6. Mol. derivadas de aa.
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Metabolismo de aminoácidos Beatriz Alvarez Laboratorio de Enzimología El nitrógeno, presente en la biosfera como nitrato (NO3-) o dinitrógeno (N2), debe ser reducido a amonio (NH4+) para su incorporación a proteínas. La especie humana adquiere el nitrógeno mayoritariamente de las proteínas de la dieta. El ciclo del nitrógeno 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 Digestión y absorción de proteínas • Las proteínas se digieren mediante la acción de proteasas que hidrolizan los enlaces peptídicos, previa desnaturalización por el ácido del estómago o calor de la cocción. • Los aminoácidos, dipéptidos y oligopéptidos se absorben en el intestino delgado. Digestión de proteínas La digestión de las proteínas comienza en el estómago, donde el pepsinógeno se convierte en pepsina. La llegada del bolo alimenticio al intestino dispara la liberación de las hormonas colecistoquinina y secretina, las cuales promueven la secreción de las proenzimas pancreáticas. La enteropeptidasa activa el tripsinógeno y la tripsina activa el resto de las proteasas. Los pequeños péptidos y aminoácidos formados son transportados a través de los enterecitos a la circulación portal, por transporte activo o difusión facilitada. Las proteínas ingeridas se emplean para: Síntesis de nuevas proteínas - enzimas, proteínas musculares, proteínas plasmáticas, etc. LAS PROTEÍNAS ESTÁN EN CONTINUO RECAMBIO. Síntesis de compuestos nitrogenados - purinas, pirimidinas, grupos hemo, etc. Fuente de energía durante el ayuno - directamente, ingresando al ciclo de Krebs. - indirectamente, convirtiéndose en glucosa. Síntesis de triacilgliceroles pese a su fama, las proteínas engordan. Aminoácidos esenciales o indispensables Esenciales Arginina (en crecimiento) Histidina Isoleucina Leucina Lisina Metionina Fenilalanina Treonina Triptofano Valina No pueden ser sintetizados y deben estar presentes en la dieta. No Esenciales Alanina Asparagina Aspartato Cisteína Glutamato Glutamina Glicina Prolina Serina Tirosina Se pueden sintetizar a partir de intermediarios metabólicos. Requerimiento proteico Requerimiento (g/kg de peso corporal/día) Lactante 4-6 meses Niño 10-12 años Adulto 1,1 1,0 0,8 Las proteínas del organismo están en continuo recambio El nitrógeno no tiene fuentes de almacenamiento especiales en el organismo. Todo el tiempo se están degradando y sintetizando proteínas. En la especie humana, 1-2% de las proteínas, fundamentalmente musculares, están recambiándose. De los aminoácidos que se liberan, 75% se reciclan. El nitrógeno del resto forma urea. Balance de nitrógeno Diferencia entre el nitrógeno ingerido y el excretado. El nitrógeno se adquiere en forma de proteínas y se elimina como urea (y un poquito de amoníaco, ácido úrico y creatinina) en la orina y como proteína sin digerir en heces. El adulto sano está en equilibrio nitrogenado: lo que entra es igual a lo que sale. La degradación y la síntesis de proteínas ocurren a la misma velocidad. Balance de nitrógeno positivo: niños, embarazadas y adultos en recuperación. Hay síntesis neta de proteína. Balance de nitrógeno negativo: traumas graves o dietas inadecuadas (cuando falta algún aminoácido esencial, o en el ayuno – se utilizan aminoácidos para producir glucosa y eventualmente energía). 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 Las enzimas glutamato deshidrogenasa, glutamina sintetasa y las aminotransferasas (transaminasas) tienen un rol muy importante en el metabolismo de aminoácidos. TRANSAMINACIÓN Los grupos α-amino se transfieren de un aminoácido a un alfa-cetoácido 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 5'fosfato como grupo prostético. El piridoxal fosfato deriva de la vitamina B6. Vitamina B6 Piridoxina, piridoxal y piridoxamina y derivados fosforilados Presente en pollo, carne, pescado, hueves, arroz integral, frutas, nueces. El PLP se une covalentemente a la enzima, a través de una base de Schiff (imina) con una lisina del sitio activo Aspartato aminotransferasa Aspartato aminotransferasa Sitio activo con el piridoxal fosfato formando una base de Schiff con una lisina de la enzima Sitio activo con el piridoxal fosfato unido a un análogo de sustrato. El aumento en el suero