5. Metab. de aminoácidos - Laboratorio de Enzimología

Metabolismo
de
Aminoácidos
Catabolismo
Beatriz Alvarez
Laboratorio de Enzimología
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
Repaso
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.
El primer paso en el catabolismo de los aminoácidos
suele ser la remoción de los grupos amino.
TRANSAMINACIÓN
Los grupos amino se transfieren de un aminoácido a un alfacetoácido 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
fosfato como grupo
prostético.
El piridoxal fosfato deriva
de la vitamina B6.
Glutamato deshidrogenasa
El glutamato recluta grupos amino. En el hígado
se libera amonio gracias a la glutamato
deshidrogenasa. Éste va al ciclo de la urea.
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 y el riñón.
Glutaminasa
El hígado y el ríñón tienen glutaminasa, enzima mitocondrial
que libera el amonio.
glutamina + H2O → glutamato + NH3
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.
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
carbohidratos 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
Catabolismo
de glutamina
y glutamato
La glutamina y
el glutamato se
convierten en
alfacetoglutarato
Catabolismo de prolina
La prolina también se
convierte en alfacetoglutarato.
Participa el glutamato
gama-semialdehído
como intermediario.
Catabolismo
de arginina
La arginina
rinde alfacetoglutarato
... y la histidina también rinde alfa-cetoglutarato...
...en una vía en la cual
participa el folato...
Catabolismo de
asparagina y aspartato
De la asparagina y el
aspartato se obtiene
oxalacetato.
Del aspartato también se obtiene fumarato en el
ciclo de la urea y en el ciclo de los nucleótidos de
purina.
Catabolismo de la alanina
La alanina se convierte en piruvato
Participa en el ciclo de la glucosa alanina
Catabolismo de serina
La serina puede convertirse en piruvato con la
serina deshidratasa, que remueve el hidroxilo y el
amino.
La serina también puede convertirse en glicina.
La enzima utiliza PLP y tetrahidrofolato,
generando metilentetrahidrofolato.
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
La glicina se convierte en serina o en CO2 y
NH4+. El complejo de clivaje de glicina utiliza
tetrahidrofolato y PLP.
PLP
PLP
La glicina puede convertirse también en
glioxilato por transaminación o con una Daminoácido oxidasa.
O
H2C
NH3+
Glicina
O
O
O
O
O
O
H
Glioxilato
O
O
Oxalato
El glioxilato puede oxidarse para dar oxalato.
Éste puede formar sales de calcio insolubles en
los cálculos renales.
La metionina forma cisteina y α-cetobutirato
Importante nudo metabólico (folato, B12, PLP, SAM, homocisteína)
B12
PLP
PLP
Aumentos en
homocisteína
constituyen
factor de
riesgo
cardiovascular
El catabolismo de metionina comienza por la síntesis de
S-adenosilmetionina
+
+
El sulfonio activado de la S-adenosilmetionina es un excelente dador de
metilos a oxígenos o nitrógenos de diferentes moléculas.
Al transferir el metilo via metiltransferasas, SAM forma homocisteína.
Más de 35 reacciones requieren SAM en humanos. Por ejemplo:
Precursor
Guanidinoacetato
Nucleótidos (ADN y ARN)
Norepinefrina
Fosfatidiletanolamina
Acetilserotonina
Producto metilado
Creatina
Nucleótidos metilados
Epinefrina
Fosfatidilcolina
Melatonina
Además de ser un agente
metilante, la Sadenosilmetionina es
precursora de poliaminas,
luego de decarboxilarse.
+
SAM
Poliaminas
al inicio de la
replicación del ADN,
aumenta la
concentración de
ornitina decarboxilasa
son catiónicas
se unen al ADN
derivan de arginina
y metionina
Catabolismo de cisteína
La cisteína es oxidada a expensas de O2
formando cisteínsulfinato, el cual rinde piruvato
y sulfato como productos finales.
El sulfato puede excretarse en la orina o utilizarse en la
formación de 3’-fosfoadenosina-5’-fosfosulfato (PAPS),
que se utiliza para la transferencia de sulfato a
moléculas biológicas como los glicoesfingolípidos.
Un importante destino de la cisteína es la
taurina (+H3NCH2CH2SO3-), que forma parte del
taurocolato de las sales biliares.
Otro importante destino de la cisteína es el
glutatión o γ-glutamilcisteinilglicina.
