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Tema 26. Metabolismo del grupo amino de los aminoácidos.
Enzimas clave del metabolismo de aminoácidos. Transaminasas y vitamina B6.
Glutaminasa. Glutamato dehidrogenasa. Glutamina sintetasa. Ciclo de la glucosaalanina. Toxicidad del amonio en animales Eliminación del grupo amino. Estrategias.
Ciclo de la urea. Relación con el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Regulación del
ciclo de la urea. Patologías relacionadas con defectos enzimáticos en el ciclo de la
urea.
BIOQUÍMICA-1º de Medicina
Departamento de Biología Molecular
Javier León
Tema 26
1
Toxicidad del amoníaco
1. El amoníaco es una base fuerte y podría producir un cambio de pH
NH4+
NH3 +
H+
pK’ = 9,3
A pH fisiológico (7,4) la concentración de NH4+ es casi 100 veces la del NH3, que es la forma neutra,
permeable a membranas.
Formas de excreción
de amonio en
animales terrestres
Urea
Acido úrico
Mamíferos
tiburomes
Reptiles
Aves
Friedrich Wöhler (1800-1882)
Tema 26
2
Catabolismo de aminoácidos
Proteína
intracelular
DEGRADACION
DE PROTEINAS
Proteína de la
dieta
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS (TRADUCCIÓN)
Aminoácidos
DIGESTION
NH4+
Esqueletos carbonados
Biosíntesis de AA, nucleótidos y
otras aminas biológicas
α-cetoácidos
Carbamil-fosfato
Acetil-CoA
Asp
CICLO
DE LA
UREA
CICLO
DE
KREB
S
Fumarato
co2
Urea
(producto de
excreción del
nitrógeno)
Cuerpos
cetónicos
Oxalacetato
GLUCONEOGÉNESIS
Glucosa
Tema 26
3
1. El amonio (-> NH3) es tóxico, sobre todo para el tejido nervioso
2. El amonio se convierte en urea en el hígado
Æ El amonio se ha de transportar al hígado en una forma distinta de NH4+
AA Æ Glu Æ
Gln y Ala
SANGRE
TEJIDOS
Æ NH4+ Æ Urea
Gln y Ala
HIGADO
Enzimas clave del metabolismo del grupo amino
• Transaminasas o aminotransferasas: pueden transferir grupos aminos entre aminoácidos
• Glutaminasa: genera NH4+ y glutamato a partir de Gln.
• Glutamato dehidrogenasa: produce NH4+ y α-CG a partir de Glu en una reacción de
desaminación oxidativa
• Glutamina sintetasa: incorpora NH4+ en Glutamato
ENZIMAS DEL CICLO DE LA UREA:
• Carbamil-fosfato sintetasa: condensa CO2 y NH4+ para dar carbamil-fosfato (primer enzima del
ciclo de la urea)
• Otras cuatro enzimas del ciclo de la urea
Tema 26
4
¿De dónde viene el nitrógeno que entra en el ciclo de la urea?
