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1Tema 26
Tema 26. Metabolismo del grupo amino de los aminoácidos.
Enzimas clave del metabolismo de aminoácidos. Transaminasas y vitamina B6. Glutaminasa. Glutamato dehidrogenasa. Glutamina sintetasa. Ciclo de la glucosa-alanina. Toxicidad del amonio en animales Eliminación del grupo amino. Estrategias. Ciclo de la urea. Relación con el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Regulación del ciclo de la urea. Patologías relacionadas con defectos enzimáticos en el ciclo de la urea.
BIOQUÍMICA-1º de Medicina Departamento de Biología Molecular
Javier León
2Tema 26
Toxicidad del amoníaco
1. El amoníaco es una base fuerte y podría producir un cambio de pH
NH4+ NH3 + H+ pK’ = 9,3
A pH fisiológico (7,4) la concentración de NH4+ es casi 100 veces la del NH3, que es la forma neutra,
permeable a membranas.
Urea Acido úrico
Formas de excreción de amonio en
animales terrestres
Mamíferostiburomes
ReptilesAves
Friedrich Wöhler (1800-1882)
3Tema 26
Proteína intracelular
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS (TRADUCCIÓN)DEGRADACIONDE PROTEINAS
Catabolismo de aminoácidos
Proteína de la dieta
AminoácidosDIGESTION
Fumarato
NH4+
Carbamil-fosfato
Biosíntesis de AA, nucleótidos y otras aminas biológicas
CICLODE LA UREA
Urea(producto de excreción del nitrógeno)
Asp
Esqueletos carbonados
α-cetoácidos
CICLODEKREBS
Oxalacetato
Glucosa
GLUCONEO-GÉNESIS
Acetil-CoA
Cuerposcetónicos
co2
4Tema 26
Enzimas clave del metabolismo del grupo amino
• Transaminasas o aminotransferasas: pueden transferir grupos aminos entre aminoácidos
• Glutaminasa: genera NH4+ y glutamato a partir de Gln.
• Glutamato dehidrogenasa: produce NH4+ y α-CG a partir de Glu en una reacción de
desaminación oxidativa
• Glutamina sintetasa: incorpora NH4+ en Glutamato
ENZIMAS DEL CICLO DE LA UREA:• Carbamil-fosfato sintetasa: condensa CO2 y NH4
+ para dar carbamil-fosfato (primer enzima del ciclo de la urea)
• Otras cuatro enzimas del ciclo de la urea
1. El amonio (-> NH3) es tóxico, sobre todo para el tejido nervioso
2. El amonio se convierte en urea en el hígado
El amonio se ha de transportar al hígado en una forma distinta de NH4+
AA Glu Gln y Ala Gln y Ala NH4+ Urea
TEJIDOS HIGADO
SANGRE
5Tema 26
¿De dónde viene el nitrógeno que entra en el ciclo de la urea?