Síntesis de glutatión
FUNCIONES DEL GLUTATIÓN
concentración intracelular: 5-10 mM
mantiene los tioles o sulfhidrilos proteicos reducidos
sustrato de la glutarredoxina en la síntesis de
desoxirribonuclétodos
detoxificador de peróxidos y otras especies reactivas
del oxígeno y del nitrógeno
2 GSH + H2O2
GSSG + H2O
glutatión peroxidasa, selenoenzima
GSSG + NADPH
NADP+ + 2 GSH
glutatión reductasa
se conjuga con diferentes moléculas (xenobióticos)
para aumentar su solubilidad
La fenilalanina y la tirosina rinden fumarato y acetil-CoA
El proceso comienza con la fenilalanina hidroxilasa
La tetrahidrobiopterina no proviene de una vitamina,
puede sintetizarse a partir de GTP.
Las deficiencias genéticas en la fenilalanina
hidroxilasa llevan a la fenilcetonuria
Retardo mental.
Herencia autosómica recesiva, 1 en 15000 nacimientos.
La acumulación de fenilalanina depleta de α-cetoglutarato por
transaminación. Esto 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.
Debido a los fenilcetonúricos, las bebidas con
aspartamo (L-aspartil-L-fenilalanina metil éster) tienen
el rótulo "contienen fenilalanina".
Las deficiencias en la homogentisato dioxigenasa causan la alcaptonuria, en
que la orina se vuelve negra por la oxidación del metabolito a un producto
similar a la melanina.
La alcaptonuria por deficiencia de
homogentisato dioxigenasa ilustra el concepto
de:
Errores innatos del metabolismo
Archibald Garrod
Desórdenes hereditarios causados por defectos
en una enzima específica que resultan en
alteraciones en determinada vía metabólica.
Errores innatos del metabolismo
Archibald Garrod (1857-1936)
Fue el primero en conectar una
enfermedad con las leyes de Mendel
y con una alteración metabólica.
Propuso el concepto de "errores
innatos del metabolismo".
Sus observaciones se refirieron
inicialmente a la enfermedad
alcaptonuria.
Hoy en día, se conocen centenas de
desórdenes de este tipo.
Todas las enzimas marcadas con rojo originan errores innatos del
metabolismo, incluida la fenilcetonuria.
La
metionina,
la valina,
la treonina
y la
isoleucina
rinden
propionilCoA
El propionil-CoA proviene
de la degradación de la
metionina, isoleucina,
valina, treonina, ácidos
grasos de cadena impar y
cadena lateral del
colesterol.
Es convertido en succinilCoA por la propionil-CoA
carboxilasa (biotina), la
epimerasa y la metilmalonilCoA mutasa (B12)
Deficiencias en las enzimas de la diapositiva
anterior, así como en el metabolismo de B12,
pueden contribuir a cetoacidosis y, en casos
raros, a enfermedades graves.
Metilmalonil-CoA mutasa
La acidemia metilmalónica por deficiencia de
metilmalonil-CoA mutasa es otro error innato del
metabolismo
B12
CULPABLE O INOCENTE?
La historia de Patricia Stallings
En 1989, en Missouri, EEUU, Patricia Stallings le da la mamadera a su bebé
Ryan. Como el bebé se enferma, vomita y está letárgico, lo lleva al hospital.
Al bebé le hacen análisis y detectan etilenglicol en su sangre, un componente
de los anticongelantes. Como el médico sospecha que Patricia quiso envenar
al bebé, los separan y ponen al bebé a cargo de otra familia.
Tres meses más tarde, Patrica visita a su bebé y le da una mamadera. Días
más tarde, el bebé se muere y Patricia es arrestada y encontrada culpable.
Argumentan haber encontrado trazas de etilenglicol en la mamadera.
Sin embargo, en el momento de ser arrestada, Patricia estaba embarazada de
otro bebé. Luego de nacer, al bebé le encuentran la enfermedad acidemia
metilmalónica.
Los bioquímicos de la Universidad de St. Louis se interesan por el caso y
analizan la sangre de Ryan. Encuentran altas concentraciones de ácido
metilmalónico, un producto del catabolismo de isoleucina y valina, así como
altas concentraciones de cuerpos cetónicos. No encontraron etilenglicol.
Reanalizando los datos iniciales, ven que los laboratorios habían atribuido
etilenglicol a componentes desconocidos.
Patricia Stallings fue liberada.
Los aminoácidos de cadena ramificada (valina,
isoleucina y leucina) son degradados
principalmente en el músculo, en la mitocondria.
Su oxidación permite obtener mucha energía.
Participan una transaminasa y un complejo αcetoácido deshidrogenasa similar a los complejos
de piruvato y alfa-cetoglutarato deshidrogenasa
(TPP, FAD, NAD, lipoato, CoA).
Esta deshidrogenasa para los α-cetoácidos de
cadena ramificada falla en la enfermedad de
la “orina del jarabe de arce (maple syrup)”.
La valina y la isoleucina forman propionilCoA, y éste succinil-CoA.
