Metabolismo de los Compuestos Nitrogenados

Introducción

El Nitrógeno (N) junto a otros elementos, como Carbono, Oxigeno e Hidrogeno participan en la constitución

de las moléculas orgánicas fundamentales de la materia viva. Entre los compuestos constituyentes del organismo, el N forma parte de un grupo de compuestos orgánicos de gran jerarquía biológica a los cuales están asignadas funciones muy importantes, como lo son las proteínas y los nucleótidos. Este elemento constituye por sí solo el 3% del peso corporal.

En la atmósfera, el N molecular (N2), es muy abundante. Esta molécula es casi no reactiva o inerte debido a su triple enlace que la estabiliza. Antes de poder ser utilizado por los animales, el N atmosférico debe ser "fijado" mediante una cadena de reacciones. En primer lugar el nitrógeno debe ser reducido de N2 a NH3 (amoniaco) en un proceso llamado amonificación, llevado a cabo por microorganismos y descargas eléctricas en la naturaleza. Posteriormente, el NH3 es oxidado a nitritos y nitratos (NO2- y NO4=) por bacterias saprofitas, proceso llamado nitrificación. En el suelo, estas formas oxidadas son "asimiladas" por los vegetales incorporando el N a estructuras biológicas, los aminoácidos, proteínas y demás compuestos; de ésta manera este elemento pasa a formar parte de la cadena alimentaria, en la cual el ser humano es un eslabón más.

El estudio del metabolismo de los compuestos nitrogenados dentro del organismo comprende uno de los grandes temas de la Bioquímica. En esta guía nos ocuparemos en forma práctica, por un lado del metabolismo de las proteínas y los aminoácidos; y por otro del metabolismo de nucleótidos

• EQUILIBRIO NITROGENADO

En el ser humano, la principal fuente de sustancias nitrogenadas son las proteínas de la dieta. Como estos compuestos, a diferencia de carbohidratos y grasas, no se almacenan como reserva, los niveles en las células se regulan por el equilibrio entre anabolismo y catabolismo, es decir un balance entre biosíntesis y degradación de proteínas, a lo que también se conoce como recambio normal de proteínas. Por tanto, un adulto sano que ingiere una dieta variada y completa se encuentra generalmente en situación de "equilibrio nitrogenado", un estado en el que la cantidad de nitrógeno ingerida cada día es equilibrada por la cantidad excretada por heces, orina y sudor, sin que se produzca ningún cambio neto en la cantidad de nitrógeno del organismo. Sin embargo, en ciertas condiciones, el organismo se halla en equilibrio nitrogenado negativo o positivo (Cuadro 1).

En la situación de equilibrio nitrogenado negativo se excreta mayor cantidad de nitrógeno del que se ingiere. Esto tiene lugar en la inanición, la desnutrición proteica y en ciertas enfermedades que cursan con catabolismo aumentado. Durante la inanición prolongada las cadenas carbonadas de los aminoácidos son necesarias para la gluconeogénesis; el amoniaco (nitrógeno) liberado de los aminoácidos es excretado principalmente en forma de urea y o se reincorpora a las proteínas. También puede darse un equilibrio negativo durante la vejez, la fiebre severa, proteólisis de la diabetes no controlada y, de gran importancia médica, en neoplasias, donde el catabolismo se encuentra exacerbado. En el otro extremo, puede hallarse equilibrio nitrogenado positivo cuando lo ingerido supera a lo excretado, tal caso se da en niños en edad de crecimiento, puesto que están aumentando su peso corporal e incorporando más aminoácidos en las proteínas somáticas. Puede darse equilibrio nitrogenado positivo durante el embarazo y durante la alimentación post-inanición.

La determinación del balance de nitrógeno en un paciente es un parámetro bastante eficaz para establecer catabolismo, deficiencias o excesos de proteínas en su dieta y conocer, junto a otros indicadores, su estado nutricional.

Metabolismo de proteínas y aminoácidos

• ALIMENTACIÓN, DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN

• Requerimiento de proteínas. Las proteínas dietarías deben proveer los aminoácidos necesarios para mantener el balance nitrogenado. Un adulto debe incorporarse 0.8gr de proteínas por kg de peso corporal por día. En embarazadas deben adicionarse al requerimiento para un adulto 30gr por día durante toda la gestación. Durante la lactancia debe agregarse 20gr por día para cubrir la necesidad de síntesis de proteínas de la leche. Lactantes menores de 1 año deben recibir 2gr/kg/día, niños de 1 a 10 años 1.2gr/kg/día y adolescentes 1gr/kg/día. En todos los grupos de edades el requerimiento aumenta ante procesos que acrecienten el catabolismo.

