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CAPITULO 11
METABOLISMO DE LAS PROTEÍNAS Y LOS AMINOÁCIDOS
11.1 BIOSíNTESIS PROTEICA.
11.1.1. Introducción
Unos de los aspectos más significativos dentro del metabolismo proteico en particular,
así como dentro del metabolismo en general, es la síntesis de proteínas. Por ello
creemos que el estudio del metabolismo de las proteínas debe iniciarse a partir del
dominio de los complejos mecanismos que posee la célula para asegurar la síntesis de
sus propias proteínas, así como, algunos aspectos de la biotecnología relacionados
con la misma.
Recordemos que asociadas a las proteínas están todas las estructuras que determinan
las funciones de cada célula. No se debe considerar a la proteína como únicas
responsables de todas las propiedades que caracterizan los organismos vivos, pues
estas propiedades dependen de la interrelación de las proteínas, glúcidos, lípidos,
ácidos nucleicos, vitaminas, minerales, agua y otros factores pero, sin embargo,
indudablemente que son las proteínas, dentro de todo este complejo, las que presentan
mayor relevancia y significación. Ya señalamos que todas las enzimas son proteínas,
muchas hormonas son proteínas, la membrana celular, las diferentes estructuras
celulares presentan en su composición proteínas específicas. La contracción muscular,
el transporte activo, los procesos inmunitarios y otras funciones de las células tienen
como base a las proteínas. Una simple bacteria la E. Coli presenta más de tres mil
proteínas diferentes. Por todo ello se comprende que los mecanismos que posee la
célula para asegurar la síntesis de sus propias proteínas revisten una importancia
fundamental para todo el metabolismo en general.
Se considera la biosíntesis proteica como el mecanismo anabólico por excelencia, pues
permite la formación de nuevas células y tejidos.
La biosíntesis proteica constituye un proceso endergónico que consume gran cantidad
de energía en forma de ATP.
El mecanismo de la síntesis proteica y su regulación permaneció durante largo tiempo
sin conocerse. Recientemente se pudo esclarecer los procesos fundamentales y la
participación decisiva de los ácidos nucleicos en la síntesis. Dicho proceso se realiza
en los ribosomas, gránulos esféricos presentes en el retículo endoplasmático que
contiene el 80% de RNA del citoplasma.
La biosíntesis proteica es un proceso universal que se realiza de manera similar en
todas las especies, desde las más sencillas hasta el hombre, prueba palpable del
origen común de las especies y que tiene como base una estrecha relación con los
ácidos nucleicos, pues estos dan la información genética para la misma. Puede decirse
sin exagerar que es un mecanismo perfecto en el cual los ácidos nucleicos conservan
la información, la transcriben enviándola al citoplasma donde se traduce en una
proteína con una estructura primaria establecida según la información guardada en los
ácidos nucleicos, lo que determina su función. De esta manera se establece una unión
estrecha y funcional entre ácidos nucleicos y proteínas, base de la vida.
11.1.2 Ácidos nucleicos en la síntesis proteica.
En la síntesis proteica participan el DNA y el RNA, este por medio de las diferentes
RNA ya conocidos, el RNAm, el RNAt y el RNAr.
El DNA, como se sabe hoy en día, contiene la información genética requerida para la
síntesis de cada proteína específica. Esta información está presente en la estructura
primaria del DNA, la cual es duplicada y transmitida a las células hijas por medio de la
replicación del ADN. La explicación del proceso de replicación del DNA es sumamente
compleja y requiere de varias enzimas.
El DNA debe servir también para la formación de RNA, muy especialmente en la
síntesis del RNA mensajero, proceso conocido como transcripción mediante la cual la
información genética almacenada en el DNA requerida para proveer la estructura
primaria (es decir, el orden de sucesión de los aminoácidos de proteínas específicas)
puede ser transmitida al aparato sintetizador de la célula. Esto se realiza por la síntesis
dentro del núcleo de la hélice "híbrida" donde una tira de DNA "sintetiza" la tira
complementaria de RNA; de tal manera que la T, C, G y A del DNA incorporan en tiras
sencillas de RNA a la A, C, G y U. Esta reacción es catalizada por la enzima RNA
polimerasa y las bases incorporadas están en forma de ácidos trifosforados.
El orden de sucesión de las bases púricas y pirimídicas en las tiras de RNAm,
determinada por la información transcrita por el DNA establece el orden de los
aminoácidos, o sea, la estructura primaria de la proteína. La clave genética está
constituida por un triplete de bases, que debe dirigir la incorporación de un aminoácido.
Como hay cuatro bases diferentes, las posibilidades de combinación posibles son
sesenta y cuatro, de forma que puede haber más de una palabra o codón para cada
aminoácido y otras no incorporan aminoácidos y se han llamado tripletes que terminan
cadenas.
Se ha demostrado que los sesenta y cuatro tripletes posibles, tres no codifican
aminoácidos. También se ha llegado a la conclusión de que las dos primeras bases del
triplete son más específicas que la tercera.
Además de los codones que terminan cadenas, hay otro que inicia cadena, lo que
sugiere que las cadenas polipeptídicas comienzan siempre por el codón que codifica a
la n – formil metionina. (Figura 11.1).
Por otra parte, el RNA ribosómico sirve de soporte para la realización de la síntesis
proteica. Aparece formando parte del ribosoma, lugar donde ocurre la síntesis. En los
ribosomas de los animales superiores se han aislado cuatro RNA con diferentes
velocidades de sedimentación. En general constituyen el 65 al 70% del ribosoma.
Además de otros ácidos hay que señalar la participación en este proceso del RNA
soluble o de transferencia (RNAs o RNAt).
Este RNAt realiza la transferencia de los aminoácidos desde el citoplasma a los sitios
específicos de los ribosomas durante la síntesis proteica. La unión del aminoácido
activado con el RNAt es altamente específica por lo cual se requieren enzimas
activadoras para cada aminoácido que va a ser incorporado a la síntesis proteica.
Gln:
Glu:
Tripleta terminación: UAA UAG UGA
El RNAt presenta una estructura similar a un trébol; el extremo libre de una de las
cadenas presenta siempre ácido adenílico como nucleótido terminal, el cual fija el
aminoácido activado. La molécula RNAt posee una sección con tres bases libres,
llamado anticodón, complementario del codón del RNAm.
La molécula del RNAt puede tomar la forma de doble tira en ciertas unidades por
medio de los enlaces de hidrógeno. También se ha considerado la posibilidad de una
estructura terciaria, en donde la molécula puede doblarse para constituir una forma
más globular.
11.1.3. Mecanismo de la síntesis proteica
La síntesis proteica propiamente dicha, también llamada desde el punto de vista
genético, traducción, pues mediante ella se traduce la información genética en los
ribosomas ha sido divida para su estudio en cuatro etapas sucesivas llamadas
activación, iniciación, prolongación y terminación respectivamente.
Activación:
Esta etapa consiste en esencia en la unión de los aminoácidos activados con los
correspondientes RNAt. Requiere para ello como es lógico de aminoácidos, RNAt,
ATP, como fuente de energía, Mg, una enzima llamada RNAt aminoácido sintetasa
estrictamente específica para cada aminoácido y su correspondiente RNAt. La reacción
ocurre en dos fases. En la primera el aminoácido reacciona con el ATP formando el
aminoácil - adenílico o aminoácido activado; en la segunda fase este pasa al extremo
de RNAt que posee un resto de ácido adenílico en el extremo terminal, liberando AMP
ligado al aminoácido. En la figura 11.2 se representa este proceso.
Como puede observarse, la activación de cada aminoácido y su posterior incorporación
a la proteína, consume una molécula de ATP totalmente, lo que significa un gasto
energético elevado para la célula.
Iniciación:
Los ribosomas son partículas presentes en la fracción microsomal con diferentes
coeficientes de sedimentación (S) en dependencia del organismo y el tipo de célula
analizada.
Los ribosomas de 30 S y 50 S contienen varios tipos de RNA y varios tipos de
proteínas con actividad catalítica y son, al parecer, los predominantes en las células de
los animales superiores. Puede formar agregados activos de 70 S que constituyen el
ribosoma funcional para la síntesis proteica.
En la segunda etapa el RNAm que porta en los codones que codifican la estructura
primaria de la proteína y el primer complejo RNA aminoácido se unen con una
subunidad de ribosomas 30 S con la colaboración de tres factores de iniciación
llamados: IF - 1, IF – 2 y IF - 3 con el aporte de energía en forma de GTP. Se requiere
también Mg. Al final de esta etapa se une otra subunidad de ribosoma 50 S, quedando
formado lo que se conoce como ribosoma funcional. Esta etapa es sin duda una de las
más complejas. En primer lugar, ocurre la unión de una ribosoma 30S con el IF - 3.
Estos factores de iniciación con polipéptidos o proteínas de bajo peso molecular. Este
pequeño complejo se une con el RNAm el cual siempre inicia la síntesis de la cadena
polipeptídica por el codon que codifica la formil metionina (AUG). Posteriormente todo
esto se une con el complejo RNAt formil metionina que previamente se había unido al
GTP y al IF - 2. En la unión participa el otro factor de iniciación IF - 1. Con la
incorporación de la fracción ribosómica 50S queda finalmente terminado el complejo de
iniciación o ribosoma funcional (figura 11.3).
El ribosoma funcional presenta un coeficiente de sedimentación de 70 S con 2 sub
unidades, una mayor y otra menor, posee además un sitio que porta el grupo peptídico,
o en este caso el complejo RNAt aminoácido inicial llamado sitio P y otro sitio A que
recibiría el próximo complejo RNA aminoácido, según el codón "ofertado" en este lugar.
Prolongación.
Con la etapa de prolongación se inicia propiamente la síntesis de la cadena
polipeptídica, pues esta etapa produce la entrada de otro complejo RNA - aminoácidos,
según el codón ofertado, la unión por medio del enlace peptídico del aminoácido del
sitio P con el del sitio A y el posterior traslado del complejo al sitio P. La etapa requiere
de dos factores de prolongación EF - G y EF - T y de la enzima peptidil - transferasa
encargada de unir los aminoácidos por enlaces peptídico. En la figura 11.4 se
representa esquemáticamente una secuencia de reacciones de esta etapa.
Primeramente entra en el sitio A el complejo RNA - aminoácido, en éste caso portador
de la alanina según el codón y más tarde se unen los aminoácidos por medio del
enlace peptídico. Posteriormente se libera el RNA "descargado" del sitio P y por último
el RNA mensajero se desplaza por el ribosoma pasando el grupo peptidil al sitio P y
ofertándose un nuevo codón. Este proceso se repite tantas veces como codones, que
codifican diferentes aminoácidos, ocupan el lugar A. Con ellos la cadena polipeptídica
va creciendo y pasamos a la última etapa.
Terminación:
La etapa de terminación es la última de las etapas de la síntesis proteica y se produce
al concluir la formación de la proteína codificada por el RNAm iniciador del proceso.
Una vez "leídos" los codones aparece en le sitio A un codón " sin sentido " o "codón
terminador de cadena" (ver figura 11.1). Esto produce serias modificaciones en el
aparato sintetizador (los ribosomas funcionales) que por medio de algunas proteínas
específicas llamadas factores de liberación (R1, R2 y R3) se unen al ribosoma e
inducen la liberación de la cadena polipeptídica, concluyendo la síntesis proteica
propiamente dicha (figura 11.5).
