Resumen
La enfermedad relacionada con el ciclo de la urea en forma de hiperamonemia se utiliza para ilustrar una enfermedad del metabolismo, específicamente relacionada con un defecto en el ciclo de la urea. Una deficiencia de una de las enzimas del ciclo de la urea conduce a una condición de enfermedad específica en la que el amoníaco, que es una toxina, puede acumularse en la sangre (hiperamonemia). Cuando la glutamina se produce en exceso en el hígado, se convierte en amoníaco mediante la glutaminasa. El ciclo de la urea en el hígado convierte el amoníaco en urea que se elimina por la orina. Las reacciones generales del ciclo del TCA y del ciclo de la urea pueden resumirse:
La glutamina sintasa y la glutaminasa utilizan el ion amonio y producen el ion amonio en sus reacciones, respectivamente:
La transaminación es un proceso en el que se eliminan los grupos amino de los aminoácidos y se transfieren a los cetoácidos aceptores para generar la versión cetoácida del aminoácido original.
Las células musculares pueden utilizar los aminoácidos como fuentes de energía, y el hígado puede desintoxicar los grupos amino (como iones de amonio) a través del ciclo de la urea. La alanina es un aminoácido predominante en la mayoría de las proteínas. Puede ser transportada en el torrente sanguíneo desde los tejidos periféricos hasta el hígado, donde puede convertirse en glucosa. La alanina se transamina para formar piruvato, y la glucosa puede formarse a partir del piruvato mediante la gluconeogénesis. La glucosa puede entonces ser enviada al músculo (para su utilización energética) a través del torrente sanguíneo. Este sistema que relaciona el metabolismo muscular y el hepático se conoce como el ciclo de la alanina.
La transamidación es la formación catalítica de un enlace covalente entre un grupo amina libre y un grupo gamma carboxamida. Las transamidinasas catalizan la formación de enlaces γ-glutamil-ε-lisina que intervienen en la curación de los tejidos. Las transamidinasas participan en la síntesis de aminoazúcares (por ejemplo, glucosamina-6-fosfato). Estas enzimas también están implicadas en el anclaje del glucosilfosfatidilinositol de las proteínas a las membranas celulares.
La desaminación de los aminoácidos es catalizada por las enzimas amoníaco liasas. Algunos ejemplos son la serina deshidratasa y la treonina deshidratasa, ambas con piridoxal fosfato como coenzima. La serina deshidratasa convierte la serina en piruvato y amoníaco, y la treonina deshidratasa convierte la treonina en α-cetobutirato y amoníaco. Otro miembro de este grupo de enzimas es la histidasa (histidina amoníaco liasa) que elimina el grupo amino de la histidina para formar ácido transurocánico en el hígado y la piel. La desaminación oxidativa se produce en el hígado por la glutamato deshidrogenasa en la que glutamato+agua+NAD+ forma α-cetoglutarato+amoniaco+NADH+H+.
Los aminoácidos pueden ser oxidados por la d-aminoácida oxidasa localizada en los peroxisomas hepáticos y renales. Los productos catalíticos son un iminoácido y H2O2. El ser humano también tiene la enzima racemasa de aminoácidos que interconvierte los d- y los l-aminoácidos. Los peroxisomas del hígado y del riñón contienen pequeñas cantidades de l-aminoácidos oxidasa que serían útiles cuando hay un exceso de l-aminoácidos para la biosíntesis de proteínas y para otras vías.
La racemasa de aminoácidos convierte los l-aminoácidos (las formas naturales en las proteínas) en d-aminoácidos. Esta enzima es especialmente importante en el cerebro, ya que la d-serina está presente en grandes cantidades en el cuerpo calloso y el hipocampo.
La l-aminoácido descarboxilasa con piridoxal fosfato como coenzima elimina el CO2 de los aminoácidos para producir las aminas correspondientes. La l-aminoácido aromático descarboxilasa cataliza la descarboxilación del triptófano, el 5-hidroxitriptófano, la l-dihidroxifenilalanina, la 3,4-dihidroxifenilserina, la tirosina, la fenilalanina y la histidina.
Los aminoácidos esenciales son los que están ausentes en el organismo o los que se sintetizan en una medida insuficiente para el crecimiento y el mantenimiento. Son los siguientes: metionina, triptófano, lisina, fenilalanina, treonina, valina, leucina e isoleucina. Además, la histidina y la arginina son esenciales para los niños. Los aminoácidos no esenciales son los siguientes: glutamato, glutamina, aspartato, asparagina, alanina, cisteína, tirosina, prolina, serina y glicina (y ornitina). La metionina y el triptófano tienen un solo codón, pero los demás aminoácidos tienen dos o tres codones. La mayoría de las proteínas comienzan su traducción con el codón de inicio, AUG. El AUG codifica la metionina, que es el aminoácido N-terminal de todas las proteínas eucariotas; sin embargo, es posible eliminar la metionina N-terminal mediante una modificación postraduccional. La homocisteína, que deriva de la S-adenosilmetionina, puede generar cisteína. La taurina se sintetiza de la siguiente manera: metionina → cisteína → sulfato de cisteína → hipotaurina → taurina. Aunque la taurina es un aminoácido, no se incorpora a las proteínas. Sin embargo, es un conjugado con los ácidos biliares y es activo como antioxidante, modulador de la señalización del calcio, estabilizador de las membranas e inhibidor de la apoptosis.