Gln + H2O Glu + NH4+
3. Reacción de la glutaminasa
Glu + NAD+ α-CG + NADH+ + NH4+
2. Reacción de la glutamato dehidrogenasa (deaminación oxidativa)
Uno de los dos nitrógenos de la urea viene del NH4+ libre y el otro del –NH2 del
aspartato
1. Reacciones de transaminación por transaminasasNH3+
R-CH + α-Cetoglutrato (α-CG) α-ceto-AA + Glu
Glu + OAA α-CG + Asp
COO-
GOT / AST
6Tema 26
NH3+ O
H —C—COO- + C—COO-
R1 R2
O NH3+
C―COO- + H―C―COO-
R1 R2
Aminotransferasao transaminasas
Reacciones de transaminación: aminotransferasas, transaminasas
Piridoxina (Vit B6)
Fosfato de Piridoxal (PLP) Fosfato de Piridoxamina (PMP)
NH+
O
CH3
OCH2 H
CH2OH
H
Grupo prostético de las transaminasas, unido covalentementea una Lys del centro activo
NH+
O
CH3
OCH2 H
C-2O3P
H O
NH+
O
CH3
OCH2 H
CH2-2O3P
NH2
7Tema 26
Mecanismo enzimático de las aminotransferasas es del tipo “ping-pong”
ENZ-PLP-C
Aminoácido 1
ENZ-PLP-C
Fosfato de Piridoxal (PLP) Fosfato de Piridoxamina (PMP)
NH+
O
CH3
OCH2 H
C
-2O3P
H O
NH+
O
CH3
OCH2 H
CH2
-2O3P
NH2
NH
+CH
R1
COO-
α-Cetoácido 1
ENZ-PMP-C NH2
O
ENZ-PMP-C- NH
+C―COO-
H
CH2-CH2-COO-
Glutamato
ENZ-PLP-C O
α-Cetoglutarato
H2O
8Tema 26
Ala + α-cetoglutarato Piruvato + GlutamatoGPT: Glutamato-Piruvato Transaminasa = ALT: Alanina Transaminasa
Más específica de daño hepático
Asp + α-cetoglutarato Oxalacetato + Glutamato
GPT / ALT
GOT / AST
Hay dos transaminasas que informan de la salud del hígado y del corazón
GOT: Glutamato-Oxalacetato Transaminasa = AST: Aspartato Transaminasa
Valores normales en sangre: 2-40 mU /ml. Puede llegar a 1000 en casos de hepatitis viral, cirrosis, isquemia cardiaca, hepatotoxicidad
9Tema 26
COO
CH
CH2
CH2
Glutamato
+H3N -
COO
+ H2O
COO
C
CH2
CH2
COO
-O
Glutamato Dehidrogenasa(GDH)
(Matriz mitocondrial,hígado, reversible,
puede usar NAD+ o NADP+)
α- Cetoglutarato
NAD(P)+ NAD(P)H + H+
+ NH4+
ADP GTP
+ -
Regulación alostérica
Suma de las reacciones de aminotransferasas y GDH:Aminoácido + NAD+ α-cetoácido + NH4 (mit)+ NADH + H+
UREA
OH2N
(Matriz mitocondrial,hígado)
COO
CH
CH2
CH2
H3N
C
+
Glutamina
COO
CH
CH2
CH2
H3N
COO
+
Glutamato
NH4+H2O
Glutaminasa
10Tema 26
COO
CH
CH2
CH2
H3N
COO
+
COO
CH
CH2
CH2
+H3N-
C
OO
COO
CH
CH2
CH2
H3N
C
+
OH2N
ATP ADP
Glutamato γ - Glutamil fosfato Glutamina
NH4+ Pi
Glutamina Sintetasa
12 subs x 50 kDa.
P
Gln sintetasa y GluDH presentesen todos los organismosGln Sintetasa: citosólicaGDH: mitocondrial
“Biochemistry”. 5ª ed. Berg, J., Tymoczko, J. Stryer, L. Ed. W.H. Freeman. 2003.
11Tema 26
Glutamato
Glutamina
Regulación alostérica de la Gln Sintetasa
-Gln Sintetasa
NH4+ ATP
ADP + Pi
Carbamil-fosfato
AMP CTP
Nucleótidos de pirimidina
¿Qué enzima?