En algunas proteínas que el aminoácido inicial (metionina) no es requerido para su
acción, este es eliminado por una enzima específica, el RNA puede iniciar la síntesis de
otras proteínas más y en algunos casos, antes de terminarse de "leer" por un ribosoma
funcional se comienza la síntesis de otra proteína por otro ribosoma hablándose en
éste caso de poli ribosomas.
R1,R2 y R3
La proteína una vez formada va adquiriendo su estructura terciaria y estableciendo los
enlaces requeridos que determinan se conformación tridimensional, además, se unen
a grupos específicos no proteicos o sufren procesos de fosforilación, metilación, etc.,
que dan lugar a la proteína activa como tal, pues si bien la estructura primaria de la
proteína está determinada por la estructura del RNAm y este por la DNA (figura 11.6)
no es menos cierto que muchas proteínas requieren de otros grupos o procesos para
su acción final.
11.1.4. Regulación de la síntesis proteica.
Las moléculas de RNAm no funcionan indefinidamente y la alteración o destrucción de
ella puede suprimir la síntesis proteica. Esta proteína que tendría una función en la
célula, ya sea estructural o enzimática, no se formaría, por lo que no se realizaría esta
función y el metabolismo celular se alteraría, por este medio el DNA (gen) regularía
toda la función celular.
Todo éste proceso está a su vez regulado genéticamente mediante diferentes tipos de
DNA y producto de las funciones de las proteínas sintetizadas (enzimas):
El control de síntesis proteica está perfectamente regulado. La existencia de varios
tipos de genes ha sido demostrada completamente. Así se ha señalado que el gen
estructural DNA dirige la síntesis de enzimas específicas y otras proteínas por medio
del molde RNAm. Hay además un gen operador (operón) que regula la acción de varios
genes estructurales. Además, para un determinado sistema existe un gen regulador
que actúa por medio de sustancias supresoras.
El gen regulador combinado con una sustancia represora no induce actividad en el gen
estructural y está "reprimido", mientras que cuando está activo, por estar inactiva la
sustancia represora, puede iniciar síntesis proteica, y se dice que está “derreprimido".
Los productos de la acción enzimática ejercen por retroalimentación, un efecto directo
sobre el agente represor, que es, generalmente, una proteína y puede actuar
alostéricamente determinando la represión de la síntesis proteica o la derrepresión
(activación). A su vez, las enzimas sintetizadas modifican su velocidad de reacción por
infinidad de factores.
Numerosas hormonas, sobre todo las esteroidales y las del tiroides, ejercen acción
directa sobre la síntesis proteica, bien estimulando la síntesis de RNAm o bien a nivel
del ribosoma en el mecanismo de la traducción, estableciendo de esta forma un control
directo sobre la misma.
La regulación de la expresión del DNA conduce a la diferenciación celular, función
realizada por proteínas
Quiere esto decir que todas las células del organismo contienen la misma información
pero que cada célula y cada órgano expresa aquella parte que le corresponde en
función de las proteínas reguladoras, estructurales y represoras, lo que determina la
diferenciación celular y, por supuesto, la función de cada célula.
El control se realiza a nivel de la transcripción y de la traducción.
Es bueno insistir que el medio ambiente no influye sobre la base genética del individuo
pero si sobre la expresión de la base genética.
La replicación esta sometida a dos principios. El primero a la necesidad de la
conservación de la información y el segundo a la necesidad de la variación de la
información, requerida para la variación de la especie.
Se comprende que si prevalece la primera, es decir la conservación de la información,
no existiría la variación ni la creación de nuevas especies y además todos los
individuos serian iguales. También se comprende que si prevalece la segunda, es
decir la variación sobre la conservación, no existiría la información que se requiere, y
que se conserva de generaciones en generaciones, para mantener las características
de los sistemas biológicos.
Por ello llegamos a la conclusión de la necesidad de mantener la información
contenida en el DNA para reproducir la especie y la necesidad de la variación de la
información requerida para la determinación de nuevas especies y el individuo.
La identificación de los individuos, las pruebas de paternidad, los grados de parentesco
y otras pruebas que actualmente se hacen con el DNA están basados en estos
principios.
Las variaciones por mutaciones son sumamente importantes pues determinan las
posibilidades de nuevas proteínas, con nuevas funciones cuando estas son positivas y
con ello la evolución de las especies.
Las mutaciones pueden ser AT por GC o GC por AT y purina por pirimidina, así como,
por inserción o por supresión de una base, estas generalmente letales pues se corre
el código genético.
Otros tipos de variaciones se producen por recombinación del DNA, mediada por la
escisión y soldadura de cadenas de DNA y donde la secuencia de bases procede de
una determinada molécula matriz y parcialmente de otra. La transposición de genes de
un cromosoma a otro o de un lugar a otro dentro del mismo cromosoma tambien es una
variación del DNA muy ligada a la resistencia a los antibióticos.
Unido a estos aspectos del flujo de información esta la interpretación de los
mecanismos bioquímicos de la evolución y la adaptación de las especies.
Lo primero es conceptuar el término de evolución. ¿Qué significa evolución?
Generalmente se entiende por evolución un cambio en alguna propiedad de un
organismo vivo que implica una ventaja para el mismo. Es decir generalmente tiene
una aceptación positiva.
Para los cambios negativos se utiliza el concepto de involución.
El otro concepto relacionado es el de adaptación. Se hace referencia a este concepto
como una posibilidad de variación positiva, o de ajuste del organismo, frente a una
condición del sistema donde este se encuentra.
¿Son la evolución y la adaptación procesos armónicos, lógicos, programados, que se
rigen por leyes biológicas, que posibilitan la creación de ventajas biológicas en los
organismos vivos?
La posibilidad de que un factor del medio modifique la estructura primaria del DNA para
codificar una proteína con el objetivo de evolucionar o adaptarse a una nueva
condición es prácticamente nula.
Por ello los mecanismos bioquímicos de la evolución y de la adaptación a nuevas
condiciones del medio no pueden explicarse en el sentido de regularse este hecho a
nivel de la replicación.
La interpretación de estos fenómenos es sumamente interesante y muy polémica.
Veamos a manera de ejemplos algunos enfoques sobre ello.
¿Surgió la amilasa, enzima que hidroliza el almidón, como respuesta a la ingestión del
almidón o como surgió la amilasa primero, se pudo degradar el almidón después?
¿Por qué el hombre y los animales, que llevan millones de años ingiriendo celulosa,
como parte de su dieta, no han desarrollado la información requerida para sintetizar la
enzima celulasa y siguen dependiendo de las bacterias para su utilización?
¿Perdió la ballena sus miembros para caminar y alcanzo el enorme peso que tienen
para adaptarse a vivir en los océanos? Recordemos que las ballenas eran animales
terrestres, carnívoros muy bien desarrollados.
Algo similar les pasa a los actuales hipopótamos, parientes cercanos, los cuales en
unos cuantos miles de años más serán completamente acuáticos, si no desaparecen
antes.
El famoso pájaro sudamericano, conocido como Tupán, con el pico más grande que
todo el cuerpo.
El no menos famoso Oso Panda con su enorme masa corporal, sus potentes colmillos
y sistema digestivo típico de los carnívoros, comiendo hojas de bambú y obligado a
extraer hasta el último gramo de proteína de ese alimento.
¿Qué son; ejemplos de adaptación, evolución o involución?
El león macho cuando logra el dominio de la manada mata a los cachorros machos.
¿Es esto un ejemplo de evolución positiva? Se dice que si y se argumenta que así se
preproduce el mas fuerte etc. etc. Pero al matar tantos cachorros ¿No diminuye el
número posible de escoger y seleccionar al mejor?
Los mamíferos siempre se ha puesto como ejemplos positivos de evolución ¿Es eso
real, o son los insectos o algunos reptiles los mas capaces? Por ejemplo el cocodrilo
con más de 70 millones de años.
¿Por que se extinguieron los antepasados de hombre? Hoy en día sabemos, siguiendo
el rastro del DNA de las mitocondrias, (que solo se hereda por vía materna) de la
existencia de la famosa Eva africana, una estirpe de mujer que vivió hace unos 100
000 años en África de la cual descienden todas las mujeres del planeta. ¿Que pasó con
las demás variantes? ¿No estaban adaptadas? Sin embargo algunas de esas especies
existieron por millones de años y fueron, en sus tiempos, ejemplos de adaptación y
evolución.
¿Son muchos de estos ejemplos anteriores procesos de evolución y adaptación o por
el contrario son procesos de involución que están conduciendo, durante miles de años
y aun miles más, a caminos sin solución y a especies que están determinadas a dejar
sus espacios a otras más eficientes?
¿Es la evolución un proceso armónico sujeto a leyes o por el contrario es un proceso
caótico?,
Cuantas preguntas sin respuestas.
Para muchos seria mejor seguir viendo la evolución y la adaptación como un
fenómeno armónico, perfectamente acoplado a los ecosistemas y sujeto a leyes
biológicas. Otros prefieren buscar otras explicaciones, donde el caos y las variaciones
son los factores dominantes
Si el DNA contiene la información para los organismos vivos hay que aceptar que para
que un organismo vivo evolucione primero tiene que “evolucionar” el DNA.
El DNA como molécula rectora del flujo de información no evoluciona, presenta
cambios, variaciones, mutaciones, etc., no sujetas a leyes. Si el cambio es ventajoso
bienvenido, si es negativo adiós a la especie. ¿Cuantas especies han desaparecido
durante estos 3 mil millones de años desde que surgió la vida?
La evolución positiva se ve, pues podemos analizar los cambios a través de las
modificaciones y de los fósiles, la negativa o involución no, pues para que la misma se
haga visible deben pasar, a veces, hasta millones de años.
Evolución significa pasar a un estado superior y al parecer hay varios ejemplos de que
esto no es así.
Por ello otra interpretación sería hablar de variación de las especies que no esta
dirigida, que no esta sujeta a leyes y que a veces significa una variación positiva o
evolución y en ocasiones negativa o involución.
Enfoque similar requiere la llamada resistencia. Por ejemplo. ¿Puede producir la
aplicación de un antibiótico resistencia en una especie bacteriana? Durante muchos
años se ha dicho que si. Pero habría que preguntarse que significa resistencia.
¿Implica eso la presencia de una nueva enzima o una nueva proteína en la bacteria
que sea capaz de resistir o neutralizar al antibiótico?
Si aceptamos esto habría que aceptar entonces que el antibiótico fue el factor que
modifico la estructura del DNA, es decir la secuencia de las bases púricas y pirimidicas
de la cadena, para que apareciera la nueva proteína. Esto es imposible.
Una respuesta alternativa seria que en las poblaciones bacterianas se producen, en
individuos aislados de la población, atendiendo a variaciones por transposición del DNA
ligadas a factores R de los plásmidos, proteínas o enzimas nuevas y que una de ellas
podría actuar sobre el antibiótico en cuestión. Al aplicar el antibiótico reiteradamente
barrería con toda la población que no tuviese esta nueva enzima, creando las
condiciones para la reproducción incontrolada, sin competencia, de esta nueva
bacteria, surgiendo así la especie resistente.
