Download 5. Metab. de aminoácidos - Laboratorio de Enzimología
Document related concepts
Transcript
Metabolismo de Aminoácidos Catabolismo Beatriz Alvarez Laboratorio de Enzimología Proteínas de la dieta Digestión Aminoácidos en la sangre Derivados no proteicos Síntesis Aminoácidos Degradación Carbono Glucógeno Proteínas Esquema general del metabolismo de aminoácidos Nitrógeno CO2 + H2O Energía Urea y otros Triacilglicéridos Orina Coenzimas vedette: Piridoxal fosfato Folato Tetrahidrobiopterina Cobalamina Repaso α-cetoglutarato O O -O O O transaminasa o aminotransferasa NAD(P)H + H+ NH4+ glutamato aminoácido PLP NAD(P)+ H2O α-cetoácido O O -O deshidrogenasa O glutamato glutamina sintetasa NH3+ NH3 ATP + NH4+ glutaminasa ADP + Pi H2O O H2N O O glutamina NH3+ Las enzimas glutamato deshidrogenasa, glutamina sintetasa y las aminotransferasas (transaminasas) tienen un rol muy importante en el metabolismo de aminoácidos. El primer paso en el catabolismo de los aminoácidos suele ser la remoción de los grupos amino. TRANSAMINACIÓN Los grupos amino se transfieren de un aminoácido a un alfacetoácido con las enzimas transaminasas o aminotransferasas. Suele participar el par glutamato-α-cetoglutarato. Reacciones reversibles, participan en la síntesis y degradación. Existen transaminasas para casi todos los aminoácidos. Tienen piridoxal fosfato como grupo prostético. El piridoxal fosfato deriva de la vitamina B6. Glutamato deshidrogenasa El glutamato recluta grupos amino. En el hígado se libera amonio gracias a la glutamato deshidrogenasa. Éste va al ciclo de la urea. Glutamina sintetasa glutamato + NH4+ + ATP → glutamina + ADP + Pi + H+ Produce glutamina, uno de los 20 aminoácidos de las proteínas. La glutamina sirve como dador de nitrógeno en varias vías biosintéticas (purinas, citosina). La glutamina es muy abundante en la circulación, pues sirve como una forma de transporte inocua del amoníaco, que es tóxico, hacia el hígado y el riñón. Glutaminasa El hígado y el ríñón tienen glutaminasa, enzima mitocondrial que libera el amonio. glutamina + H2O → glutamato + NH3 Destinos del amonio proveniente de la glutamina En el hígado, el amonio liberado de la glutamina por la glutaminasa se utiliza para sintetizar urea. En el riñón, la formación de amonio está relacionada con la eliminación de ácido (H+), puesto que el amoníaco (NH3) liberado por la glutaminasa se protona a amonio (NH4+) gracias a su pKa de 9.3. Ciclo de la urea 80% del nitrógeno que se excreta, lo hace en forma de urea. Parte de las enzimas están en la matriz mitocondrial y parte en el citosol. La arginina, con la arginasa, genera urea y ornitina en el citosol. Luego, las siguientes enzimas regeneran la arginina. La enzima carbamoil fosfato sintetasa I mitocondrial cataliza el primer paso regulado de la síntesis de urea. Ciclo de la urea Destino de los esqueletos carbonados Todos los tejidos tienen cierta capacidad para síntesis y remodelación de aminoácidos. El hígado es el sitio principal de metabolismo de los aminoácidos. En tiempos de buena suplementación dietaria, el nitrógeno es eliminado vía transaminación, desaminación y síntesis de urea. Los esqueletos carbonados pueden conservarse como carbohidratos o como ácidos grasos. Los aminoácidos pueden ser glucogénicos, cetogénicos o ambos. Los glucogénicos son los que generan piruvato o intermediarios del ciclo de Krebs como α-cetoglutarato o oxaloacetato. Los cetogénicos (Lys y Leu) generan sólo acetil-CoA o acetoacetil-CoA. En períodos de ayuno, los esqueletos carbonados se utilizan como fuente de energía, rindiendo CO2 y H2O Catabolismo de glutamina y glutamato La glutamina y el glutamato se convierten en alfacetoglutarato Catabolismo de prolina La prolina también se convierte en alfacetoglutarato. Participa el glutamato gama-semialdehído como intermediario. Catabolismo de arginina La arginina rinde alfacetoglutarato ... y la