-
Gly
Ala
12Tema 26
AT
Glutamato
α-Cetoglutarato
Glutamina
GlutaminasintetasaAMP-
Glutaminasintetasa
ATPPPi AT NH4+
+ ATP
ADP + Pi
+Gln-αCG
Regulación de la Gln Sintetasa por modificación covalente
inactiva
Niveles altos de Gln inhiben su síntesis
Biochemistry”. 5ª ed. Berg, J., Tymoczko, J. Stryer, L. Ed. W.H. Freeman. 2003
activa
AT
AT
PDUMP-
Adenil-transferasa activa
Adenil-transferasa inactiva
Proteína reguladora activada
Proteína reguladora desactivada
PD Uridiltransferasa
PD
PD
PD
PDUMP-
Tyr 397 de la Gln Sintetasa
13Tema 26
Reacciones de desaminación
Gln + H2O Glu + NH4+
3. Glutaminasa
Glu + NAD+ α-CG + NADH+ + NH4+
2. Glutamato dehidrogenasa (deaminación oxidativa)
1. Aminotransferasas (suelen usar α-CG y son específicas para el AA)NH3+
R-CH + α-CG α-ceto-AA + GluCOO-
4. Desaminación directa (Ser-dehidratasa y Thr dehidratasa)
Ser Piruvato + NH4+
Thr α-cetobutirato + NH4+
5. Aminoacido oxidasa
AA + O2 + H2O α-cetoAA + H2O2 + NH4+
14Tema 26
Transporte de N al hígado
MAYORIA DETEJIDOS
Glutamato Glutamina
NH4+ + ATP
AA
α-Cetoglutarato
α-cetoácidoTransa-minasas
Gln Sintetasa
MUSCULOGlutamato α-cetoglutarato
Piruvato Alanina
Cetoácido Aminoácido
GLUCOSA
PROTEINAS
Transaminasas
Transaminasas
Glutamina
SANGRE
ADP+ Pi+ H2O
HIGADO
Glutamato Glutamina
NH4+
UREA
Glutamato α-Cetoglutarato
Piruvato Alanina
GLUCOSA
Transaminasa
Glutamato DH
Glutamina
Glu
tam
inas
a
Gln Sintetasa
Glutaminasa
NH4+
AA
Transa-minasas
Asp
CICLODE LA UREA
OAA+ Glutamato
NH4+
(INTEST.)
Bacterias
15Tema 26
Transaminasas com marcadores de daño hepático
MAYORIA DETEJIDOS
Glutamato Glutamina
NH4+ + ATP
AA
α-Cetoglutarato
α-cetoácidoTransa-minasas
Gln SintetasaADP+ Pi+ H2O
HIGADO
Glutamato Glutamina
NH4+
UREA
Glutamato α-Cetoglutarato
Piruvato Alanina
GLUCOSA
Transaminasa
Glutamato DH
Glutamina
Glu
tam
inas
a
Gln Sintetasa
Glutaminasa
NH4+
AA
Transa-minasas
Asp
CICLODE LA UREA
OAA+ Glutamato
NH4+
(INT.)
Bacterias
Ala + α-cetoglutarato Piruvato + GlutamatoGPT: Glutamato-Piruvato Transaminasa = ALT: Alanina Transaminasa
Más específica de daño hepático
Asp + α-cetoglutarato Oxalacetato + Glutamato
GPT / ALT
GOT / AST
16Tema 26
HIGADO
Asp
NH4+
UREA
Glutamato α-Cetoglutarato
Piruvato ALANINA
GLUCOSA
Transaminasa
Glutamato DH
CICLODE LA UREA
Transaminasaα-Cetoglutarato
Gluconeogénesis
Piruvato ALANINAGLUCOSA
SANGRE
MUSCULO
Transaminasa
Glutamato α- cetoglutarato
Cetoácido Aminoácido
PROTEINAS
Transaminasa
Glucolisis
Ciclo de la glucosa-alanina
17Tema 26
Concentración de amonio en sangre: 30-60 uM. Supone el 2-3% del nitrogéno excretado en orina (85% es urea, 30 g/24 h; el resto creatininia y ácido úrico)• A concentraciones mayores de amonio (>0.2 mM): visión borrosa, pérdida de conciencia, letargia, lesiones cerebrales, coma. • El mal funcionamiento del ciclo de la urea por deficiencia en alguna de sus enzimas o por patología hepática (por ej cirrosis alcohólica) produce hiperamonemia.