Son dos concepciones diferentes sobre un mismo hecho.
Como conclusión de este aspecto en particular se podría afirmar que las actuales
especies de organismos vivos son el producto de la variación del DNA durante
millones de años y que estos cambios han conducidos por caminos muy escabrosos a
las actuales especies. Que a esto le llamamos evolución y adaptación, pero que hay
muchas de estas especies que esta evolución ha conducido, o está conduciendo, a
retrocesos evolutivos o involuciones y que más tarde o más temprano están llamadas
a desaparecer y dejar sus espacios a otras más eficientes.
Que la adaptación puede considerarse una capacidad para expresar cualitativamente
una información ya contenida en el DNA, frente a una condición del medio.
Los organismos vivos están en una especie de equilibrio biológico muy crítico con el
medio, con cambios constantes, imperceptibles pero constantes y ninguna especie por
perfecta que parezca desde el punto de vista evolutivo y de la adaptación esta
destinada a existir por siempre y las acciones de los hombres pueden producir
enormes daños si no se controlan y estudian
Por supuesto también enfatizar que nada de esto esta programado o sigue alguna
lógica o ley biológica, pues los cambios en le DNA no están sujetos a ello. Y si a las
leyes del azar y del ensayo error.
Muy ligado a estos aspectos de la biosíntesis proteica se encuentran algunos aspectos
relacionados con las biotecnologías.
11.1. 5.-Los sistemas metabólicos y la biotecnología
El desarrollo de la Bioquímica, la Genética y la Microbiología ha permitido el
surgimiento de esta nueva área de la Biotecnología la cual se ha convertido en una
forma de obtener sustancias químicas y farmacéuticas y otros productos de amplia
demanda en la sociedad moderna. En esencia las técnicas de la biotecnología
consisten en la utilización de microorganismos (bacterias, hongos y levaduras) y
diferentes tipos de células de origen animal o vegetal para producir determinados
productos.
Aunque las técnicas de la biotecnología son conocidas desde hace cientos de años,
algunas inclusive desde hace miles de años, últimamente, con el desarrollo de las
ciencias antes mencionadas, su aplicación se amplia a todo el trabajo científico de la
sociedad, muy en especial en la producción agropecuaria y en la medicina y sus
diversas ramas.
La biotecnología incluye el área de las fermentaciones, el área de los transplantes y la
transferencia de células, tejidos u órganos y el área de la manipulación del DNA o
ingeniería genética que a su vez incluye la terapia génica, los animales y las plantas
transgénicas y la clonación.
Hoy día la biotecnología se expande en todas áreas de la sociedad principalmente en
la industria farmacéutica, la agricultura, la salud, la industria energética, la industria
química y otras áreas. Sasson (1985) resume las principales áreas de trabajo de las
biotecnologías en las siguientes esferas: salud, industrias agroalimentarias, agricultura,
energía, y la industria química.
El área de la salud se incluye tanto la salud pública como la veterinaria y comprende la
producción de medicamentos, productos para el diagnóstico, vacunas, interferones,
hormonas, antibióticos, anticuerpos monoclonales, vitaminas, enzimas, cultivos
celulares, etc. obtenidos por medio de fermentaciones y por recombinación del DNA.
La agricultura y las industrias agroalimentarias incluyen la obtención de muchos
productos requeridos por la sociedad, tales como vitaminas, aminoácidos, proteínas,
híbridos de cereales, organismos resistentes a enfermedades, a virus y a insertos,
producción de cultivos fijadores de nitrógeno, abonos, biopesticidas, bioinsecticidas,
clones de diferentes especies vegetales, etc.
El área de la reproducción animal se destaca por la producción de biotecnologías
relacionadas con la inseminación artificial y la transferencia de embriones. La obtención
de animales y plantas transgénicas es ya una realidad. La clonación un hecho.
En su inmensa mayoría son técnicas sostenibles pues parten de recursos renovables y
no contaminadores del entorno, todo lo contrario, pueden sustituir industrias
contaminantes de grandes efectos sobre los ecosistemas. Todo depende de sus usos.
La industria energética incluye la producción de biogás, etanol, acetona, butanol y otros
productos como fuentes de energía.
Un área de la biotecnología que ofrece enormes perspectivas en un futuro cercano es
el trabajo de implantación de células embrionarias no diferenciadas, células madres o
tutipotentes. Estas células obtenidas de cigotos humanos antes de los 14 días, es decir
antes del periodo de la embriogénesis, presentan la capacidad de desarrollar diferentes
tipos de tejidos y células. Inoculadas en tejidos u órganos con zonas afectadas serian
capaces de reparar estos tejidos.
Algunos futuristas señalan inclusive la posibilidad de fabricar órganos complejos.
En el caso de la recombinación del DNA conocido como ingeniería genética queremos
señalar algunos aspectos esenciales.
Principios teóricos de la ingeniería genética.
Por ingeniería genética se entiende el área del trabajo científico y técnico de la
biotecnología encargada
de la manipulación de los ácidos nucleicos, de las
recombinaciones genéticas a partir del DNA o del RNA.
Aunque es difícil establecer en el campo de la biología un punto exacto de partida para
estas técnicas, los trabajos de Watson y Crick, en 1952, quienes postularon la teoría de
la estructura del DNA y la famosa "doble hélice", se pueden considerar como punto
inicial para esta área del trabajo científico.
Hechos sumamente importantes realizados posteriormente fueron los trabajos de
Niremberg y Mathaei, en 1961, quienes descifran la clave genética de la fenilalanina,
aminoácido codificado por el codón UUU, dando inicio a la posibilidad práctica del uso
de estos conocimientos.
Se abren así dos grandes campos, por un lado los trabajos de identificación del código
geneático, la síntesis del RNA y DNA y colateralmente la determinación de la estructura
primaria de las proteínas (secuenciación), los cuales progresaron extraordinariamente
en la década de los 70.
Es imposible en este corto espacio referir todos los trabajos relevantes sobre el tema
pero ya en 1978, Dayhoff y Eck, pudieron programar en una computadora la secuencia
de más de 500 proteínas
Paralelamente se desarrolló la secuenciación de los ácidos nucleicos y a partir de ello
la posibilidad de sintetizar fracciones de DNA y RNA con determinada secuencia en
correspondencia a la estructura de proteínas especificas. Así en 1979, Itakura y Cols,
sintetizan los genes (DNA) de la insulina y de la TSH aplicándose la tecnología de los
sintetizadores y ensambladores de ácidos nucleicos por varios autores en todo el
mundo.
Previamente en 1972, Arber, así como Snith y Nathars habían identificado las
"enzimas de restricción" que producen la escisión del DNA en determinados sitios
específicos de la cadena polinucleotídica y a las "Iigasas" enzimas requeridas para la
síntesis de fracciones de DNA. Ambas enzimas son esenciales para introducir genes o
fracciones de DNA en el genoma de una célula.
Dos hechos muy importantes ocurridos posteriormente marcaron etapas superiores en
todo el trabajo relacionado con la ingeniería genética.
Se trata de la identificación de la "transcriptasa inversa" por Gilbert y Villa-Komaroff, en
1980, y la "reacción en cadena de la polimerasa" (RCP) reportada por Mullis, en 1983.
La transcriptasa inversa permitió sintetizar DNA a partir de RNA, aislado o sintetizado
en el laboratorio, lográndose obtener, por vez primera, un DNA por vía no
convencional, es decir no dependiente de la replicación. De esta forma quedaba libre el
camino para modificar permanentemente el genoma de una célula. Primero se
determina la secuencia de una proteica, después se sintetiza en el laboratorio el
correspondiente RNA que codifica la proteína y partiendo de el, por la transcriptasa
inversa, se obtiene el DNA incorporándose al genoma de la célula, generalmente
bacteriana, que posteriormente produciría por replicación, trascripción y traducción la
proteína en cuestión.
De todas formas las síntesis del DNA era lenta y las cantidades obtenidas muy
pequeñas y limitantes para otros trabajos. Es entonces que aparece la Reacción en
Cadena de la Polimerasa (RCP) que (obtenida de la bacteria Thermus Aqueaticus)
permiten realizar un ciclo de dos minutos y disponer en una hora de una ampliación de
mil millones de veces. Esto permite obtener cantidades apreciables de cualquier DNA
para su análisis, experimentación y su utilización para trabajos de ingeniera genética.
"Sondas" de DNA, animales transgénicos, diagnóstico de laboratorios de material
genético y otras posibilidades es el fruto de todo este trabajo.
El campo futuro en este sentido parece ser infinito y las novelas de muchos escritores
de ciencia-ficción parecen lograrse en la realidad. La humanidad espera que la lógica y
la ética prevalezcan en este campo.
Hoy se trabaja utilizando todos estos avances científicos y técnicos antes mencionados
en la obtención de la insulina humana y la STH (ambas son hormonas de amplio uso),
diferentes tipos de interferones, producción de inmunógenos y vacunas, producción de
estreptoquinasa, anticuerpos monoclonales, etc.
Es de señalar en este sentido la obtención reciente de especies transgénicas, es decir
modificaciones permanentes y heredables del genoma de una especie.
Además se puede modificar el estado hormonal, las vías metabólicas, la resistencia a
las enfermedades y otras características de una especie vegetal o animal.
Todo este trabajo ha contribuido a que en la actualidad se domine con mayor precisión
todo lo relacionado con los genes y la herencia. El concepto gen representa la unidad
de DNA que contiene la información para la formación de una fracción de una cadena
polipeptídica.
Las sondas de DNA son fragmentos de DNA marcado radiactivamente con secuencia
conocida que reconoce la secuencia complementaria de un ácido nucleico en el núcleo
y permite su identificación.
Los vectores son moléculas de DNA que se usan para transportar un fragmento de
DNA. Los principales son los plásmidos (DNA circular) de bacteria y los fagos virales
(DNA lineal)
La Clonación.
El termino clonación (del griego Klon que significa brote) fue propuesto para designar
las plantas que se propagan de manera asexuada.
Más tarde se extendió el empleo de este término a todos los modos de reproducción
asexuada y se utiliza también en el caso de la manipulación de ADN (clonación de los
genes). El uso científico estricto denomina clón a un organismo que proviene de una
célula por divisiones mitóticas.
Para la clonación primeramente se introduce el DNA en una especie (bacterias,
hongos, planta, animal,) lográndose un individuo transgénico que al reproducirse
transmite a su dependencia la información recibida quedando clonado. Otra variante
es vaciar totalmente el DNA de un núcleo y sustituirlo por otro.
Las ventajas de la clonación en plantas son innumerables teniendo en consideración
que de un meristema se puede producir cincuenta mil descendientes por cultivo In
Vitro.
El riesgo más grave de esta técnica de propagación vegetativa es la disminución de la
variabilidad genética, en la misma medida en que todos los individuos de una misma
especie vegetal provienen de un meristema único. Una enfermedad nueva podría tener
consecuencias catastróficas ya que estos individuos genéticamente idénticos serian
todos igualmente vulnerables a los agentes patógenos o al parásito.
Es por lo tanto necesario crear, a! mismo tiempo que se perfeccionan las técnicas de
producción masiva, bancos de genes para conservar los patrimonios hereditarios
indispensables para el mantenimiento de la diversidad genética
No solo se avanzaba en la biotecnología vegetal, también a través de los años se
comenzó a trabajar con animales, donde se logró la obtención de una oveja clónica
llamada Dolly.