La leucina forma β-hidroxi-β-metilglutarilCoA (HMGCoA). Éste es un intermediario
de la síntesis de esteroides en el citosol,
pero la degradación de aminoácidos ocurre
en la mitocondria y las reservas no se
mezclan.
La leucina
es
totalmente
cetogénica
La lisina es
totalmente
cetogénica
Del
triptofano se
obtiene
acetil-CoA y
piruvato.
Parte de los
metabolitos
pueden ser
desviados
hacia la
formación de
nicotinato,
precursor de
NAD(P).
El primer paso en la degradación del triptofano es
catalizado por una enzima hepática, la triptofano
dioxigenasa.
Los dos átomos de oxígeno (O2) se incorporan al
sustrato.
La enzima tiene un grupo hemo.
Concentración plasmática de aminoácidos determinada
en una persona sana, en reposo y durante ejercicio
físico intenso
A m inoácido Reposo E jercicio
ND: no determinado
A lanina
A rginina
A spartato
Cistina
Fenilalanina
G lutam ato
G lutam ina
G licina
Histidina
Isoleucina
Leucina
Lisina
M etionina
P rolina
S erina
Treonina
Tirosina
V alina
(µM )
313
82
14
57
55
91
520
209
88
66
128
174
27
177
113
83
51
215
(µM )
378
85
13
ND
54
94
ND
203
90
56
105
172
26
ND
112
80
55
174
Conversión de aminoácidos
a productos especializados
Moléculas derivadas de aminoácidos
Dopamina, norepinefrina y
epinefrina
Etanolamina, colina,
acetilcolina y betaína
Melanina
Creatina
Glutatión
Óxido nítrico
Poliaminas
Selenocisteína
Esfingosina
Serotonina
Melatonina
Histamina
Hormonas tiroideas
S-adenosilmetionina
Carnitina
Porfirinas
γ-aminobutirato (GABA)
Coenzima A
NAD (en parte)
Taurina
Carnosina
Varias aminas de importancia biológica se
producen a partir de aminoácidos por
descarboxilación
triptofano
dopamina
norepinefrina
adrenalina
γ-aminobutirato
(GABA)
serotonina
histidina
histamina
ornitina
poliaminas
tirosina
glutamato
Catecolaminas
Derivan de la tirosina
Su nombre promueve del catecol
HO
HO
Dopamina
sistema nervioso central
(Sustancia Nigra)
Noradrenalina
principal neurotransmisor
de sistema simpático
posganglionar
Adrenalina
médula suprarrenal
Síntesis
Primero se hidroxila
la tirosina a dopa con
una enzima similar a
la fenilalanina
hidroxilasa que utiliza
tetrahidrobiopterina.
Luego se
descarboxila la dopa
a dopamina con una
descarboxilasa que
utiliza PLP.
En la médula
adrenal, la
dopamina se
hidroxila a
norepinefrina
(noradrenalina) y se
metila a expensas
de AdoMet (SAM).
Luego de la síntesis,se
empaquetan en
vesículas.
Parkinson
degeneración de sustancia nigra y locus
coeruleus del cerebro
temblores
inducida por consumo de la droga MPTP
(metilfeniltetrahidropiridina)
disminución de la dopamina secretada
mejoría con la administración de análogos de
DOPA
Epinefrina o adrenalina
Ante una situación de estrés, una neurona
acetilcolinérgica promueve la liberación de calcio
intracelular a nivel de la médula adrenal y activa la
liberación de los gránulos cromafines. La adrenalina
se libera al torrente sanguíneo.
"pelear o
salir volando"
Las catecolaminas se unen a dos tipos de
receptores, los receptores α- y β-adrenérgicos.
Los receptores adrenérgicos son clásicos
receptores serpentina que acoplan con
proteínas G intracelulares.
Receptores α1
Abren canales de Ca2+
Receptores α2
Se une a Gi, inhibe a la
adenilato ciclasa
Receptores β1
Activan a Gs, activando a la
adenilato ciclasa
Receptores β2
Activan a Gs, activando a
la adenilato ciclasa
EFECTOS METABÓLICOS DE LA ADRENALINA
Hígado (β2):
↑ Glucogenolisis, ↓ glucogenogénesis
↑ Gluconeogénesis
Músculo (β2):
↑ Glucogenólisis, ↓ glucogenogénesis
↑ Glucolisis
Tejido Adiposo (β1):
↑ Lipólisis
↑ glucagón, ↓ insulina
OTROS EFECTOS FISIOLÓGICOS
Músculo liso vascular
Vasos de músculo esquelético (β2): Relajación
Vasos de piel, ap. digestivo (α1y α2): Contracción
Músculo liso bronquial (β2): Relajación
Miocardio (β1)
↑ Frecuencia card
↑ Fuerza contractil
En respuesta al estrés, la corteza suprarrenal
secreta glucocorticoides como el cortisol, una
hormona esteroidea que induce la enzima
feniletanolamina N-metiltransferasa (enzima
que cataliza la conversión de noradrenalina a
adrenalina)
Catabolismo de catecolaminas
Adrenalina
O2
H2O
Noradrenalina
COMT (AdoMet)
MAO
OH O
H3CO
OH
C
C OH
H
Ac. Vanillilmandélico
(Ac. hidroxiindolacético)
O2
H2O
catecolamina
O-metil
transferasa
monoamino
oxidasa
los inhibidores
de la MAO se
usan como
antidepresivos
Encuentre usted las diferencias...