POSIBLES CAUSAS:1) Bajan los niveles de α-cetoglutarato al empujar la reacción de la GluDH hacia la formación de Glu y la de la Gln sintetasa hacia formación de Gln (ambas enzimas abundantes en tejido nervioso)
baja la actividad del ciclo de Krebs baja la producción de ATP en la neurona
2) Baja la relación NADH/NAD+ baja la producción de ATP
3) Bajan los niveles de glutamato al empujar la reacción de la Gln Sintetasa hacia la formación de GlnBaja la concentración del neurotransmisores glutamato y su derivado gamma-aminobutirato (GABA)
Posibles causas de la toxicidad del amonio
NH4+
↓ Glutamato
Glutamato DHGln Sintetasa↓ α- Cetoglutarato
NH4+
Glutamina
NAD+
+ NADH+ + H+
18Tema 26
P
+
Carbonil-fosfato (o carboxifosfato)
NH4+
HO C NH2
O
Carbamato
Pi + H+
O C
Carbamil- fosfato
Carbamil fostato sintetasa I (CPSI, mitocondrial)¿por qué se necesitan dos ATPs si sólo hay un fosfato en el carbamil-fosfato?
Ciclo de la Urea (1)(ciclo de la ornitina, ciclo de Krebs-Henseleit)
ATP
ATP
CHOO-
O
O
NH2
ADP
ADPBicarbonato
HO C O P O-
O O-
O
P
19Tema 26
C NH2H3N
+
CH2
CH2
CH2
H2N CH COO-
HN
CH2
CH2
CH2
H2N CH COO-
OrnitinaCitrulina
OrnitinaTranscarbamilasa
Ciclo de la Urea (2)
Salida al citosol
Entrada a la mitocondria
PiOrn
COO-
CH2
CH
Aspartato
Arginino-succinatosintetasa
ATP AMP + PPi
NH2P O C
O
Carbamil-P
COO-+H3N
O
NH2+HN
CH2
CH2
CH2
C
CH2
CH
COO-NH
-OOC
Arginin-succinato
H2N CH COO-
C NH2HN
CH2
CH2
CH2
H2N CH COO-
Citrulina
O
2 Pi
20Tema 26
Arginino-SuccinatoLiasa
Ciclo de la Urea (3)
NH2+HN
CH2
CH2
CH2
C
CH2
CH
COO-NH
-OOC
Arginin-succinato
NH2
NH2+HN
CH2
CH2
CH2
Arginina
C
HC Fumarato
-OOCCH
NH2O
+ NH3
CH2
CH2
CH2
H2N CH COO-
Ornitina
UREA
+
H2O
Arginasa
C
COO-
NH2
H2N CH COO-H2N CH COO-
Excrección (no podemos metabolizarla)
Urea es el 85-90% del nitrógeno en orina.El resto: amonio (2-3%), ácido úrico y creatinina
21Tema 26
Carbamil-P
Carbamil-fosfatoSintetasa IHCO3
-
+NH4
+ 2ATP
MitocondriaCitosol
Balance del ciclo de la urea
BALANCE (sin tener en cuenta el fumarato)
NH4+ + HCO3
- + Asp + 3ATP4- + H2Ourea + fumarato + 2ADP3- + 2Pi + PPi + AMP2- + 5H+
Ornitina
Citrulina
Ornitinatranscarbamilasa
CitrulinaAspartato
Arg-succinato sintetasa ATP
Arginin-Succinato
Ornitina
Arginina
Fumarato
Urea
Arginasa
Arg-succinatoliasa
2 Pi + H2O se gastan 4 ATPsen total por urea
22Tema 26
Relaciones entre el ciclo de la urea y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (1)
2 Malato dehidrogenasa: isozimas citosólica y mitocondrial
1 Fumarasa: isozimas citosólica y mitocondrial
Malato + NAD+ OAA + NADH + H+ ; NADH 2,5 ATPs
BALANCE GLOBAL DE LA SINTESIS DE UREA = 4 - 2.5 = 1,5 ATP