Esto se realizó mediante los siguientes pasos.
1.- Se extrajo una célula mamaria de una oveja.
2.- Se extrajo un ovocito de otra oveja.
3. -Se vació el ovocito de su información genética (DNA)
4.- Se insertó el DNA de la célula mamaria en el ovocito de la segunda oveja.
5. -Se aplicó una descarga eléctrica para que el DNA de la célula mamaria se fusione
con la membrana del ovocito y se estimuló la división de la célula.
6.- Se implantó el embrión en otra oveja hasta su nacimiento.
AI no intervenir en su nacimiento ninguna célula masculina, Dolly nació genéticamente
idéntica a su madre (hermana gemela) y confirmo que la reproducción sin sexo es
posible.
La duplicación nunca será exactamente igual en un ciento por ciento pues si bien las
características genéticas están dadas por el conjunto de genes, los factores
ambientales, como el clima, la alimentación y el estrés, repercuten en la expresión de
los genes y es imposible que un animal desarrolle su vida en condiciones exactas a
otros.
Las posibilidades de obtener hoy alimentos transgénicos y su uso en la alimentación
humana son prácticamente infinitas. Esto ha desatado una gran polémica a nivel
mundial a partir de los criterios de los que no aceptan esto productos y por otro lado los
que lo defienden a ultranza.
La obtención de animales y plantas transgénicas para uso en la alimentación debe
seguir los mas estrictos controles que sean posibles a nivel internacional por las
posibilidades de producir daños en los ecosistemas biológicos, la posibilidad de perder
variabilidad genética y otras alteraciones sumamente graves.
Otro aspecto es el posible daño que un alimento transgénico pueda producir en el
organismo humano por su ingestión como alimento lo cual es prácticamente nulo.
La variación de un alimento transgénico esta en la variación de la secuencia de las
base púricas y pirimidinas del DNA pero no en otra cosa. Estas bases son todas
iguales para todas las especies animales, plantas y hongos (A, T, G y C) y sólo
cambian en el orden, en la secuencia.
Las contenidas en los alimentos que todos los días ingerimos y las cuales forman
parte de la cadena de los poli nucleótidos del DNA del núcleo de los alimentos son las
mismas y normalmente
hidrolizadas por las enzimas (Ribonucleasa y
Desoxiribonucleasa) de tubo digestivo, perdiendo la información genética que esta en
la secuencia.
Los alimentos transgénicos presentan secuencias diferentes pero no bases diferentes
por lo que son hidrolizados también sin producir alteraciones de ninguna tipo, solo la
posibilidad de actuar como alergenos, común a todos los ácidos nucleicos, es posible.
De igual manera las proteínas producidas por estos especies transgénicas serian
hidrolizadas como todas las demás proteínas de la dieta.
La mayoría de las técnicas de biotecnología (incluidas las de ingeniaría genética)
constituyen técnicas de gran uso y aplicación para todas las esferas de la sociedad y
por ello hay que afirmar que casi todas son compatibles con una agricultura sostenible.
El peligro de las biotecnologías esta mas en las condiciones socio políticas asociadas
a su uso, que en su utilización en si.
Los problemas bioéticos relacionados con esta área son sumamente complejos,
subjetivos y muy sensibles para la opinión publica. En todo ello hay una condición
bioética presente y estamos situados dentro de determinadas corrientes ideológicas.
Podemos ser ecologistas o no. Críticos de las biotecnologías o defensores. Defensores
de la agricultura orgánica o críticos. Defensores de la producción intensiva con altos
insumos, energía, pesticida, etc. o de una agricultura tradicional, racional, sostenible.
En este problema bioético y filosófico estamos inmersos y sobre ello debemos
reflexionar.
A partir de las consideraciones antes señaladas se podría concluir con los siguientes
criterios. Estamos obligados a contribuir al desarrollo de la sociedad, a incrementar la
producción de alimentos, a preservar el entorno, a sanear el medio, a proteger la
biodiversidad, a producir alimentos de alta calidad y en definitiva a contribuir a
satisfacer las necesidades materiales y espirituales del hombre.
Todo esto dentro de una concepción bioética de respeto a la integridad de los
ecosistemas biológicos, de respeto a la integridad de los animales y de su derecho a
existir, de respeto en definitiva al estado de los sistemas metabólicos dentro de sus
ecosistemas.
11.2 DIGESTIÓN PROTEICA
La digestión de las proteínas de la dieta comienza en el estómago, donde las proteína
son hidrolizadas dependiendo de su digestibilad en parte por la acción de las pepsinas,
enzimas proteolíticas producidas por las células principales del estómago en forma de
zimógeno inactivo, el pepsinógeno, el cual es activado por acción del HCI del jugo
gástrico y después por autocatálisis. La pepsina es activa hasta pH de 5, pero su pH
óptimo de acción es 1,5 a 2,5. Su función es trasformar las proteínas naturales en
proteasas y peptonas; por tanto, es considerada como una endopeptidasa que ataca
principalmente los enlaces peptídicos localizados en los aminoácidos aromáticos de la
cadena. Es la primera enzima proteolítica que actúa sobre las proteínas de la dieta.
En el estómago actúa también otra enzima sobre las proteínas, llamada catepsina,
aunque esta se encuentra fundamentalmente en el interior de las células y es una
mezcla de protéasas.
En el intestino delgado, las proteínas, los péptidos y las peptonas son atacadas por la
tripsina y la quimiotripsina: dos enzimas de fuerte acción proteolítica (sobre todo la
primera) producidas por el páncreas en forma inactiva (tripsinógeno y
quimiotripsinógeno) que en el intestino delgado, por acción de una peptidasa, la
enteroquinasa, se transforma en la forma activa. Después ocurre un proceso de
autocatálisis.
La tripsina posee un pH óptimo de acción de 7,9, actúa sobre los enlaces peptídicos
situados en el grupo carboxílico de la lisina y la arginina. La quimiotripsina, por su
parte, actúa sobre el enlace peptídico del grupo carboxílico de la tirosina y la fenil
alanina, también es una endopeptidasa. La acción de estas enzimas libera péptidos de
pequeño peso molecular y en parte algunos aminoácidos.
Posteriormente a esto, sobre los productos de la hidrólisis de las proteínas actúan un
conjunto de enzimas conocidas como exopeptidasas (antiguamente llamadas
erepsinas), que terminan la digestión proteica. Son producidas por el jugo intestinal y
pancreático y su pH de acción es ligeramente alcalino. Dentro de ellas se encuentran
las carboxipeptidasas, que separan el aminoácido con el - COOH terminal y varias
dipeptidasas que hidrolizan péptidos. El resultado de la acción de éste grupo de
enzimas es la digestión completa de la proteína y la liberación de aminoácidos que
serán absorbidos.
Parte de las proteínas de la dieta escapan a este proceso y llegan al intestino grueso,
donde son en parte hidrolizadas por la acción de los fermentos bacterianos y luego los
aminoácidos sufren varios procesos, sobre todo descarboxilación. Es de señalar que
también existen proteínas que escapan a todos estos procesos y aparecen en las
heces fecales.
Los productos de la digestión proteica, o sea, los aminoácidos, van a ser absorbidos
por la vía de la vena porta fundamentalmente.
La absorción de los aminoácidos parece ser que ocurre por mecanismos pasivos
(difusión) y en parte por transporte activo. Ciertos tipos de aminoácidos se absorben
selectivamente y en algunos interfieren la absorción de otros por tener un sistema de
transporte común. La absorción intestinal puede ser mucho más rápida que la
digestión, por lo que la existencia de aminoácidos libres en la luz intestinal es sólo
momentánea. Normalmente se pueden absorber pequeños péptidos, aunque si son de
alto peso molecular o de carácter proteico se produce sensibilización y una respuesta
inmunológica a ellos.
Los aminoácidos absorbidos son utilizados rápidamente por el organismo. La mayoría
pasan por el hígado, donde son incorporados a las proteínas formadas por éste órgano
y en parte sufren varias reacciones o pasan a través de la circulación a otros tejidos. A
estos aminoácidos se incorporan los que son producto de la proteolísis de las proteínas
degradadas en el organismo. Quiere esto decir que el conjunto de los aminoácidos que
existen en el organismo en un momento dado, tienen su origen a partir de las proteínas
ingeridas y también a partir del catabolismo proteico intracelular. Estos aminoácidos
tienen los siguientes destinos o vías:
1. Participan en la biosíntesis proteica.
2. Participan en reacciones de carácter general, tales como transaminación,
desaminación oxidativa y descarboxilación.
3. Participan en reacciones de carácter particular, tales como transmetilación
y transthiolación.
4. Participan en la formación de sustancias fisiológicas (creatina, porfirinas, etc.)
5. Tienen un metabolismo particular.
La primera de estas vías, la biosíntesis proteica quedo ampliamente tratada en el
epígrafe anterior. Veamos las otras.
11.3 TRANSAMINACIÓN
El proceso de transaminación es catalizado por enzimas específicas, conocidas como
transaminasas o aminotransferasas.
La transaminación se realiza entre un aminoácido que aporta el grupo amino y un
cetoácido que acepta dicho grupo. El fosfato de piridoxal (B 6), actúa como coenzima.
En esta reacción participan todos los aminoácidos a partir de sus respectivos
cetoácidos. El alfa cetoglutárico y el oxaloacético, cetoácidos del ácido glutámico y del
ácido aspártico respectivamente, son los cetoácidos más comunes en estas
reacciones. Ejemplos:
Alanina cetoglutárico
amino transferasa
(ALAT, GTP)
+
B6
Á
Á
Á
La reacción es reversible aunque ocurre con mayor rapidez hacia la derecha. Además,
existe la transaminación entre el ácido aspártico y el cetoglutárico.
+
+
Á
Á
oxaloacético
Á
Á
Esta reacción también es francamente reversible.
Por estos mecanismos los aminoácidos se ínterconvierten, con lo cual puede ser
sintetizado en los tejidos animales un aminoácido a partir de otro y el correspondiente
cetoácido. Estos aminoácidos así formados, serán dispensables o no esenciales.
Existen otros tipos de transaminación en los cuales la glutamina y aspargina actúan
como donadores del grupo amínico. La transaminación tiene un papel esencial en la
formación de la urea, en relación con la síntesis de los ácidos glutámicos y aspártico
como medio de transferencia de amoniaco para la producción de urea.
Las transaminasas también presentan un especial significado para el diagnóstico de las
enfermedades del hígado, el corazón y los músculos. Estas poseen ciertos niveles
séricos que se incrementan notablemente cuando hay afecciones en estos órganos. La
elevación de la GPT es indicativa del daño celular en el hígado, mientras que el
incremento de la GOT puede deberse a alteraciones del corazón, en los músculos o el
hígado, todo lo cual tiene gran importancia para el diagnóstico, pues estos comienzan
aun antes de aparecer los síntomas clínicos.
11.4 DESAMINACION OXIDATIVA
La desaminación o la remoción del grupo alfa amino de los aminoácidos es el primer
paso en su catabolismo. Se trata de una reacción catabólica irreversible que ocurre en
el hígado, aunque el riñón también puede realizarla.
