Download Degradación de Aminoácidos y Excresión de Amonio

XVII. Degradación de aminoácidos
Eliminación del amonio. El catabolismo de los aminoácidos se inicia con
frecuencia con la pérdida del (o los) átomo(s) de nitrógeno, seguida de la
degradación de las cadenas de carbono resultantes.
Los aminoácidos en exceso, ya sea provenientes de la dieta, o derivados del
recambio normal de proteínas del organismo, se desaminan primero, y luego, las
cadenas de carbono se modifican para entrar en las vías centrales del metabolismo
de los hidratos de carbono.
La desaminación de los aminoácidos se efectúa en varias formas ya que hay
varios aminoácidos con más de un nitrógeno en su molécula, todos los cuales
pueden ser catabolizados.
La ruta principal corresponde a la eliminación del α-amino ya que este grupo
está presente en todos los aminoácidos. Esta eliminación comienza con la reacción
de transaminación entre el grupo α-amino del aminoácido que se está degradando
con el grupo α-ceto del α-cetoglutarato para formar un α-cetoácido y glutamato. Este
último es oxidado por el NAD+, por medio de la reacción catalizada por la glutamato
deshidrogenasa. En un teórico anterior, habíamos mencionado esta enzima aunque
en un contexto biosintético.
O
O
H3N
C
+
C
O
C
CH2
O
α-aminoácido
H3N
C
O
O
H3N
+
C
+
C
C
O
O
C
O
H
CH2
CH2
O
α-cetoácido
O
O
C
+
+
CH2
NH4 + NADH + H+
CH2
C
O
C
H3N
C
O
H2O + NAD+
CH2
C
+
C
Glutamato
deshidrogenasa
+
O
R
Piridoxal-fosfato
H
CH2
O
O
O
C
C
Transaminasa
CH2
C
+
O
O C
+
H
R
O
O
O
O
O
H
+
R
α-aminoácido
H2O + NAD+
O
C
O C
O
+
+
NH4 + NADH + H+
R
α-cetoácido
Algunos de los otros átomos de nitrógeno unidos a los carbonos del resto de
un aminoácido son también eliminados por medio de una reacción de
transaminación con el α-cetoglutarato, para producir glutamato, y el ceto derivado
del grupo amino que se transfirió. El nitrógeno del ε-amino de la lisina y uno de los
nitrógenos del guanidinio de la arginina (el que permanece en la estructura de la
ornitina) puede seguir esta vía de degradación. En los mamíferos, los otros
nitrógenos del guanidinio de la arginina son convertidos en urea. En la histidina, uno
de los nitrógenos del anillo de imidazol es convertido en el grupo α-amino del
aspartato, mientras que el otro (al igual que el propio nitrógeno α de la His) puede
ser liberado como amonio. Los átomos de nitrógeno del triptofano también se
liberan, en general, como amonio. Los grupos amida de la glutamina y la asparagina
son hidrolizados por enzimas específicas (glutaminasa y asparaginasa,
respectivamente) para producir amonio y los aminoácidos glutamato y aspartato,
respectivamente.
El amonio, proveniente de la glutamato deshidrogenasa o de las hidrolasas
mencionadas, es muy tóxico para las células, por lo que, en general, su
concentración se mantiene a niveles bajos y la mayoría de los organismos han
desarrollado mecanismos para eliminarlo activamente. Se han encontrado al menos
tres rutas distintas para la eliminación del nitrógeno de desecho, en diferentes
organismos.
Por un lado, los microorganismos y muchos organismos acuáticos son
capaces de excretar directamente el amonio, a través de las membranas de sus
células o (en el caso de los organismos pluricelulares) a través de las células de los
tejidos de las agallas, para diluirlo en la vasta cantidad de agua de su medio
ambiente.
Por otro lado, las aves y muchos reptiles (descendientes de los dinosaurios)
convierten el excedente de amoniaco en ácido úrico, un compuesto relativamente
insoluble que precipita de la solución acuosa con formación de cristales, y que
eliminan por las heces. Aún dentro de sus huevos, los embriones de estos
organismos excretan urato en los sacos membranosos, y continúan excretándolo
durante toda su vida de adulto. Como veremos más adelante, el urato es también el
producto final de la degradación de los nucleótidos de purina para muchos
organismos, entre ellos las aves y los reptiles, por lo que la eliminación del nitrógeno
en exceso por este medio implica que estos organismos utilizan parte de la ruta de
biosíntesis de purinas como si fuera una ruta degradativa. El urato es también el
producto final de la degradación de los nucleótidos de purina para los primates
(aunque no del nitrógeno de sus aminoácidos). En este sentido (la producción de
urato como producto final de la degradación de purinas) los primates nos
diferenciamos del resto de los mamíferos que son capaces de degradar hasta un
nivel mayor al ácido úrico. La degradación del urato se considerará más adelante.