Æ Uno de los dos nitrógenos de la urea viene del NH4+ libre y el otro del –NH2 del
aspartato
1. Reacciones de transaminación por transaminasas
NH3+
R-CH + α-Cetoglutrato (α-CG)
COO-
α-ceto-AA + Glu
Glu + OAA
α-CG + Asp
GOT / AST
2. Reacción de la glutamato dehidrogenasa (deaminación oxidativa)
α-CG + NADH+ + NH4+
Glu + NAD+
3. Reacción de la glutaminasa
Glu + NH4+
Gln + H2O
Tema 26
5
Reacciones de transaminación: aminotransferasas, transaminasas
NH3+
Aminotransferasa
o transaminasas
O
C―COO- + H―C―COO-
H —C—COO- + C—COO-
R1
NH3+
O
R1
R2
R2
CH2OH
H O C H2
OH
N H+
C H3
Piridoxina (Vit B6)
O
H
NH2
C
-2O
3P
O C H2
CH2
OH
N H+
C H3
Fosfato de Piridoxal (PLP)
-2O
3P
O C H2
OH
N H+
C H3
Fosfato de Piridoxamina (PMP)
Grupo prostético de las transaminasas, unido covalentemente
a una Lys del centro activo
Tema 26
6
Mecanismo enzimático de las aminotransferasas es del tipo “ping-pong”
H2O
ENZ-PLP-C
O
R1
+
N
H
ENZ-PLP-C
C
H
Aminoácido 1
α-Cetoácido 1
ENZ-PMP-C
NH2
α-Cetoglutarato
Glutamato
ENZ-PLP-C
O
ENZ-PMP-C-
CH2-CH2-COOC―COOH
NH2
C
3P
+
N
H
O
H
-2O
COO-
OCH2
CH2
OH
-2O
NH+ CH3
O C H2
3P
OH
NH+
Fosfato de Piridoxal (PLP)
C H3
Fosfato de Piridoxamina (PMP)
Tema 26
7
Hay dos transaminasas que informan de la salud
del hígado y del corazón
Ala + α-cetoglutarato
GPT / ALT
Piruvato + Glutamato
GPT: Glutamato-Piruvato Transaminasa = ALT: Alanina Transaminasa
Más específica de daño hepático
GOT / AST
Asp + α-cetoglutarato
Oxalacetato + Glutamato
GOT: Glutamato-Oxalacetato Transaminasa = AST: Aspartato Transaminasa
Valores normales en sangre: 2-40 mU /ml. Puede llegar a 1000 en casos de hepatitis viral,
cirrosis, isquemia cardiaca, hepatotoxicidad
Tema 26
8
Regulación alostérica
ADP GTP
-
+
COO
+H
3N
- CH
CH2
NAD(P)+
COO
NAD(P)H + H+
-O
+ H2O
C
+ NH4+
CH2
Glutamato Dehidrogenasa
(GDH)
CH2
COO
Glutamato
(Matriz mitocondrial,
hígado, reversible,
puede usar NAD+ o NADP+)
CH2
COO
α- Cetoglutarato
Suma de las reacciones de aminotransferasas y GDH:
Aminoácido + NAD+ Æ α-cetoácido + NH4 (mit)+ NADH + H+
UREA
H2O
+
H3N
NH4+
COO
+
H3N
CH
CH2
Glutaminasa
(Matriz mitocondrial,
hígado)
C
H2N
CH
Glutamato
CH2
CH2
Glutamina
COO
O
CH2
COO
Tema 26
9
Glutamina Sintetasa
ATP
+
H3N
ADP
NH4+
COO
COO
+H
CH
3N- CH
+
H3N
COO
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
C
C
COO
Glutamato
Pi
P O
O
γ - Glutamil fosfato
O
H2N
Glutamina
Gln sintetasa y GluDH presentes
en todos los organismos
Gln Sintetasa: citosólica
GDH: mitocondrial
12 subs x 50 kDa.
“Biochemistry”. 5ª ed. Berg, J., Tymoczko, J. Stryer,
L. Ed. W.H. Freeman. 2003.
Tema 26
10
Regulación alostérica de la Gln Sintetasa
Glutamato
NH4
Gly
+
ATP
Gln Sintetasa
-
-
Ala
ADP + Pi
Glutamina
CTP
AMP
¿Qué enzima?
Carbamil-fosfato
Nucleótidos de pirimidina
Tema 26
11
Regulación de la Gln Sintetasa por modificación covalente
UMP-
Æ Niveles altos de
Gln inhiben su
síntesis
PD
α-Cetoglutarato
AT
Glutamato
Gln
αCG
+
-
PD
AT
PPi
Glutamina
AMP- sintetasa
ATP
NH4+
+ ATP
Glutamina
sintetasa
activa
inactiva
Tyr 397 de la Gln Sintetasa
ADP + Pi
Glutamina
AT
Adenil-transferasa activa
PD
AT
Biochemistry”. 5ª ed. Berg, J.,
Tymoczko, J. Stryer, L.
