QUIMICA BIOLOGICA Lic. y Prof. en Ciencias Biológicas 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: Ciclo del nitrógeno. 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.

Objetivos Que al finalizar la clase, sean capaces de: Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Objetivos Que al finalizar la clase, sean capaces de: Definir y distinguir aminoácidos esenciales y no esenciales. Diferenciar y formular las reacciones de transaminación y desaminación, comprendiendo su significado biológico. Fundamentar la toxicidad del amoníaco. Explicar su metabolización y excreción en los distintos organismos.

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

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

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.

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

Recordemos como funciona el Ciclo del N2 en la naturaleza…

Absorción del nitrógeno por las plantas NH4+ NO3- AAs N2 NO3- NH4+ AAs

N2 NH4+ Fijación del Nitrógeno en las plantas Nódulo radical: bacteria, u otro microorganismo en asociación simbiótica con raíz.

N2 NH4+ Fijación del Nitrógeno en las plantas NADH NADPH Nitrogenasa

Fijación del Nitrógeno en las plantas Oxidación de CH (Ej. Glu y Fru) Fijación del Nitrógeno en las plantas NADH NADPH Flavodoxina red. COMPLEJO NITROGENASA 2ADP + 2Pi Fe-Mo-Proteina reducida N2 +10H+ Ferredoxina reducida Fe-Proteina oxidada e- e- e- Fe-Proteina reducida 2 NH4+ + H2 Ferredoxina oxidada Fe-Mo-Proteina oxidada 2ATP AMINOACIDOS PROTEINAS

Absorción del nitrógeno por las plantas NH4+ NO3- AAs N2 NO3- NH4+ AAs

La absorción de NO3- esta mediada por un mecanismo de simporte 2H+/NO3

Plantas que no pueden fijar N2 (mayoría de los cultivos excepto leguminosas) Fuentes importantes de nitrógeno: NO3- y NH4+ Citosol NAD(P)H + H+ NAD(P)+ Nitrato reductasa NO3- NO2- + H2O Nitrito reductasa LUZ Ferredoxina NO2- + 3H2O + 2H+ NH4+ + 2H2O + 1.5 O2 AMINOACIDOS PROTEINAS Cloroplastos o Protoplastidios

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.

¿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.

Digestión de Proteínas I) En el estómago Células Parietales HCl GASTRINA Células Principales Pepsinógeno HCl Pepsinógeno Pepsina + resto 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 ES UNA ENDOPEPTIDASA. HIDROLIZA UNIONES PEPTIDICAS. ACTUA SOBRE GRUPOS AMINO DE AMINOACIDOS AROMATICOS HIDROLIZANDO LAS PROTEINAS A POLIPEPTIDOS DE ALTO PM.

¿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.

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

¿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.

Digestión de Proteínas II) En Duodeno e Intestino Tripsinógeno Enteroquinasa 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 carbonilo de lisina y arginina Quimotripsina (endopeptidasa) grupos carboxilo de fenilalanina, tirosina, triptofano Las carboxipeptidasas (exopeptidasas) eliminan restos carboxilos 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? Secretina CO3H- Colecistoquinina Aminoácidos Dipéptidos Tripéptidos Extraído de Lehninger, 2008.

Absorción intestinal de 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. - Necesidad de múltiples transportadores determinados por la diferencia de tamaño y carga de los aminoácidos y péptidos.

Transporte intestinal de aminoácidos Ocurre por varios mecanismos: % Relativo para Alanina T. activo dependiente de Na+ 75% T. facilitado independiente de Na+ 20% Difusión pasiva < 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 Asparragina: 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). Difusión facilitada

AMINOACIDOS (fondo metabólico común) Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS ORIGEN Absorción en intestino Degradación de proteínas endógenas (Proteasas) Síntesis de aminoácidos (principalmente en hígado) UTILIZACION Síntesis de proteínas Síntesis de compuestos nitrogenados no proteicos Degradación y producción de Energía AMINOACIDOS (fondo metabólico común)

Catabolismo de aminoácidos Química Biológica METABOLISMO DE AMINOACIDOS Catabolismo 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

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

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 (+) ADP y GDP (-) ATP y GTP

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

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).