Por último, el resto de los vertebrados terrestres (incluidos los primates)
convierten el nitrógeno de desecho proveniente de sus aminoácidos en un producto
menos tóxico. Este producto es la urea, que no tiene carga, y que es un compuesto
muy soluble en agua, y, por lo mismo, puede ser transportado en la sangre hacia los
riñones, en donde se excreta como el principal soluto de la orina.
Ciclo de la urea. En los mamíferos, la síntesis de urea, o ureogénesis, se
efectúa exclusivamente en el hígado. La urea es el producto de un conjunto de
reacciones que se denomina ciclo de la urea. Esta vía fue dilucidada por Hans
Krebs y Kurt Henseleit en 1932, varios años antes de que el mismo Krebs
descubriera el ciclo del ácido cítrico. Varias observaciones lo llevaron a su propuesta
del ciclo de la urea. Por un lado, en el hígado de todos los organismos que sintetizan
urea, se observan niveles elevados de la enzima arginasa. Por otro, cortes de
hígado de rata pueden realizar la conversión neta de amoniaco a urea. La síntesis
de urea por estas preparaciones es muy estimulada cuando se adiciona el
aminoácido ornitina; la cantidad de urea sintetizada excede por mucho la cantidad
adicionada de ornitina, lo cual sugiere que la ornitina actúa catalíticamente.
En definitiva, la incorporación de amoniaco en urea requiere cinco etapas. Se
forma primero el carbamoil fosfato y su átomo de nitrógeno es incorporado en la
urea en las cuatro reacciones del ciclo. Se efectúan dos reacciones en las
mitocondrias de las células hepáticas, y las otras tres se llevan a cabo en el citosol.
Los precursores de los dos átomos de nitrógeno de la urea son el amoniaco y el
aspartato y, en definitiva ambos pueden ser obtenidos del glutamato (el amonio por
deshidrogenación y el aspartato por transaminación). El átomo de carbono de la
urea proviene del bicarbonato.
HO
Arg-succinato
liasa
HO
O
H
C C C
H2
C
O
N
H2
C
C
H2N
N
H
OH
H
C C
H
C
NH
C
Fumarato
O
H2 N
C
N
H
OH
O
C
H2
H2
C
C
H2
H2 O
O
OH
H2
H C
C C
NH2
Arg-succinato
sintasa
C
O
H
C C C
H2
NH2
AMP + PPi
C
Arginasa
O
Urea
H2 N
C
H2
O
OH
H2
H C
C C
NH2
Ornitina
ATP
O
Aspartato
O
H2 N
NH2
H2 N
H2
C
OH
NH2
L-Arginina
Arginino-succinato
HO
O
OH
H2
H C
C C
H2
C
C
N
H
C
H2
O
OH
H2
H C
C C
H2
C
H2 N
NH2
Citrulina
Ornitina-carbamil
transferasa
C
H2
O
OH
H2
H C
C C
Ornitina
O
P
H2 N
O
H2 N
H2
C
C
N
H
C
H2
O
OH
H2
H C
C C
NH2
NH2
C
O P
Carbamil-fosfato
2 ADP + Pi
2 ATP
Citrulina
CO2 + NH4+
CITOSOL
MITOCONDRIA
Así, en la reacción general para la síntesis de la urea se consume un total de
cuatro equivalentes de ATP. Tres moléculas de ATP son convertidas a dos de ADP y
una de AMP durante la formación de una molécula de urea y la hidrólisis de la
molécula de pirofosfato inorgánico que se forma consume un cuarto equivalentes de
ATP. La urea pasa del hígado a través de la corriente sanguínea al riñón, en donde
se excreta en la orina.
El carbamoil fosfato que llega al ciclo de la urea se sintetiza a partir de
amoniaco, bicarbonato y ATP en una reacción en las mitocondrias catalizada por la
carbamoil fosfato sintetasa I. Esta enzima es una de las más abundantes en las
mitocondrias del hígado, constituyendo tanto como el 20 por ciento de las proteínas
de la matriz de las mitocondrias. El mecanismo de la reacción, catalizada por la
carbamoil fosfato sintetasa I comprende tres etapas. Primero, se forma el carbonil
fosfato por reacción del bicarbonato con el fosfato gama de ATP; entonces el
amoníaco desplaza al fosfato para formar carbamato, y por último, se forma
carbamoil fosfato por transferencia del fosfato y de una segunda molécula de ATP.
Una enzima semejante, llamada carbamoil fosfato sintetasa II emplea glutamina con
preferencia al amoniaco como donador de nitrógeno. Esta enzima, localizada en el
citosol de las células hepáticas y de la mayor parte de otras, cataliza la formación de
carbamoil fosfato destinado para la síntesis de nucleótidos de pirimidina.