• Alimentos ricos en proteínas. Entre estos tenemos a los de origen animal: carnes, huevos y leche; y a los de origen vegetal, donde la soja ocupa el primer lugar en contenido proteico, seguida por los cereales. Los alimentos de origen animal son también llamados alimentos con proteínas de alto valor biológico, debido a que contienen gran cantidad de aminoácidos que el cuerpo requiere en forma indispensable por no poder sintetizarlos (esenciales); por el contrario, las proteínas aportadas por la soja, por ejemplo, son de muy bajo valor biológico por su bajo contenido en aminoácidos esenciales.

Una alimentación pobre en proteínas es la causa más frecuente de desnutrición. Los cuadros más serios de malnutrición proteica son el kwashiorkor, observado en niños con dietas pobres en proteínas de buen valor biológico y dietas ricas en carbohidratos, caracterizado por retardo del crecimiento, abdomen globoso, disminución de albúmina en plasma, anemia y hepatomegalia; y el marasmo, producido por déficit crónico de proteínas y calorías en la dieta, con pérdida del tejido graso y gran parte de la masa muscular en un proceso de consumición severo.

• Digestión. La hidrólisis de las proteínas de los alimentos se inicia en el estómago. Aquí la pepsina, una endopeptidasa secretada como pepsinógeno por las células parietales de la mucosa gástrica, escinde las proteínas en segmentos de menor peso molecular. Estos pasan al duodeno donde se encuentran tres endopeptidasas: tripsina, quimiotripsina y elastasa del jugo pancreático, que los degradan en trozos menores, del tipo polipéptidos. Hasta aquí no se han producido aminoácidos libres; estos comienzan a aparecer gracias a la acción de dos exopeptidasas que van atacando los péptidos desde sus extremos. La carboxipeptidasa, de origen pancreático, y la aminopeptidasa intestinal. Finalmente quedan tri- y dipéptidos, cuya hidrólisis es catalizada por tripeptidasas y dipeptidasas del borde en sepillo del intestino. De esta manera, las proteínas de la dieta son degradadas hasta aminoácidos libres, di- y tripéptidos.

• Absorción. Los productos finales de la digestión de proteínas son incorporados a los enterocitos utilizando distintos mecanismos. Un grupo de aminoácidos libres se incorporan por un cotransporte activo estereoespecífico. El proceso es similar al de absorción de la glucosa. Se trata de un cotransporte con Na+, dependiente del funcionamiento de la Bomba Na+/K+ ATPasa. Este sistema es utilizado por los aminoácidos neutros, aromático, alifáticos, fenilalanina, metionina, aminoácidos ácidos y prolina. Un grupo menor de aminoácidos (básicos y neutros hidrófobos) ingresan a la célula por difusión facilitada (Na+ independiente).

Por otro lado, los di- y tripeptidos son transportados por sistemas propios que dependen del gradiente químico del Na+ y una vez dentro de la célula son escindidos a aminoácidos libres por peptidasas intracelulares. Los aminoácidos liberados en el citoplasma pasan luego al intersticio y a los capilares sanguíneos por difusión facilitada. Una vez en el torrente sanguíneo portal, los aminoácidos ramificados son deportados preferentemente al músculo mientras que los no ramificados se dirigen al hígado (Figura 1).

En condición normal solo llegan a la sangre aminoácidos libres; sin embargo, se dan algunas situaciones fisiológicas y patológicas en las cuales debe aceptarse la posibilidad de la absorción de proteínas enteras o trozos moleculares de gran tamaño. Esto explicaría el mecanismo de la enfermedad celíaca, en la cual existe un defecto de la mucosa que posibilita la absorción de polipéptidos (gliadina) resultantes de la digestión del gluten, la principal proteína del trigo, avena, centeno y cebada. Se produce intolerancia a dicha proteína, determinando un cuadro clínico muy severo.

Figura 1. Esquema de la absorción de aminoácidos (AA) en intestino. 1. Co-transporte estereoespecífico (transporte activo secundario Na+ dependiente). 2a. Difusión facilitada sistema y+ (aminoácidos básicos). 2b. Difusión facilitada sistema L (aminoácidos neutros hidrófobos). 3. Transportadores de di- y tripéptidos Na+ dependiente.

• AMINOÁCIDOS ESENCIALES Y NO ESENCIALES.

