Metabolismo de proteínas

Metabolismo de proteínas
Mg. Anahi V. Cuellas
Características generales
Las proteínas son compuestos orgánicos complejos, cuya estructura básica es una cadena de
aminoácidos.
Los aminoácidos son sustancias compuestas por carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. Son
compuestos cristalinos que contienen un grupo ácido débil, carboxilo (-COOH) y un grupo
básico débil, amina (-NH2)
Figura III.1: Estructura de aminoácidos
Dependiendo de la composición de la cadena R de los aminoácidos, encontramos aminoácidos
neutros, ácidos, básicos, azufrados y aminoácidos aromáticos
Las estructuras de los aminoácidos son ópticamente activas, es decir, que pueden rotar el plano
de luz polarizada en diferente dirección dependiendo del estereoisómero que se trate. Entre ellos
hay que distinguir entre los que rotan el plano hacia la izquierda, levorrotatorios, levógiros o L, y
los que lo hacen hacia la derecha, dextrorrotatorios, dextrógiros o D. En la naturaleza
encontramos una mezcla de ambos que se denomina racémica, pero los aminoácidos que forman
las proteínas son, la gran mayoría, L.
Los aminoácidos son los precursores de otras moléculas de gran importancia biológica que son
las proteínas. La unión de aminoácidos da lugar a la formación de péptidos que se denominan
dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos, pentapéptidos, octapéptidos o polipéptidos, si en su
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formación intervienen, 2, 3, 4, 5, 8 o un número cualquiera superior. La unión de polipéptidos
entre sí da lugar a la formación de proteínas.
Figura III.2: Esquema de los aminoácidos como precursores de otras moléculas.
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Las proteínas están formadas por aminoácidos que pueden ser esenciales y no esenciales. El
cuerpo humano necesita cerca de veinte aminoácidos para la síntesis de sus proteínas y sólo
puede elaborar trece de los aminoácidos que se conocen como los aminoácidos no esenciales; los
cuales se denominan con este nombre porque el cuerpo puede elaborarlos y no necesita
adquirirlos de la dieta. El resto de los aminoácidos son llamados esenciales porque solamente se
obtienen de los alimentos, ya que el cuerpo no los elabora. Si la proteína de un alimento
suministra suficientes aminoácidos esenciales, entonces se llama proteína completa. Al contrario,
si no los suministra, se llama proteína incompleta
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Todas las carnes y los otros productos animales son fuentes de proteínas completas.
La proteína de los alimentos como los granos, las frutas y las verduras se califican como
proteínas incompletas bajas o carentes de uno de los aminoácidos esenciales. Estas fuentes de
proteína son consideradas incompletas. Las proteínas vegetales pueden combinarse para aportar
todos los aminoácidos esenciales y constituir un aporte proteico completo.
Las proteínas constituyen el principal componente de los músculos, órganos y glándulas. Cada
célula viva y todos los fluidos corporales, excepto la bilis y la orina, contienen proteína.
En animales superiores, las proteínas son los compuestos orgánicos más abundantes, pues
representan alrededor del 50% del peso seco de los tejidos. Desde el punto de vista funcional, su
papel es fundamental. No existe proceso biológico alguno que no dependa de la presencia o
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actividad de este tipo de sustancias; las proteínas cumplen diferentes funciones: enzimas,
hormonas, trasportadores, los anticuerpos, receptores de muchas células, etc.
Todas las proteínas contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y casi todas poseen
también azufre. Si bien hay ligeras variaciones en diferentes proteínas, el contenido de nitrógeno
representa, término medio, el 16% de la masa total de la molécula, lo cual permite calcular la
cantidad de proteína existente en una muestra, por medición del N de la misma.
Las proteínas son moléculas poliméricas (poli: muchos; meros: partes) de enorme tamaño;
pertenecen a la categoría de macromoléculas, constituidas por gran número de unidades
estructurales que forman largas cadenas.