de determinadas aminotransferasas es utilizado como marcador clínico de daño tisular. SGOT: glutamato-oxaloacetato aminotransferasa o aspartato transaminasa SGPT: glutamato-piruvato aminotransferasa o alanina transaminasa Por ejemplo, luego de un ataque cardíaco aumenta en primer lugar la creatina quinasa, luego aumenta SGOT, y más tarde SGPT. Como el par α-cetoglutarato/glutamato participa en muchas transaminaciones, el glutamato es un intermediario prominente en la eliminación de amonio así como en vías anabólicas. El glutamato está en un “nudo” entre el amonio libre y los grupos amino de los aminoácidos. ¿Qué opina acerca de la siguiente afirmación? ¿Es verdadera o falsa? "Dado que el nitrógeno del glutamato puede ser redistribuído por transaminación, el glutamato es un buen suplemento para proteínas pobres desde el punto de vista nutricional." Glutamato deshidrogenasa utiliza NADPH, incorpora amonio al glutamato para sintetizar este aminoácido y otros por transaminación, activada por ATP y GTP utiliza NAD+, reacción anaplerótica, provee de un intermediario oxidable y NADH, activada por ADP y GDP El glutamato recluta grupos amino. En el hígado se libera amonio. Éste va al ciclo de la urea. Curiosidad: UMAMI El glutamato constituye el quinto “sabor”, UMAMI, que se suma al salado (Na+), ácido (H+), amargo (alcaloides y otros) y dulce (sacarosa y otros). Constituye un sabor agradable, presente en la salsa de soja y la carne. Se conoce desde principios del siglo 20 y se comercializa como aditivo alimentario (glutamato monosódico – ajinomoto). Recientemente, se encontraron receptores en la lengua para el glutamato. ¿Cuál podría ser el sentido evolutivo de sensar el glutamato? PROTEÍNAS Glutamina Glutamato 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 (para formar urea) y el riñón (para excreción). Glutaminasa El hígado y el ríñón tienen glutaminasa, enzima mitocondrial que libera el amoníaco. glutamina + H O → glutamato + NH 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. La glutamina sintetasa es una enzima muy regulada. En E. coli es regulada mediante los siguientes mecanismos: Alosterismo Modificación covalente Regulación de la expresión génica y la síntesis proteica (control de la cantidad de enzima) 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 glucógeno 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. Biosíntesis de los aminoácidos no esenciales Aminoácidos esenciales o indispensables Esenciales Arginina (en crecimiento) Histidina Isoleucina Leucina Lisina Metionina Fenilalanina Treonina Triptofano Valina No pueden ser sintetizados y deben estar presentes en la dieta. No Esenciales Alanina Asparagina Aspartato Cisteína Glutamato Glutamina Glicina Prolina Serina Tirosina Se pueden sintetizar a partir de intermediarios metabólicos. Los esqueletos carbonados de los aminoácidos no esenciales pueden sintetizarse a partir de metabolitos intermediarios derivados, por ejemplo, de glucosa. Dos aminoácidos no esenciales derivan directamente de aminoácidos esenciales (tirosina y cisteína). Coenzimas importantes: piridoxal fosfato, folato y tetrahidrobiopterina. Síntesis de glutamato El glutamato se sintetiza a partir de su precursor alfa-cetoácido con la enzima glutamato deshidrogenasa. Síntesis de aspartato El aspartato se sintetiza por transaminación del oxalaceto. glutamato + oxalacetato O -O O O O O O O O O NH3+ alfa-cetoglutarato + aspartato O -O O O O O O O NH3+ También se sintetiza aspartato por desaminación de la asparagina con la asparaginasa, análoga a la glutaminasa asparagina + H2O → aspartato + NH3 Síntesis de asparagina y glutamina La asparagina sintetasa y la glutamina sintetasa catalizan la producción de asparagina y glutamina glutamato + NH4+ + ATP → glutamina + ADP + Pi + H+ aspartato + NH4+ + ATP → asparagina + ADP + Pi + H+ Síntesis de alanina La alanina se sintetiza por transaminación con la enzima alanina transaminasa α-cetoglutarato + alanina glutamato + piruvato O -O O O O O NH3+ O O O -O O O O NH3+ O La concentración de alanina en la circulación es alta, más baja solo que la de glutamina. CICLO DE LA GLUCOSA – ALANINA La alanina transaminasa participa en el transporte de esqueletos carbonados y nitrógeno del músculo al hígado. α-cetoglutarato + alanina