4.1.4 LAS PROTEINAS EN EL METABOLISMO

Metabolismo de las Proteínas
En el metabolismo, el principal producto final de las proteínas es el amoníaco (NH3) que luego se convierte en urea (NH2)2CO2 en el hígado y se excreta a través de la orina.

Trataremos primordialmente de la transformación catabólica del nitrógeno de los aminoácidos en urea y de los esqueletos de carbono en intermediarios anfibólicos del ciclo del ácido cítrico.

CATABOLISMO DEL NITRÓGENO DE LOS AMINOÁCIDOS
En los tejidos de mamíferos los grupos amígenos de los aminoácidos, derivados ya sean de la dieta o de la demolición de las proteínas tisulares son excretada, en último término, como urea en la orina. La biosíntesis de la urea implica la acción de varias enzimas. Se puede dividir convenientemente para su estudio en 4 procesos:
1 Transaminación,
2 Desaminación oxidativa,
3 Transporte de amoniaco, y
4 Reacciones del ciclo de laurea.
La relación de estas áreas con el catabolismo global del nitrógeno de los aminoácidos se muestra en la Fig. 2-8.

Fig. 2.8. Flujo global del nitrógeno en el catabolismo de los aminoácidos

Otros vertebrados distintos de los mamíferos comparten todos los caracteres de este esquema, exceptuando la síntesis de urea. La urea, el producto final característicos del metabolismo del nitrógenos de los aminoácidos en el hombre y otros animales ureotélicos, es reemplazada por el ácido úrico en los organismos uricotélicos (reptiles y aves) o por amoniaco en los organismos amonotélicos (por ejemplo los teleósteos).
Cada uno de los 4 procesos será considerado ahora en detalle. Aunque todos desempeñan un papel en la biosíntesis de los aminoácidos, lo que sigue se estudia desde el punto de vista del catabolismo de los aminoácidos.

Transaminación
La transaminación catalizada por las enzimas llamadas transaminasas o aminotransferasas, implica la interconver-sión de un par de aminoácidos y un par de cetoácidos. Estos generalmente son a–amino y b–cetoácidos (Fig. 2-9).

El fosfato de piridoxal, la vitamina B6 en forma de coenzima, forma una parte esencial del sitio activo de las transaminasas y de muchas otras enzimas con aminoácidos como sustratos. En todas las reacciones de los aminoácidos, dependientes del fosfato de piridoxal, el paso inicial es la formación de una base de Shiff intermediaria unida a la enzima. Fig. 2-10.

Este intermediario estabilizado por la reacción recíproca con una región catiónica del sitio activo, se puede estructurar de maneras que incluyen la liberación de un cetoácido con formación de fosfato de piridoxamina unido a la enzima. La forma unida, aminada de la coenzima puede formar entonces una base análoga intermediaria de Shiff con un cetoácido. Durante la transaminación, la coenzima unida sirve, así como un transportador intermediario de grupos amígenos. Fig. 2-10. Puesto que la constante de equilibrio para la mayor parte de las reacciones de transaminasas es cercana a la unidad, la transaminación es un proceso libremente reversible. Esta reversibilidad permite a las transaminasas funcionar tanto en el catabolismo de los aminoácidos como en su biosíntesis.

Dos transaminasas, la alanina–pirúvico transaminasa (alanintransaminasa) y la glutámico–a–cetoglutárico transaminasa (glutámico–transaminasa), presentes en la mayor parte de los tejidos animales, catalizan la transferencia de grupos amígenos de la mayor parte de los aminoácidos para formar alanina (a partir del piruvato) o del glutamato (a partir del a–cetoglutarato).
Cada transaminasa es específica para el par especificado de aminoácido y cetoácido como un par de sustratos, pero inespecífica para el otro par, el cual puede ser cualquiera de una amplia variedad de aminoácidos y sus correspondientes cetoácidos. Puesto que la alanina es también un sustrato para la reacción de la glutámico transaminasa, todo el nitrógeno amínico proveniente de los aminoácidos que pueden experimentar la transaminación se puede concentrar en el glutamato. Esto es importante porque el L–glutamato es el único aminoácido de los tejidos de mamífero que experimenta desaminación oxidativa a una tasa apreciable. La formación de amoniaco de los grupos amígenos a se realiza, así, principalmente mediante la conversión del nitrógeno amínico a del L–glutamato.
La mayor parte de los aminoácidos (pero no todos) son sustratos de la transaminación. Las excepciones incluyen a la lisina, la treonina y a los iminoácidos cíclicos prolina e hidroxiprolina. La transaminación no está restringida a los grupos amígenos a. El grupo amígeno d de la ornitina es, por ejemplo, fácilmente transaminado formando g–semialdehído del glutamato (Fig. 2-11).