histidina también rinde alfa-cetoglutarato... ...en una vía en la cual participa el folato... Catabolismo de asparagina y aspartato De la asparagina y el aspartato se obtiene oxalacetato. Del aspartato también se obtiene fumarato en el ciclo de la urea y en el ciclo de los nucleótidos de purina. Catabolismo de la alanina La alanina se convierte en piruvato Participa en el ciclo de la glucosa alanina Catabolismo de serina La serina puede convertirse en piruvato con la serina deshidratasa, que remueve el hidroxilo y el amino. La serina también puede convertirse en glicina. La enzima utiliza PLP y tetrahidrofolato, generando metilentetrahidrofolato. Ácido fólico Los derivados del folato transportan unidades monocarbonadas en diferentes estados de oxidación intermedios unidos a N-5 (formil, formimino, metilo), a N-10 (formilo) o a ambos (metileno o metenilo). La serina, cuyos carbonos a su vez pueden obtenerse de carbohidratos (3-fosfoglicerato), es la principal fuente de unidades monocarbonadas al pool de folato La glicina se convierte en serina o en CO2 y NH4+. El complejo de clivaje de glicina utiliza tetrahidrofolato y PLP. PLP PLP La glicina puede convertirse también en glioxilato por transaminación o con una Daminoácido oxidasa. O H2C NH3+ Glicina O O O O O O H Glioxilato O O Oxalato El glioxilato puede oxidarse para dar oxalato. Éste puede formar sales de calcio insolubles en los cálculos renales. La metionina forma cisteina y α-cetobutirato Importante nudo metabólico (folato, B12, PLP, SAM, homocisteína) B12 PLP PLP Aumentos en homocisteína constituyen factor de riesgo cardiovascular El catabolismo de metionina comienza por la síntesis de S-adenosilmetionina + + El sulfonio activado de la S-adenosilmetionina es un excelente dador de metilos a oxígenos o nitrógenos de diferentes moléculas. Al transferir el metilo via metiltransferasas, SAM forma homocisteína. Más de 35 reacciones requieren SAM en humanos. Por ejemplo: Precursor Guanidinoacetato Nucleótidos (ADN y ARN) Norepinefrina Fosfatidiletanolamina Acetilserotonina Producto metilado Creatina Nucleótidos metilados Epinefrina Fosfatidilcolina Melatonina Además de ser un agente metilante, la Sadenosilmetionina es precursora de poliaminas, luego de decarboxilarse. + SAM Poliaminas al inicio de la replicación del ADN, aumenta la concentración de ornitina decarboxilasa son catiónicas se unen al ADN derivan de arginina y metionina Catabolismo de cisteína La cisteína es oxidada a expensas de O2 formando cisteínsulfinato, el cual rinde piruvato y sulfato como productos finales. El sulfato puede excretarse en la orina o utilizarse en la formación de 3’-fosfoadenosina-5’-fosfosulfato (PAPS), que se utiliza para la transferencia de sulfato a moléculas biológicas como los glicoesfingolípidos. Un importante destino de la cisteína es la taurina (+H3NCH2CH2SO3-), que forma parte del taurocolato de las sales biliares. Otro importante destino de la cisteína es el glutatión o γ-glutamilcisteinilglicina. Síntesis de glutatión FUNCIONES DEL GLUTATIÓN concentración intracelular: 5-10 mM mantiene los tioles o sulfhidrilos proteicos reducidos sustrato de la glutarredoxina en la síntesis de desoxirribonuclétodos detoxificador de peróxidos y otras especies reactivas del oxígeno y del nitrógeno 2 GSH + H2O2 GSSG + H2O glutatión peroxidasa, selenoenzima GSSG + NADPH NADP+ + 2 GSH glutatión reductasa se conjuga con diferentes moléculas (xenobióticos) para aumentar su solubilidad La fenilalanina y la tirosina rinden fumarato y acetil-CoA El proceso comienza con la fenilalanina hidroxilasa La tetrahidrobiopterina no proviene de una vitamina, puede sintetizarse a partir de GTP. Las deficiencias genéticas en la fenilalanina hidroxilasa llevan a la fenilcetonuria Retardo mental. Herencia autosómica recesiva, 1 en 15000 nacimientos. La acumulación de fenilalanina depleta de α-cetoglutarato por transaminación. Esto