfhidrilo y es un mecanismo de defensa contra la acción de las especies reactivas de oxígeno. Además, el glutatión funciona como intermediario en un sistema de transporte de aminoácidos unido a la membrana, que lleva AA a la célula (ciclo γ-glutamilo). La síntesis de glutatión requiere γ-glutamilcisteína sintetasa y glutatión sintetasa.