QUIMICA BIOLOGICA LCB, PB y LB BOLILLA 8: Metabolismo de Aminoácidos. Digestión y absorción. Catabolismo. Transaminación. Desaminación oxidativa y no oxidativa. Descarboxilación. Transporte de amoníaco: síntesis de glutamina. Glutaminasa. Organismos ureotélicos, uricotélicos y amoniotélicos. Ciclo de la urea. Costo energético. Destino del esqueleto carbonado. Aminoácidos cetogénicos y glucogénicos. Compuestos nitrogenados de importancia biológica derivados de aminoácidos.

METABOLISMO INTERMEDIO Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células y tejidos.

Conocimientos previos: Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Conocimientos previos: - Sistemas digestivo, circulatorio, endocrino. Estructura química de proteínas y aminoácidos. Nomenclatura. Transporte mediado activo. Difusión facilitada. Actividad enzimática y su regulación. Acción de cofactores y moduladores. Metabolismo. Regulación. Balance energético. Glucólisis. Ciclo de Krebs.

Diversidad de Proteínas Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Diversidad de Proteínas Quimotripsina Proteínas de membrana Luciferasa Hemoglobina Queratina Extraído de Lehninger, 2008.

METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS Los aminoácidos desempeñan muchas funciones importantes en los seres vivos ya que participan en la biosíntesis de compuestos nitrogenados tales como: nucleótidos (púricos y pirimidínicos) hormonas (tiroxina y adrenalina) coenzimas Porfirinas Además los aminoácidos son las unidades estructurales de las proteínas. Estas moléculas extraordinarias cumplen diferentes funciones dependiendo del tejido y de la ubicación celular, por ejemplo: estructurales (colágeno o elastina) funcionales (Miosina del músculo, hemoglobina) protectoras (queratina del pelo y uñas) catalíticas (enzimas) defensa (anticuerpos)

AMINOACIDO Repasemos… Grupo carboxilo (disociado) Grupo amino Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Repasemos… AMINOACIDO Grupo carboxilo (disociado) Grupo amino (protonado) Si estos aminoácidos esenciales no están presentes al mismo tiempo y en proporciones específicas, los otros aminoácidos, todos o en parte, no pueden utilizarse para construir las proteínas humanas. Cuando hay una carencia de alguno de ellos, los demás aminoácidos se convierten en compuestos productores de energía, y se excreta su nitrógeno Carbono a Cadena lateral

Algunos aminoácidos que veremos en esta clase Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Algunos aminoácidos que veremos en esta clase Alanina Ala Aspartato Asp Glutamato Glu Glutamina Gln AA neutro o alifático AAs ácidos Si estos aminoácidos esenciales no están presentes al mismo tiempo y en proporciones específicas, los otros aminoácidos, todos o en parte, no pueden utilizarse para construir las proteínas humanas. Cuando hay una carencia de alguno de ellos, los demás aminoácidos se convierten en compuestos productores de energía, y se excreta su nitrógeno AA amida

Serina Treonina Ser Thr Fenilalanina Tirosina Aminoácidos aromáticos Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Serina Ser Treonina Thr AAs hidroxilados Fenilalanina Tirosina Si estos aminoácidos esenciales no están presentes al mismo tiempo y en proporciones específicas, los otros aminoácidos, todos o en parte, no pueden utilizarse para construir las proteínas humanas. Cuando hay una carencia de alguno de ellos, los demás aminoácidos se convierten en compuestos productores de energía, y se excreta su nitrógeno Aminoácidos aromáticos

Repasemos… n H N C R O Uniones peptídicas AA amino terminal AA carboxilo terminal H 2 N C R 1 O 2-n 3

Aminoácidos no esenciales Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS AMINOACIDOS# Aminoácidos no esenciales Aminoácidos esenciales en roedores, insectos, peces*, aves* y humanos** Sintetizados por el organismo. No son sintetizados por el organismo. Deben ser incorporados con la dieta. Mantener el crecimiento y el equilibrio nitrogenado. Alanina Glicina Serina Tirosina Cisteína Ac. Aspártico Ac. Glutámico Glutamina Asparagina Prolina Valina Fenilalanina Leucina Triptofano Isoleucina Treonina Lisina Histidina** Metionina Arginina** # Los 20 AAs pueden ser sintetizados por los vegetales. * Peces y aves poseen además otros aminoácidos esenciales. ** En humanos, Histidina es esencial en niños y Arginina es parcialmente esencial.

