Aminoácidos Esqueleto carbonado
Nitrógeno
NH
COO-
+
+ 4
H3 N
α -aminoácido
C-H R
CO2
RECAMBIO PROTEICO Y METABOLISMO DE LOS AMINOACIDOS α-Cetoácido
Citrulina
Aspartato
Ornitina Ciclo de la urea
Arginino succinato
Ciclo de Krebs
UREA
Oxaloacetato
Malato Arginina
Fumarato
Recambio proteico El recambio proteico asegura la función biológica de las proteínas. Las proteínas se encuentran en constante pérdida y renovación (turnover) : Secreciones hormonas, enzimas… Renovación de los tejidos digestivo, piel, anexos… Diferentes estadios metabólicos crecimiento, gestación, lactancia…
Frente a un exceso de aminoácidos, el organismo no posee ninguna forma de almacenamiento de proteínas, comparable al glucógeno ni a los triacilglicéridos del tejido adiposo. El catabolismo de los aminoácidos debe operar continuamente para degradar el exceso de los mismos. Los grupos amino de los aminoácidos son eliminados. Los aminoácidos son precursores de otras biomoléculas Proteínas Hormonas Coenzimas Nucleótidos Alcaloides
Porfirinas Antibióticos Pigmentos Neurotransmisores
La oxidación de los aminoácidos contribuye de manera significativa a la generación de energía.
NH3
En carnívoros, luego de una ingesta, el 90 % de la energía puede ser cubierta por los aminoácidos. Oxidación de aminoácidos Recambio proteico. Exceso de aminoácidos en la dieta. Inanición o patologías. El metabolismo de los aminoácidos ocurre principalmente en el hígado.
+
La oxidación de aminoácidos produce amoníaco (NH 4) Aminoácidos de la ingesta
Proteína celular
Hígado α-Cetoácido
L-Aminoácido α -Cetoglutarato
L-Glutamato
Urea
Piruvato
Amoníaco Alanina del músculo
Alanina
Glutamina
Glutamina extrahepática
Amonio, urea, ácido úrico
Las aminotransferasas catalizan la transferencia de grupos amino de los aminoácidos al α-cetoglutarato
L-Aminoácido α-Cetoácido
Aminotransferasa ↑Piridoxal fosfato (PLP) PLP Piridoxamina fosfato
α -Cetoglutarato
ΔG’°≈ 0 kJ/mol
L-Glutamato
La transaminación, es la transferencia de grupos amino desde un α-aminoácido a un α-cetoácido.
La desaminación oxidativa del Glutamato ocurre en el hígado
Mitocondria Modulación alostérica + ADP - GTP
Glutamato
Glutamato deshidrogenasa ΔG’°≈0 kJ/mol α-Iminoglutarato
Puede utilizarse en el ciclo de Krebs y producir glucosa α-Cetoglutarato
La desaminación de los aminoácidos, es la eliminación enzimática de sus grupos amino.
La glutamina constituye una forma NO tóxica de transportar NH+4 por la sangre. L-Glutamato
+ H3 N -OOC
CH2 CH2 C- COOH ATP glutamina sintetasa ADP + γ-Glutamil fosfato H3 N O O O- P-O C CH2 CH2 C- COOH ONH+4 glutamina sintetasa + Pi H N 3 L-Glutamina O C CH2 CH2 C- COOH H2 N glutaminasa mitocondrial hepática L-Glutamato -OOC
NH+4
+ H3 N
CH2 CH2 CH
H2 O
La urea se metaboliza en forma diferente entre los carnívoros y los rumiantes
O H2N C NH2 Urea
COO-
La alanina transporta NH+4 desde los músculos al hígado Músculo
Glucosa
glucólisis
Piruvato
proteína muscular Glutamato aminoácidos α-Cetoglutarato
Alanina
Glucosa
Ciclo de la glucosa-alanina
+
NH4
alanina aminotransferasa Alanina
La inversión energética de la gluconeogénesis se restringe al hígado. Glucosa gluconeogénesis NH4
Piruvato
Glutamato
Urea
Alanina
Todo el ATP en el músculo es utilizado para la contracción.
α-Cetoglutarato
Hígado Urea
Urea
Urea
¿Por qué excretar el NH+4? La intoxicación por amoníaco provoca signos nerviosos: epilepsia, coma, muerte. La glutamina sintetasa y la glutamato deshidrogenasa se encuentran en altas concentraciones en el cerebro. Las reacciones catalizadas por la glutamina sintetasa y la glutamato deshidrogenasa dismunyen el α-Cetoglutarato disponible para ciclo de krebs y la formación de ATP, lo que podría interferir con la función nerviosa. El glutamato y el ácido gama aminobutírico GABA son neurotransmisores
Glutamato
Histidina
Glutamato deshidrogenasa. Dependiente de PLP
Histidina descarboxilasa. Dependiete de PLP
Ácido gama aminobutírico (GABA)
Histamina
En los animales ureotélicos, el NH+4 se recicla en el ciclo de la urea y se excreta como urea.