La carbamoil fosfato sintetasa de las mitocondrias es activada
alostéricamente por N-acetilglutamato, que se forma por la reacción entre glutamato
y acetil CoA, catalizada por N-acetilglutamato sintasa:
NH4+
ATP
ADP
ATP
O
CO2 + H2O
HO
C
OH
Ácido Carbónico
HO
O
O
C
C
O
H 2N
P
Carbonil-fosfato
P
ADP
O
OH
Carbamato
H 2N
C
O
P
Carbamil-fosfato
Carbamil Fosfato Sintasa I
Un nivel elevado de transaminación durante el catabolismo de los
aminoácidos lleva a una concentración elevada de glutamato y el incremento
resultante de la concentración de N-acetilglutamato. La activación de la carbamoil
fosfato sintetasa I por N-acetilglutamato incrementa el suministro de sustrato para el
ciclo de la urea.
El ciclo de la urea puede resumirse en las siguientes etapas:
1.
En la primera reacción del ciclo de la urea, el carbamoil fosfato
reacciona en la mitocondria con el intermediario del ciclo de la urea, la ornitina, para
formar citrulina en una reacción que cataliza la ornitina carbamil transferasa. Esta
etapa incorpora en la citrulina el átomo de nitrógeno que tiene su origen en el
amonio. De esta forma, la citrulina contiene la mitad el nitrógeno que se destina a la
urea. El mecanismo de la ornitina transcarbamoilasa implica que el grupo amino
delta, nucleofílico de la ornitina reacciona con el carbono carbonílico del carbamoil
fosfato, liberando fosfato inorgánico y produciendo citrulina. Entonces la citrulina se
transporta fuera de la mitocondria en un intercambio electroneutro con ornitina del
citosol, un compuesto que se produce en una reacción posterior del ciclo de la urea.
2.
El segundo átomo de nitrógeno destinado para la urea se incorpora en
el citosol cuando la citrulina se condensa con el aspartato para formar arigininosuccinato. Esta reacción dependiente de ATP está catalizada por la
argininosuccinato sintetasa. La mayor parte del aspartato de las células se genera
en el citosol. Por ejemplo, la asparaginasa del citosol cataliza la formación de
aspartato a partir de asparagina.
El mecanismo de la reacción catalizada por la arginino-succinato sintetasa
implica la formación de un intermediario citrulil-AMP cuando el oxígeno ureídico de la
citrulina desplaza al PPi del ATP. El AMP se convierte en el grupo saliente cuando el
grupo amino de aspartato desplaza a este oxígeno.
3.
El arginino-succinato se rompe, no hidrolíticamente, para formar
arginina más fumarato en una reacción de eliminación, catalizada por la argininosuccinato liasa. Juntas, la segunda y la tercera etapas del ciclo de la urea
ejemplifican la estrategia para la donación del grupo amino de aspartato que
encontraremos dos veces más en el teórico siguiente como parte de la biosíntesis de
la purina. Los procesos clave son una condensación dependiente de ATP, seguida
de eliminación de fumarato.
La arginina es el precursor inmediato de la urea. El destino metabólico del
otro producto de esta reacción, el fumarato, requiere una explicación.
Sabemos por experimentos con células hepáticas aisladas que el esqueleto
de carbono de este fumarato citosólico se convierte en glucosa y CO2. El fumarato
es hidratado a malato por la acción de la malato deshidrogenasa. El oxaloacetato
entra en la vía de la gluconeogénesis, con tres átomos de carbono que son
incorporados en la glucosa y un carbono que se convierte en CO2 por la reacción de
descarboxilación catalizada por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. Como en cada
ronda del ciclo de la urea se consume una molécula de aspartato y se libera una
molécula de fumarato podemos sacar la conclusión de que una vía plausible para el
suministro continuado de aspartato podría ser fumarato a malato a oxalacetato a
aspartato, una ruta que algunas veces de considera en las descripciones del ciclo de
la urea. Pero los experimentos muestran que el fumarato es metabolizado a glucosa.
¿Cuál es, entonces la fuente de los átomos de carbono para la molécula de
aspartato que se requiere para cada ronda del ciclo de la urea? Este aspartato
deriva principalmente de la alanina formada en el músculo por transaminación de
piruvato que proviene del catabolismo de la glucosa. La glucosa se origina en el
hígado como un resultado de la gluconeogénesis que está ligada al ciclo de la urea.
La glucosa y la alanina son transportadas entre el hígado y el músculo a través de la
circulación sanguínea. Esta transferencia de glucosa y alanina entre órganos recibe
el nombre de ciclo de la glucosa y la alanina. Lo consideraremos de nuevo más
adelante, al estudiar las interrelaciones entre los órganos en los mamíferos.
4.