compromete el ciclo de Krebs y el metabolismo aeróbico del cerebro. Se encuentra fenilpiruvato, fenilacetato y fenillactato en la orina. Se debe suplementar la dieta con tirosina y restringir la fenilalanina. Debido a los fenilcetonúricos, las bebidas con aspartamo (L-aspartil-L-fenilalanina metil éster) tienen el rótulo "contienen fenilalanina". Las deficiencias en la homogentisato dioxigenasa causan la alcaptonuria, en que la orina se vuelve negra por la oxidación del metabolito a un producto similar a la melanina. La alcaptonuria por deficiencia de homogentisato dioxigenasa ilustra el concepto de: Errores innatos del metabolismo Archibald Garrod Desórdenes hereditarios causados por defectos en una enzima específica que resultan en alteraciones en determinada vía metabólica. Errores innatos del metabolismo Archibald Garrod (1857-1936) Fue el primero en conectar una enfermedad con las leyes de Mendel y con una alteración metabólica. Propuso el concepto de "errores innatos del metabolismo". Sus observaciones se refirieron inicialmente a la enfermedad alcaptonuria. Hoy en día, se conocen centenas de desórdenes de este tipo. Todas las enzimas marcadas con rojo originan errores innatos del metabolismo, incluida la fenilcetonuria. La metionina, la valina, la treonina y la isoleucina rinden propionilCoA El propionil-CoA proviene de la degradación de la metionina, isoleucina, valina, treonina, ácidos grasos de cadena impar y cadena lateral del colesterol. Es convertido en succinilCoA por la propionil-CoA carboxilasa (biotina), la epimerasa y la metilmalonilCoA mutasa (B12) Deficiencias en las enzimas de la diapositiva anterior, así como en el metabolismo de B12, pueden contribuir a cetoacidosis y, en casos raros, a enfermedades graves. Metilmalonil-CoA mutasa La acidemia metilmalónica por deficiencia de metilmalonil-CoA mutasa es otro error innato del metabolismo B12 CULPABLE O INOCENTE? La historia de Patricia Stallings En 1989, en Missouri, EEUU, Patricia Stallings le da la mamadera a su bebé Ryan. Como el bebé se enferma, vomita y está letárgico, lo lleva al hospital. Al bebé le hacen análisis y detectan etilenglicol en su sangre, un componente de los anticongelantes. Como el médico sospecha que Patricia quiso envenar al bebé, los separan y ponen al bebé a cargo de otra familia. Tres meses más tarde, Patrica visita a su bebé y le da una mamadera. Días más tarde, el bebé se muere y Patricia es arrestada y encontrada culpable. Argumentan haber encontrado trazas de etilenglicol en la mamadera. Sin embargo, en el momento de ser arrestada, Patricia estaba embarazada de otro bebé. Luego de nacer, al bebé le encuentran la enfermedad acidemia metilmalónica. Los bioquímicos de la Universidad de St. Louis se interesan por el caso y analizan la sangre de Ryan. Encuentran altas concentraciones de ácido metilmalónico, un producto del catabolismo de isoleucina y valina, así como altas concentraciones de cuerpos cetónicos. No encontraron etilenglicol. Reanalizando los datos iniciales, ven que los laboratorios habían atribuido etilenglicol a componentes desconocidos. Patricia Stallings fue liberada. Los aminoácidos de cadena ramificada (valina, isoleucina y leucina) son degradados principalmente en el músculo, en la mitocondria. Su oxidación permite obtener mucha energía. Participan una transaminasa y un complejo αcetoácido deshidrogenasa similar a los complejos de piruvato y alfa-cetoglutarato deshidrogenasa (TPP, FAD, NAD, lipoato, CoA). Esta deshidrogenasa para los α-cetoácidos de cadena ramificada falla en la enfermedad de la “orina del jarabe de arce (maple syrup)”. La valina y la isoleucina forman propionilCoA, y éste succinil-CoA. La leucina forma β-hidroxi-β-metilglutarilCoA (HMGCoA). Éste es un intermediario de la síntesis de esteroides en el citosol, pero la degradación de aminoácidos ocurre en la mitocondria y las reservas no se