El hombre solo puede sintetizar 11 de los 20 a-aminoácidos necesarios para la síntesis de proteínas. Aquellos aminoácidos que no pueden ser sintetizados por el organismo se denominan "esenciales", ya que deben obtenerse de los alimentos de la dieta que los contienen (Cuadro 2). Cuadro 2.

• METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS.

Los aminoácidos introducidos por la dieta (exógenos) se mezclan con aquellos liberados en la degradación de proteínas endógenas y con los que son sintetizados de novo. Estos aminoácidos se encuentran circulando en sangre y distribuidos en todo el organismo sin que exista separación alguna entre aminoácidos de diferente origen. Existe, de esta manera, un conjunto de estos compuestos libres en toda la circulación que constituyen un fondo común o "pool de aminoácidos", al cual las células recurre cuando debe sintetizar nuevas proteínas o compuestos relacionados (Figura 2).

El destino más importante de los aminoácidos es su incorporación a cadenas polipeptídicas durante la biosíntesis de proteínas específicas del organismo. En segundo lugar, muchos aminoácidos son utilizados para la síntesis de compuestos nitrogenados no proteicos de importancia funcional. Finalmente los aminoácidos en exceso, como no pueden almacenarse, son eliminados por orina o bien se utilizan principalmente con fines energéticos. En éste caso sufren primero la pérdida de la función amina, lo cual deja libre el esqueleto carbonado. El grupo nitrogenado que se desprende como amoníaco, es eliminado en el ser humano principalmente como urea. Las cadenas carbonadas siguen diferentes rutas, que las llevan a alimentar el ciclo del ácido cítrico o de Krebs para oxidarse completamente en él hasta CO2 y H2O y producir energía. Alternativamente, dichas cadenas pueden ser derivadas a las vías de gluconeogénesis (aminoácidos glucogénicos) o de síntesis de ácidos grasos o cuerpos cetónicos (aminoácidos cetogénicos). En la figura 2 se esquematiza lo expuesto.

• CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS.

La degradación de aminoácidos si inicia generalmente con la separación de su grupo a-amino (desaminación). Luego el resto nitrogenado seguirá un camino distinto del que tomará la cadena carbonada. Antes de la degradación los aminoácidos se interconvierten entre ellos, transfiriendo el grupo amino de una esqueleto carbonado a otro (transaminación).

Figura 2. Metabolismo de los aminoácidos en el organismo. Opciones metabólicas de los aminoácidos y de los esqueletos carbonados y grupo amino constituyente.

• REACCIÓN DE TRANSAMINACIÓN:

La reaccion de transaminacion comprende la transferencia de un grupo ƒ¿-amino de un aminoacido a un ƒ¿-cetoacido. El aminoacido se convierte en un cetoacido y el cetoacido aceptor del grupo amina, en el aminoacido correspondiente (Figura 3). Esta transferencia es realizada por las enzimas aminotransferasas o también llamadas transaminasas. Mientras que la mayoria de los aminoácidos sufren transaminacion, existen algunas excepciones: lisina, treonina, prolina e hidrixiprolina. Puesto que las transaminaciones son libremente reversibles, las transaminasas pueden funcionar tanto en el catabolismo como en la biosintesis de aminoacidos. Las reacciones que involucran aminoacidos esenciales son mayormente unidireccionales, puesto que el organismo no puede sintetizar el ƒ¿-cetoacido esencial, pudiendo existir pequenas cantidades de estos provenientes de la dieta. A modo de ejemplo puede verse lo que sucede con la valina, la cual al ser metabolizada da a-cetoisovalerato, este a continuación es rápidamente convertido en succinil-CoA y utilizado como energía en el ciclo de Krebs, sin posibilidad de volver a transaminarse.

Las transaminasas catalizan una reacción bimloécular, donde el par aminoácido/a-cetoácido, formado por el L-glutamato y el a-ceto-glutarato constituyen un "par obligado

El piridoxal fosfato se localiza en el sitio activo de todas las transaminasas. Este es una coenzima derivado de la piridoxamina (vitamina B6), la cual cumple una importante función en el metabolismo de los aminoácidos. En todos los casos, la coenzima forma con el aminoácido un compuesto intermediario, uniéndose a éste por un enlace –CH=N–, denominado Base de Schiff. Intervienen además interacciones iónicas e hidrófobas para estabilizar el complejo. El piridoxal fosfato actúa como aceptor transitorio y transportador del grupo amina en el proceso de transferencia de la transaminación. Por otro lado, las aminotransferasas tienen la función de "guiar" la reacción en un determinado sentido y asegurar selectivamente la naturaleza del cambio a producir. Así tenemos que la reacción de cada par aminoácido/a-cetoácido es catalizada por una enzima especifica, cuyo nombre deriva de los compuestos participantes en la transferencia: ejemplos de ello son la glutámico oxalacético transaminasa (GOT), también llamada aspartato amintransferasa (AST), forma oxalacetato y glutamato a partir de aspartato y a-cetoglutarato. La glutámico piruvato transaminasa (GPT) o alanina amintransferasa (ALT), produce piruvato, utilizando el par obligado y alanina.