Fuentes exógenas Fuentes endógenas Proteínas de la dieta ANIMALES Proteínas de membranas, (vegetales o animales) enzimas, hormonas, etc. Digestión y absorción Degradación AMINOACIDOS Transaminación y/ó Desaminación Degradación Biosíntesis α - cetoácido amoníaco - Proteínas - Aminoácidos No esenciales Constituyentes nitrogenados no proteicos: purinas, pirimidinas, porfirinas, ácidos biliares. NH3

El recambio de las proteínas puede ocurrir por varias causas: porque la proteína ha cumplido su ciclo vital, porque ha sufrido un efecto deletéreo que provoca la destrucción de la misma ó en caso de ciertas enfermedades en las cuales la célula debe utilizar proteínas para cumplir funciones energéticas. Toda proteína tiene una VIDA MEDIA determinada tras la cual se destruye por diferentes tipos de mecanismos en los cuales intervienen enzimas proteolíticas. Por ejemplo Las proteínas que forman parte de membranas tienen una vida media de meses. Aquellas que cumplen funciones de regulación ó señalización tienen una vida media corta, de minutos u horas.

Fuentes exógenas Fuentes endógenas Proteínas de la dieta ANIMALES Proteínas de membranas, (vegetales o animales) enzimas, hormonas, etc. Digestión y absorción Degradación AMINOACIDOS Transaminación y/ó Desaminación Degradación Biosíntesis α - cetoácido amoníaco - Proteínas - Aminoácidos No esenciales Constituyentes nitrogenados no proteicos: purinas, pirimidinas, porfirinas, ácidos biliares. NH3

¿Cómo se digieren las proteínas de la dieta en el humano? Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS ¿Cómo se digieren las proteínas de la dieta en el humano? Secretina CO3H- Colecistoquinina Extraído de Lehninger, 2008.

ACCION DE LA ANHIDRASA CARBONICA FORMACION de HCL ACCION DE LA ANHIDRASA CARBONICA CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- Histamina Acetilcolina Gastrina Cl- LUMEN H+ (+) Membrana apical Célula Parietal ATP ADP + Pi K+ H+- K- ATP asa CITOPLASMA

Bombas o Sistemas Intercambiadores Marea alcalina

Digestión de Proteínas I) En el estómago Células Parietales GASTRINA ACETILCOLINA HISTAMINA HCl Células Principales Pepsinógeno Autocatálisis HCl Pepsinógeno Pepsina + péptido de 42 Aa. Proenzima -NH2 pH 1,5-2,5 Enzima activa -NH2 -NH2

Digestión de proteínas en el estómago por acción de la Pepsina Péptidos de alto PM COO- Phe Leu NH3+ Arg COO- NH3+ Arg Phe Leu Pepsina H2O ES UNA ENDOPEPTIDASA. HIDROLASA ACTUA SOBRE GRUPOS AMINO DE AMINOACIDOS AROMATICOS HIDROLIZANDO LAS PROTEINAS A POLIPEPTIDOS DE ALTO PM.

(células S del duodeno) Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS ¿Cómo se digieren las proteínas de la dieta en el humano? SECRETINA (células S del duodeno) COLECISTOQUININA (céls. I del duodeno) CO3H- Extraído de Lehninger, 2008.