glutamato + piruvato O -O O O O O NH3+ O O O -O O O O NH3+ O Músculo esquelético: el piruvato de la glucólisis se transforma en alanina a expensas de glutamato. Hígado: se regenera el piruvato para la gluconeogénesis y el amonio del glutamato puede ir al ciclo de la urea. Síntesis de prolina La prolina se sintetiza a partir de glutamato con glutamato semialdehído como intermediario La prolina también se sintetiza a partir de arginina de la dieta. Primero, la arginina se transforma en ornitina vía arginasa. La enzima puede operar en dirección opuesta para sintetizar ornitina y arginina a partir de prolina. Síntesis de serina La serina se sintetiza a partir de 3-fosfoglicerato. Se oxida la función alcohólica para formar un alfacetoácido que se transamina y desfosforila. La glicina se sintetiza a partir de serina. La enzima utiliza tetrahidrofolato y piridoxal fosfato. En el hígado de vertebrados, la glicina también puede sintetizarse a partir de dióxido de carbono y amonio, si bien esta reacción opera fundamentalmente en el sentido de degradación de glicina. 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 Síntesis de cisteína El azufre para la cisteína proviene de la metionina y los carbonos de la serina. En primer lugar, ocurre la síntesis de S-adenosil metionina, un importante agente metilante. ++ B12 PLP PLP La metionina reacciona con ATP para formar Sadenosilmetionina. La S-adenosilmetionina cede su grupo metilo a diferentes biomoléculas formándose homocisteína. La homocisteína condensa con la serina para formar cistationina, la cual es clivada por la cistationasa para dar cisteína y alfa-cetobutirato. Esto es conocido como la vía de transulfuración. La cistationina beta-sintasa y la cistationina gama-liasa ambas utilizan PLP. La cisteína se utiliza para la síntesis de proteínas y de glutatión. Los aumentos en la homocisteína del plasma se asocian a problemas vasculares. ATP -O NH3 + -O CH3 S S CH3 + N O O methionine HO N N OH S-adenosylmethionine (SAM) dimethylglycine H4folate betaine-homocysteine methyltransferase methionine synthase (B12) H4folate N methionine adenosyltransferase O N5,N10- CH2- NH2 NH3+ Pi + PPi acceptor methyltransferases N5,N10-CH2- N5-CH3- H4folate H4folato betaine CH3-acceptor reductase NH3+ adenosine -O H 2O -O SH O N S N O O HO O cystathionine β-sinthase (PLP) O serine N N homocysteine NH3 + HO NH2 NH3 + OH S-adenosylhomocysteine (SAH) H2O O NH3 + S -O O NH3 + O Metabolismo de metionina y cisteína cystathionine H2O cystathionine γ-lyase (PLP) NH3 + HS O O O cysteine ++ O O α-ketobutyrate + NH3+ Síntesis de tirosina La tirosina se sintetiza a partir de fenilalanina Las deficiencias genéticas en la fenilalanina hidroxilasa llevan a la fenilcetonuria Deficiencias en la enzima que sintetiza tirosina a partir de fenilalanina Retardo mental La acumulación de fenilalanina depleta de αcetoglutarato por transaminación La depleción de α-cetoglutarato 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 "contiene fenilalanina" ¿Porqué algunos refrescos que contienen el edulcorante aspartamo advierten “contiene fenilalanina”? Porque los fenilcetonúricos no lo pueden consumir. Aspartamo: L-Aspartil-L-fenilalanina metil éster ¿Qué productos le parece que se forman de su catabolismo? Aspartamo: L-Aspartil-L-fenilalanina metil éster Se metaboliza dando aspartato, fenilalanina y metanol. El aspartato es inocuo, la fenilalanina también (excepto para los fenilcetonúricos!) y el metanol puede ser metabolizado por el hígado en pequeñas cantidades. Provee de 4 kcal/g, como otros aminoácidos. Pero es 200 veces más dulce que el azúcar, por lo tanto endulza en cantidades muy bajas. Bebida cola: 0.06 % de aspartamo contra 12 % de sacarosa. Fue descubierto por Jim Schlatter en 1965, un químico trabajando en nuevas drogas peptídicas para el tratamiento de úlceras. En sus experimentos, sintetizó el aspartato-fenilalanina metil éster. Casualmente, lo tocó. Más tarde, sin querer, llevó el dedo a la boca y notó el gusto dulce. ¡¿Cómo, si se había lavado las manos después del desayuno?! Sospechó del aspartato-fenilalanina metil éster y se animó a probarlo. Años más tarde, la curiosidad de Schlatter redundó en un negocio billonario. Repaso final 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.
