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Serie Nº 10
Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas
SERIE Nº 10. Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas
El nitrógeno es obtenido por la gran mayoría de los seres vivos mediante la
proteína adquirida como alimento. Las proteínas ingeridas en exceso, a diferencia de
glúcidos y lípidos, no se pueden almacenar y por lo tanto deben ser degradadas.
Todos los aminoácidos, cualquiera sea su procedencia, pasan a la sangre y se
distribuyen a los tejidos, sin distinción de su origen. Este conjunto de aminoácidos
libres constituye un “fondo común” o “pool”, al cual se recurre para la síntesis de
nuevas proteínas o compuestos derivados.
Los aminoácidos son utilizados por las células para la síntesis de proteínas, éste es
un proceso sumamente dinámico; las proteínas se encuentran en un proceso continuo
de recambio y la mayoría son rápidamente sintetizadas y degradadas. Además, son
utilizados para la síntesis de muchos otros compuestos nitrogenados, tales como las
bases púricas y pirimídicas, hemo, glutatión, nucleótidos y coenzimas nucleotídicas, y
esfingosina.
Los intermediarios no aminados más importantes producidos por la degradación
de los aminoácidos son piruvato, intermediarios del Ciclo de Krebs, acetil-CoA y
acetoacetato.
Degradación de Aminoácidos
Los aminoácidos obtenidos a partir de las proteínas de la dieta son la fuente de la
mayor parte de grupos amino.
La mayoría de aminoácidos se metabolizan en el hígado, porque el músculo carece
de la maquinaria enzimática necesaria para procesar el amoniaco que es un producto
sumamente tóxico.
Parte del amoníaco generado en este proceso se recicla y se utiliza en diversas
rutas biosintéticas. El exceso se excreta directamente o se convierte en urea o ácido
úrico para su excreción, según el organismo de que se trate.
El exceso de amoníaco generado en otros tejidos (extra hepáticos) se transporta al
hígado (en forma de grupos amino) para ser convertido en la forma adecuada para su
excreción.
El catabolismo de aminoácidos comprende tres etapas fundamentales:
• Desaminación: el grupo amino debe ser convertido en amonio.
• Incorporación del amoníaco a la síntesis de urea.
• Conversión de los esqueletos carbonados en intermediarios comunes que
puedan ser reutilizados como fuente de energía o en otras rutas
metabólicas. De acuerdo al destino final del esqueleto carbonado, los
aminoácidos se clasifican en cetogénicos y glucogénicos. Los cetogénicos
son aquellos aminoácidos que se degradan a Acetil-CoA o a AcetoacetilCoA, y pueden dar origen a cuerpos cetónicos. Los aminoácidos
glucogénicos son aquellos que se degradan a piruvato, α-cetoglutarato,
succinil-CoA, glutamato u oxalacetato, todos compuestos que pueden ser
utilizados para la síntesis de glucosa (gluconeogénesis).
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Ciclo de la Urea
El amonio procedente del catabolismo en las células debe ser transportado al
hígado para su conversión en urea, molécula con la que se excreta el grupo amino
procedente de los aminoácidos excedentes en el organismo.
En la mayoría de los tejidos el amonio se fija al glutamato, para ser transportado
como glutamina, ésta se transporta en la sangre hasta el hígado, donde libera de
nuevo el amonio por hidrólisis.
En los músculos los aminoácidos se desaminan y el amonio se fija al αcetoglutarato que se transforma en glutamato; este aminoácidos se transamina con
piruvato y a él le pasa el amonio, formando alanina. La alanina transporta el amonio
desde los músculos hasta el hígado y allí lo pasa de nuevo al α-cetoglutarato para
producir glutamato (Ciclo de la Glucosa-Alanina).
Se lleva a cabo en los hepatocitos. Intervienen cinco enzimas y como
alimentadores ingresan NH3, CO2 y aspartato, el cual cede su grupo amino. Las
reacciones del ciclo de la urea tienen lugar unas en la mitocondria y otras en el citosol.
La carbamoil-P sintetasa y la ornitina transcarbamilasa son mitocondriales, el resto son
citosólicas.