SECRECION PANCREATICA HCO3- Contenido estomacal ácido pH Secretina Colecistoquinina Proenzimas o zimógenos

Digestión de Proteínas II) En Duodeno e Intestino Tripsinógeno Enteroquinasa (enzima secretada por céls. del duodeno ) Autocatálisis INACTIVOS ACTIVOS Tripsina Quimotripsina Quimotripsinógeno T R I P S N A Procarboxipeptidasas A y B Carboxipeptidasas A y B Proelastasa Elastasa

QUE TIPO DE ENLACES PEPTIDICOS HIDROLIZAN ?? Tripsina (endopeptidasa): grupos carboxilo de AA diaminados, por ej. lisina y arginina Quimotripsina (endopeptidasa) grupos carboxilo de AA aromáticos, por ej. fenilalanina, tirosina, triptofano . Elastasa (endopeptidasa) hidroliza preferentemente enlaces peptídicos adyacentes a AAs de cadena alifática, por ej. Leu, Ala, etc. Carboxipeptidasas (exopeptidasas) eliminan AAs carboxilo terminales.

Digestión intraluminal de proteínas por acción de proteasas pancreáticas NH3+ Arg COO- Arg COO- NH2 AA Básicos Carboxi- Peptidasa B COO- NH3+ Arg Phe Leu Tripsina NH3+ COO- Oligopéptidos Phe NH3+ COO- Peptidasas Quimotripsina NH3+ COO- Carboxi- Peptidasa A Elastasa Leu NH3+ COO- Leu COO- NH2 Phe AA Neutros

¿Cómo se digieren las proteínas de la dieta en el humano? Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS ¿Cómo se digieren las proteínas de la dieta en el humano? Las proteínas vegetales son menos digeribles que las de origen animal. Las ricas en Prolina, como gluten y caseína, son relativamente resistentes a la digestión. La cocción desnaturaliza las proteínas y las hace más accesibles a las hidrolasas. Secretina CO3H- Colecistoquinina Aminoácidos Dipéptidos Tripéptidos Extraído de Lehninger, 2008.

Absorción intestinal de aminoácidos y péptidos - Existen múltiples transportadores determinados por la diferencia de tamaño y carga de los aminoácidos y péptidos. - Ocurre por transportadores de aminoácidos y péptidos del borde en cepillo de las células intestinales. - Transporte activo Na+-dependiente y transporte pasivo Na+-independiente.

Transporte intestinal de aminoácidos Ocurre por varios mecanismos: % Relativo para Alanina T. activo dependiente de Na+ 75% T. mediado pasivo independiente de Na+ 20% Difusión simple < 5% LUMEN INTESTINAL Aminoácidos Aminoácidos Na+ Aminoácidos Aminoácidos Na+ K+ ATP → ADP+Pi ENTEROCITO Aminoácidos SANGRE PORTAL

Transporte intestinal de péptidos pequenos Transporte activo de di- y tripéptidos acoplado a hidrogeniones LUMEN INTESTINAL Péptidos 2H+ Péptidos H+ Na+ Na+ K+ ATP → ADP+Pi Peptidasas citosólicas Aminoácidos Péptidos ENTEROCITO Aminoácidos SANGRE PORTAL

Distribución de los aminoácidos en el período post-prandial La mayor parte de los aminoácidos Hígado. Glutamina y Asparagina Intestino y riñón. Aminoácidos de cadena ramificada Músculo y cerebro. ¿Cómo son incorporados los aminoácidos en las células de los distintos tejidos? Los transportadores se encuentran en todas las células. Son específicos para grupos de aminoácidos (neutros, catiónicos y de glutamato). Transporte mediado pasivo

Fuentes exógenas Fuentes endógenas Proteínas de la dieta ANIMALES Proteínas de membranas, (vegetales o animales) enzimas, hormonas, etc. Digestión y absorción Degradación AMINOACIDOS Transaminación y/ó Desaminación Degradación Biosíntesis α - cetoácido amoníaco - Proteínas - Aminoácidos No esenciales Constituyentes nitrogenados no proteicos: purinas, pirimidinas, porfirinas, ácidos biliares. NH3