A propósito de estas dos enzimas, son particularmente abundantes en hígado, músculo y corazón, razón por la cual en ciertos procesos patológicos que afectan a estos órganos, produciendo una injuria tisular y liberación de estas enzimas desde sus compartimentos celulares, se produce un aumento de sus concentraciones en plasma, lo cual se utiliza para diagnóstico y pronostico. Como ejemplo podemos ver que el aumento de GOT en plasma es señal de injuria hepática severa. Algo similar ocurre con el daño del miocardio, dando se produce un aumento de ambas transaminasas en apenas 6 horas luego de un infarto agudo, permaneciendo elevadas durante varios días, pasibles de ser dosadas.

• DESAMINACIÓN OXIDATIVA

Teniendo en cuenta los componentes del par obligado, todos los grupos a-amino de los aminoácidos son finalmente transferidos al a-cetoglutarato mediante transaminación, formando L-glutamato. A partir de este aminoácido el grupo nitrogenado puede ser separado por un proceso denominado desaminación oxidativa, una reacción catalizada por la L-glutamato deshidrogensas, una enzima omnipresente de los tejidos de mamíferos que utiliza como coenzima NAD+ o NADP+ como oxidante. En la reacción directa, generalmente se utiliza NAD+ y se forma a-cetoglutarato y amoníaco: NH3 (Figura 4); este último, al pH fisiológico del medio se carga con un protón, presentándose casi en su totalidad como ión amonio (NH4+).

La reacción es reversible, por lo que el amonio pude unirse a una a-cetoglutarato para formar glutamato, usando como coenzima NADPH+. Es probable que in vivo la reacción tenga mayormente una dirección hacia la formación de amoníaco. La concentración de amoniaco que sería necesario para que la reacción se desplace hacia la producción de glutamato es tóxica y, en condiciones normales, sería raramente alcanzada, exceptuando la región periportal del hígado, donde llega el amoníaco absorbido en el intestino y transportado al hígado.

Figura 4. Reacción de desaminación oxidativa. Catalizada por Glutamato deshidrogensa. NAD+ y NADP+ participan como cofactores y tanto los nucleótidos trifosfatos (ATP y GTP) como los difosfatos (ADP y GDP) ejercen control como moduladores alostéricos positivos según el sentido de la reacción.

El glutamato forma parte del par obligado de la transaminación de los aminoácidos y por tanto es la "puerta de acceso" (access door) del amoniaco libre a los grupos amino de la mayoría de los aminoácidos; y a la inversa, es la "puerta de salida" (exit door) del nitrógeno de estos compuestos.

El papel predominante de la L-glutamato deshidrogensas en la eliminación del amoniaco queda marcado por su localización preponderante en las mitocondrias del hígado en donde, como veremos más adelante, tienen lugar las reacciones iniciales del ciclo de formación de urea. La enzima se implica también en la producción de amoníaco a partir de aquellos aminoácidos que son requerido para la producción de glucosa o para dar energía cuando se agotan las reservas de otras moléculas: azucares y lípidos. Basándose en esto, la L-glutamato deshidrogensas se regula alostéricamente por los nucleótidos purínicos. Cuando es necesario la oxidación de aminoácidos para la producción de energía, la actividad en la dirección de la degradación del glutamato es incrementada por el ADP y GDP, que son indicadores de un estado de bajo nivel de energía en la célula. El GTP y ATP, indicativos de un nivel de energía alto, son activadores alostéricos en la dirección de la síntesis de glutamato (Cuadro 3).

• TOXICIDAD DEL AMONÍACO

El amoníaco es tóxico y afecta principalmente al sistema nervioso central. La encefalopatía asociada a defectos severos del ciclo de la urea se debe a aumento de amoníaco en sangre y tejidos. Como el hígado es el principal órgano encargado de la eliminación del amoníaco, cuando hay una falla o insuficiencia hepática grave, la amonemia asciende y se produce un cuadro de intoxicación, que pude llevar al coma e incluso la muerte.