La reacción es catalizada por la enzima aminoácido deshidrogenasa (o aminoácido
oxidasa), la cual es flavina dependiente, o sea, que actúa acoplada a la FAD. Tal
parece que éste proceso no le ocurre a todos los aminoácidos, sino especialmente al
ácido glutámico mediante la enzima glutámico deshidrogenasa, que está bastante
distribuida en todos los tejidos, así como en el hígado o el riñón.
Según estos criterios, los aminoácidos originarían ácido glutámico por transaminación
y este sería desaminado oxidativamente por la glutámico deshidrogenasa, que es
NAD dependiente.
Esquema de la desaminación oxidativa:
La desaminación del ácido glutámico ocurre en forma similar:
Á
Á
Visto el proceso en su conjunto, podría considerarse como un mecanismo de
transdesaminación donde los aminoácidos originan ácido glutámico por
transaminación y este se deshidrogena.
Los productos finales de la desaminación son: material reductor, un cetoácido y el
NH3. El material reductor puede ser bien en forma de NADH 2 o de FADH2 según
ocurre en uno u otro caso, su destino será la cadena respiratoria y aporta energía
para la síntesis de ATP. El cetoácido generalmente es metabolizado por medio del
ciclo tricarbóxilico y por esta vía puede oxidarse totalmente a CO 2 y H2O o convertirse
en carbohidratos o grasas, siendo esta una fuente principal para la síntesis de
glucógeno por la vía de gluconeogénesis. Si puede sintetizar carbohidratos se clasifica
como glucogenético, si algunos de estos cetoácidos son convertidos en beta
cetobutírico o acetil CoA pueden también originar cuerpos cetónicos y se clasifican
como cetogenéticos (tabla 11.1).
Este cetoácido también puede volver a convertirse en aminoácido por transaminación.
El NH3 removido de los aminoácidos es eliminado del organismo en su mayor parte
como urea. Este compuesto es, por tanto, el producto final del catabolismo proteico (los
detalles se explicarán más adelante). Parte de este amoniaco puede ser excretado en
forma de sal de amonio, sobre todo en los casos de acidosis. También por amidación
del ácido glutámico (reacción catalizada por la glutamina sintetasa) puede ser fijado
parte de este amoniaco, sobre todo en el sistema nervioso central. Esto es esencial
puesto que pequeñas cantidades de NH3 son muy tóxicas para el encéfalo, por lo que
se utiliza ácido glutámico sintetizado a partir del cetoglutárico por transaminación para
neutralizar el NH3.
Glutaminasa
Ácido
La glutamina formada sería hidrolizada después en el riñón por la glutaminasa.
11.5 DESCARBOXILACION
Se trata de una reacción que le puede ocurrir a todos los aminoácidos mediante la cual
estos son convertidos en aminas con pérdida del grupo carboxílico como CO2.
La reacción es catalizada por la enzima aminoácido descarboxilasa con la vitamina B 6
como coenzima.
Estas aminas biógenas pueden ser tóxicas (ptomaínas) y muchas son vasopresoras
poderosas. La reacción puede ocurrir por acción bacteriana producto de la
putrefacción, aunque también puede tener lugar en los tejidos normales y producidos
por enzimas propias (Tabla 11.2).
Ácido
Ácido
Estas aminas son generalmente detoxicadas por el hígado por medio de un sistema
enzimático, conocido como las mono amino oxidasa (MAO).
11.6 CICLO DE LA UREA O CICLO DE KREBS – HENSELEIT
La urea constituye el principal producto del catabolismo de los aminoácidos; por tanto
es un producto de desecho que se obtiene a partir de la oxidación de los aminoácidos.
Cuando estos son oxidados en el hígado, por medio de la desaminación oxidativa, se
producen grandes cantidades de amoniaco (NH3), el cual debe ser eliminado del
organismo ya que éste producto es tóxico, para ello el hígado lo convierte en urea y lo
elimina por medio del riñón. De ahí que el objetivo fundamental del ciclo de la urea sea
convertir el amoniaco en urea, lo que constituye un proceso de detoxicación del
organismo
En la síntesis de la urea, que se realiza en el hígado, intervienen tres aminoácidos
directamente, la ornitina. la citrulina y la arginina, que trabajan en forma de ciclo y otros,
tales como el ácido glutámico y el ácido aspártico, que tienen responsabilidades muy
señaladas dentro del ciclo. Además, como aspecto muy importante hay que señalar
que el proceso consume gran cantidad de energía, se gastan cuatro enlaces del ATP
por cada molécula de urea producida.
El ciclo fue descrito por primera vez por H. A. Krebs y K. Henseleit en 1932 por lo que
lleva sus nombres. Desde el punto de vista didáctico, el proceso puede ser separado
en cuatro pasos:
1. Síntesis del carbamil fosfato
2. Síntesis de la citrulina
3. Síntesis de la arginina
4. Hidrólisis de la arginina
La síntesis de carbamil fosfato se realiza en la fracción mitocondrial por medio de la
enzima carbamil fosfato sintetasa. El carbamil fosfato se forma a partir del NH 3 libre,
producto de la desaminación oxidativa y el C02. La reacción requiere de dos moléculas
de ATP como fuente de energía, del acetil glutámico que actúa como activador
alostérico de la enzima y de la biotina portadora del grupo C0 2. La reacción ocurre de la
siguiente manera:
El carbamil fosfato posee un enlace macro energético, lo que le permite reaccionar
rápidamente con la ornitina. La reacción es catalizada por la ornitil - carbamil
transferasa y ocurre en las mitocondrias a partir de la ornitina transportada del
citoplasma. Esta reacción se muestra en la figura 11.7.
La citrulina formada abandona la mitocondria y pasa al citoplasma donde tienen lugar
las restantes reacciones del ciclo.
Posteriormente la citrulina formada se convierte en arginina previo aporte de
amoniaco por el ácido aspártico. Este paso presupone la formación de un complejo de
la citrulina con el ácido aspártico, que recibe el nombre de arginil succínico. La
reacción es catalizada por la enzima arginil succínico sintetasa con aporte se ácido
aspártico sintetizado por transaminación a partir del oxaloacético, formado dentro del
ciclo tricarbóxilico.
El arginil succínico es hidrolizado por la arginil succinasa en arginina y ácido fumárico.
La formación del arginil succínico requiere la presencia de ATP e iones de Mg. La
reacción aparece en la figura 11.8.
Ácido
Finalmente, la arginina es hidrolizada por la arginasa en ornitina y urea, con lo cual se
cierra el ciclo. La arginasa sólo existe en el hígado. Está presente en la mayoría de los
animales vertebrados excepto en las aves, donde el producto final de la oxidación de
los aminoácidos no es la urea, sino el ácido úrico; igualmente los animales
invertebrados no presentan esta enzima. Por tanto la arginasa está presente sólo en
los animales ureotélicos. La reacción se muestra en la figura 11.9.
En general la reacción global de la formación de urea sería:
El ciclo en su conjunto aparece reflejado en la figura 11.10
Como puede observarse, el ciclo actúa como un pequeño proceso de producción,
donde la "materia prima" es el amoniaco y el producto final, la urea. Asegurado este
proceso por el aporte de energía en forma de ATP. Se discute mucho sobre el aporte
de amoniaco al ciclo.
La mayoría de los autores concuerdan en que esto se hace a partir del ciclo glutámico,
que sería desaminado por la glutámico deshidrogenasa en el hígado, con lo cual
aportaría NH3 al ciclo. El otro aporte de nitrógeno al ciclo es por el aspártico, el cual se
resintetiza por transaminación a partir del oxaloacético.
Una vez formada la urea por el hígado, esta toma la circulación general difundiéndose
a todo el organismo, dado su gran poder de difusión; de esta forma llega al riñón y se
elimina con la orina.
Ácido
Ácido
11.7 METABOLISMO DE LA CREATINA
Muy en relación con los aminoácidos, el ciclo de la urea y las sustancias
nitrogenadas está la creatina. La creatina desempeña un importan te papel en
todo lo relacionado con el almacenaje y la transmisión de energía para la contracción
muscular.
El metabolismo de la creatina incluye su síntesis y su excreción, así como sus
funciones en el organismo animal. La creatina existe fundamentalmente en los
músculos, en forma fosforilada como fosfocreatina. También existe en la sangre, en el
encéfalo y en pequeñas cantidades en la orina, donde se encuentra su producto de
excreción: la creatinina.
En la síntesis de la creatina intervienen directamente tres aminoácidos: la arginina, la
glicocola y la metionina. La primera reacción ocurre en el riñón; mediante ella el grupo
guanidín de la arginina pasa a la glicocola formando el guanidín acético y la ornitina.
El proceso es catalizado por una transamidasa. Se completa la síntesis por la
metilación a partir de grupos "activos" cedidos por la metionina, reacción que ocurre en
el hígado, catalizado por la enzima guanidín acético metil ferasa. Para la formación de
metionina activa se requiere ATP, Mg, glutatión y una enzima activante que convierte la
metionina en S - adenosil metionina.
La primera reacción que ocurre en el riñón es la que regula el proceso. La síntesis
hepática está relacionada con el nivel de ácido guanidín acético en la sangre.
El producto de excreción es la creatinina que se forma por reacción no enzimática en
los músculos, el cual representa también una forma de eliminación del amoniaco, por
cuanto la arginina formada dentro del ciclo de la urea puede no hidrolizarse en urea y
ornitina y desviarse para la síntesis de creatina, eliminándose en forma de creatinina
por la orina. Esta creatina eliminada se ve modificada por varios procesos. En el
embarazo aumenta, alteraciones metabólicas, miopatías y en el hipertiroidismo y
disminuye en el hipotiroidismo. En la figura 11.11 se muestra el metabolismo de la
creatina.
FIGURA 11.1 Metabolismo de la creatina
Ácido
La función fisiológica de la creatina es participar en la contracción muscular, como un
donador de enlaces macro energéticos para la síntesis del ATP.
La fuente inmediata de energía requerida para la contracción muscular proviene del
ATP el cual es hidrolizado a ADP, liberando su energía para que el músculo se
contraiga. Los procesos metabólicos asociados a la fosforilación oxidativa proveen
este compuesto, pero no la velocidad requerida para sostener el músculo durante la
contracción intensa. En consecuencia, hace falta otra fuente de fósforo macro
energético constituida por la creatina fosforilada o fosfocreatina, la cual se utiliza para
la pronta resíntesis del ATP.
En estado de reposo, el músculo del mamífero contiene de cuatro a seis veces más
fosfocreatina que ATP. De forma que entre el ATP y la creatina existe un equilibrio que
depende del estado funcional del músculo:
La transferencia del fósforo del ATP a la creatina es catalizada por la enzima ATP creatín transfosforilasa, que actúa en presencia de K, mientras que el estado inverso es
catalizado por la creatincinasa. (CK).
La resíntesis de ATP y fosfocreatina puede ser bloqueada con yodo acetato que hace
cesar la contracción muscular. Este producto inhibe la glucólisis, lo que demuestra que
la energía para la contracción proviene de la glucosa.
11.8 METABOLISMO DE LAS BASES PÚRICAS Y PIRIMÍDICAS
Hemos visto en varios capítulos la constitución y funciones de los ácidos nucleicos.
Dentro de ellos las bases púricas y pirimídicas constituyen elementos importantes que
presentan metabolismo propio.