Las proteínas resultan de la unión de moléculas de aminoácidos por medio de enlaces peptídicos.
Por esto, se pueden clasificar en dos grandes categorías, proteínas globulares y proteína fibrosas.
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La estructura de las proteínas es muy compleja, razón por la cual resulta conveniente describirla
considerando distintos niveles de organización:
Estructura Primaria
Se refiere al número e identidad de los aminoácidos que componen la molécula y al
ordenamiento o secuencia de esas unidades en la cadena polipeptídica. La unión peptídica sólo
permite formar estructuras lineales; por ello, las cadenas no presentan ramificaciones.
Estructura Secundaria
A medida que la longitud de las cadenas va aumentando y en función de las condiciones
físicoquímicas del medio, se conforma la estructura secundaria, que es la disposición espacial
regular, repetitiva, que puede adoptar la cadena polipeptídica, generalmente mantenida por
enlaces de hidrógeno. En este caso suelen darse dos tipos de enlace:
Hélice a: las cadenas de aminoácidos tienen varios centros polares y, debido a esto, la fibra suele
enrollarse dando lugar a una hélice que se estabiliza formando enlaces intramoleculares con
puentes de hidrógeno.
Lámina b: las cadenas de péptidos se unen formando filas paralelas que se estabilizan de manera
intermolecular mediante puentes de hidrógeno.
Estructura Terciaria
Es la estructura de la mayoría de las proteínas globulares, aparece a partir de que la hélice a se
vuelve a enrollar. Es una arquitectura tridimensional completa que se debe a las fuerzas de
atracción o repulsión electrostática, a enlaces de hidrógeno, a fuerzas de Van der Walls y a
puentes disulfuro.
Estructura Cuaternaria
Son estructuras de carácter oligomérico, que están compuestos por varias cadenas separadas pero
entrelazadas en estructura terciaria. Se aplica sólo a proteínas constituidas por dos o más cadenas
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polipeptídicas y se refiere a la disposición espacial de esas cadenas y a los enlaces que se
establecen entre ellas (puentes de hidrógeno, atracciones electrostáticas, interacciones
hidrofóbicas, puentes disulfuro entre cisteinas de cadenas diferentes, etc.). Un ejemplo de este
tipo de estructura es la hemoglobina que está compuesta por cuatro subunidades de mioglobina.
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Las proteínas desempeñan distintas funciones en las células de todos los seres vivos.
•
Funciones catalíticas.
•
Funciones de transporte (transporte de oxígeno y de grasas en la sangre).
•
Funciones estructurales: Forman parte de la estructura básica de los tejidos (músculos,
tendones, piel, uñas, etc.).
•
Funciones de defensa (inmunoglobulinas o anticuerpos).
•
Desempeñan funciones reguladoras (hormonas).
•
Funciones contráctiles (actina y miosina)
•
Funciones nutricionales.
•
Los aminoácidos poseen un gran numero de funciones claves en los procesos energéticos
(precursores en la gluconeogénesis y síntesis de hormonas) y en el sistema nervioso central (
neurotransmisores)
Tabla: Requerimientos diarios de proteínas
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Tabla: Funciones y ejemplos de proteínas
Estructural
•
•
•
•
•
Enzimática
Son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de
las reacciones químicas
Hormonal
•
•
•
•
Defensiva
• Inmunoglobulina
• Trombina y fibrinógeno
Transporte
• Hemoglobina
• Hemocianina
• Citocromos
Reserva
• Ovoalbúmina, de la clara de huevo
• Gliadina, del grano de trigo
• Lactoalbúmina, de la leche
Como las glucoproteínas que forman parte de las membranas.
Las histonas que forman parte de los cromosomas
El colágeno, del tejido conjuntivo fibroso.
La elastina, del tejido conjuntivo elástico.
La queratina de la epidermis.