Como se mencionó anteriormente, al pH fisiológico de los fluidos del organismo, la casi totalidad, alrededor del 99%, del amoníaco que es una molécula neutra se convierte en ión amonio, el cual no puede atravesar la membranas celulares. Se han postulados diferentes mecanismos que podrían contribuir a la notable toxicidad del amoníaco.

• 1. Acumulación de glutamina. Los niveles de esta sustancia se incrementan notablemente en las hiperamonemias. La acumulación de glutamina en el cerebro, especialmente en astrositos, produce efecto osmótico, aumentando la PIC (presión intracraneana) y dando hipoxia cerebral.

• 2. Inhibición de la lanzadera malato-aspartato. La síntesis exagerada de glutamina reduce los niveles de glutamato, esto inhibe la lanzadera. Se produce aumento de lactato y disminución del pH cerebral.

• 3. Actividad de la glucólisis. El amoníaco estimula la fosfofructoquinasa y con ello la actividad glucolítica. Aumenta el lactato y el valor de la relación NADH/NAD+.

• 4. Inhibición del ciclo de Krebs. El aumento de amoníaco en la mitocondria desvía la reacción de la glutamato deshidrogenasa hacia la aminación de a-cetoglutarato para formar glutamato. Este "drenaje" de uno de los intermediarios del ciclo del ácido cítrico deprime la marcha de esta vía de oxidación, de la cual depende exclusivamente el cerebro para proveerse de energía. El descenso de la concentración de ATP en las neuronas ocasiona graves trastornos en su actividad, lo que conlleva en última instancia a su muerte (Cuadro 4).

• TRANSPORTE DEL AMONÍACO: GLUTAMINA Y ASPARAGINA

Según vimos, el amoníaco libre es tóxico, por lo que en la sangre es transportado preferentemente en forma de grupos amina o amida. El 50% de los aminoácidos circulantes está constituido por glutamina, un transportador de amoníaco. El grupo amida de la glutamina es importante como dador de nitrógeno para varias clases de moléculas entre las que se encuentran las bases purínicas y el grupo amino de la citosina. El glutamato y el amoníaco son el sustrato de la glutamina sintetasa, la cual requiere ATP para la catálisis (Figura 5). Por otro lado, la eliminación del grupo amida es catalizada por la glutaminasa.

Figura 5. Formación y degradación de glutamina. La formación de glutamina es un proceso que demanda gasto de energía a diferencia de su proceso inverso.

El hígado contiene ambas enzimas, situadas en las células del parénquima, en diferentes segmentos de este órgano. La región periportal está en contacto con la sangre que proviene del músculo esquelético y contiene glutaminasa (y las enzimas del ciclo de la urea). Las células del área perivenosa, 5% del parénquima, contienen glutamina sintetasa; la sangre fluye de este lugar hacía el riñón. Este ciclo intercelular de la glutamina puede ser considerado un mecanismo para recoger y eliminar el amoníaco que no ha sido incorporado al ciclo de la urea. El ciclo de la glutamina permite controlar el flujo de amoníaco bien hacia la urea, bien hacia la glutamina, y por tanto hacia la excreción de amoníaco por el riñón en diferentes condiciones de pH.

Una reacción similar a la de la glutaminasa es catalizada por la asparaginasa, que hidroliza la asparagina a aspartato y amoníaco. En su formación, el grupo amida de la asparagina proviene de la glutamina y no del amoníaco libre como en la síntesis de la primera. La asparagina es sintetizada en la mayoría de las células por una asparagina sintetasa dependiente de ATP, cuyos sustratos son aspartato y glutamina; y sus productos asparagina y glutamato. La función de la asparagina es igual a la de la glutamina, pero con menor intensidad, más bien es un refuerzo al ciclo intercelular de la glutamina.

Un transportador de amoniaco extra lo constituye la alanina, la cual, en su ciclo intertisula (ciclo de la alanina), moviliza, no solo su esqueleto carbonado hasta el hígado para que este realice gluconeogenesis, sino también su grupo amino para que sea transaminado a glutamato, posteriormente desminado de este aminoácido y sea convertido en urea.

• BIOSÍNTESIS DE UREA

El metabolismo de los aminoácidos concluye con su catabolismo y formación de sustancias factibles de ser excretadas como lo es la urea. En forma práctica, la biosíntesis de este metabolito final encierra cuatro etapas, incluyendo las reacciones recién tratadas:

1. Transaminación

2. Desaminación oxidativa

3. Transporte de amoníaco

4. Ciclo de la urea.

Estas etapas constituyen el flujo global del nitrógeno en el anfibolismo de los a-aminoácidos, representado en la figura 6.