Ed. W.H. Freeman. 2003
UMPTema 26
Adenil-transferasa inactiva
PD
Proteína reguladora activada
PD
Proteína reguladora desactivada
Uridil
transferasa
12
Reacciones de desaminación
1. Aminotransferasas (suelen usar α-CG y son específicas para el AA)
NH3+
R-CH + α-CG
COO-
α-ceto-AA + Glu
2. Glutamato dehidrogenasa (deaminación oxidativa)
α-CG + NADH+ + NH4+
Glu + NAD+
3. Glutaminasa
Glu + NH4+
Gln + H2O
4.
Desaminación directa (Ser-dehidratasa y Thr dehidratasa)
Ser
Piruvato + NH4+
Thr
α-cetobutirato + NH4+
5.
Aminoacido oxidasa
α-cetoAA + H2O2 + NH4+
AA + O2 + H2O
Tema 26
13
Transporte de N al hígado
α-Cetoglutarato
AA
Transaminasas
NH4+ + ATP
Gln Sintetasa
NH4
(INTEST.)
G lu
t am
inas
a
NH4+
+
Glutamina
MAYORIA
DE
TEJIDOS
Glutamato
Glutamina
Gln Sintetasa
α-cetoácido
ADP+ Pi+ H2O
Glutamato
Glutaminasa
CICLO
DE LA
UREA
Glutamina
NH4+
α-Cetoglutarato
Glutamato
Glutamato DH
Piruvato
Transaminasa
HIGADO
Asp
Alanina
Transaminasas
GLUCOSA
Bacterias
UREA
AA
OAA
+
Glutamato
SANGRE
GLUCOSA
Glutamina
Piruvato
Alanina
Transaminasas
Glutamato
MUSCULO
α-cetoglutarato
PROTEINAS
Transaminasas
Cetoácido
Tema 26
Aminoácido
14
Transaminasas com marcadores de daño hepático
α-Cetoglutarato
AA
Transaminasas
NH4+ + ATP
Glutamato
Gln Sintetasa
α-cetoácido
(INT.)
Bacterias
Glutaminas
a
Glutamato
G lu
t am
inas
a
NH4
ADP+ Pi+ H2O
Gln Sintetasa
NH4+
+
MAYORIA
DE
TEJIDOS
Glutamina
CICLO
DE LA
UREA
Glutamina
URE
A
NH4+
α-Cetoglutarato
Glutamato
Glutamato DH
Glutamina
Piruvato
Transaminasa
HIGADO
Asp
Alanina
Transaminasas
GLUCOSA
AA
OAA
+
Glutamato
GPT / ALT
Ala + α-cetoglutarato
Piruvato + Glutamato
GPT: Glutamato-Piruvato Transaminasa = ALT: Alanina Transaminasa
Más específica de daño hepático
GOT / AST
Asp + α-cetoglutarato
Oxalacetato + Glutamato
Tema 26
15
Ciclo de la glucosa-alanina
Asp
CICLO
DE LA
UREA
α-Cetoglutarato
Transaminasa
NH4+
Glutamato
Glutamato DH
α-Cetoglutarato
UREA
Transaminasa
Piruvato
ALANINA
HIGADO
Gluconeogénesis
GLUCOSA
SANGRE
GLUCOSA
Glucolisis
Piruvato
ALANINA
Transaminasa
Glutamato
α- cetoglutarato
PROTEINAS
MUSCULO
Transaminasa
Cetoácido
Tema 26
Aminoácido
16
Posibles causas de la toxicidad del amonio
Concentración de amonio en sangre: 30-60 uM. Supone el 2-3% del nitrogéno excretado en orina (85%
es urea, 30 g/24 h; el resto creatininia y ácido úrico)
• A concentraciones mayores de amonio (>0.2 mM): visión borrosa, pérdida de conciencia, letargia,
lesiones cerebrales, coma.
• El mal funcionamiento del ciclo de la urea por deficiencia en alguna de sus enzimas o por patología
hepática (por ej cirrosis alcohólica) produce hiperamonemia.