Desaminación oxidativa
La conversión oxidativa de muchos aminoácidos en sus correspondientes a–cetoácidos ocurre en homogeneizados de tejidos hepáticos y renal de mamíferos. Aunque la mayor parte de la actividad de los homogeneizados frente a los L–a–aminoácidos se debe a la acción conjunta de las transaminasas y de la L–glutámico deshidrogenasa, tanto la actividad de la L- como la D–aminoacidooxidasa se presentan en los tejidos hepáticos y renal de los mamíferos y están ampliamente distribuidas en otros animales y en los microorganismos. Se debe notar, sin embargo, que no se conoce el papel fisiológico de la L- y de la D–aminoácido-oxidasa en los tejidos de mamífero.
Las aminoácido-oxidasas son flavoproteínas autooxidables, es decir, el FMN o el FAD reducido es reoxidado directamente por el oxígeno molecular (Fig. 2–12), formando el peróxido de hidrógeno (H2O2) sin participación de los citocromos o de otros transportadores de electrones. El producto tóxico H2O2 es desdoblado entonces en O2 y H2O por la catalasa que existe ampliamente en los tejidos especialmente en el hepático. (Fig. 2–12). Aunque las reacciones de las aminoácido-oxidasas son reversibles, el a–cetoácido producido no es descarboxilado enzimáticamente por el H2O2 si falta la catalasa, formándose un ácido carboxílico con un átomo menos de carbono. Tanto la actividad de la L- como la de la D–aminoácido-oxidasa están presentes en el tejido renal, aunque la función de la D–aminoácido-oxidasa es oscura.