Insulina y glucagón
Hormona del crecimiento
Calcitonina
Hormonas tropas
Los animales pueden degradar oxidativamente las proteínas en tres situaciones metabólicas
distintas:
1. Recambio proteico: Síntesis y degradación de proteínas, los aminoácidos que no se
utilizan para la nueva síntesis, se degradan oxidativamente.
2. Dieta rica en Proteínas: Los aminoácidos no se pueden almacenar.
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3. Inanición o Diabetes Mellitus: No hay hidratos de carbono, o no pueden utilizarse
correctamente. Se recurre a las proteínas corporales como combustible. En estas
circunstancias, los aas. Pierden sus grupos amino y los α-ceto ácidos así formados se
oxidan a CO2 y H2O. O pueden convertirse en glucosa y proporcionar energía para el
funcionamiento del cerebro, músculo y otros tejidos.
Oxidación de aminoácidos
Durante la degradación de los aminoácidos. se producen compuestos intermediarios del
metabolismo, que se pueden convertir en glucosa o que se puede oxidar en el ciclo del ácido
cítrico. La mayoría de los aminoácidos se oxidan en el hígado y algunos de ellos (los
aminoácidos de cadena ramificada) también en el músculo.
Hay un factor importante que distingue la degradación de aminoácidos. de los otros procesos de
degradación, que es la presencia de un grupo amino, por lo tanto todas las rutas degradativas
pasan por una etapa clave, donde se separa este grupo
Proteína intracelular
Proteína de la dieta
Aminoácidos
α-Cetoácidos
Ciclo de Krebs
Gluconeogenesis
CO2 + H2O
NH4
Biosisntesis aas
Excreción
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Degradación de proteínas: Tracto gastrointestinal
La entrada de proteínas en el estomago estimula que la mucosa gástrica secrete la hormona
GASTRINA. Esta hormona provoca la secreción de HCl, responsable de la acidez del jugo
gástrico (pH entre 1,5 y 2,5), que actúa como antiséptico matando las bacterias y células foráneas
y desnaturaliza las proteínas, permitiendo que sus enlaces sean mas accesibles a la acción de
proteasas.
El PEPSINOGENO, precursor inactivo o zimógeno, se convierte en pepsina activa en el jugo
gástrico por acción de la PEPSINA . En el estomago la PEPSINA hidroliza las proteínas en una
mezcla de péptidos mas pequeños.
Los contenidos acídicos del estomago pasan al intestino delgado, entonces baja el pH y se
estimula la acción de la hormona SECRETINA a la sangre. Esta hormona estimula al páncreas
para que secrete bicarbonato al intestino delgado y neutralice el pH, donde continua la digestión
de las proteínas.
La entrada de aminoácidos en la parte superior del intestino, libera la hormona
COLECISTOQUININA, que estimula la secreción de varias enzimas pancreáticas, que tienen
actividad a pH entre 7 y 8. Estas enzimas son producidas en las células del páncreas como
precursores
inactivos
o
zimógenos
(TRIPSINA,
QUIMIOTRIPSINA
y
CARBOXIPEPTIDASA)
La síntesis de las enzimas en forma de precursores inactivos protege a las células exocrinas del
páncreas del ataque “autodestructivo”. El páncreas también se protege produciendo un inhibidor
especifico “INHIBIDOR PANCREÁTICO DE TRIPSINA”.
Una vez que el TRIPSINOGENO, entra en el intestino delgado se convierte, se convierte en
TRIPSINA, su forma activa, por acción de la ENTEROPEPTIDASA, enzima secretada por
células intestinales.
La
PEPSINA,
en
el
intestino
produce
TRIPSINA,
QUIMIOTRIPSINA
y
CARBOXIPEPTIDASA, que hidrolizan cadenas mas pequeñas.
La degradación de péptidos en el intestino delgado se completa por acción de otras peptidasas,
produciendo aminoácidos libres.
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Los aminoácidos se transportan a células epiteliales que cubren el intestino delgado, entran en
los capilares sanguíneos y se transportan al hígado.