Figura 6. Flujo global del nitrógeno en el catabolismo de los aminoácidos. Las transaminaciones confluyen el nitrógeno amídico al glutamao, desde el cual se lo extrae (exit door) por desaminación para ser transportado en sangre (amoniaco libre, glutamina, asparagina y alanina) hasta el higado para sintetisar urea y ser excretada luego por el riñon.

• CICLO DE LA UREA

Un hombre que consume 300g de carbohidratos, 100g de grasa y 100g de proteínas diariamente, excreta alrededor de 16,5g de nitrógeno al día: 95% por la orina y 5% por las heces. Para los sujetos que consumen una dieta occidental, la urea sintetizada en el hígado, liberada hacia la circulación y eliminada por los riñones, constituye de 80 a 90% del nitrógeno excretado.

Figura 7. Molécula de urea. Compuesto rico en nitrógeno sintetizado por el hígado.

El ciclo de la urea y el de los ácidos tricarboxílicos (TCA) fueron descubiertos por Sir Hans Krebs y colaboradores. De hecho, el ciclo de la urea fue descrito antes que el ciclo TCA. En los mamíferos terrestres el ciclo de la urea es el mecanismo de elección para la excreción del nitrógeno y se lleva a cabo exclusivamente en el higado. Los dos nitrógenos de cada molécula de urea (Figura 7) provienen de dos fuentes, el amoníaco libre y el grupo amino del aspartato. El ciclo se inicia y finaliza en el aminoácido ornitina. A diferencia del ciclo TCA, en donde los carbonos del oxalacetato al principio son diferentes de los del final, los carbonos de la ornitina final son los mismos que poseía la molécula inicialmente.

Cinco enzimas catalizan las reacciones de éste ciclo. De los seis aminoácidos que participan, solo el N-acetilglutamato funcionan como activador enzimático; los otros actúan como transportadores de los átomos que finalmente se convertirán en urea. En los mamíferos, la principal función de la ornitina, citrulina y argininosuccinato es la síntesis de la urea. Las reacciones del ciclo están bicompartimentalizadas, algunas reacciones se llevan a cabo en la matriz mitocondrial, en tanto que otras ocurren en el citosol (Figura 8). En forma esquemática podemos enumerar las etapas de la biosíntesis de urea de la siguiente manera:

• Inicio de la biosíntesis: Carbomoil fosfato sintetasa I.

La biosíntesis de urea comienza con la condenación de bióxido de carbono, amoníaco y 2 ATP, para formar carbamoil fosfato, reacción catalizada por la carbamoil fosfato sintetasa I (CPSI). En los tejidos humanos existen dos formas de CPS. La carbamoil fosfato sintetasa I, del la síntesis de la urea, es una enzima mitocondrial hepática. La carbamoil fosfato sintetasa II (CPSII), una enzima citisólica que emplea glutamina en vez de amoníaco como donador de nitrógeno, participa en la biosíntesis de pirimidinas.

La CPSI es la enzima limitante de la velocidad, o marcapaso, del ciclo de la urea. Esta enzima reguladora es activa sólo en presencia del activador alostérico N-acetilglutamato, cuya unión induce un cambio conformacional que aumenta la afinidad de la sintetasa por el ATP.

• Formación de citrulina.

La L-ornitina transcarbamoilasa cataliza la transferencia de la porción carbamoil del carbamoil fosfato a un aminoácido ornitna, formando citrulina y ortofosfato. Esta reacción se lleva a cabo en la matriz mitocondrial; la formación del sustrato ornitina y la metabolización subsecuente del producto, citrulina, se lleva a cabo en el citosol. Por tanto la entrada como la salida de ornitina y citrulina de la mitocondria implica la participación de un sistema de transporte situado en la membrana interna de esta organela, formado por un contratransportador citrulina/ornitina.

• Formación de argininosuccinato.

La reacción de la argininosuccinato sintetasa

Une aspartato y citrulina a través del grupo amino del aspartato, y suministra el segundo nitrógeno de la urea. La reacción requiere ATP para formar un intermediario citrulina-AMP y luego, desplazando el AMP por aspartato forma citrulina.

• Formación de arginina y fumarato.