POSIBLES CAUSAS:
1) Bajan los niveles de α-cetoglutarato al empujar la reacción de la GluDH hacia la formación de Glu y la
de la Gln sintetasa hacia formación de Gln (ambas enzimas abundantes en tejido nervioso)
Æ baja la actividad del ciclo de Krebs Æ baja la producción de ATP en la neurona
2) Baja la relación NADH/NAD+ Æ baja la producción de ATP
NH4+
NH4+
￬ Glutamato
Glutamina
+ NADH+ + H+
￬ α- Cetoglutarato
Gln Sintetasa
Glutamato DH
NAD+
3) Bajan los niveles de glutamato al empujar la reacción de la Gln Sintetasa hacia la formación de Gln
Æ Baja la concentración del neurotransmisores glutamato y su derivado gamma-aminobutirato (GABA)
Tema 26
17
Ciclo de la Urea (1)
(ciclo de la ornitina, ciclo de Krebs-Henseleit)
Carbamil fostato sintetasa I (CPSI, mitocondrial)
¿por qué se necesitan dos ATPs si sólo hay un fosfato en el carbamil-fosfato?
O
HO
C
O-
+
HO
ATP
C
O
O
O
ADP
Bicarbonato
P P OO-
Carbonil-fosfato (o carboxifosfato)
NH4+
HO
C
NH2
Pi + H+
O
Carbamato
ATP
ADP
P
O
C
NH2
O
Carbamil- fosfato
Tema 26
18
Ciclo de la Urea (2)
O
P
O
NH2
C
O
Carbamil-P
HN
H3N+
CH2
Entrada a la mitocondria
Ornitina
Transcarbamilasa
CH2
Orn
CH
CH2
H2N
COO-
COO-
CH
Citrulina
Pi
Ornitina
a
Salid
NH2
CH2
CH2
H2N
C
CH2
osol
al cit
COOCH2
Aspartato
-OOC
CH
+H
O
HN
C
3N
CH2
COO-
CH
NH2
CH2
NH2+
CH2
CH2
CH2
CH2
COO-
CH
C
HN
Arginino-succinato
sintetasa
CH2
H2N
COO-
NH
ATP
Citrulina
AMP + PPi
H2N
CH
COO-
Arginin-succinato
2 Pi
Tema 26
19
Ciclo de la Urea (3)
-OOC
-OOC
CH
CH2
COO-
CH
COO-
NH
C
HN
Fumarato
HC
NH2
NH2+
HN
Arginino-Succinato
Liasa
CH2
CH2
CH
NH2+
CH2
CH2
H2N
C
CH2
CH2
COO-
H2N
CH
COO-
Arginina
Arginin-succinato
H2O
+
a
as
n
i
g
Ar
NH3
CH2
NH2
CH2
+
CH2
H2N
CH
COO-
O
C
NH2
UREA
Ornitina
Excrección (no podemos metabolizarla)
Urea es el 85-90% del nitrógeno en orina.
El resto: amonio (2-3%), ácido úrico y creatinina
Tema 26
20
Balance del ciclo de la urea
Urea
Ornitina
Arginasa
Ornitina
Arginina
Ornitina
transcarbamilasa
Arg-succinato
liasa
Fumarato
Carbamil-fosfato
Sintetasa I
Carbamil-P
2ATP
HCO3+
NH4+
Arginin-Succinato
Arg-succinato sintetasa
ATP
Citrulina
Citosol
Citrulina
Aspartato
Mitocondria
BALANCE (sin tener en cuenta el fumarato)
NH4+ + HCO3- + Asp + 3ATP4- + H2O Æ
Æ urea + fumarato + 2ADP3- + 2Pi + PPi + AMP2- + 5H+
2 Pi + H2O Æ se gastan 4 ATPs
en total por urea
Tema 26
21
Relaciones entre el ciclo de la urea y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (1)
MITOCONDRIA
AMINOACIDOS
+
Aspartato
NH4
Carbamil-P
Ornitina
CO2
α-cetoglutarato
Glutamato
Aspartato
Citrulina
UREA
3
Oxalacetato
Oxalacetato
ArgininSuccinato
NADH
2
Malato
Arginina
Fumarato
Malato
1
H2O
UREA
1 Fumarasa: isozimas citosólica y mitocondrial
