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