Degradación de proteínas endógenas Las proteínas endógenas cuando han cumplido su ciclo vital o sufren alteraciones por compuestos tóxicos, como radicales libres, metales pesados, etc., se degradan. El ciclo vital depende de la vida media de la proteína; por ejemplo existen proteínas de vida media corta (hormonas, antígenos, etc.) y otras de vida media larga (proteínas estructurales). Una vez degradadas, sus aminoácidos pasan a formar parte de la reserva de aminoácidos del organismo.

DEGRADACION DE PROTEINAS ENDOGENAS Proteasas lisosomales ó CATEPSINAS Proteasomas CALPAÍNAS CASPASAS Degradan proteínas extracelulares que ingresan por endocitosis. Degradan proteínas de vida media larga Complejos multienzimáticos. Degradan proteínas de vida media corta. Proteasas citosólicas activadas por Ca++ Proteasas que participan en el proceso de muerte celular programada ó apoptosis

Principal vía de proteólisis selectiva: las moléculas a degradar son «marcadas» por inserción de  Ubiquitina (Ub) Ligasa Proteasoma

Boca de acceso: ATPasa y Ub hidrolasa Sitios catalíticos de proteasas: asociación de 4 anillos de 7 subunidades polipeptídicas cada uno peptidasas

Fuentes exógenas Fuentes endógenas Proteínas de la dieta ANIMALES Proteínas de membranas, (vegetales o animales) enzimas, hormonas, etc. Digestión y absorción Degradación AMINOACIDOS Transaminación y/ó Desaminación Degradación Biosíntesis α - cetoácido amoníaco - Proteínas - Aminoácidos No esenciales Constituyentes nitrogenados no proteicos: purinas, pirimidinas, porfirinas, ácidos biliares. NH3

DESTINO DE LOS AMINOÁCIDOS EN LA CELULA Biosíntesis: Proteínas, Compuestos no proteicos, etc. Gluconeogénesis Obtención de Energía a Los aminoácidos deben degradarse 1º) Pérdida del Grupo Amino 2º) Degradación de la cadena carbonada

Vías de eliminación del grupo α-amino Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Vías de eliminación del grupo α-amino I- Reacciones de Transaminación II- Reacciones de Desaminación Oxidativa No Oxidativa

Aminotransferasa o Transaminasa Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Transaminación PLP Aminotransferasa o Transaminasa α-aminoácido (R) α-cetoácido (R’) α-aminoácido (R’) α-cetoácido (R) PLP: piridoxal fosfato piridoxamina fosfato

Las reacciones de transaminación son fácilmente reversibles y son muy importantes en el metabolismo proteico. Todos los aminoácidos (excepto lisina y treonina) participan en reacciones de transaminación con los α-cetoácidos: α-cetoglutarato oxaloacetato piruvato

Principales reacciones de transaminación Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Principales reacciones de transaminación + Glutamato + C O - H 2 α-cetoglutarato Alanina aminotransferasa (ALT) Alanina C O - H 3 Piruvato PLP Glutámico pirúvico transaminasa (GPT) GPT Localización citoplasmática. Particularmente abundante en hígado, corazón y músculo.

Principales reacciones de transaminación Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Principales reacciones de transaminación C O - H 2 + α-cetoglutarato Aspartato + Glutamato C O - H 2 Oxalacetato Aspartato aminotransferasa (AST) PLP Glutámico oxalacético transaminasa (GOT) GOT Localización >> mitocondrial y < citoplasmática. Particularmente abundante en hígado y corazón.

