Tema N° N° 11 Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas
Metabolismo de Compuestos Nitrogenados en las Rutas Metabólicas
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Hemos visto compuestos que se metabolizan totalmente a CO2 y H2O. En sustancias nitrogenadas además se obtendrá NH3. (Aminoácidos, Péptidos, Proteínas, Nucleótidos, Ácidos Nucleicos). La disponibilidad del nitrógeno es limitada y su metabolización conduce a metabolitos tóxicos. Existen 20 aminoácidos en las proteínas, con lo cual habrá 20 rutas diferentes de síntesis y de degradación.
Dieta, el valor biológico de las proteínas dietéticas se relaciona el aporte de los aminoácidos esenciales (proteínas de origen animal poseen alto valor biológico; proteínas vegetales son deficientes en lisina, metionina y triptófano).
Degradación de proteínas tisulares.
Síntesis de aminoácidos y proteínas.
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Comienza en el estómago. La ingesta de proteínas estimula la síntesis de gastrina que a su vez estimula la formación de HCl. A pH ácidos las proteínas globulares se desnaturalizan, ocasionando que la hidrólisis de proteínas sea más accesible. Además estimula la liberación de pepsinógeno, forma inactiva de la pépsina, que hidroliza los enlaces en los que intervienen aminoácidos aromáticos, Metionina y Leucina, produciendo fragmentos peptídicos.
A medida que los contenidos ácidos del estómago pasan al intestino delgado, se dispara la síntesis de la hormona secretina a la sangre, que estimula al páncreas para secretar bicarbonato en el intestino delgado y neutralizar el pH alrededor de 7,0.
Se produce entonces, la liberación de los zimógenos de las peptidasas pancreáticas: tripsina, quimotripsina, tripsinógeno, carboxipeptidasas A y B y elastasa.
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La quimotripsina hidroliza enlaces peptídicos que contiene grupos carbonilo de aminoácidos aromáticos. La tripsina hidroliza enlaces en los que intervienen Arginina y Lisina. Las carboxipeptidasas A y B hidrolizan casi todos los tipos de enlaces peptídicos en los cuales intervengan carboxilos terminales. La elastasa hidroliza enlaces en los que intervienen Alanina, Glicina y Serina en el extremo carbonilo de la unión peptídica.
Los péptidos se degradan para dar aminoácidos libres por acción de las peptidasas de la mucosa intestinal, aminopeptidasas, que separan los restos amino-terminales de los péptidos. Los aminoácidos son absorbidos por los enterocitos mediante transporte activo + dependiente de Na . En el citosol del enterocito todos los oligopéptidos se terminan de hidrolizar por oligopeptidasas, de forma tal que solo pasan aminoácidos a la vena porta y se dirigen hacia el hígado.
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Klebsiela, Azotobacter, Cianobacterias
Complejo Nitrogenasa (produce 2 NH3 y una molécula de H2 con un costo de 16 ATP) Componente I: proteína con Mo-Fe (cataliza la reducción del N2). Componente II: proteína con Fe (transportador electrónico).
Nitrito Reductasa (Grupos Prostéticos: centros Fe-S, Sirohemo). (Ferredoxina).
Nitrato Reductasa (Grupos Prostéticos: FAD, Mo, Citocromo). (plantas: NADH; bacterias y hongos: NADPH).
Fuentes 1. Desaminación oxidativa de glutamato. 2. Acción de bacterias de la flora intestinal.
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A diferencia de las grasas y de los carbohidratos, el nitrógeno no tiene ningún depósito designado para almacenarse en el cuerpo.
Puesto que la vida media de muchas proteínas es corta (en el orden de horas), insuficientes cantidades en la dieta de al menos un aminoácido pueden limitar rápidamente la síntesis y bajar los niveles de muchas proteínas esenciales.
Los niveles de aminoácidos dependen del equilibrio entre biosíntesis y degradación de proteínas corporales, es decir el balance entre anabolismo y catabolismo (balance nitrogenado).
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El Proteosoma es un gran complejo citoplásmico y nuclear encargado de degradar proteínas. Tiene dos copias de 36 subunidades, agrupados en 3 complejos enzimáticos. Requiere ATP (seis subunidades son ATPasas). Produce péptidos cortos. Las proteínas a ser degradadas son marcadas por una pequeña proteína llamada ubiquitina.
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Pool de Aminoácidos ◦ Origen Aparato digestivo. Catabolismo endógeno.
◦ Destino
Pool. Resíntesis de proteínas plasmáticas y tisulares. Compuesto nitrogenados. Producción de hormonas.
Reacciones Generales de Aminoácidos ◦ Transaminación. ◦ Desaminación Oxidativas y No oxidativas. ◦ Descarboxilación Aminas Biogénicas.
Son reacciones donde se traspasa el grupo amino desde un α-aminoácido a un α-cetoácido, convirtiéndose el 1º en α-cetoácido, y el 2º en un α-aminoácido. Las enzimas que catalizan estas reacciones son las aminotransferasas o transaminasas y necesitan el fosfato de piridoxal como coenzima.