Eliminación del grupo amino
Después de las reacciones de desaminación que se producen en los aminoácidos, el amonio se
debe excretar. En función de los diferentes organismos, la forma de hacerlo varía, por ejemplo,
en los organismos ureotélicos (urea), uricotélicos (ácido úrico) o amoniotélicos (amoniaco).
Los organismos vivientes excretan el exceso de nitrógeno que resulta del metabolismo de
aminoácidos en una de tres formas. Muchos organismos acuáticos simplemente excretan
amoniaco. Donde el agua es menos abundante, el amoniaco se transforma en una molécula
menos tóxica, además de que su excreción necesita de menos agua. Uno de estos productos es la
urea, la cual es excretada por la mayoría de los vertebrados terrestres, el otro producto posible de
excreción es el ácido úrico, que es excretado por aves y reptiles terrestres.
En animales amoniotélicos, por ejemplo, peces óseos, el amoníaco se libera rápidamente de la
sangre en las branquias, gracias al gran volumen de agua que pasa a través de éstas. Las bacterias
y protozoos simplemente liberan el amoníaco al medio en que el agua es abundante, donde se
disuelve este compuesto.
Mientras que los animales uricotélicos, las aves y reptiles, la disponibilidad de agua es limitada.
Puesto que la excreción de urea por la orina necesita un gran volumen de agua, esta circunstancia
haría imposible el vuelo de las aves y provocaría una deshidratación de los reptiles que habitan
en zonas áridas. Para evitar esto, el amoniaco se convierte en ácido úrico, compuesto insoluble
que se excreta en forma de masa semisólida de cristales de ácido úrico en las heces.
En la especie humana, el ión amonio es un compuesto muy tóxico que se convierte en el hígado
y el riñón en urea, en el llamado ciclo de la urea. Ésta pasa al torrente sanguíneo y es eliminada
por el riñón en la orina.
En nuestro organismo el glutamato, es el aminoácido encargado de almacenar de manera
temporal y mantener dentro de los niveles aceptados el amonio, mientras que la glutamina es el
aminoácido encargado del transporte de este grupo.
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El proceso se puede resumir de la siguiente manera, el grupo amonio de los aminoácido se
elimina por transaminación al α-cetoglutarato formando glutamato, dejando el correspondiente
α-cetoácido. En esta reaccion no hay “desaminación” neta, porque se amina el α-cetoglutarato. El
efecto de esta reacción es recoger los grupos aminos de los aminoácidos en un solo compuesto el
“glutamato”.
El glutamato es sustituido por la glutamina para la función de transporte, en la reacción mediada
por la glutamina sintasa, la glutamina pasa a la corriente circulatoria, desde donde la captura el
hígado y la convierte de nuevo en glutamato, separándose el amonio por medio de la acción de la
glutaminasa.
El glutamato se transporta a la mitocondria hepática donde se libera el grupo amino por acción
de la enzima “glutamato deshidrogenasa”.
COO –
COO –
H3N + — C— H
R
AMINOACIDO
aminotransferasa
C— O
R
α-CETOACIDO
COO –
COO –
H3N + — C— H
H3N + — C— H
R
α-CETOGLUTARATO
CH2
CH2
COO
GLUTAMATO
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La mayor parte de los aminoácidos se metabolizan en el hígado, excepto los aminoácidos de
cadena ramificada (Leucina, Isoleucina y Valina), que se oxidan principalmente en el músculo,
tejido adiposo, riñón y tejido cerebral. Estos tejidos poseen una aminotransferasa que no se
encuentra en el hígado y actúa sobre los aminoácidos ramificados produciendo los α-Cetoácidos
correspondientes. El amoniaco pasa al hígado, transportado por la glutamina o la alanina.
Ciclo glucosa-alanina
La alanina también juega un papel especial en el metabolismo de los aminoácidos, actúa de
transportador de equivalentes de amoniaco y del esqueleto carbonado del piruvato desde el
músculo al hígado. El amoniaco se excreta y el piruvato se utiliza para producir glucosa que
vuelve al músculo.