Aminoácidos Alanina
Glutamina Citosol
Glutamato Glutamina
Citrulina
Glutamato Oxaloacetato
Citrulina
NH+4
Apartato
Carbamil fosfato
α-Cetoglutarato
Arginosuccinato Arginina
Ciclo de la urea
Ornitina Mitocondria
Aspartato
Ornitina
UREA
La formaci贸n de carbamil fosfato es un punto de regulaci贸n del ciclo de la urea ATP
La enzima carbamil fosfato sintetasa I es activada por el N-acetil-glutamato, sintetizado a partir de acetil-CoA y glutamato. Carbonil fosfato
Para sintetizar 1 mol茅cula de carbamil fosfato se invierten 2 ATP. Carbamato
Carbamil fosfato
Citosol
Mitocondria
1. Formación de carbamil fosfato. Carbamil fosfato sintetasa I
NH+4 Carbamil fosfato Ciclo de krebs
2. Formación de citrulina a partir de ornitina y carbamil fosfato. Ornitina transcarbamilasa
Ornitina Citrulina
Ornitina
3. Formación de arginosuccinato Arginosuccinato sintetasa
Citrulina
Ciclo de la urea
Aspartato
Argininosuccinato
Arginina
Oxaloacetato
Fumarato
Malato
4. Escisión del arginosuccinato Arginosuccinato liasa
5. Formación de urea Arginasa La producción de urea aumenta con la ingesta rica en proteínas y en la inanición. Aumenta la síntesis de las 5 enzimas
Para producir 1 molécula de arginosuccinato se invierten 2 ATP
Aspartato
Citrulina
Citrulin-AMP
Argininosuccinato
Para sintetizar 1 molécula de urea por vía del ciclo de la urea se invierten 4 ATP. 2NH+4 + HCO3- + 3ATP4- + H2O UREA + 2ADP3- + 4Pi + AMP 2- + 5H+ La formación de fumarato en el ciclo de la urea, permite la entrada del mismo al ciclo de Krebs (o como malato). Esto reduce el costo para la formación de urea a 1.5 ATP.
El doble ciclo de Krebs… α-cetogrutarato
Ornitina
5
Aminoácidos
Glutamato
Ciclo de la urea Arginina
Carbamil fosfato
1
3 α-cetoácido
Citrulina Arginino succinato
2
Aspartato
Fumarato
α-cetoglutarato
6
5
5
Aminoácidos
Glutamato
4 Malato
1. 2. 3. 4.
Carbamil fosfato sintetasa I Arginosuccinato sintasa. Glutamato deshidrogenasa Malato deshidrogensa
α-cetoácido Oxaloacetato
Gasto de ATP Poder reductor. Ganancia de ATP.
5. Aminotrasferasas 6. Fumarasa
Desviación del aspartato-arginino-succinato Aminoácidos Esqueleto carbonado COOα -aminoácido C-H R
Nitrógeno NH+4
+ H3 N
CO 2
α-Cetoácido Citrulina
Aspartato
Ornitina Ciclo de la urea
Arginino succinato
Ciclo de Krebs
UREA
Oxaloacetato
Malato Arginina
Fumarato
Aproximadamente la mitad de todos los grupos amino excretados en forma de urea, deben pasar forzosamente a través de la rección de la aspartato aminotransferasa.
Los aminoácidos estándar entran al ciclo de Krebs para ser oxidados. Alanina Cisteína Glicina Serina Triptófano Treonina
Piruvato
Isoleucina Leucina Triptófano Treonina
Acetil-CoA CO 2
Acetoacetil-CoA Asparagina Aspartato Aspartato Fenilalanina Tirosina
Citrato
Oxaloacetato
Fumarato
Ciclo de Krebs
Leucina Lisina Fenilalanina Triptófano Tirosina
Isocitrato
CO Succinil-CoA
Isoleucina Metionina Valina Treonina
α-Cetoglutarato
CO 2
2
Glutamato Arginina Histidina Glutamina Prolina
Los aminoácidos estándar pueden convertirse en glucosa y en cuerpos cetónicos Alanina Cisteína Glicina Serina Triptófano
Piruvato
Leucina Isoleucina Triptófano
Acetil-CoA
Glucosa
Asparagina Aspartato Tirosina Fenilalanina
Acetoacetil-CoA Citrato
Oxaloacetato
Fumarato
Ciclo de Krebs
Isocitrato
Cuerpos cetónicos Succinil-CoA
Metionina Valina Treonina Isoleucina
Leucina Lisina Tirosina Fenilalanina Triptófano
α-Cetoglutarato
Glutamato
El ayuno conduce al catabolismo de aminoácidos glucogénicos.