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Todos los aminoácidos excepto lisina y treonina, participan en reacciones de “transaminación” con piruvato, oxalacetato o α-cetoglutarato.
El aminoácido pierde el grupo amino y pasa a αcetoácido. Esta reacción reversible puede convertir el glutamato en α-cetoglutarato para su degradación, pero también puede sintetizar glutamato. La Glutamato deshidrogenasa se encuentra en la matriz mitocondrial. Regulación Alostérica
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Ciertos aminoácidos hidroxilados como serina y treonina pueden ser desaminados en forma no oxidativa por deshidratasas, generando piruvato y α-cetobutirato.
El hígado y riñón tienen glutaminasa (enzima mitocondrial), capaz de liberar el amonio transportado por la glutamina.
Los aminoácidos se descarboxilan y forman aminas biógenas, ellas o sus derivados tienen muy importantes funciones biológicas: hormonas (como las catecolaminas), neurotransmisores, inmunomoduladores, etc.
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La Glutamina es muy abundante en la circulación, pues sirve como transporte inocuo del amoníaco.
Actúa como un depósito de grupos amino, especialmente del NH4+ libre que se pueda formar en los tejidos periféricos.
El nitrógeno amida utiliza en la biosíntesis varios aminoácidos, nucleótidos y aminoazúcares.
se de de de
Regulación Alostérica
La Glutamina sintetasa está regulada en forma alostérica y covalente (cascada de fosforilaciones y desfosforilaciones).
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Supone que el grupo α-amino se convierta en urea para su excreción, mientras que los esqueletos carbonados se transformen a AcetilCoA, piruvato o intermediarios del ciclo de Krebs y la energía consiguiente de su oxidación.
La cadena carbonada de los aminoácidos podrá transformarse finalmente en cuerpos cetónicos (aminoácidos cetogénicos) o glucosa (aminoácidos glucogénicos).
La acumulación de NH3 cerebral afecta tanto la producción energética como la neurotransmisión.
El NH3 atraviesa fácilmente la barrera sanguínea cerebral y en el cerebro es convertido a glutamato por la glutamato deshidrogenasa, agotando al cerebro de α-cetoglutarato. Así, el oxaloacetato cae correspondientemente, y la actividad del ciclo de Krebs se detiene.
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En ausencia de fosforilación oxidativa aeróbica y de actividad del ciclo de Krebs, se producirán daños celulares y la muerte de las células nerviosas.
Además, el incremento de glutamato conduce a la formación de glutamina. Esto agota las reservas de glutamato que se necesitan en el tejido nervioso puesto que el glutamato es un neurotransmisor y un precursor para la síntesis de γ-aminobutirato, otro neurotransmisor.
El amonio proveniente del catabolismo del grupo amino de los aminoácidos excedentes en las células debe ser transportado al hígado para su conversión en urea, molécula con la que se excreta.
En la mayoría de los tejidos el amonio se fija al glutamato, para ser transportado como glutamina, ésta se transporta en la sangre hasta el hígado, donde libera de nuevo el amonio por hidrólisis.
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En los músculos los aminoácidos se desaminan y el amonio se fija al α-cetoglutarato que se transforma en glutamato. Éste se transamina con piruvato y a él le pasa el amonio, formando alanina.
La alanina transporta el amonio desde los músculos hasta el hígado y allí lo pasa de nuevo al α-cetoglutarato para producir glutamato, que libera el amonio en el hígado.
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Es un proceso que abarca dos compartimientos intracelulares. Se inicia en el interior de las mitocondrias de los hepatocitos, donde se forma amoníaco a partir de: o o
o
o
glutamato por desaminación oxidativa. degradación bacteriana de aminoácidos intestinales. catabolismo de algunos neurotransmisores como catecolaminas, serotonina e histamina. degradación de bases nitrogenadas (púricas y pirimidínicas).
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La síntesis de una molécula de urea requiere cuatro enlaces fosfato de alta energía: 2 ATP para la producción del Carbamoil fosfato y 1 ATP para la producción de arginosuccinato; pero esta molécula de ATP se escinde para formar PPi y AMP.
La ecuación global es: NH4+ + CO2 + 4 ATP + 2 H2O + Aspartato Urea + Fumarato + 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi Gasto Energético
La conexión entre el ciclo de la urea y el ciclo de Krebs reduce el coste energético de la síntesis de urea.
El ciclo de la urea conlleva la conversión de aspartato en fumarato y la posterior conversión de fumarato a oxalacetato producirá un NADH, que podrá generar 3 ATP en la respiración mitocondrial, lo que reduce el coste energético de la síntesis de urea.
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Regulación alostérica a corto plazo sobre Carbamoil fosfato sintetasa I, activada por Acetilglutamato (se sintetiza a partir glutamato y Acetil-CoA con la actividad acetilglutamato sintasa).
la Nde N-
Cuando se incrementa la degradación de aminoácidos, los niveles de glutamato aumentan y estimulan la síntesis de N-acetilglutamato, que actúa sobre la carbamil fosfato sintasa I y acelera la producción de urea.