2 Malato dehidrogenasa: isozimas citosólica y mitocondrial
Malato + NAD+ Æ OAA + NADH + H+ ; NADH Æ 2,5 ATPs
BALANCE GLOBAL DE LA SINTESIS DE UREA = 4 - 2.5 = 1,5 ATP
3
GOT/AST aminotransferase
Tema 26
22
Relaciones entre el ciclo de la urea y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (2)
α-ceto-Glu
Aspartato
Aspartato
3
CICLO
UREA
Citrato
3
Glu
Acetil-CoA
Isocitrato
Oxalacetato
Oxalacetato
2
NADH
2
NADH
CO2
Malato
Malato
1
1
H2O
Fumarato
a-Cetoglutarato
CICLO
KREBS
H2O
Fumarato
CO2
Succinil-CoA
Succinato
1 Fumarasa: isozimas citosólica y mitocondrial
2 Malato dehidrogenasa: isozimas citosólica y mitocondrial
3 GOT/AST aminotransferase
Lanzadera Aspartato-Malato
Ciclo de Krebs -TCA
Tema 26
23
Regulación del ciclo de la urea
• Inducción de enzimas por dieta rica en proteína
• Regulación alostérica de la CPSI
Arginina
AcetilCoA
COOO
CH2
CH3 C
SCoA
+
COO-
O
CH3 C
HN
N- Acetil-Glutamato
Sintasa
H2N
CH
COO-
CH
COO-
N- Acetil- Glutamato
CH2
CH2
CH2
HS-CoA
Glutamato
+
HCO3- + NH4+
CPS-I
O
H2N
C
O
P
Urea
Carbamil-fosfato
2ATP
Tema 26
2ADP
+ Pi
24
El ciclo de la urea está compartimentalizado en la célula y en el hígado
Urea
Ornitina
Arginasa
Arginina
Arg-succinato
liasa
Arginin-Succinato
Fumarato
Ornitina
Ornitina
transcarbamilasa
ATP
Arg-succinato sintetasa
Citrulina
Aspartato
Citosol
Carbamil-fosfato
Sintetasa I
Carbamil-P
2ATP
HCO3+
NH4+
Citrulina
Mitocondria
Glutamina
sintetasa
SANGRE portal
(del intestino)
Glutaminasa
Ciclo urea
SANGRE
(al resto de tejidos)
Tema 26
25
Enfermedades metabólicas del ciclo de la urea
Nombre
Déficit enzimático
Otras características
1) Deficiencia en CPS
(Hiperamonemia I)
CPS I
Glicina en plasma aumentada
2) Deficiencia en OTC
(Hiperamonemia tipo II)
Orn Transcarbamilasa
(OTC)
Glutaminia en plasma aumentada
Ligada al X. Retraso mental
3) Citrulinemia
Arginino succinato
sintetasa
Gln y Citrulina aumentadas en plasma
Citrulina en orina aumentada. Rara
4) Arginino succinato aciduria
Arginino succinato liasa
Arginin- succinato en plasma y orina. Rara
5) Argininemia
Arginasa
Arginina elevada en plasma
Urea
Ornitina
Arginasa
Arginina
Arg-succinato
liasa
Arginin-Succinato
Fumarato
Arg-succinato
sintetasa
Citosol
Tema 26
Carbamil-fosfato
HCO3- Sintetasa I
Carbamil-P
+
2ATP
NH4+
Ornitina
Ornitina
transcarbamilasa
ATP
Aspartato
Citrulina
Citrulina
Mitocondria
26
Terapias bioquímicas de defectos en el ciclo de la Urea
Las deficiencias en CPSI y deficiencia en OTC son tratables
con fenilacetato
O
C
Fenil acetato
S
Fenilacetil CoA
O
CH2
C
CoA
Glutamina
NH2
CH2
H2N ― CH ― COO-
O
COO-
NH2
CH2
O
CH2
NH ― CH ― COO-
CoA-SH
Fenilacetilglutamina
ORINA
Tema 26
27