En las reacciones de la aminoácido-oxidasa (Fig. 2–12) el aminoácido es deshidrogenado primero por la flavoproteína de la oxidasa, formando un a–iminoácido. Este adiciona agua espontáneamente y luego se descompone espontáneamente en el correspondiente a–cetoácido con pérdida del nitrógeno a–imínico como amoniaco.
La L-aminoácido-oxidasa de los mamíferos una FMN–flavoproteína, está restringida a los tejidos renal y hepático. Su actividad es bastante es bastante baja y esencialmente no tiene efecto sobre la glicina o sobre los L–isómeros de los ácidos dicarboxílicos o de los b–hidroxi–a-aminoácidos. Así, no es verosímil que esta enzima desempeñe un papel principal en el catabolismo de los aminoácidos en los mamíferos.
La D-aminoácido-oxidasa de los mamíferos una FAD–flavoproteína de amplia especificidad de substratos, existe en el tejido hepático y renal de la mayor parte de los mamíferos. La D–asparagina y la D–glutamina no son oxidadas y la glicina y los D–isómeros de los aminoácidos ácidos y básicos son malos substratos. La significación fisiológica de esta enzima en los mamíferos se desconoce.
L–Glutámico deshidrogenasa. Los grupos amígeno de la mayor parte de los aminoácidos son transferidos, en último término, al a–cetoglutarato por transaminación formando L–glutamato (Fig. 2-8). La liberación de este nitrógeno como amoniaco es catalizada por la L–glutámico deshidrogenasa, una enzima de gran actividad, ampliamente distribuida en los tejidos de mamíferos (Fig. 2-13). La glutámico deshidrogenasa hepática es una enzima regulada cuya actividad es afectada por modificadores alostéricos como el ATP, el GTP y el NADP, que inhiben a la enzima, y el ADP que la activa. Ciertas hormonas también parecen influir sobre la actividad de la glutámico deshidrogenasa. La glutámico deshidro-genasa usa ya sea NAD+ o NADP+ como cosubstrato. La reacción es reversible y funciona tanto en el catabolismo de los aminoácidos como en su biosíntesis. Por consiguiente, ella funciona no sólo canalizando el nitrógeno del glutamato hacia urea (catabolismo), sino también catalizando la aminación del a–cetoglutarato por el amoniaco libre. Esta última función (biosintética) es de particular importancia en las plantas y en las bacterias, las cuales pueden sintetizar grandes cantidades de aminoácidos a partir de la glucosa y el amoniaco. Cuando el ganado bovino es alimentado con dietas ricas en carbohidratos y nitrógeno en la forma de urea, las bacterias del rumen convierten primero a la urea en amoniaco, luego utilizan la reacción de la glutámico deshidrogenasa proporcionando al ganado una dieta abundante en glutamato y otros aminoácidos.
Además del amoniaco formado en los tejidos, una considerable cantidad es producida por las bacterias intestinales, tanto a partir de las proteínas de la dieta, como de la urea presente en los líquidos secretados en el aparato digestivo. Este amoniaco es absorbido en el intestino y pasa a la sangre de la vena porta, la cual característicamente contienen concentra-ciones mayores de amoniaco que la sangre de la circulación general. En circunstancias normales, el hígado prontamente elimina el amoniaco de la sangre de la vena porta, de manera que la sangre que abandona el hígado (y, de hecho, toda la sangre periférica) está virtualmente exenta de amoniaco. Esto es esencial, ya que aun diminutas cantidades de amoniaco son tóxicas para el sistema nervioso central. Los síntomas por intoxicación por amoniaco incluyen un temblor peculiar en aleteo, lenguaje farfullado, visión borrosa y, en los casos graves, coma y muerte. Estos síntomas se parecen a los del síndrome del coma hepático. Por lo tanto, el tratamiento incluye medidas encaminadas a reducir los niveles sanguíneos de amoniaco.

Cuando la función hepática está gravemente menoscabada o cuando se establecen comunicaciones colaterales entre la vena porta y las venas de la circulación general (como puede ocurrir en la cirrosis), la sangre porta puede evadir al hígado. El amoniaco proveniente de los intestinos puede así, elevarse a niveles tóxicos en la sangre de la circulación general. Los procedimientos de derivación quirúrgica (fístula de Eck u otras formas de derivación portacava) también conducen a la intoxicación por amoniaco, particularmente después de la ingestión de grandes cantidades de proteínas o de hemorragia del aparato digestivo. El contenido de amoniaco de la sangre que abandona los riñones por la vía de las venas renales siempre excede al de las arterias renales, indicando que los riñones producen amoniaco y los vierten a la sangre. Sin embargo, la excreción en la orina del amoniaco producido por las células de los túbulos renales constituye un aspecto mucho más importante del metabolismo renal del amoniaco. La producción del amoniaco forma parte de los mecanismos de los túbulos renales que regulan el equilibrio ácido-básico, así como de conservación de los cationes. La producción de amoniaco por los riñones está marcadamente aumentada en la acidosis metabólica y deprimida en la alcalosis. No sólo se deriva de la urea, sino también de los aminoácidos intracelulares, particularmente de la glutamina. La liberación de amoniaco es catalizada por la glutaminasa renal (Fig. 2-14).

Transporte de amoniaco
Aunque el amoniaco puede ser excretado como sales de amonio —particularmente en estado de acidosis metabólica— la vasta mayoría es excretada como urea, el principal componente nitrogenado de la orina. El amoniaco producido constantemente en los tejidos por los procesos descritos anteriormente, sólo se encuentra como vestigios de la sangre (10 – 20 mg/100 ml) puesto que es rápidamente eliminado de la circulación por el hígado y convertido, ya sea en glutamato, glutamina o urea. Estos niveles vestigiales de amoniaco contrastan claramente con las cantidades más considerables de aminoácidos libres, particularmente de glutamina, en la sangre (cuadro 15-1)
La eliminación del amoniaco mediante la reacción de la glutámico deshidrogenasa fue mencionada anteriormente. La formación de glutamina es catalizada por la glutamina sintetasa (Fig. 2-15), una enzima mitocondrial presente en máxima cantidad en el tejido renal. La síntesis del enlace amídico de la glutamina se lleva a cabo a expensas de la hidrólisis de un equivalente de ATP en ATP y Pi. La reacción es así fuertemente favorecida en la dirección de la síntesis de glutamina.