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Regulación a largo plazo se efectúa sobre la expresión de las enzimas del ciclo.
Así, una dieta rica en proteínas estimula la síntesis de las enzimas del ciclo de la urea.
Una vez perdido el grupo amino, la estrategia es transformar los restos carbonados en los intermediarios metabólicos que puedan convertirse en glucosa o bien oxidarse en el ciclo de Krebs.
Los 20 aminoácidos proteicos, se canalizan hacia tan sólo 7 moléculas: Piruvato, Acetil-CoA, Acetoacetil-CoA, α-Cetoglutarato, Succinil-CoA, Fumarato y Oxalacetato.
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La cadena carbonada de los aminoácidos proviene de intermediarios de la glucólisis, ciclo de Krebs o la vía de las pentosas fosfato. Son varios los tipos de reacciones que intervienen en la biosíntesis de aminoácidos: o Reacciones de transaminación y transferencia de grupos amino desde el grupo amida de la glutamina. o Transferencia de fragmentos monocarbonados con tetrahidrofolato o biotina como cofactores.
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Los aminoácidos se clasifican en familias biosintéticas, en función del precursor común.
Los aminoácidos numerados con 1 se les considera esenciales, porque su síntesis depende de otros aminoácidos. Los numerados con 2, son esenciales en animales jóvenes y la síntesis de Tirosina depende de la existencia de Fenilalanina en mamíferos.
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Es el paso siguiente a la transcripción del ADN a ARN. Como existen 20 aminoácidos diferentes y sólo hay cuatro nucleótidos en el ARN la relación no puede ser un aminoácido por cada nucleótido, entonces un triplete de nucleótidos codifica para un aminoácidos y se denominan codones.
Como hay 64 tripletes diferentes algunos aminoácidos deben tener correspondencia con varios tripletes diferentes.
Activación de los aminoácidos. Traducción: o Iniciación de la síntesis. o Elongación de la cadena polipeptídica. o Terminación de la síntesis. Asociación de varias cadenas polipeptídicas. Asociación a grupos prostéticos para constituir las proteínas.
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El ARNm se une a la subunidad menor de los ribosomas.
A éstos se asocia el aminoacil-ARNt, gracias al triplete de nucleótidos denominado anticodón, que se une al primer triplete codón del ARNm según la complementariedad de las bases.
A este grupo de moléculas se une la subunidad ribosómica mayor, formándose el complejo ribosomal o complejo activo.
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Todos estos procesos están catalizados por los llamados factores de iniciación (IF).
El primer triplete o codón que se traduce es generalmente el AUG, que corresponde con el aminoácido metionina en eucariotas. En procariotas es la formilmetionina.
El complejo ribosomal posee dos sitios de unión o centros. El centro peptidil o centro P, donde se sitúa el primero aminoacil-ARNt y el centro aceptor de nuevos aminoacil-ARNt o centro A. El radical carboxilo (-COOH) del aminoácido iniciado se une con el radical amino (-NH2) del aminoácido siguiente mediante enlace peptídico. Esta unión es catalizada por la enzima peptidiltransferasa. El centro P queda pues ocupado por un ARNt sin aminoácido.
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El ARNt sin aminoácido sale del ribosoma. Se produce la translocación ribosomal. El dipeptil-ARNt queda ahora en el centro P. Todo ello es catalizado por los factores de elongación (EF) y precisa GTP. Según la terminación del tercer codón, aparece el tercer aminoacil-ARNt y ocupa el centro A. Luego se forma el tripéptido en A y posteriormente el ribosoma realiza su segunda translocación.
Estos pasos se pueden repetir múltiples veces, según el número de aminoácidos que contenga el polipéptido. La traslocación implica el desplazamiento del ribosoma a lo largo de ARNm en sentido 5’ 3’.
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El final de la síntesis se presenta por los llamados tripletes sin sentido, codones stop.
Son 3: UAA, UAG y UGA. No existe ningún ARNt cuyo anticodón sea complementario de ellos y, por lo tanto, indican que la cadena polipeptídica ya ha terminado.
Este proceso viene regulado por los factores de liberación, de naturaleza proteica, que se sitúan en el sitio A y hacen que la peptidil-transferasa separe, por hidrólisis, la cadena polipeptídica del ARNt.
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BLANCO, A. Química biológica. Séptima edición. Editorial El Ateneo. RIGALLI, A. Química Biológica. Fundamentos y concepto. Editorial Corpus. DEVLIN, T. Bioquímica, libro de texto con aplicaciones clínicas. 3ª Edición. Editorial Reverté. MATHEWS C., VAN HOLDE K. Bioquímica. Interamericana Mc Graw- Hill. MURRAY R., GRANNER D., MAYES P., RODWELL V. Bioquímica de Harper. Ed. El Manual Moderno.
Las presentaciones en Power Point son simplemente orientativas acerca de los contenidos desarrollados. Las mismas deben ampliarse con la bibliografía sugerida por los docentes.
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