Vías de eliminación del grupo α-amino Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Vías de eliminación del grupo α-amino - Reacciones de Transaminación - Reacciones de Desaminación Oxidativa No Oxidativa

Desaminación oxidativa del glutamato Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Desaminación oxidativa del glutamato Glutamato α-cetoglutarato Glutamato deshidrogenasa (Mitocondrias de hígado y riñón) (+) ADP y GDP (-) ATP y GTP Cuando se acumula ATP y GTP en la mitocondria, como consecuencia de una actividad elevada del ciclo de Krebs, se inhibe la desaminación del glutamato para no incorporar más a-cetoglutarato al ciclo. Por el contrario, cuando aumentan los niveles de ADP y GDP se activa la enzima y de esa forma se produce NADH que es utilizado para la síntesis de ATP e ingresa el α-cetoglutarato al Ciclo de Krebs.

REGULACION DE LA GLUTAMATO DESHIDROGENASA Regulación alostérica ( + ) ADP Y GDP ( - ) ATP Y GTP Cuando se acumula ATP y GTP en la mitocondria, como consecuencia de una actividad elevada del ciclo de Krebs, se inhibe la desaminación del glutamato para no incorporar más a-cetoglutarato al ciclo. Por el contrario, cuando aumentan los niveles de ADP y GDP se activa la enzima y de esa forma se produce NADH que es utilizado para la síntesis de ATP e ingresa el α-cetoglutarato al Ciclo de Krebs. Es una enzima mitocondrial (hígado y riñón)

DESAMINACION OXIDATIVA TRANSDESAMINACION TRANSAMINACION DESAMINACION OXIDATIVA Aminoácido a-cetoglutarato NADH + H+ NH4+ + GDH Transaminasa NAD+ a-cetoácido Glutamato

Desaminación oxidativa por aminoácido oxidasas peroxisomales Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Desaminación oxidativa por aminoácido oxidasas peroxisomales L-aminoácido oxidasa E-FMNH2 + O2 E-FMN + H2O2 L-aminoácido + H2O + E-FMN a-cetoácido + NH4+ + E-FMNH2 D-aminoácido + H2O + E-FAD E-FADH2 + O2 D-aminoácido oxidasa E-FAD + H2O2 a-cetoácido + NH4+ + E-FADH2 2 H2O2 2 H2O + O2 Catalasa

Vías de eliminación del grupo α-amino Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Vías de eliminación del grupo α-amino - Reacciones de Transaminación - Reacciones de Desaminación Oxidativa No Oxidativa

Treonina deshidratasa Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Desaminación no oxidativa Serina PLP Serina deshidratasa H2O C O - H 3 Piruvato + NH4+ Treonina C O - H 2 CH3 α-cetobutirato + NH4+ PLP Treonina deshidratasa H2O

Metabolismo de aminoácidos Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Metabolismo de aminoácidos Proteínas intracelulares Proteínas dietarias Aminoácidos Esqueleto carbonado NH4+ Biosíntesis de aminoácidos, nucleótidos y aminas biológicas Carbamil fosfato α-cetoacidos CICLO DE LA UREA CICLO DE KREBS Interconexión Aspartato-arginino succinato CO2 + H2O + ATP Oxalacetato UREA (producto de excreción del nitrógeno) Glucosa (gluconeogénesis) Catabolismo del nitrógeno de aminoácidos

Bibliografía METABOLISMO DE AMINOACIDOS Química Biológica 1- BLANCO A., “Química Biológica”, Ed. El Ateneo, 8a edic., Bs. As. (2007). 2- LEHNINGER, A.L., "Principios de Bioquímica", Ed. Omega, 4ª ed. (2008). Bibliografía Complementaria 1- CAMPBELL Y FARREL, “Bioquimica”, Thomson Eds., 4ta. Ed., (2005). 2- SALISBURY Y ROSS, “Fisiología vegetal”, Grupo Ed. Iberoamericana, (1994). 3- HILL, WYSE Y ANDERSON, “Fisiología animal”, Ed. Med. Panamericana,(2006), Madrid, España. 4- LIM M.Y., “ Lo esencial en Metabolismo y Nutrición”, Ed. Elsevier, 3ra. ed., Barcelona (2010).