La escisión del argininosuccinato, catalizado por la argininosuccinasa o arginino succinato liasa, retiene nitrógeno en el producto arginina y libera el esqueleto del aspartato como fumarato. La adición de agua al fumarato genera malato, y la oxidación de éste, dependiente de NAD+, forma oxalacetato. Estas dos reacciones, correspondientes a ciclo TCA, se catalizan por la fumarasa y la malato deshidrogenasa citosólicas. La transaminación del oxalacetato con el glutamato forma de nuevo aspartato. El esqueleto carbonado del aspartato/fumarato, actúa como un transportador para el paso del nitrógeno del glutamato a un precursor de la urea.

• Formación de ornitina y urea.

La reacción final del ciclo de la urea, la ruptura hidrolítica de la arginina caltalizada por la arginasa hepática, libera urea. El otro producto, ornitina, reingresa a la mitocondria hepática para ser utilizada nuevamente en el ciclo de la urea. Cantidades menores de arginasa también se encuentran en los tejidos renal, cerebral, mamario, testicular y en la piel. La ornitina y la lisina son inhibidores potentes de la arginasa, y por tanto, compiten con la arginina.

• REGULACIÓN DEL CICLO DE LA UREA

La regulación de la formación de urea se realiza en dos niveles, en la carbamoil fosfato sintetasa I y por inducción enzimática.

La CPSI necesita de forma obligada el activador alostérico N-acetilglutamato. Este compuesto es sintetizado a partir de glutamato y acetil-CoA por la N-acetilglutamato sintetasa, que es activada por la arginina. El acetil-CoA, el glutamato y la arginina son necesarios para suministrar intermediarios o energía (ATP desde el ciclo TCA) al ciclo de la urea, y la presencia de N-acetilglutamato indica que todos ellos están disponibles y en abundancia. Es comprensible que una ruta que controla el nivel de amoníaco en plasma, potencialmente tóxico, y que es además altamente dependiente de energía, esté finamente regulado.

La inducción enzimática del ciclo de la urea (de 10 a 20 veces) tiene lugar cuando aumenta el suministro de amoníaco o aminoácidos al hígado. La concentración de los intermediarios del ciclo también desempeña un papel en su regulación a través de la ley de acción de masa. Una dieta rica en proteínas (exceso de aminoácidos) o la inanición (exceso de amoníaco por utilización de cadenas carbonadas de aminoácidos para obtener energía), tienen como resultado la inducción de las enzimas del ciclo de la urea.

• RELACIÓN DEL CICLO DE LA UREA CON EL CICLO TCA.

Los dos ciclos descriptos por Krebs se relacionan por medio del fumarato, producto de la argininosuccinasa en el ciclo de la urea, este metabolito puede ingresar a la mitocondria y seguir, como vimos, el ciclo TCA, llegando a la formación de oxalacetato, el cual puede seguir tres vías (Figura 9):

• 1. Continuar el TCA para dar energía.

• 2. Dar glucosa, via fosfoenolpiruvato, en la gluconeogenesis.

• 3. Transaminarse con glutamato y dar ƒ¿-cetoglutarato y aspartato; este último es sustrato en el citosol de la argininosuccinato sintetasa, aportando uno de los dos grupos nitrogenados para la formacion de urea.

Figura 9. Relación entre el ciclo TCA y de la urea. Destino del fumarato. 1. Producción de energía, 2. Formación de glucosa y 3. Formación de aspartato.

• DESTINO DE LA UREA

El producto final del metabolismo de los aminoácidos es la urea, esta es r la circulación hasta el riñón para su excreción. Un adulto normal, con una dieta equilibrada elimina alrededor de 25 a 35g de urea diarios por orina, lo cual corresponde al 90% del nitrógeno total excretado por esta vía.

La urea es una sustancia soluble, fácilmente difusible a través de las membranas celulares. Además, es completamente atoxica. Se encuentra en sangre circulante en una concentración de 20 a 40mg/dL (mg por 100ml) o 0,4mM. Este nivel aumenta en caso de insuficiencia renal. Comúnmente se habla de uremia en las situaciones en las cuales la falla de la función renal impide la excreción del metabolito.

• DESTINO DE LOS ESQUELETOS CARBONADOS DE LOS AMINOÁCIDOS

Los estudios sobre nutrición reforzados por las investigaciones mediante aminoácidos marcados con isótopos establecieron la interconversión de los átomos de grasa, carbohidratos y proteínas, y pusieron de manifiesto que la totalidad, o una porción del esqueleto carbonado de los aminoácidos, se puede convertir en carbohidratos (13 aminoácidos glucogénicos), grasa (un aminoácido cetogénico) o ambos (cinco aminoácidos). El cuadro 6 presenta los aminoácidos clasificados según el destino de su esqueleto carbonado y el cuadro 7 según el metabolito intermediario que de él se forma.

• BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS

Como hemos visto, el ser humano no tiene capacidad de sintetizar un grupo de aminoácidos, los llamados esenciales. Los restantes aminoácidos pueden ser sintetizados en el organismo. Existen procesos metabólicos que permiten la conversión de un aminoácido en otro; así se forman algunos de los aminoácidos no esenciales. Puede afirmarse, en términos generales, que siempre que existan mecanismos para sintetizar el a-cetoácido correspondiente, está asegurada la formación del aminoácido mediante la reacción de transaminación.

• METABOLISMO DE FENILALANINA Y TIROSINA

Además de los procesos metabólicos generales mencionados, cada aminoácido puede seguir vías que le son específicas y dar origen a diferentes productos. Dentro de todas esas vías, sólo nos ocuparemos, a modo de ejemplo, del metabolismo de la fenilalanina (Phen) y la tirosina (Tyr).

Estos aminoácidos se tratan conjuntamente, puesto que la Tyr se produce por hidroxilación de la Fhen y es el principal producto de la degradación de ésta. Por esta razón, no se considera habitualmente que la tirosina sea esencial, mientras que la fenilalanina si lo es. Tres cuartas partes de la Fhen ingerida son metabolizadas a Tyr. Esta conversión esta catalizada por la fenilalanina hidroxilasa, enzima dependiente de tetrahidrobiopterina. Esta reacción tiene lugar solamente en la dirección de la formación de la tirosina, por tanto que la fenilalanina no puede obtenerse a partir de la tirosina. La biopterina, a diferencia del ácido fólico, al que se parece estructuralmente, no es una vitamina, sino que se sintetiza a partir de GTP.

• APLICACIÓN CLÍNICA: FENILCETONURIA

La fenilcetonuria (PKU) es la principal enfermedad provocada por deficiencia de una enzima del metabolismo de los aminoácidos. Su nombre proviene de la excreción por orina del ácido fenilpirúvico, una fenilcetona. También se excreta fenil-lactato y fenilacetato que le da un olor característico. Estos metabolitos y otros se encuentran solo en niveles traza en la orina de una persona normal. Exciten varios tipos de PKU, clase I a IV, siendo clase I o clásica la más frecuente (Figura 10).

La PKU clásica es una deficiencia autosómica recesiva de la fenilalanina hidroxilasa, debido a una mutación del gen. En algunos casos, se producen síntomas neurológicos graves, valores de coeficiente mental muy bajo y retraso mental, lo cual se atribuye generalmente a los efectos tóxicos de la Phen, probablemente debido a la reducción del transporte y metabolismo de los otros aminoácidos aromáticos en el cerebro, debido a la competencia de la elevada concentración de fenilalanina. Otra característica es la coloración clara de la piel, pelo y ojos (albinismo), debido a la falta de pigmentación causada por déficit de tirosina, la cual interviene en la formación de melanina, pigmento pardo negruzco que le da el color a la piel y faneras. El tratamiento convencional consiste en alimentar a los niños con una dieta sintética baja en fenilalanina, pero que incluya tirosina, durante los primeros 4-5 años, y en la restricción de proteínas en la dieta por varios años más, o de por vida. Vale decir que en éstas personas la Tyr se a convertido en un aminoácido esencial.

En el mercado argentino algunos pocos productos poseen inscripción en sus envases sobre la presencia o ausencia de fenilalanina en su composición química. Ciertas bebidas deshidratadas (jugos en polvo) poseen Phen libre como constituyente, siendo potencialmente tóxicas para pacientes fenilcetonúricos.

Figura 10. Localizaciones de las alteraciones en las distintas formas de fenilcetonuria.

Metabolismo de nucleótidos

• DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN DE ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos que ingresan con los alimentos son degradados en el intestino, sobres ellos actúan nucleasas (ribo y desoxiribonucleasa) pancreáticas e intestinales, que los separan en sus nucleótidos constituyentes. Estos sufren entonces la acción de fosfatasas intestinales que liberan el resto fosfato de los nucleótidos convirtiéndolos en nucleósidos, los cuales pueden ser absorbidos como tales, o ser degradados por nucleosidasas intestinales, que separan las bases nitrogenadas púricas o pirimídicas de la pentosa ribosa o desoxirribosa.

La mayoría de las bases liberadas en la luz intestinal son degradadas aquí por acción de bacterias de la flora normal; el resto es absorbido y pasa a la circulación portal.