3 GOT/AST aminotransferase
+NH4
Citrulina
Arginin-Succinato
Arginina
Ornitina
Fumarato
Aspartato
UREA
Carbamil-P
AMINOACIDOS
UREA
CO2α-cetoglutarato
Glutamato
Oxalacetato
Malato
1
2 NADH
H2O
3
MITO-CONDRIA
Malato
Oxalacetato
Aspartato
23Tema 26
Relaciones entre el ciclo de la urea y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (2)
Fumarato
Aspartato
CICLOKREBS
Succinato
CO2
Isocitrato
Citrato
a-Cetoglutarato
Succinil-CoA
CO2
Oxalacetato
Malato
1
2 NADH
H2O
Malato
Fumarato
Oxalacetato
Aspartato
3
2
1
NADH
H2O
CICLOUREA
Glu
α-ceto-Glu
3
Acetil-CoA
2 Malato dehidrogenasa: isozimas citosólica y mitocondrial
1 Fumarasa: isozimas citosólica y mitocondrial
3 GOT/AST aminotransferase
Lanzadera Aspartato-Malato
Ciclo de Krebs -TCA
24Tema 26
• Inducción de enzimas por dieta rica en proteína• Regulación alostérica de la CPSI
Regulación del ciclo de la urea
OCH3 C
SCoA
COO-
CH2
CH2
H2N CH COO-
Glutamato
AcetilCoA
N- Acetil-GlutamatoSintasa
COO-
CH2
CH2
HN CH COO-
N- Acetil- Glutamato
OCH3 C
HCO3- + NH4
+ H2N C O PCPS-I
2ATP 2ADP + Pi
Arginina
+
UreaO+
Carbamil-fosfato
HS-CoA
25Tema 26
El ciclo de la urea está compartimentalizado en la célula y en el hígado
SANGRE (al resto de tejidos)
SANGRE portal(del intestino)
GlutaminasaCiclo urea
Glutaminasintetasa
Carbamil-P
Carbamil-fosfatoSintetasa IHCO3
-
+NH4
+ 2ATP
MitocondriaCitosol
Ornitina
Citrulina
Ornitinatranscarbamilasa
CitrulinaAspartato
Arg-succinato sintetasa ATP
Arginin-Succinato
Ornitina
Arginina
Fumarato
Urea
Arginasa
Arg-succinatoliasa
26Tema 26
Enfermedades metabólicas del ciclo de la urea
Nombre Déficit enzimático Otras características
2) Deficiencia en OTC(Hiperamonemia tipo II)
Orn Transcarbamilasa(OTC)
Glutaminia en plasma aumentadaLigada al X. Retraso mental
3) Citrulinemia Arginino succinatosintetasa
Gln y Citrulina aumentadas en plasmaCitrulina en orina aumentada. Rara
4) Arginino succinato aciduria Arginino succinato liasa Arginin- succinato en plasma y orina. Rara
5) Argininemia Arginasa Arginina elevada en plasma
1) Deficiencia en CPS(Hiperamonemia I)
CPS I Glicina en plasma aumentada
Carbamil-P
Carbamil-fosfatoSintetasa IHCO3
-
+NH4
+ 2ATP
MitocondriaCitosol
Ornitina
Citrulina
Ornitinatranscarbamilasa
CitrulinaAspartato
Arg-succinatosintetasa
ATP
Arginin-Succinato
Ornitina
Arginina
Fumarato
UreaArginasa
Arg-succinatoliasa
27Tema 26
COO-
O
S CoA
C
CH2
CH2
O
NH2
C
CH2
CH2
H2N ― CH ― COO-
O
NH2
Fenil acetato Fenilacetil CoA Fenilacetilglutamina
Las deficiencias en CPSI y deficiencia en OTC son tratables con fenilacetato
Glutamina
Terapias bioquímicas de defectos en el ciclo de la Urea
ORINA
― CH ― COO-
O
NH
CoA-SH