Reacciones del Ciclo:
• Síntesis de carbamoilfosfato, con gasto de energía, se genera un enlace
anhidro. Carbamoil-P sintetasa.
• Transferencia del grupo carbamilo a la Ornitina; ésta actúa como cebadora
del ciclo. Ornitina transcarbamoilasa.
• El Aspartato se condensa con la Citrulina; con gasto de energía, hidrólisis
del ATP hasta AMP y PPi. Arginosuccinato sintetasa.
• La hidrólisis del Argininosuccinato-succinato produce Arginina y Fumarato.
Arginosuccinasa.
• La Arginina se hidroliza a urea para su excreción y Ornitina que sigue en el
ciclo. Arginasa.
El fumarato que se libera en el ciclo de la urea puede convertirse fácilmente en
oxalacetato mediante las reacciones del ciclo de Krebs y este OXALACETATO puede
tomar un grupo amonio por transaminación con el glutamato, pasando a aspartato
que así podrá cederlo de nuevo en el ciclo de la urea.
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Degradación de Proteínas
La degradación intracelular la lleva a cabo un complejo multienzimático
denominado proteosoma, que actúa en el citosol. Se trata de una estructura cilíndrica
formada por proteasas y dos extremos de complejos proteicos que alimentan la
cámara interna del cilindro al reconocer las proteínas. Las proteínas que van a ser
degradadas han sido marcadas anteriormente con una pequeña proteína llamada
ubiquitina.
Síntesis de Aminoácidos
La síntesis de aminoácidos se desarrolla a un ritmo variable, dependiendo de las
necesidades que existan en la célula respecto a cada aminoácido particular. Las rutas
metabólicas son muy variadas; en el caso de los mamíferos existen vías anabólicas para
unos once aminoácidos, denominados no esenciales.
La mayor parte de los aminoácidos no esenciales se sintetizan a través de vías
metabólicas muy simples con una secuencia de unas pocas reacciones. Los sustratos
iniciales son metabolitos intermediarios del ciclo de Krebs, de la glucólisis o de la
ruta de las pentosas-fosfato. Estas moléculas aportan el esqueleto carbonado e
incorporan el nitrógeno orgánico, fundamentalmente, del glutamato o de la
glutamina.
Síntesis de Proteínas
Ocurre en los ribosomas que consisten en dos subunidades, una grande y una
pequeña, cada una formada por ARNr y proteínas específicas. Para la síntesis de
proteínas, también se requiere de moléculas de ARNt, que es el adaptador que aparea
el aminoácido correcto con cada codón de ARNm durante la síntesis. Hay al menos un
tipo de molécula de ARNt para cada tipo de aminoácido presente en las células. Las
enzimas conocidas como aminoacil-ARNt sintetasas catalizan la unión de cada
aminoácido a su molécula de ARNt específica.
El proceso consta de tres etapas:
• Iniciación de la traducción: el ARNm se une a la subunidad menor de los
ribosomas. A éstos se asocia el aminoacil-ARNt, gracias a que el ARNt tiene
en una de sus asas un triplete de
nucleótidos denominado anticodón,
que se asocia al primer codón del ARNm
según la complementariedad de las
bases. A este grupo de moléculas se
une la subunidad ribosómica mayor,
formándose el complejo ribosomal o
complejo activo. Todos estos procesos
están catalizados por los llamados
factores de iniciación. El primer codón
que se traduce es generalmente el
AUG, que corresponde con el
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aminoácido metionina en eucariotas. En procariotas es la formilmetionina.
•
Elongación de la cadena polipeptídica: el complejo ribosomal posee dos
sitios de unión o centros. El centro peptidil o centro P, donde se sitúa el
primer aminoacil-ARNt y el centro aceptor de nuevos aminoacil-ARNt o
centro A. El carboxilo terminal (-COOH) del aminoácido iniciado se une con
el amino terminal (-NH2) del aminoácido siguiente mediante enlace
peptídico. Esta unión es catalizada por la enzima peptidil transferasa. El
centro P queda pues ocupado por un ARNt sin aminoácido. El ARNt sin
aminoácido sale del ribosoma. Se produce la translocación ribosomal. El
dipeptil-ARNt queda ahora en el centro P. Todo ello es catalizado por los
factores de elongación y precisa GTP.