La liberación del nitrógeno amídico de la glutamina como amoniaco sucede no por reversión de la reacción de la glutamina sintetasa, sino por formación hidrolítica de amoniaco catalizada por la glutaminasa (Fig. 2-14). La reacción de la glutaminasa, a diferencia de la reacción de la glutamina sintetasa, no incluye la participación de nucleótidos de adenina, favorece fuertemente la formación de glutamato y no funciona en la síntesis del mismo. Estas 2 enzimas, la glutamina sintetasa y la glutaminasa (Fig. 2-16) sirven para catalizar la interconversión del ion amonio libre y la glutamina de una manera que recuerda la interconversión de la glucosa, y la glucosa–6–fosfato por la glucocinasa y la glucosa–6– fosfatasa (Fig. 2-5). Una reacción análoga es catalizada por la L–asparaginasa de origen animal, vegetal y microbiano. La asparaginasa y la glutaminasa han sido empleadas, ambas, como agentes antitumorales ya que ciertos tumores tienen requerimientos anormalmente elevados de glutamina y asparagina.

Mientras que en el encéfalo el mecanismo principal para la eliminación del amoniaco es la formación de glutamina, en el hígado la vía más importante es la formación de urea. El tejido del encéfalo puede formar urea, aunque esto no desempeña un papel significativo en la eliminación del amoniaco. En el encéfalo, la formación de glutamina debe ser precedida por la síntesis de glutamato en el propio encéfalo porque el aporte de glutamato sanguíneo es inadecuado para explicar las cantidades aumentadas de glutamina formadas dentro del encéfalo en presencia de niveles altos de amoniaco sanguíneo. La fuente inmediata de glutamato para este propósito es el a–cetoglutarato. Esto empobrecería rápidamente el aporte de intermediarios del ciclo del ácido cítrico a menos que pudieran ser repuestos por la fijación de CO2 con la conversión del piruvato en oxalacetato. El efecto, en el encéfalo sucede una fijación importante de CO2 en forma de aminoácidos, presumiblemente por la vía del ácido cítrico y después de la infusión de amoniaco más oxalacetato es desviado hacia la síntesis de glutamina (en vez de aspartato) por la vía del a–cetoglutarato.

Regulación del ciclo de la urea (síntesis de la urea)
Un hombre moderadamente activo que consuma cerca de 300 g de carbohidratos, 100 g de grasa y 100 g de proteínas diariamente debe excretar aproximadamente 16.5 g de nitrógeno al día. 95% es eliminado por los riñones el 5% restante, en su mayor parte como nitrógeno en las heces. La principal ruta para la excreción de nitrógeno en el hombre es la de la urea sintetizada en el hígado, vertida a la sangre y eliminada por el riñón. En el hombre que se alimenta con una dieta occidental, la urea constituye el 80 – 90 % del nitrógeno excretado.
Las reacciones y los intermediarios en la biosíntesis de 1 mola de urea a partir de 1 mola de amoniaco y otra de bióxido de carbono (activados con Mg++ y ATP), así como del nitrógeno a–amínico del aspartato se muestran en la figura 2-17. El proceso global requiere de 3 molas de ATP (dos de las cuales son convertidas en ADP + Pi y una en AMP y Ppi) y la participación sucesiva de 5 enzimas que catalizan las reacciones numeradas de la Fig. 2-17. De los 6 aminoácidos que intervienen en la síntesis de la urea, uno, el N–acetilglutamato, funciona como un activador enzimático y no como un intermediario. Los 5 restantes —asparta-to, arginina, ornitina, citrulina y arginin-succinato— funcionan todos como transportadores de átomos que en último término se vuelven urea. Dos de ellos (aspartato y arginina) existen en las proteínas, mientras que los tres restantes (ornitina, citrulina y argininsuccinato) no. El principal papel metabólico de éstos tres últimos aminoácidos es, en los mamíferos, la síntesis de urea. Nótese que la formación de urea es, en parte un proceso cíclico. La ornitina usada en la reacción 2 es regenerada en la reacción 5. Así, no hay pérdida ni ganancia neta de ornitina, citrulina, argininsuccinato o de arginina durante la síntesis de la urea; sin embargo, el amoniaco, el CO2, el ATP y el aspartato si son consumidos.

