Serie Nº 10 Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas

SERIE Nº 10. Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas

El nitrógeno es obtenido por la gran mayoría de los seres vivos mediante la proteína adquirida como alimento. Las proteínas ingeridas en exceso, a diferencia de glúcidos y lípidos, no se pueden almacenar y por lo tanto deben ser degradadas. Todos los aminoácidos, cualquiera sea su procedencia, pasan a la sangre y se distribuyen a los tejidos, sin distinción de su origen. Este conjunto de aminoácidos libres constituye un “fondo común” o “pool”, al cual se recurre para la síntesis de nuevas proteínas o compuestos derivados. Los aminoácidos son utilizados por las células para la síntesis de proteínas, éste es un proceso sumamente dinámico; las proteínas se encuentran en un proceso continuo de recambio y la mayoría son rápidamente sintetizadas y degradadas. Además, son utilizados para la síntesis de muchos otros compuestos nitrogenados, tales como las bases púricas y pirimídicas, hemo, glutatión, nucleótidos y coenzimas nucleotídicas, y esfingosina. Los intermediarios no aminados más importantes producidos por la degradación de los aminoácidos son piruvato, intermediarios del Ciclo de Krebs, acetil-CoA y acetoacetato. Degradación de Aminoácidos Los aminoácidos obtenidos a partir de las proteínas de la dieta son la fuente de la mayor parte de grupos amino. La mayoría de aminoácidos se metabolizan en el hígado, porque el músculo carece de la maquinaria enzimática necesaria para procesar el amoniaco que es un producto sumamente tóxico. Parte del amoníaco generado en este proceso se recicla y se utiliza en diversas rutas biosintéticas. El exceso se excreta directamente o se convierte en urea o ácido úrico para su excreción, según el organismo de que se trate. El exceso de amoníaco generado en otros tejidos (extra hepáticos) se transporta al hígado (en forma de grupos amino) para ser convertido en la forma adecuada para su excreción. El catabolismo de aminoácidos comprende tres etapas fundamentales: • Desaminación: el grupo amino debe ser convertido en amonio. • Incorporación del amoníaco a la síntesis de urea. • Conversión de los esqueletos carbonados en intermediarios comunes que puedan ser reutilizados como fuente de energía o en otras rutas metabólicas. De acuerdo al destino final del esqueleto carbonado, los aminoácidos se clasifican en cetogénicos y glucogénicos. Los cetogénicos son aquellos aminoácidos que se degradan a Acetil-CoA o a AcetoacetilCoA, y pueden dar origen a cuerpos cetónicos. Los aminoácidos glucogénicos son aquellos que se degradan a piruvato, α-cetoglutarato, succinil-CoA, glutamato u oxalacetato, todos compuestos que pueden ser utilizados para la síntesis de glucosa (gluconeogénesis).

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

70

Serie Nº 10 Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas

Ciclo de la Urea El amonio procedente del catabolismo en las células debe ser transportado al hígado para su conversión en urea, molécula con la que se excreta el grupo amino procedente de los aminoácidos excedentes en el organismo. 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. En los músculos los aminoácidos se desaminan y el amonio se fija al αcetoglutarato que se transforma en glutamato; este aminoácidos 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 (Ciclo de la Glucosa-Alanina). Se lleva a cabo en los hepatocitos. Intervienen cinco enzimas y como alimentadores ingresan NH3, CO2 y aspartato, el cual cede su grupo amino. Las reacciones del ciclo de la urea tienen lugar unas en la mitocondria y otras en el citosol. La carbamoil-P sintetasa y la ornitina transcarbamilasa son mitocondriales, el resto son citosólicas. Reacciones del Ciclo: • Síntesis de carbamoilfosfato, con gasto de energía, se genera un enlace anhidro. Carbamoil-P sintetasa. • Transferencia del grupo carbamilo a la Ornitina; ésta actúa como cebadora del ciclo. Ornitina transcarbamoilasa. • El Aspartato se condensa con la Citrulina; con gasto de energía, hidrólisis del ATP hasta AMP y PPi. Arginosuccinato sintetasa. • La hidrólisis del Argininosuccinato-succinato produce Arginina y Fumarato. Arginosuccinasa. • La Arginina se hidroliza a urea para su excreción y Ornitina que sigue en el ciclo. Arginasa. El fumarato que se libera en el ciclo de la urea puede convertirse fácilmente en oxalacetato mediante las reacciones del ciclo de Krebs y este OXALACETATO puede tomar un grupo amonio por transaminación con el glutamato, pasando a aspartato que así podrá cederlo de nuevo en el ciclo de la urea.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