La utilización de alanina para transportar amoniaco desde músculos esqueléticos muy activos al
hígado es otro ejemplo de la economía intrínseca de los organismos vivos. Los músculos
sometidos a contracción vigorosa operan de forma anaeróbica, produciendo no solo amoniaco a
partir de la degradación de proteínas, sino también grandes cantidades de piruvato a partir de
glucosa.
Los dos productos van al hígado, el amoníaco para ser convertido en urea para excreción y el
piruvato para formar glucosa y volver a los músculos. Por lo tanto se solucionan dos problemas
en un solo ciclo: transportan átomos de carbono del piruvato y el exceso de amoniaco, producto
de la oxidación de proteínas.
En el hígado, la alanina forma piruvato, material de partida para la gluconeogénesis y libera
NH4+ para la síntesis de urea. De esta forma la carga energética de la gluconeogénesis se impone
al hígado y no al músculo, de modo que el ATP disponible en el músculo sirve para la
contracción muscular.
.
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Figura: Ciclo Glucosa-Alanina
PROTEINA MUSCULAR
AMINOACIDOS
NH4
GLUCOSA
PIRUVATO
GLUTAMATO
ALANINA
AMINOTRANSFERASA
ALANINA
MUSCULO
α-cetoglutarato
GLUCOSA
SANGUINEA
ALANINA
SANGUINEA
ALANINA
α-cetoglutarato
ALANINA
AMINOTRANSFERASA
GLUCOSA
HIGADO
PIRUVATO
GLUTAMATO
NH4
UREA
Ciclo de la Urea
El amoniaco es muy toxico para los tejidos animales. En animales ureotélicos, excretan el
nitrógeno aminíco en forma de urea, que se forma en el hígado por el ciclo de la urea.
La arginina es el precursor inmediato de la urea. La arginasa hidroliza la arginina dando urea y
ornitina, resintetizandose la arginina en el ciclo de la urea. La ornitina se convierte en citrulina a
expensas del carbamoil fosfato y se transfiere un grupo amino del aspartato a la citrulina
volviéndose a formar arginina. La ornitina se regenera en cada vuelta de ciclo.
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Figura: Ciclo de la Urea
Varios de los intermediarios y productos laterales del ciclo de la urea son también intermediarios
del ciclo del ácido cítrico, por lo que ambos ciclos están interconectados. La actividad del ciclo
de la urea regulada al nivel de síntesis enzimática y por regulación alostérica de la enzima que
forma carbamoil fosfato.
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La formación de urea no toxica tiene un elevado costo de ATP. Los defectos genéticos en las
enzimas del ciclo de la urea se pueden compensar mediante regulación de la dieta.
Rutas de degradación del esqueleto carbonado:
Luego de la eliminación de los grupos aminos por transaminación al α-cetoglutarato, los
esqueletos carbonados de los aminoácidos se oxidan a compuestos que pueden entrar en el ciclo
del ácido cítrico, para ser oxidados a CO2 y H2O.
Existen 20 aminoácidos con distintos esqueletos carbonados, por lo tanto 20 rutas catabólicas
distintas para su degradación. En el hombre solo aportan del 10 al 15 % de la producción de
energía corporal, por lo que las rutas degradativas individuales son muchos menos activas que la
glucólisis o que la degradación de ácidos grasos.
Las 20 rutas catabólicas convergen para formar 5 intermediarios por los que esqueletos
carbonados de los aminoácidos pueden entrar en el ciclo del ácido cítrico:
Acetil-CoA
Α-cetoglutarato
Succinil-CoA
Fumarato
Oxalacetato
De aquí se pueden desviar a la gluconeogénesis u oxidar a CO2 y H2O.
Diversas enfermedades humanas graves pueden relacionarse con defectos genéticos de enzimas
especificas de las rutas del catabolismo de los aminoácidos.
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