Según la terminación del tercer codón,
aparece el tercer aminoacil-ARNt y ocupa
el centro A. Luego se forma el tripéptido
en A y posteriormente el ribosoma realiza
su segunda translocación. Estos pasos se
pueden repetir múltiples veces, hasta
cientos de veces, según el número de
aminoácidos que contenga el polipéptido.
La traslocación del ribosoma implica el
desplazamiento del ribosoma a lo largo
de ARNm en sentido 5'3'.
•
Terminación de la síntesis de la cadena polipeptídica: los codones UAA,
UAG y UGA son señales de paro que no especifican ningún aminoácido y se
conocen como codones de terminación; determinan el final de la síntesis
proteica. No existe ningún ARNt cuyo
anticodón sea complementario de dichos
codones y, por lo tanto, la biosíntesis del
polipéptido se interrumpe. Indican que la
cadena polipeptídica ya ha terminado.
Este proceso viene regulado por los
factores de liberación, de naturaleza
proteica, que se sitúan en el sitio A y
hacen que la peptidil transferasa separe,
por hidrólisis, la cadena polipeptídica del
ARNt. Un ARNm, si es lo suficientemente
largo, puede ser leído o traducido, por
varios ribosomas a la vez, uno detrás de
otro.
Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y
puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una
proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN
mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente.
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EJERCITACIÓN
1) La transaminación requiere:
a) Un aminoácido como sustrato y pirofosfato de tiamina como coenzima.
b) Un aminoácido y un cetoácido como sustratos.
c) Un cetoácido como sustrato y biotina como coenzima.
d) Piruvato y oxalacetato como sustratos.
2) Cuando el glutamato es desaminado oxidativamente por la Glutamato
Deshidrogenasa, los productos incluyen:
a) NADH, NH4+ y α-cetoglutarato.
b) NADH, glutamina, y NH3.
c) NADH, H2O, y α-cetoglutarato.
d) NADPH, NH4+ y α-cetoglutarato.
3) Teniendo en cuenta la vía esquematizada en la Figura N° 1, resuelva los siguientes
interrogantes:
a) Indique las enzimas del ciclo.
b) Identifique los dos compuestos que proveen del grupo amino a la molécula de
urea.
c) ¿Qué reacciones se dan en la mitocondria?
d) ¿Cuál es el destino del fumarato?
e) Nombre el sustrato y la enzima de una reacción en la cual se utilice ATP.
Figura N° 1
4) El Ciclo de la Urea:
a) Ocurre en la mitocondria.
b) Ocurre en el citosol.
c) Ocurre en el hígado.
d) Todas las opciones anteriores son correctas.
5) Indique los destinos de los esqueletos carbonados de los aminoácidos.
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6) Complete las siguientes frases.
a) Las proteínas pueden ser marcadas para su degradación por unión covalente
por ____________________.
b) La mayoría de los aminoácidos son desaminados por una reacción de
____________________.
c) El fumarato formado en el Ciclo de la Urea se transforma en
____________________ en el Ciclo de Krebs y luego en
____________________ para su incorporación a la gluconeogénesis.
d) Los aminoácidos cetogénicos son degradados hasta acetoacetato o
____________________.
7) ¿Cuál es la importancia de la glutamina? Escriba la reacción de obtención de la
misma e indique el nombre de dicha reacción.
8) Explique como el músculo elimina el amonio. Realice un esquema de las reacciones
e indique el nombre del ciclo que lleva a cabo esa tarea.
9) Citar dos analogías entre el Ciclo de Glucosa-Alanina y el Ciclo de Cori.
10) Complete las siguientes frases.
a) La síntesis de proteínas comienza con la unión del ____________________ y de
la subunidad menor del ____________________ y el ARNm.
b) Los aminoácidos entran al ribosoma junto con el ____________________ que
los transporta y se unen al ____________________ complementario.
c) Luego se forma la unión ____________________ y finalmente se trasloca, para
dar lugar a la entrada de otro aminoácido.
d) El proceso se repite hasta llegar al codón de ____________________.
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