Adrenalina
Noradrenalina
Meta anfetamina
Anfetamina
Paréntesis: ¡Es natural!
¿Es seguro consumir suplementos dietarios derivados
de plantas? ¿Té de yuyos? ¿Té de hongos?
“…pero si es natural…”
Muchas plantas tienen componentes bioactivos.
La toxicidad depende de la dosis.
¡Cuidado! La cantidad y calidad de los componentes
bioactivos de los suplementos derivados de plantas no
está controlada y puede ser muy variable.
El caso de la Ephedra
La Ephedra es una planta históricamente utilizada en la medicina tradicional
china para el tratamiento del asma y las alergias.
Los suplementos dietarios derivados de la Ephedra se comenzaron a utilizar
ampliamente en todo el mundo para mejorar los tratamientos de
adelgazamiento y el rendimiento deportivo.
La Ephedra tiene el alcaloide efedrina, un estimulante que actúa a nivel de los
receptores adrenérgicos.
Causa una serie de efectos negativos, desde insomnio y palpitaciones a
ataques cardíacos y cerebrales.
OH
En el 2004, la Administración de Drogas y
Alimentos (FDA) de los Estados Unidos prohibió la
venta de suplementos dietéticos derivados de
Ephedra.
El uso de efedrina está prohibido en el deporte.
Maradona dio positivo en el mundial de 1994
(Estados Unidos) y fue expulsado.
H
N
efedrina
OH
HO
OH
H
N
epinefrina
o
adrenalina
Histamina
Síntesis:
terminales nerviosas
células enterocromafines de la pared gástica
EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LA HISTAMINA
A nivel gástrico
Estimula la secreción de HCl
SNC
Neurotransmisor
Sitio de Inflamación
Vasodilatación
se libera en
grandes
cantidades en la
respuesta alérgica
cimetidina: antagonista de receptores
gástricos H2
se utiliza para tratar úlceras pépticas
Serotonina (5hidroxitriptamina)
Se sintetiza a partir de
triptofano en el sistema
nervioso central y también
en varios otros tejidos
(plaquetas y tracto
gastrointestinal)
La serotonina interacciona con receptores
específicos. La mayoría de los receptores
están acoplados a proteínas G que afectan las
actividades de adenilato ciclasa o fosfolipasa
Cγ. Uno de los receptores es un canal iónico.
A nivel del sistema nervioso
central, las neuronas
serotoninérgicas recapturan la
serotonina liberada en las
sinapsis a través de un sistema
de recaptación (uptake) activo.
"lava tu tristeza"
La función del antidepresivo
Prozac es inhibir el proceso de
recaptación, lo cual prolonga la
vida media de la serotonina
espacio intersináptico.
La melatonina se produce en la glándula pineal y en la retina,
que tienen la enzima N-acetiltransferasa necesaria. Aumenta
la síntesis en la oscuridad y disminuye durante el día. Induce
el sueño y regula el ritmo circadiano.
Ácido γ-aminobutírico (GABA)
Síntesis
Sistema nervioso central
A partir de glutamato
(glutamato decarboxilasa)
Glutamato
Función
Neurotransmisor inhibitorio
El receptor es un canal aniónico
PLP
CO2
GABA
Óxido nítrico (.NO)
¡un radical libre mensajero celular!
Se sintetiza a partir de la arginina con la enzima óxido
nítrico sintasa
Premio Nobel 1998 a Furchgott, Murad e Ignarro
Ignarro visitó dos veces Uruguay
Mensajero celular
Factor de relajación vascular derivado del endotelio
Nitritos (nitroglicerina) y sildenafil (viagra)
Inmunomodulador y neurotrasmisor
Creatina
Amortiguador de energía en el músculo esquelético.
En una carrera de 100 m, en los primeros 4 segundos
se utiliza la fosfocreatina para regenerar el ATP.
fosfocreatina + ADP + H+
creatina + ATP
Deriva de glicina, arginina y metionina (AdoMet).
Forma espontáneamente creatinina, la cual se excreta
en la orina en cantidades constantes que dependen de
la masa muscular corporal. La creatinina se utiliza para
normalizar los valores de metabolitos en la orina, así
como indicador de la función renal.