Arginina Histidina Glutamina Prolina
¿Cómo los rumiantes producen proteína de alta calidad?
Rumen UREA
Proteína del alimento
M O
Proteína indigestible
Péptidos Aminoácidos NH3
UREA
Hígado La digestión proteica depende de la masticación, HCl abomasal y la presencia de enzimas intestinales ( pepsina, tripsina, quimiotripsina carboxipeptidasa aminopeptidasa).
Ciclo del nitrógeno entre los órganos del rumiante
UREA excretada
Hígado Glándulas salivales
Riñón
UREA UREA
UREA
NH3
UREA
Aminoácidos UREA
UREA
UREA
Glutamina NH+4
NH3
Ureasa NH+4
Músculo esquelético Menos del 40 % de la urea sintetizada en el ciclo de la urea proviene del catabolismo proteico Rumen
CO2
Mas del 60 % de la urea sintetizada en el ciclo de la urea proviene del amoníaco ruminal
Carnívoros vs rumiantes La dieta de los carnivoros (gato), es pobre en glúcidos y rica en proteínas. Los requerimientos de glucosa no son menores que en otras especies.
Necesita sintetizar glucosa a partir de aminoácidos. En los rumiantes la mayoría de los glúcidos son fermentados y digeridos como AGV a través del rumen.
Necesita sintetizar glucosa a partir de aminoácidos. En todas las especies la desaminación de los aminoácidos provenientes de una dieta rica en proteínas, es fundamental para el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa (vía neoglucogénesis).
En los carnívoros la urea producida del catabolismo nitrogenado, es enteramente desechada. En los rumiantes la urea endógena puede ser utilizada para la síntesis de proteínas desde los preestómagos.
Resumen La oxidación de aminoácidos ocurre en tres estadios metabólicos diferentes: Recambio proteico, Exceso de aminoácidos en la dieta e Inanición. La oxidación de los aminoácidos contribuye de manera significativa a la generación de energía. La transaminación, es la transferencia de grupos amino desde un α-aminoácido a un α-cetoácido. La desaminación de los aminoácidos, es la eliminación enzimática de sus grupos amino. El glutamato, glutamina y la alanina liberan amoníaco en el hígado. El amoníaco depositado en las mitocondrias del hígado, se convierte en urea mediante el ciclo de la urea. El ciclo de la urea y el ciclo de Krebs pueden conectarse, lo que disminuye el costo energético (ATP) de eliminar el amoníaco. Los aminoácidos glucogénicos son de gran importancia para los carnívoros y los rumiantes ya que colaboran la homeostásis de la glucosa sanguinea. Los carnívoros eliminan toda la urea, mientras que en los rumiantes puede ser utilizada para la síntesis de proteínas por los microorganismos ruminales.
Bibliografía Lehninger, Nelson & Cox; Oxidación de aminoácidos y producción de urea; Principios de Bioquímica; Omega 3ra Edición, 2001; Cap. 18, Pag. 624-656. Voet & Voet; Amino Acid Metabolism; Biochemistry; Wiley & Sons Inc. 2da Edición, 1995; Cap 24, Pag. 727-783. Stryer; Degradación de aminoácidos y ciclo de la urea; Bioquímica; Editorial Reverté 4ta Edición, 1995; Cap. 25, Pag. 629-652. Mathews & van Holde; Metabolismo de los compuestos nitrogenados: principios de lña biosíntesis, la utilización y el recambio; Bioquímica; McGrawHill, Interamericana 2da Edición, 1998; Cap.20, Pag 772-814. Case, Carey, Hirakama; Proteínas y aminoácidos; Nutrición canina y felina; Harcourt Brace, 1997; Cap.12, Pag. 99-114. Cunninham; Digestión: procesos fermentativos, Utilización de los nutrientes después de su absorción; McGraw-Hill, 2da edición, 1997; Cap. 30 y 31, Pag. 373406 y 407-431.
A. Sirio, I. Tebot; Fisiología metabólica de los rumiantes; Departamento de Fisiología, UDELAR, Facultad de Veterinaria; 2000.