71

Serie Nº 10 Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas

Degradación de Proteínas La degradación intracelular la lleva a cabo un complejo multienzimático denominado proteosoma, que actúa en el citosol. Se trata de una estructura cilíndrica formada por proteasas y dos extremos de complejos proteicos que alimentan la cámara interna del cilindro al reconocer las proteínas. Las proteínas que van a ser degradadas han sido marcadas anteriormente con una pequeña proteína llamada ubiquitina. Síntesis de Aminoácidos La síntesis de aminoácidos se desarrolla a un ritmo variable, dependiendo de las necesidades que existan en la célula respecto a cada aminoácido particular. Las rutas metabólicas son muy variadas; en el caso de los mamíferos existen vías anabólicas para unos once aminoácidos, denominados no esenciales. La mayor parte de los aminoácidos no esenciales se sintetizan a través de vías metabólicas muy simples con una secuencia de unas pocas reacciones. Los sustratos iniciales son metabolitos intermediarios del ciclo de Krebs, de la glucólisis o de la ruta de las pentosas-fosfato. Estas moléculas aportan el esqueleto carbonado e incorporan el nitrógeno orgánico, fundamentalmente, del glutamato o de la glutamina. Síntesis de Proteínas Ocurre en los ribosomas que consisten en dos subunidades, una grande y una pequeña, cada una formada por ARNr y proteínas específicas. Para la síntesis de proteínas, también se requiere de moléculas de ARNt, que es el adaptador que aparea el aminoácido correcto con cada codón de ARNm durante la síntesis. Hay al menos un tipo de molécula de ARNt para cada tipo de aminoácido presente en las células. Las enzimas conocidas como aminoacil-ARNt sintetasas catalizan la unión de cada aminoácido a su molécula de ARNt específica. El proceso consta de tres etapas: • Iniciación de la traducción: el ARNm se une a la subunidad menor de los ribosomas. A éstos se asocia el aminoacil-ARNt, gracias a que el ARNt tiene en una de sus asas un triplete de nucleótidos denominado anticodón, que se asocia al primer 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. Todos estos procesos están catalizados por los llamados factores de iniciación. El primer codón que se traduce es generalmente el AUG, que corresponde con el Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

72

Serie Nº 10 Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas

aminoácido metionina en eucariotas. En procariotas es la formilmetionina. •

Elongación de la cadena polipeptídica: el complejo ribosomal posee dos sitios de unión o centros. El centro peptidil o centro P, donde se sitúa el primer aminoacil-ARNt y el centro aceptor de nuevos aminoacil-ARNt o centro A. El carboxilo terminal (-COOH) del aminoácido iniciado se une con el amino terminal (-NH2) del aminoácido siguiente mediante enlace peptídico. Esta unión es catalizada por la enzima peptidil transferasa. El centro P queda pues ocupado por un ARNt sin aminoácido. 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 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, hasta cientos de veces, según el número de aminoácidos que contenga el polipéptido. La traslocación del ribosoma implica el desplazamiento del ribosoma a lo largo de ARNm en sentido 5'
3'.

•

Terminación de la síntesis de la cadena polipeptídica: los codones UAA, UAG y UGA son señales de paro que no especifican ningún aminoácido y se conocen como codones de terminación; determinan el final de la síntesis proteica. No existe ningún ARNt cuyo anticodón sea complementario de dichos codones y, por lo tanto, la biosíntesis del polipéptido se interrumpe. 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. Un ARNm, si es lo suficientemente largo, puede ser leído o traducido, por varios ribosomas a la vez, uno detrás de otro.

Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente. Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

73

Serie Nº 10 Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas

EJERCITACIÓN 1) La transaminación requiere: a) Un aminoácido como sustrato y pirofosfato de tiamina como coenzima. b) Un aminoácido y un cetoácido como sustratos. c) Un cetoácido como sustrato y biotina como coenzima. d) Piruvato y oxalacetato como sustratos. 2) Cuando el glutamato es desaminado oxidativamente por la Glutamato Deshidrogenasa, los productos incluyen: a) NADH, NH4+ y α-cetoglutarato. b) NADH, glutamina, y NH3. c) NADH, H2O, y α-cetoglutarato. d) NADPH, NH4+ y α-cetoglutarato. 3) Teniendo en cuenta la vía esquematizada en la Figura N° 1, resuelva los siguientes interrogantes: a) Indique las enzimas del ciclo. b) Identifique los dos compuestos que proveen del grupo amino a la molécula de urea. c) ¿Qué reacciones se dan en la mitocondria? d) ¿Cuál es el destino del fumarato? e) Nombre el sustrato y la enzima de una reacción en la cual se utilice ATP.

Figura N° 1 4) El Ciclo de la Urea: a) Ocurre en la mitocondria. b) Ocurre en el citosol. c) Ocurre en el hígado. d) Todas las opciones anteriores son correctas. 5) Indique los destinos de los esqueletos carbonados de los aminoácidos. Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

74

Serie Nº 10 Metabolismo de Aminoácidos y Proteínas

6) Complete las siguientes frases. a) Las proteínas pueden ser marcadas para su degradación por unión covalente por ____________________. b) La mayoría de los aminoácidos son desaminados por una reacción de ____________________. c) El fumarato formado en el Ciclo de la Urea se transforma en ____________________ en el Ciclo de Krebs y luego en ____________________ para su incorporación a la gluconeogénesis. d) Los aminoácidos cetogénicos son degradados hasta acetoacetato o ____________________. 7) ¿Cuál es la importancia de la glutamina? Escriba la reacción de obtención de la misma e indique el nombre de dicha reacción. 8) Explique como el músculo elimina el amonio. Realice un esquema de las reacciones e indique el nombre del ciclo que lleva a cabo esa tarea. 9) Citar dos analogías entre el Ciclo de Glucosa-Alanina y el Ciclo de Cori. 10) Complete las siguientes frases. a) La síntesis de proteínas comienza con la unión del ____________________ y de la subunidad menor del ____________________ y el ARNm. b) Los aminoácidos entran al ribosoma junto con el ____________________ que los transporta y se unen al ____________________ complementario. c) Luego se forma la unión ____________________ y finalmente se trasloca, para dar lugar a la entrada de otro aminoácido. d) El proceso se repite hasta llegar al codón de ____________________.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

75