mezclan. La leucina es totalmente cetogénica La lisina es totalmente cetogénica Del triptofano se obtiene acetil-CoA y piruvato. Parte de los metabolitos pueden ser desviados hacia la formación de nicotinato, precursor de NAD(P). El primer paso en la degradación del triptofano es catalizado por una enzima hepática, la triptofano dioxigenasa. Los dos átomos de oxígeno (O2) se incorporan al sustrato. La enzima tiene un grupo hemo. Concentración plasmática de aminoácidos determinada en una persona sana, en reposo y durante ejercicio físico intenso A m inoácido Reposo E jercicio ND: no determinado A lanina A rginina A spartato Cistina Fenilalanina G lutam ato G lutam ina G licina Histidina Isoleucina Leucina Lisina M etionina P rolina S erina Treonina Tirosina V alina (µM ) 313 82 14 57 55 91 520 209 88 66 128 174 27 177 113 83 51 215 (µM ) 378 85 13 ND 54 94 ND 203 90 56 105 172 26 ND 112 80 55 174 Conversión de aminoácidos a productos especializados Moléculas derivadas de aminoácidos Dopamina, norepinefrina y epinefrina Etanolamina, colina, acetilcolina y betaína Melanina Creatina Glutatión Óxido nítrico Poliaminas Selenocisteína Esfingosina Serotonina Melatonina Histamina Hormonas tiroideas S-adenosilmetionina Carnitina Porfirinas γ-aminobutirato (GABA) Coenzima A NAD (en parte) Taurina Carnosina Varias aminas de importancia biológica se producen a partir de aminoácidos por descarboxilación triptofano dopamina norepinefrina adrenalina γ-aminobutirato (GABA) serotonina histidina histamina ornitina poliaminas tirosina glutamato Catecolaminas Derivan de la tirosina Su nombre promueve del catecol HO HO Dopamina sistema nervioso central (Sustancia Nigra) Noradrenalina principal neurotransmisor de sistema simpático posganglionar Adrenalina médula suprarrenal Síntesis Primero se hidroxila la tirosina a dopa con una enzima similar a la fenilalanina hidroxilasa que utiliza tetrahidrobiopterina. Luego se descarboxila la dopa a dopamina con una descarboxilasa que utiliza PLP. En la médula adrenal, la dopamina se hidroxila a norepinefrina (noradrenalina) y se metila a expensas de AdoMet (SAM). Luego de la síntesis,se empaquetan en vesículas. Parkinson degeneración de sustancia nigra y locus coeruleus del cerebro temblores inducida por consumo de la droga MPTP (metilfeniltetrahidropiridina) disminución de la dopamina secretada mejoría con la administración de análogos de DOPA Epinefrina o adrenalina Ante una situación de estrés, una neurona acetilcolinérgica promueve la liberación de calcio intracelular a nivel de la médula adrenal y activa la liberación de los gránulos cromafines. La adrenalina se libera al torrente sanguíneo. "pelear o salir volando" Las catecolaminas se unen a dos tipos de receptores, los receptores α- y β-adrenérgicos. Los receptores adrenérgicos son clásicos receptores serpentina que acoplan con proteínas G intracelulares. Receptores α1 Abren canales de Ca2+ Receptores α2 Se une a Gi, inhibe a la adenilato ciclasa Receptores β1 Activan a Gs, activando a la adenilato ciclasa Receptores β2 Activan a Gs, activando a la adenilato ciclasa EFECTOS METABÓLICOS DE LA ADRENALINA Hígado (β2): ↑ Glucogenolisis, ↓ glucogenogénesis ↑ Gluconeogénesis Músculo (β2): ↑ Glucogenólisis, ↓ glucogenogénesis ↑ Glucolisis Tejido Adiposo (β1): ↑ Lipólisis ↑ glucagón, ↓ insulina OTROS EFECTOS FISIOLÓGICOS Músculo liso vascular Vasos de músculo esquelético (β2): Relajación Vasos de piel, ap. digestivo (α1y α2): Contracción Músculo liso bronquial (β2): Relajación Miocardio (β1) ↑ Frecuencia card ↑ Fuerza contractil En respuesta al estrés, la corteza suprarrenal secreta glucocorticoides como el cortisol, una hormona esteroidea que induce la enzima feniletanolamina N-metiltransferasa (enzima que cataliza la conversión de noradrenalina a adrenalina) Catabolismo de catecolaminas Adrenalina O2 H2O Noradrenalina COMT (AdoMet) MAO OH O H3CO OH C C OH H