Los ácidos nucleicos contenidos en los alimentos son degradados en el tubo digestivo
liberando nucleótidos libres, por medio de las enzimas ribonucleasa, fundamentalmente
de origen pancreático.
También el jugo intestinal contiene enzimas que atacan estos ácidos conocidos como
fosfodiesterasas. Los nucleótidos son entonces hidrolizados por las fosfatasas (mono
nucleotidasas) en nucléosidos o ácido fosfórico. Finalmente una nucleosidasa libera las
bases unidas a los azúcares, estas enzimas actúan acopladas al ácido fosfórico de la
siguiente manera.
Los estudios realizados indican que las bases guanina, uracilo, citosina y timina son en
gran parte catabolizadas después de la absorción, mientras que la adenina puede ser
incorporada mayormente a los ácidos nucleicos. Todo esto indica que el organismo
animal es capaz de sintetizar activamente las bases púricas y pirimídicas, lo cual ocurre
en el hígado fundamentalmente.
11.8.1 Biosíntesis de las purinas
Las dos bases púricas presentes en los ácidos nucleicos: las adenina y la guanina, son
sintetizadas en el organismo a partir de diferentes compuestos. Los carbonos y
nitrógenos del anillo son obtenidos a partir de la glicina, el ácido aspártico, la glutamina,
el C02 y del formiato, los cuales se van incorporando paso a paso a partir de la ribosa 5
fosfato por medio de numerosas enzimas y factores asociados, vitaminas y minerales;
asimismo, el proceso consume energía en forma de ATP.
El paso inicial es la formación del 5 fosforribosil 1 pirofosfato (PRPP) a partir de la
ribosa 5 fosfato y el ATP, reacción que requiere la presencia de iones de magnesio.
Esta reacción se expone en la figura 11.12.
Figura 11.12 Formación de la ribosa 5 fosfato pirofosfato.
El primer nucleótido que se forma es aquel que tiene como base a la hipoxantina,
llamado ácido hipoxantínico o ácido inosínico. También es de señalar que la base no se
forma sola, sino unida a la ribosa (o desoxirribosa) y al fósforo, o sea, como ácido
nucleótido. Los diferentes elementos del anillo de la hipoxantina han sido aportados por
los siguientes compuestos (figura 11.13).
ú
A partir del ácido inosínico se forman los demás ácidos nucleótidos del tipo púrico: el
adenílico y el guanidílico (figura 11.14).
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
11.8.2 Catabolismo de las bases púricas
Las dos bases púricas: adenina y guanina son desaminadas y convertidas en xantina
en varios tejidos animales. Posteriormente por medio de la xantina oxidasa, enzima que
contiene vitamina B6 como grupo prostético y además Fe y Mo, es oxidada la xantina a
ácido úrico, el cual es eliminado por la orina en el hombre y en los primates.
Igualmente las aves eliminan las bases púricas en forma de ácido úrico, donde además
esto representa la vía de eliminación del nitrógeno procedente del catabolismo proteico.
En la mayoría de los mamíferos el ácido úrico es oxidado por la úrico oxidasa a
alantoína y aparece en la orina de estos animales. Figura 11.15.
Los animales uricotélicos, los cuales no excretan urea por la orina sino ácido úrico sólo,
presentan los niveles de éste compuesto en orina incrementado. Tal es el caso de las
aves y reptiles.
En otros animales la alatoína puede ser metabolizada a ácido alantóico, tal es el caso
de los peces que poseen la enzima alantoicasa, así mismo, los anfibios desdoblan el
ácido alantoico en urea y CO2 y los crustáceos continúan la degradación de la urea
llevándola a amoniaco (NH3).
Ácido úrico
En condiciones normales, el ácido úrico es eliminado fundamentalmente por la orina;
cuando esto no ocurre así, se incrementan los niveles de uratos en la sangre,
produciéndose depósito de ellos en las articulaciones conocido con gota úrica.
11.8.3 Síntesis de las bases pirimídicas
La síntesis de las bases pirimídicas (timina, uracilo y citosina) se realiza a partir de
carbamil fosfato sintetizado en el ciclo de la urea y el ácido aspártico.
El primer nucleótido formado es el ácido uridílico y a partir de el, los demás. Esto se
puede observar en la figura 11.16 y 11. 17
Puede observarse que al igual que las bases púricas, las pirimídicas no se sintetizan
libres sino unidas a la ribosa 5 fosfato en forma de nucleótidos.
La regulación de la síntesis de las bases pirimídicas se realiza por mecanismos de
retroalimentación así por ejemplo, el ácido uridílico inhibe la enzima transcarbamilasa
produciendo por tanto un control sobre el mecanismo de síntesis. Los derivados de la
pirimidina que contienen flúor son poderosos antimetabolitos.
También hay que señalar que existe un equilibrio entre la síntesis de las bases púricas
y pirimídicas: las pirimídicas son estimuladoras de la síntesis de las púricas y estimulan
las enzimas sintetizadoras de las púricas.
Ácido
Ácido
Ácido
- CO2
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
1.8.4 Catabolismo de las bases pirimídicas.
La degradación de las bases pirimídicas tiene lugar, fundamentalmente, en el hígado.
El proceso implica la desaminación de la citosina a uracilo, el cual es metabolizado con
producción de CO2, NH3 y beta alanina. La timina, por mecanismos similares. En la
figura 11.18 se observan estos procesos.
11.9 METABOLISMO DE LAS PORFIRINAS
En el metabolismo de las porfirinas estudiaremos su síntesis, excreción y algunos
trastornos relacionados con ellas.
11.9.1 Síntesis
El grupo porfirínico fundamental que constituye los principales cromoprótidos del
organismo animal está formado por la protoporfirina, esta es sintetizada en el hígado y
en la médula ósea a partir de la glicocola y el succinil CoA del ciclo tricarbóxilico.
El mecanismo es bastante complicado y está precedido por la condensación de estos
dos compuestos formando el alfa amino beta ceto adípico, que rápidamente se
descarboxila a ácido gamma aminolevúlico, reacción catalizada por la enzima amino
levúlico sintetasa. Parece ser que el mecanismo de la reacción requiere la presencia de
la vitamina B6 y del ácido pantótenico.
Posteriormente se conjugan dos moléculas de ácido gamma aminolevúlico formando el
porfobilinógeno, compuesto de estructura pirrólica y punto central en todo este proceso.
Estas reacciones pueden verse en la figura 11.19
+
Ácido
Ácido
El porfobilinógeno presenta estructura pirrólica y en el anillo, los radicales de los ácidos
acéticos y propiónico; asimismo, posee un grupo metil unido a una amina.
La formación de la porfirina (anillo tetrapirrolico) ocurre por condensación de cuatro
anillos de porfobilinógeno. El carbono aminado que viene a la glicocola sirve como
puente metínico que une los pirroles entre sí. La reacción es catalizada por la enzima
porfobilinogenasa.
Las primeras porfirinas formadas son precursoras de las uroporfirinas presentes en la
orina, de las coproporfirinas y de las protoporfirinas. Los mecanismos para la formación
de la protoporfirina prevén modificaciones de los radicales de las cadenas propiónicas y
acéticas. Finalmente se incorpora el hierro ferroso en la protoporfirina, reacción
catalizada por la enzima hemo sintetasa, formándose el grupo hemo, presente en la
hemoglobina y en los citocromos (figura 11.20).
Parte de estas porfirinas pueden aparecer en la orina y las heces fecales normalmente.
También pueden aparecer en la sangre coproporfirinas y uroporfirinas, aunque se
excretan en cantidades mayores por la orina; esto se conoce como porfinuria, que
puede tener un origen hereditario o adquirido en el curso de varias enfermedades, tales
como hepatitis, leucemias, poliomielitis y otros trastornos.
11.9.3 Excreción. Formación de los pigmentos biliares.
Cuando la hemoglobina presente en los hematíes se libera por rotura de estos, pasa a
ser metabolizada en el organismo. La porción proteica (globina) puede ser utilizada de
nuevo o hidrolizada; el hierro es almacenado y la porción porfirinica es desintegrada, lo
que da lugar a la bilirrubina. Esto ocurre especialmente en las células retículo
endoteliales del bazo, el hígado y la médula ósea.
El proceso comienza por la oxidación del grupo metínico alfa formándose la
verdeglobina. La oxidación total de éste grupo y se remoción como C02 producen la
desintegración de la estructura del cromoprótido y la formación de la biliverdina a partir
del resto porfirínico. De esta, por la acción de la enzima biliverdina reductasa se forma
la bilirrubina.
La estructura de la bilirrubina, así como la de los demás compuestos originados a partir
de ella, es similar. Se trata de cuatro anillos pirrólicos unidos linealmente y con
radicales metilo (M), vinílicos (V) y propiónicos (P) en las posiciones originales de 1 a 8.
En la figura 11.21 se representa este proceso.
Bilirrubina
Posteriormente la bilirrubina es llevada por las albúminas del plasma al hígado donde
se conjuga con el ácido glucurónico formando el diglucoronato de bilirrubina, el cual
pasa por medio de la bilis al intestino. En el intestino, especialmente en el colon, los
pigmentos biliares son reducidos por los sistemas enzimáticos de las bacterias
coliformes formando mesobilirrubina y mesobilirrubinógeno. A partir de estos, también
por reducción se forman el estercobilinógeno y el urobilinógeno, los cuales por
oxidación forman la estercobilina y la urobilina respectivamente.
Los diversos productos de la reducción de la bilirrubina pueden ser absorbidos en parte
y ser excretados de nuevo por la bilis o en parte por el riñón, normalmente aparecen
huellas de urobilinógeno y/o urobilina en la orina (figura 11.22)
Cuando hay un aumento de los pigmentos biliares, estos pasan a los tejidos, que
pueden presentar una coloración amarilla más o menos intensa, a lo cual se le llama
ictericia o íctero, que puede deberse a diferentes causas y según las cuales se
clasifican en hemolítico, hepático y obstructivo.
El íctero hemolitico se debe a cualquier fenómeno que aumente la destrucción de los
eritrocitos, bien por parásitos o venenos hemolíticos. El caso más común en la práctica
veterinaria es la piroplasmosis, parásito del glóbulo rojo que produce una hemólisis
intensa, a aumentar los pigmentos del tipo de la bilirrubina tiñe las mucosas de color
amarillo. El íctero hepático se debe a una deficiencia hepática causada por agentes
infecciosos o tóxicos que producen la incapacidad total o parcial para eliminar el
pigmento por la bilis.
Aquí, los agentes más comunes son los virus que producen hepatitis, así como
diversos tóxicos hepáticos tales como el tetracloruro de carbono, cloroformo, etc. El
íctero obstructivo se debe a la obstrucción del conducto hepático o colédoco, lo que
impide la llegada de la bilis al intestino, por lo que las heces se observan ligera o
totalmente acólicas.
Estercobilinógeno
11.10 METABOLISMO PARTICULAR DE LOS AMINOÁCIDOS
En este epígrafe estudiaremos el metabolismo de cada aminoácido. Esto incluye entre
otros aspectos; la síntesis de los aminoácidos en el organismo animal, si es que esta
se realiza. De no tener origen en el metabolismo celular, el aminoácido en cuestión
debe considerarse esencial o indispensable, también se le da este nombre si la síntesis
orgánica es muy limitada. Algunas veces se acostumbra llamar aminoácidos semi
esenciales o semi indispensables a aquellos que se originan en el organismo, pero a
partir de un aminoácido esencial.