Reacción 1: síntesis del carbamoilfosfato.
La condensación de una mola de amoniaco, de otra de bióxido de carbono y de una de fosfato (derivada del ATP) para formar carbamoilfosfato es catalizada por la carbamoilfosfato sintetasa, una enzima presente en las mitocondrias hepáticas de todos los organismos ureotélicos, incluyendo al hombre. Las 2 molas de ATP hidrolizadas durante esta reacción aportan la fuerza quimiomotriz para la síntesis de dos enlaces covalentes del carbamoil-fosfato: el enlace amídico y el enlace del anhídrido mixto ácido carboxílico –ácido fosfórico. Además de Mg++ se requiere de un ácido dicarboxílico, de preferencia N-acetilglutamato. El papel exacto del N–acetilglutamato no se conoce con certeza. Su presencia lleva a cabo un profundo cambio conformacional en la estructura de la carbamoilfosfato sintetasa que expone a ciertos grupos sulfhidrilo, oculta a otros y afecta la afinidad de la enzima por el ATP.
En las bacterias, la glutamina sirve como sustrato, en lugar del amoniaco, para la síntesis del carbamoilfosfato. Una reacción semejante catalizada por la carbamatocinasa es también importante en la utilización de la citrulina por las bacterias.

Reacción 2: Síntesis de citrulina.
La transferencia de la fracción carbamoílo del carbamoilfosfato a la ornitina, formando citrulina + Pi, es cata-lizada por la L–ornitintranscarbamoilasa de las mitocondrias del hígado. La reacción es altamente específica para la ornitina y el equilibrio favorece grandemente la síntesis de la citrulina.

Reacción 3: Síntesis del argininsuccinato.
En la reacción de la arginin-succinato sintetasa, el aspartato y la citrulina son unidos mediante el grupo amígeno del aspartato. La reacción requiere de ATP y el equilibrio favorece fuertemente la síntesis de arginin-succinato.

Reacción 4: Desdoblamiento del argininsuccinato en arginina y fumarato.
El desdoblamiento reversible del argininsuccinato en arginina y fumarato es catalizado por la argininsuccinasa, una enzima friolábil de los tejidos hepático y renal de los mamíferos. La pérdida de actividad en el frío se acompaña de la disociación en 2 componentes proteínicos. Esta disociación es impedida por el Pi, la arginina y el argininsuccinato o por el p–hidroximercuribenzoato, el cual no tiene efecto adverso sobre la actividad. La reacción se lleva a cabo por un mecanismo de trans-eliminación. El fumarato formado puede ser convertido en oxalacetato mediante las reacciones de la fumarasa y de la malicodeshidrogenasa (Fig. 2-5) y luego transaminado éste para regenerar el aspartato.
Reacción 5: Desdoblamiento de la arginina en ornitina y urea.Esta reacción completa el ciclo de la urea y regenera la ornitina, sustrato de la reacción 2. El desdoblamiento hidro-lítico del grupo guanídico de la arginina es catalizado por la arginasa, la cual se encuentra en el hígado de todos los organismos ureotélicos. Cantidades meno-res de arginasa también existen en el tejido renal, en el encéfalo, en la glándula mamaria, en el tejido testicular y en la piel. La arginasa altamente purificada preparada en el hígado de mamífero es activada por el Co++ o el Mn++. La ornitina y la lisina son potentes inhibidores que compiten con la arginasa.