El glutatión (GSH) es un tripéptido (glutamilcisteinilglicina) pero se sintetiza sin ARNm. Con dos moléculas de GSH, las cisteínas pueden oxidarse para formar un disulfuro (-S-S-), y esta interconversión (2GSH ←→ GSSG) representa un agente redox crítico en la célula. La familia de enzimas de la glutatión S-transferasa protege a las células del daño provocado por los xenobióticos y ciertos fármacos mediante la formación de GSH que los solubiliza, incluidos ciertos carcinógenos, y permite su excreción. El GSH está implicado en el ciclo del γ-glutamilo que favorece el transporte de aminoácidos desde el exterior de la célula al interior de la misma. El primer paso de este ciclo es la transferencia del grupo γ-glutamilo del GSH a un aminoácido, a un péptido o al agua mediante la γ-glutamiltranspeptidasa de la membrana celular (γ-l-glutamilpéptido+aminoácido ←→ péptido+γ-l-glutamil-aminoácido). Esta vía forma parte de la síntesis y degradación del GSH funcionando en la desintoxicación de fármacos y xenobióticos. El leucotrieno C4 (LTC4) contiene GSH, y este leucotrieno tiene actividad contráctil en los tejidos de las vías respiratorias.
La tirosina es el precursor de las catecolaminas (epinefrina y norepinefrina), así como del principal pigmento corporal, la melanina. La tirosina puede formarse a partir de la fenilalanina mediante la fenilalanina hidroxilasa (PAH) en el hígado y el riñón. Esta enzima elimina el exceso de fenilalanina. Las mutaciones (se conocen más de 400 mutaciones del gen que expresa la PAH en los niños) en el gen de esta enzima conducen a la fenilcetonuria. Las catecolaminas se sintetizan en la médula suprarrenal: fenilalanina+PAH → tirosina+tirosina hidroxilasa → DOPA+l-aminoácido aromático descarboxilasa → dopamina+dopamina β-hidroxilasa → norepinefrina+S-adenosilmetionina (SAM, como donante de metilo)+feniletanolamina-N-metiltransferasa (PNMT) → epinefrina. En una reacción al estrés, el cortisol se produce en la corteza suprarrenal. En su camino hacia la circulación general, el cortisol fluye a través de la médula suprarrenal y allí induce la PNMT para aumentar la producción de catecolaminas que también se elevan en el estrés.
El triptófano, en la glándula pineal, es el precursor de los neurotransmisores serotonina (en la luz del día) y melatonina (en la oscuridad). La N-acetiltransferasa convierte la serotonina en N-acetilserotonina, y la hidroxindol-O-metiltransferasa convierte la N-acetilserotonina en melatonina. La glándula pineal desempeña un papel en el sueño, la actividad locomotora y tiene un impacto en el hipotálamo, la paratiroides y el páncreas. El triptófano se convierte en ácido quinolínico a través de la vía de la kyurenina, y el ácido quinolínico puede convertirse en pequeñas cantidades en niacina, un precursor de las coenzimas de nucleótidos de nicotinamida.
La arginina puede convertirse en creatina. El riñón convierte la arginina en ácido guanidoacético que se convierte en creatina en el hígado. La mayor parte de la creatina del cuerpo se encuentra en el músculo esquelético, donde el fosfato de creatina es una reserva de energía. Cuando las demandas de energía son altas (contracción muscular) la creatina fosfocinasa con ADP convierte el fosfato de creatina en creatina más ATP. El fosfato de creatina se convierte espontáneamente en creatinina en el músculo, donde se mantiene a un nivel constante. La creatinina es excretada por el riñón sin ser reabsorbida, por lo que su eliminación en la orina proporciona una medida de la filtración glomerular renal. La arginina es un precursor del óxido nítrico (NO) en una reacción catalizada por la óxido nítrico sintasa (NOS). Existen tres formas de NOS, iNOS, Enos y nNOS. El NO es una señal biológica que controla la presión sanguínea, la neurotransmisión, el aprendizaje y la memoria.
La histidina, mediante la acción de la histidina descarboxilasa, se convierte en histamina. La secreción de ácido gástrico es estimulada por la histamina a través de los receptores H2 de la histamina. Los mastocitos liberan histamina para mediar la respuesta alérgica y generar vasodilatación y broncoconstricción a través de los receptores H1 de la histamina. El grupo imidazol de la histidina que puede existir en formas protonadas o no protonadas es un componente de los sitios activos de muchas enzimas.
El glutamato genera glutamina a través de la reacción de la glutamato deshidrogenasa. También participa en muchas reacciones de transaminasas y es un componente del glutatión. El glutamato también forma ácido γ-aminobutírico (GABA), un importante neurotransmisor inhibidor en el cerebro. A través de las acciones de la glutamato deshidrogenasa y la glutamato transaminasa, el glutamato se transforma en α-cetoglutarato que puede ser un precursor de la prolina así como de la ornitina o puede entrar en el ciclo TCA para la producción de energía.
La serina puede dar lugar a glicina a través de la reacción de la serina hidroximetiltransferasa que utiliza la coenzima tetrahidrofolato.
Los aminoácidos, cuando sus concentraciones superan los requerimientos de la síntesis proteica, pueden ser metabolizados en compuestos que pueden entrar en el ciclo del TCA para la producción de ATP. Los aminoácidos que entran en el ciclo del TCA son cetogénicos o glucogénicos, ya que los primeros pueden convertirse en ácidos grasos y los segundos en glucosa. Los aminoácidos de cadena ramificada no son catabolizados por el hígado, sino por el músculo, el tejido adiposo, el riñón y el cerebro. Se convierten en los correspondientes cetoácidos mediante la aminotransferasa de aminoácidos de cadena ramificada. La α-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada convierte los cetoácidos en derivados de la CoA. Si esta enzima no es funcional por la mutación de su gen, los aminoácidos de cadena ramificada se acumulan en la sangre y la orina y producen la «enfermedad del jarabe de arce».