Los demás aminoácidos que se forman dentro del metabolismo, por transaminación,
reciben el nombre de aminoácidos dispensables o no esenciales.
También en el metabolismo de cada aminoácido se estudiará el destino del resto
carbonado producto de la desaminación oxidativa. Este resto puede tener diferentes
vías, pero generalmente va al ciclo tricarbóxilico. En este caso, si lo hace por cualquier
compuesto que no sea el acetil CoA, hay posibilidad de que el mismo origine glucosa
mediante el oxaloacético; estos aminoácidos reciben el nombre de aminoácidos
glucogenéticos. Si, por el contrario, el producto final es el acetil CoA u otro producto
relacionado con los ácidos grasos (beta - hidroxibutírico o beta - cetobutírico) estos
aminoácidos pueden producir cuerpos cetónicos, por lo cual se les llamarán
aminoácidos cetogenéticos.
11.10.1 Metabolismo de la glicina o glicocola
Este aminoácido se puede considerar como no esencial, pues se sintetiza en la
mayoría de los animales. En las aves en crecimiento, la síntesis orgánica no es
suficiente, por lo que debe considerarse esencial para esta especie.
Origen:
La glicocola o glicina puede originarse a partir de la serina, con la que mantiene un
equilibrio.
Igualmente puede originarse por transaminación a partir del ácido glioxílico. Esta
transaminación puede realizarse con la ornitina, glutamina, ácido glutámico, ácido
aspártico o la asparagina como donadores de grupos aminos. En la figura 11.23 se
presenta un esquema sobre el metabolismo de la glicina o glicocola.
Vías metabólicas
1. Síntesis de porfirinas. Como se estudió dentro del metabolismo de las porfirinas, la
glicocola participa junto con la succinil CoA en la síntesis del anillo de las porfirinas.
2. Formación de glutatión. El glutatión, tripéptido presente en la sangre y en otros
líquidos está formado por cisteína, ácido glutámico y glicina.
3. Síntesis de purinas. También estudiamos que la glicocola es necesaria para la
síntesis del anillo de las purinas.
4 Síntesis de creatina. La glicocola, junto con la arginina y la metionina, interviene en
la síntesis de la creatina.
5. Formación de los ácidos biliares. El aminoácido glicocola se une a los ácidos cólicos
(cólico, desoxicólico y litocólico) formando los ácidos biliares (glicocólico,
glicodesoxicólico y glicolitocólico), que pueden presentarse también como sales
(glicocolatos) dentro de la bilis.
6. Conversión de la glicocola en serina. La glicocola puede ser convertida en serina
por medio de la fijación de un residuo de carbono "activo" (formaldehído) mediante
el ácido fólico. La serina por descarboxilación puede originar etanolamina.
Esta etanolamina puede ser utilizada para la formación de fosfolípidos como tal o
en forma de colina una vez metilada. También la serina puede ser usada para
formar glucosa, por lo que la glicocola es glucogenética.
7. Participación en los procesos de detoxicación hepática. La glicocola puede
conjugarse con varios productos que el organismo debe eliminar por ser tóxicos. La
conjugación permite su excreción renal, tal es el caso del ácido benzoico.
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
8. Desaminación oxidativa de la glicocola. La glicocola puede ser desaminada
oxidativamente en el hígado por medio de una enzima llamada glicina oxidasa con
producción del ácido glioxílico, el cual puede ser usado para resintetizar glicocola.
También el glioxílico puede ser oxidado a ácido fórmico y CO2 por la glioxílico
oxidasa o ácido oxálico espontáneamente.
La mayor cantidad de ácido glioxílico es utilizado para la síntesis de la glicocola por
transaminación u oxidado a ácido fórmico y CO2. Cuando estos mecanismos se
alteran, se produce mayor cantidad de ácido oxálico y, como consecuencia de ello,
una gran excreción en el riñón, lo que recibe el nombre de hiperoxaluria primaria. La
evolución de este trastorno conduce a urulitiasis bilateral de oxalato de calcio con
necrocalcinosis e infecciones con las vías urinarias.
11.10.2 Metabolismo de la alanina
Origen
La alanina es un aminoácido indispensable pues se puede formar por transmisión a
partir del ácido pirúvico proveniente de la glucólisis. El donador de grupos aminos
puede ser el ácido glutámico:
Vías metabólicas
La alanina sólo presenta como vía metabólica la desaminación oxidativa, lo que
origina ácido pirúvico, el cual puede ser convertido en glucosa, por lo que este
aminoácido resulta glucogenético.
Además, de la alanina, existe su isómero, la beta alanina producida por la oxidación de
las bases pirimídicas citosina y uracilo, así como por descarboxilación del ácido
aspártico. La beta alanina forma parte del ácido pantoténico, vitamina del complejo B
presente en la CoA y también en los dipéptido carnosina y anserina.
11.10.3 Metabolismo de la serina
Origen
La serina puede ser sintetizada ampliamente en el tejido animal a partir de la glicocola
por lo que se considera un aminoácido no esencial. También puede originarse del ácido
3 - fosfoglicérico de la glucólisis, con posterior transaminación
Vías metabólicas
La conversión de la serina en glicocola ya fue estudiada. Igualmente señalamos que la
serina podía originar etanolanina y colina. También existe una fracción de cefalina que
contiene serina, por lo que puede considerarse esta como un factor lipotrópico
movilizador de las grasas dada su participación en la formación de los fosfolípidos. La
esfingosina, constituyente de las esfingomielinas presenta también a la serina en su
molécula. El carbono beta de la serina puede ser removido por medio del ácido fólico
aportando grupos formil para la síntesis de las bases púricas y pirimídicas.
La desaminación de la serina produce ácido pirúvico por lo que resulta éste aminoácido
glucogenético.
La reacción requiere la enzima serina deshidratasa y vitamina B6 como coenzima. En la
figura 11.24 se presenta el metabolismo de la serina.
11.10.4 Metabolismo de la treonina
La treonina es un aminoácido esencial que no puede ser formado en el organismo
animal. La no presencia del cetoácido correspondiente no permite su síntesis por
transaminación.
Las vías metabólicas son la desaminación por un mecanismo similar a la serina,
reacción catalizada por la enzima treonín deshidrasa con la B 6 como coenzima. El
ácido propiónico puede ser convertido en succínico en algunas especies animales,
incorporándose al ciclo tricarboxílico, por lo que la treonina será glucogenética.
11.10.5 Metabolismo de la valina, leucina e isoleucina
La valina, leucina y la isoleucina son aminoácidos de estructuras muy similares y con
metabolismos particulares semejantes. Los tres son considerados aminoácidos
esenciales para el hombre y otros animales superiores. En ellos se produce la
interconversión de estos tres aminoácidos por transaminación a partir de sus tres
cetoácidos correspondientes.
El catabolismo (desaminación oxidativa) de la leucina, valina y la isoleucina presenta
inicialmente las mismas reacciones, o sea, se desaminan; posteriormente se
descarboxilan oxidativamente y los productos finales indican si es glucogenético
(valina), cetogenético (leucina) o ambos (isoleucina). Producto de la descarboxilación
oxidativa, se crean ácidos grasos ramificados que se metabolizan de forma
semejantes los ácidos grasos. Primero se activan por la coenzima A, formando acil
derivados, que después se deshidrogenan.
La valina finalmente produce succinil COA; la leucina, acetil CoA y ácido acético y la
isoleucina, acetil COA, lo cual determina sus características cetogenéticas y
glucogenéticas.
11.10.6 Metabolismo de la metionina
La metionina es un aminoácido esencial para todas las especies de animales
domésticos y para el hombre. Se pueden formar pequeñas cantidades a partir de su
producto de desmetilación, la homocisteína, pero esto es insuficiente. Además, parece
que la homocisteína sólo se puede originar de la metionina en el organismo
Este aminoácido cumple importantes funciones en el organismo animal, entre las que
podemos señalar:
1. Agente metilante: la metionina posee un grupo metílico, por lo que puede
participar en los procesos de transmetilación, tan necesarios para varias
reacciones del hígado y de otros tejidos, y muy especialmente para la síntesis de
la colina y los fosfolípidos. Para ellos es necesario que la metionina sea activada
por medio del ATP y una enzima hepática activadora de la metionina (figura 11.
25).
Adenosina
El enlace S - metílico es macro energético, por lo que puede ser cedido fácilmente en
las reacciones de transmetilación. La desmetilación de la adenosil metionina produce
homocisteína, la cual puede originar metionina de nuevo, por medio del ácido fólico y la
vitamina B 12 a partir de residuos de formiato
De esta manera la metionina activa puede donar su radical metílico para la síntesis de
colina, creatina, adrenalina, etc. También son necesarios estos grupos metílicos para
eliminar productos de desechos o para excreción de otros productos.
2. Formación de cisteína. La metionina, por medio de su producto de desmetilación, la
homocísteina participa en la formación de la cisteína junto a la serina. En la
reacción se produce la transferencia del azufre se la homocisteína a la serina,
proceso llamado transtiolación, que requiere la presencia de la enzima cistationín
sintetasa y B 6 c o m o coenzima y cistationasa finalmente (figura 11.26).
3. Desaminación oxidativa: La desaminación oxidativa de la metionina transcurre por
vía de la homocisteína, una vez desmetilada. La reacción implica la desulfuración,
con formación final del ácido cetobutírico, que por descarboxilación origina
propiónico. Ya hemos señalado que este es capaz de originar succinil CoA, de
forma que la metionina también es glucogenética.
11.10.7 Metabolismo de la cisteína
La cisteína es un aminoácido dispensable por cuanto se puede originar a partir de la
metionina, según fue señalado anteriormente.
Vías M e t a b ó l i c a s
1. Formación de cisteína: A partir dedos radicales de cisteína puede formarse una
molécula de cisteína por deshidrogenación (oxidación):
Este mecanismo constituye un importante sistema de oxidación - reducción por
cuanto la cisteina del glutatión, por ejemplo, se conjuga con otro radical de cisteina
oxidándose. Tambien para la formación de la estructura terciaria de las proteínas.
2. Formación de coenzima A: El radical derivado de la descarboxilación de la cisteina
participa en la formación de la parte activa de la coenzima A, al igual que otras
enzimas que necesitan radicales -SH. En el caso específico de la coenzima A
(CoA - SH), la parte activa de ella está formada por el beta mercapto etilenamina.
3. Oxidación de la cisteina; formación del ácido cisteico: La cisteína puede ser
oxidada a ácido cistéico, el cual tiene mucha importancia en el metabolismo
hepático. Este ácido puede por descarboxilación, originar taurina, componente de
los ácidos y sales biliares (taurocólicos y taurocolatos) o aportar los radicales
sulfatos para los procesos de detoxicación hepática.
El SO4= se utiliza para detoxicación del fenol, el indol y otros más, y el pirúvico para
la síntesis de glucosa, de lo cual resulta la cisteína glucogenética.