Ac. Vanillilmandélico (Ac. hidroxiindolacético) O2 H2O catecolamina O-metil transferasa monoamino oxidasa los inhibidores de la MAO se usan como antidepresivos Encuentre usted las diferencias... Adrenalina Noradrenalina Meta anfetamina Anfetamina Paréntesis: ¡Es natural! ¿Es seguro consumir suplementos dietarios derivados de plantas? ¿Té de yuyos? ¿Té de hongos? “…pero si es natural…” Muchas plantas tienen componentes bioactivos. La toxicidad depende de la dosis. ¡Cuidado! La cantidad y calidad de los componentes bioactivos de los suplementos derivados de plantas no está controlada y puede ser muy variable. El caso de la Ephedra La Ephedra es una planta históricamente utilizada en la medicina tradicional china para el tratamiento del asma y las alergias. Los suplementos dietarios derivados de la Ephedra se comenzaron a utilizar ampliamente en todo el mundo para mejorar los tratamientos de adelgazamiento y el rendimiento deportivo. La Ephedra tiene el alcaloide efedrina, un estimulante que actúa a nivel de los receptores adrenérgicos. Causa una serie de efectos negativos, desde insomnio y palpitaciones a ataques cardíacos y cerebrales. OH En el 2004, la Administración de Drogas y Alimentos (FDA) de los Estados Unidos prohibió la venta de suplementos dietéticos derivados de Ephedra. El uso de efedrina está prohibido en el deporte. Maradona dio positivo en el mundial de 1994 (Estados Unidos) y fue expulsado. H N efedrina OH HO OH H N epinefrina o adrenalina Histamina Síntesis: terminales nerviosas células enterocromafines de la pared gástica EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LA HISTAMINA A nivel gástrico Estimula la secreción de HCl SNC Neurotransmisor Sitio de Inflamación Vasodilatación se libera en grandes cantidades en la respuesta alérgica cimetidina: antagonista de receptores gástricos H2 se utiliza para tratar úlceras pépticas Serotonina (5hidroxitriptamina) Se sintetiza a partir de triptofano en el sistema nervioso central y también en varios otros tejidos (plaquetas y tracto gastrointestinal) La serotonina interacciona con receptores específicos. La mayoría de los receptores están acoplados a proteínas G que afectan las actividades de adenilato ciclasa o fosfolipasa Cγ. Uno de los receptores es un canal iónico. A nivel del sistema nervioso central, las neuronas serotoninérgicas recapturan la serotonina liberada en las sinapsis a través de un sistema de recaptación (uptake) activo. "lava tu tristeza" La función del antidepresivo Prozac es inhibir el proceso de recaptación, lo cual prolonga la vida media de la serotonina espacio intersináptico. La melatonina se produce en la glándula pineal y en la retina, que tienen la enzima N-acetiltransferasa necesaria. Aumenta la síntesis en la oscuridad y disminuye durante el día. Induce el sueño y regula el ritmo circadiano. Ácido γ-aminobutírico (GABA) Síntesis Sistema nervioso central A partir de glutamato (glutamato decarboxilasa) Glutamato Función Neurotransmisor inhibitorio El receptor es un canal aniónico PLP CO2 GABA Óxido nítrico (.NO) ¡un radical libre mensajero celular! Se sintetiza a partir de la arginina con la enzima óxido nítrico sintasa Premio Nobel 1998 a Furchgott, Murad e Ignarro Ignarro visitó dos veces Uruguay Mensajero celular Factor de relajación vascular derivado del endotelio Nitritos (nitroglicerina) y sildenafil (viagra) Inmunomodulador y neurotrasmisor Creatina Amortiguador de energía en el músculo esquelético. En una carrera de 100 m, en los primeros 4 segundos se utiliza la fosfocreatina para regenerar el ATP. fosfocreatina + ADP + H+ creatina + ATP Deriva de glicina, arginina y metionina (AdoMet). Forma espontáneamente creatinina, la cual se excreta en la orina en cantidades constantes que dependen de la masa muscular corporal. La creatinina se utiliza para normalizar los valores de metabolitos en la orina, así como indicador de la función renal.