En la reacción final del ciclo de la urea, el grupo guanidinio de la
arginina se rompe hidrolíticamente para formar ornitina y urea en una reacción
catalizada por arginasa. Muchos tejidos de mamíferos tienen algunas enzimas del
ciclo de la urea, pero sólo el hígado las tiene todas ellas. En particular, el hígado es
el único sitio con una actividad apreciable de la arginasa, y el hígado es el único sitio
de ureogénesis significativa.
La ornitina generada por la acción de la arginasa es transportada a la
mitocondria por la misma reacción de intercambio que transporta la citrulina al
citosol. La ornitina de la mitocondria reacciona con el carbamoil fosfato para
continuar con el funcionamiento del ciclo de la urea.
Aporte de nitrógeno al ciclo de la urea. Hay un conjunto de
reacciones auxiliares que equilibran el suministro de sustrato hacia el ciclo de la
urea. Las reacciones del ciclo de la urea convierten cantidades estequiométricas de
amoniaco y de aspartato en urea. Muchos aminoácidos pueden participar como
donadores de grupo amino a través de reacciones de transaminación con αcetoglutarato, formando glutamato. El glutamato puede experimentar tanto una
transaminación con oxalacetato para formar aspartato, como una desaminación para
formar amoniaco. Tanto la glutamato deshidrogenasa como la aspartato
transaminasa son abundantes en las mitocondrias hepáticas y catalizan reacciones
cercanas al equilibrio. Por lo mismo, el glutamato es la fuente final de ambos
nitrógenos de la urea, el que aporta el amonio o el que aporta el aspartato. Las dos
reacciones en las que interviene el glutamato pueden convertir cualquier proporción
dada de aminoácidos y de amoniaco en cantidades iguales de aspartato y amoniaco
que se consumirán durante la operación del ciclo de la urea. Consideremos el caso
de un excedente relativo de amoniaco. En esta circunstancia, el equilibrio de la
reacción catalizada por glutamato deshidrogenasa será desalojado en la dirección
de la formación de glutamato; concentraciones elevadas de glutamato desalojaran el
equilibrio de la reacción catalizada por aspartato transaminasa de modo que haya un
incremento proporcionado de aspartato. Por el contrario, en caso de que exista un
exceso de aspartato, las reacciones catalizadas por glutamato deshidrogenasa y
aspartato transaminasa correrán en direcciones opuestas para producir amoniaco
para la formación de urea.
El hombre no sintetiza suficiente cantidad de arginina para satisfacer las
necesidades tanto de la síntesis de proteína como de formación de urea, por
consiguiente requieren un suministro exógeno. En las plantas y en los
microorganismos, la conversión de ornitina en arginina es una etapa integral en la
biosíntesis de arginina. Como vimos, la síntesis de ornitina se inicia con la
acetilación del grupo α-amino del glutamato por un grupo acetilo de la acetil CoA.
Enseguida, el carboxilo-γ es convertido en un aldehído por fosforilación y reducción,
reacciones análogas a las dos primeras etapas de la biosíntesis de la prolina. El γsemialdehido-N-acetilglutamato que resulta sufre una transaminación y una
desacetilación, formando ornitina. Entonces, la ornitina es convertida en arginina por
las mismas reacciones como etapas 1, 2, y 3 del ciclo de la urea. La acetilación del
grupo amino del glutamato en la primera etapa de la síntesis de la ornitina y su
desacetilación final se puede ver como un desperdicio. Sin embargo, como ya vimos,
la sustitución del grupo amino lo protege de reaccionar con el grupo γ-aldehído para
formar una base de Schiff interna.
Degradación de los esqueletos carbonados. Las vías para el
catabolismo de las cadenas de carbono de los aminoácidos convergen con las
principales vías de metabolismo. Algunos aminoácidos son degradados a
intermedios del ciclo del ácido cítrico, otros a piruvato y aún otros a acetil-CoA. Los
aminoácidos que son degradados a intermedios del ciclo del ácido cítrico pueden
aportar sustratos para la ruta de la gluconeogénesis y, por ello, se llaman
glucogénicos. Aquellos aminoácidos que se degradan hasta acetil-CoA pueden
contribuir a la formación de ácidos grasos o de cuerpos cetónicos y, por lo mismo, se
llaman cetogénicos. Finalmente, los aminoácidos que forman piruvato se pueden
metabolizar tanto a oxalacetato como a acetil-CoA y por ello, pueden ser tanto
glucogénicos como cetogénicos.
No mencionaremos más detalle de las rutas de la degradación de los
aminoácidos ya que a pesar de utilizar reacciones cuya lógica metabólica ya hemos
analizado, son muy diferentes en distintos organismos y deberíamos poder
deducirlas si conocemos cual es el sustrato y cual el producto de cada degradación.