La cisteina es un aminoácido muy abundante en las escleroproteínas de la piel, los
pelos y las pezuñas, donde establece uniones -S-S-, necesarias para mantener la
estructura terciaria. También existe un trastorno en su metabolismo, conocido como
cisteinuria, donde por un fallo renal no puede ser reabsorbida, sino que se excreta por
el riñón.
En la figura 11.27 se presenta un esquema sobre el metabolismo de la cisteína.
Ácido
Ácido
11.10.8 Metabolismo de la lisina
La lisina es esencial para los animales superiores por cuanto los tejidos animales no
son capaces de sintetizarla. Se sintetiza por las bacterias y las levaduras, pudiendo
formarse en pequeñas cantidades en el rumen.
Vías Metabólicas
1. Descarboxilación: La lisina origina la cadaverina, reacción que ocurre en los tejidos
e intestinos afectados por la acción bacteriana. La cadaverina es una ptomaína con
propiedades tóxicas para el tejido animal.
La cadaverina es metabolizada por el hígado por medio de la enzima monoamino
oxidasa (MAO) a cetoglutárico, el cual se incorpora al ciclo tricarboxílico.
2. Catabolismo de la lisina: La vía catabólica de la lisina (desaminación oxidativa)
transcurre por varios pasos hasta la formación del ácido alfa cetoglutárico, que es
incorporado al ciclo tricarboxílico, por lo que éste aminoácido resulta glucogenético.
11.10.9 Metabolismo de la arginina
La arginina es un aminoácido esencial, ya que el tejido animal no lo sintetiza en
cantidad suficiente: Se forma dentro del ciclo de la urea, pero la existencia de la
arginasa en el hígado la destruye rápidamente. Su función más importante la cumple
en el ciclo de la urea, siendo además un aminoácido que puede originar ácido
glutámico el cual es glucogenético, como veremos más adelante La relación de este
aminoácido con la ornitina y la citrulina fue señalada en el ciclo de la urea. Igualmente
presenta relación con la prolina, la cual puede ser sintetizada a partir de la ornitina
pasando por el ácido semialdehído glutámico.
11.10.10 Metabolismo del ácido aspártico.
El ácido aspártico es un aminoácido no esencial que puede originarse por
transaminación a partir del ácido oxaloacético del ciclo tricarboxílico. En la figura 11.28
el metabolismo del aspártico
Vías metabólicas
1. Formación de las bases púricas y pirimídicas: El ácido aspártico participa en la
formación de las bases púricas y pirimídicas de los ácidos nucleicos, según
estudiamos en el metabolismo de estos compuestos.
2. Ciclo de la urea: Su participación en el ciclo de la urea para formar arginosuccínico
fue señalada.
3. Descarboxilación: por descarboxilación origina beta alanina, componente de la
coenzima A, y otros productos.
4. Aminación: Por aminación origina aspargina (amida del ácido aspártico), la cual
participa como donador de grupos amino en varias reacciones.
5.
Desaminación oxidativa. La desaminación del ácido aspártico origina ácido
oxaloacético, que puede transformarse en glucosa, es por ello un aminoácido
glucogenético. También el oxaloacético puede ser usado en la transaminación para
resintetizar al aspártico.
Ácido
Ácido
Ácido
.
11.10.11 Metabolismo del ácido glutámico
El ácido glutámico es un aminoácido no esencial que puede ser ampliamente
sintetizado en el organismo. Son varios los aminoácidos que en su vía final oxidativa
conducen a ácido glutámico. Además, es el aminoácido que mayor participación
presenta en la transaminación. La mayoría de los aminoácidos conocidos pueden ceder
su grupo amino el ácido cetoglutárico originado en el ciclo tricarboxílico, formando
ácido glutámico.
Vías metabólicas
1. Transaminación y desaminación oxidativa: Según explicamos en el capítulo de las
reacciones generales de los aminoácidos, el ácido glutámico es el aminoácido que
mayor participación presenta en estos procesos. Producto de la transaminación y la
desaminación oxidativa, origina cetoglutárico, que puede formar glucosa, por lo que
es el aminoácido glucogenético más destacado.
2. Formación de otros aminoácidos: A partir del ácido glutámico pueden originarse la
prolina y la ornitina.
3. Formación de gamma amino butírico: En los tejidos del sistema nervioso central se
localiza una enzima que cataliza la descarboxilación del ácido glutámico con
formación del ácido gamma amino butírico (GABA). El GABA es un regulador
normal de la actividad nerviosa pues actúa como inhibidor de la transmisión
sináptica en la sinapsis neuro - neuronal. El GABA es posteriormente desaminado
en el hígado con formación del ácido succínico.
4. Formación de la glutamina: El origen de la glutamina, como se señaló anteriormente,
ocurre en el sistema nervioso central a partir del ácido glutámico y el NH3, reacción
catalizada por la glutamina sintetasa, que requiere ATP para realizar su función.
Mediante este mecanismo se elimina gran cantidad del amoniaco del sistema
nervioso central y detoxica la neurona. Posteriormente la glutamina se hidroliza en
el riñón por la glutaminasa, con lo cual aporta NH3 a la regulación renal del ácido básico.
En la figura 11.29 el metabolismo del ácido glutámico.
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
11.10.12. Metabolismo de la histidina
La histidina se considera un aminoácido esencial, pues el organismo animal no puede
sintetizarla en las cantidades requeridas. Se encuentra en bastante proporción en la
molécula de globina, formando parte de la hemoglobina donde tiene una importante
función del estado ácido - básico por medio de los radicales imidazólicos. También se
encuentra formando parte de los dipéptido, la carnosina y la anserina del músculo.
La histidina origina por descarboxilación histamina (figura 11.30).
La histamina se produce en los tejidos necróticos y producto de las reacciones
alérgicas, tiene un efecto vasodilatador marcado.
Es metabolizada por el hígado por medio de una histaminasa que la desamina
oxidativamente produciendo imidazol acético. La histamina es una monoaminooxidasa
(MAO).
Los medicamentos antihistamínicos refuerzan la acción de esta enzima.
La histidina es metabolizada por medio de la histidasa, enzima presente en el hígado.
Producto de esta acción se produce finalmente ácido glutámico, ácido fórmico y
amoniaco Por esta vía la histidina es glucogenética, ya que el ácido glutámico puede
originar glucosa figura 11.31.
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
11.10.13. Metabolismo de la fenilalanina y la Tirosina
La fenilalanina es considerada un aminoácido esencial para los animales superiores,
mientras que la tirosina se origina a partir de ella en los tejidos. Ambas participan en los
procesos de transaminación, pero esto depende de la existencia de los cetoácidos
correspondientes, que sólo se originan a partir de ambos aminoácidos, por lo que no
existe síntesis neta de ellas.
VIAS METABOLICAS
1 Formación de las hormonas del tiroides: La fenil alanina es el aminoácido
utilizado para sintetizar la hormona del tiroides, triyodotironina y tiroxina. Estos
aspectos serán estudiados en el capítulo de las hormonas. Las hormonas
simpaticomiméticas (catecolaminas) son sintetizadas también a partir de estos
aminoácidos.
2. Formación de la melanina: La melanina, pigmento de la piel formado en los
melanocitos, se sintetiza a partir de los aminoácidos fenil alanina y tirosina. Cuando
el melanocito no posee la batería enzimática necesaria para este proceso, se
produce al albinismo.
3. Formación de tiramina: Por descarboxilación de la tirosina se produce la tiramina,
que es un potente vasopresor. Esta reacción ocurre en el riñón, y se piensa que
tenga relación con la regulación sanguínea renal.
4. Catabolismo de la fenil alanina y la tirosina: La oxidación final de la fenil alanina y la
tirosina por medio de la desaminación oxidativa se representa a continuación. Los
productos finales son el ácido aceto acético (ácido beta cetobutírico), que es
cetogenético, y el ácido fumárico, que es glucogenético, por lo que estos
aminoácidos son mitad cetogenéticos y mitad glucogenéticos (figura 11.32).
En este metabolismo oxidativo de la fenil alanina se producen varias alteraciones, que
han sido descritas en el hombre. No se sabe si estos trastornos se presentan también
en los animales. Ellas se deben a fallos en las enzimas encargadas de oxidar la fenil
alanina. Se han señalado la ausencia de tres de las enzimas en este metabolismo, que
son: la fenil alaninasa, la tirosinasa y la homogentinasa.
Cuando no existe la enzima fenil alaninasa, se altera el metabolismo normal de la fenil
alanina y no se produce su paso a tirosina. El resultado de esto es que la fenil alanina
se desamina oxidativamente, con lo cual se produce el ácido fenil pirúvico, que es
eliminado por la orina y que, además, produce otros metabolitos, tales como el fenil
láctico y el fenil acético, así como la fenil acetil glutamina, que también aparece en la
orina.
La alteración fundamental se produce al inhibir este ácido la síntesis normal de
serotonina en el sistema nervioso central por la inhibición de la 5 hidroxitriptófano
descarboxilasa, enzima encargada de formar esta sustancia. Todo ello provoca un
retardo del desarrollo mental que ha recibido el nombre de oligofrenia fenil pirúvica.
La falta de tirosina produce la llamada tirosinosis, donde el ácido (P) hidroxifenil
pirúvico es eliminado por la orina sin otras consecuencias.
Por otra parte, cuando no hay homogentinasa, no es posible oxidar el ácido
homogentísico, por lo cual éste aparece en la orina, que se vuelve ligeramente oscura,
lo que recibe el nombre de alcaptonuria. Además, el ácido homogentísico se acumula
en los cartílagos, que se tornan ligeramente pardos (ocronosis) y el tejido conectivo.
Ácido hidroxi
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
La acaptonuria puede deberse también (cuando no es de origen genético) a
deficiencias de vitamina C, la cual favorece la oxidación del ácido homogenténico.
11.10.14. Metabolismo del triptófano
El triptófano es un aminoácido esencial que tiene que estar presente en la dieta, ya que
su síntesis no se realiza en el tejido animal.
VIAS METABOLICAS
1. Formación de serotonina: La serotonina se produce en el riñón, hígado, intestino,
glóbulos rojos, plaquetas y en el sistema nervioso central. Es un vasoconstrictor
potente, así como un estimulador de la contracción muscular liza. En el sistema
nervioso central se señala su función sobre el metabolismo cerebral. A este efecto,
parece ser un transmisor sináptico del tipo excitatorio. Su producto de excreción es
el 5 hidroxindol acético, que aparece aumentado en la orina de los individuos con
elevada actividad mental (figura 11.33).
2. Formación de melatonina. La melatonina se forma a partir del triptófano. Se trata de
una hormona producida en la glándula pineal del hombre, el mono y los bovinos y
se opone a la acción de los melanocitos.
3. Derivados indólicos: A partir del triptófano se producen varios derivados indólicos
que aparecen en la orina, unos producidos por medio de la serotonina y otros, de la
acción de las bacterias en el intestino grueso. Estos productos son metabolizados
por el hígado después de absorbidos y se eliminan por la orina como indican
urinario (figura 11.34).
4. Oxidación del triptófano: Conduce a la formación de ácido glutámico, el cual es
glucogenético, por lo que el triptófano resulta también glucogenético. Por esta vía el
triptófano puede originar también ácido nicotínico, vitamina del complejo B, caso de
un aminoácido que puede originar vitamina (figura 11.35).
O
- CO2
Varios
pasos
Varios
pasos
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido
Ácido