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METABOLISMO DE AMINOACIDOS

Comparativamente con los carbohidratos y los lípidos, el metabolismo de los aminoácidos

es considerablemente más complejo, porque si bien los aminoácidos son también

utilizados como fuente de energía, su función biológica está muy ligada al hecho de que

los aminoácidos son los constituyentes de las proteínas. Las proteínas, además de su

función estructural, son también necesarias para una gran variedad de funciones

biológicas, tales como la secreción de hormonas digestivas y proteínas plasmáticas, el

transporte de sustancias y la respuesta inmune, además de sus funciones como enzimas,

entre muchas otras. Por lo tanto, la incorporación de proteínas es indispensable para

mantener la estructura y función del organismo. El exceso de proteínas de la dieta puede

ser utilizado como fuente de energía, dado que como veremos más adelante, los

aminoácidos glucogénicos se pueden convertir en glucosa y los cetogénicos en ácidos

grasos o cetoácidos, o bien ser excretados como productos metabólicos (ej. urea). Una

dieta libre de proteínas produce una pérdida neta de proteínas corporales de alrededor de

0.34 g/kg de peso/día.

El destino metabólico de las proteínas dietarias dependerá del ingreso energético. Un

aumento de este último permitirá la conservación de proteínas, en cambio, una

disminución en el aporte calórico resultará en la degradación proteica. Además, un factor

importante es la “calidad” de las proteínas dietarias que está determinada por su valor

biológico y su facilidad de absorción y digestión. El valor biológico de una proteína

depende de la proporción en la que se encuentran los aminoácidos esenciales. Por

ejemplo, las proteínas del huevo y la leche tienen mayor valor biológico que las proteínas

de origen vegetal. Se recomienda que entre el 10 al 15% del ingreso calórico provenga de

proteínas.

Cuando la ingesta diaria de proteínas es baja, la mayoría de los aminoácidos se utiliza

para la síntesis proteica, debido a que los aminoacil-tRNA tienen una afinidad muy alta por

los aminoácidos. En cambio, cuando la ingesta proteica es alta, los aminoácidos son

catabolizados en reacciones catalizadas por enzimas de Km elevado.

El plasma contiene los 20 aminoácidos que se encuentran habitualmente en las proteínas,

además de otros como la citrulina, la ornitina, la taurina y la 3-metilhistidina.

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Los aminoácidos se clasifican en esenciales (aquellos que no pueden ser sintetizados por

el hombre, y por lo tanto deben ser ingeridos en la dieta) y los no esenciales que en su

mayoría son sintetizados a partir de intermediarios anfibólicos por vías metabólicas cortas

o a partir de aminoácidos esenciales. La tabla siguiente indica a qué categoría pertenecen

los aminoácidos más abundantes.

Esenciales No esenciales

Fenilalanina Alanina

Isoleucina Arginina

Leucina Asparragina

Lisina Aspartato

Metionina Cisteína

Treonina Glicina

Triptofano Glutamato

Valina Glutamina

Histidina (es esencial en lactantes y niños)

Prolina

Serina

Tirosina

La mayor parte de los aminoácidos utilizados por el organismo para sintetizar proteínas o

precursores derivados de aminoácidos se obtiene de la dieta o del recambio de proteínas.

Las mezclas de aminoácidos obtenidas de la dieta no están presentes en las proporciones

exactas requeridas por el organismo, pero se interconvierten a través de diversas

reacciones metabólicas. De hecho, la mezcla de aminoácidos liberados a la sangre portal

desde el intestino ya muestra cambios en su composición (por ejemplo: la concentración

de alanina es mayor en la sangre portal que la ingerida). El exceso de aminoácidos

respecto a las necesidades para la síntesis de proteínas no puede ser almacenado ni

excretado como tales, sino que son degradados a productos que pueden ser oxidados

para obtener energía o acumulados como grasas.

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El catabolismo de aminoácidos está regulado por la inducción de las enzimas

catabolizantes. La velocidad de este proceso varía considerablemente entre las diversas

proteínas y está regulada por la demanda fisiológica. Todas las vías de degradación de

los aminoácidos involucran una etapa clave que es la separación del grupo amino

del esqueleto carbonado.

Virtualmente todos los tejidos producen amoníaco (NH3) por el catabolismo de los

aminoácidos. El NH3 es altamente tóxico sobre todo para el sistema nervioso, pero existen

mecanismos de detoxificación que lo eliminan o lo convierten en metabolitos no tóxicos.

En condiciones normales, la concentración de amoníaco se mantiene baja en la sangre

periférica, pero aumenta mucho en patologías hepáticas

REACCIONES DEL CATABOLISMO DE AMINOACIDOS

A) Pérdida del grupo amino

Transaminación

El grupo amino de los aminoácidos se elimina por reacciones de transaminación,

catalizadas por enzimas denominadas aminotransferasas o transaminasas. En estas

reacciones, el grupo -amino de un aminoácido se transfiere al grupo carbonilo de un -

cetoácido. Como consecuencia, el aminoácido dador del grupo amino se convierte en un

-cetoácido, y el -cetoácido aceptor del grupo amino se transforma en un aminoácido.

aminoácido 1 + -cetoácido 2 aminoácido 2 + -cetoácido 1

(dador del amino) (aceptor del amino)

Sólo tres -cetoácidos pueden actuar como aceptores de grupos amino en este tipo de

reacciones: el -cetoglutarato, el piruvato y el oxalacetato, dando como producto

glutamato, alanina, y aspartato, respectivamente. De estos tres -cetoácidos, el más

importante cuantitativamente es el -cetoglutarato, de manera tal que el grupo amino de la

mayoría de los aminoácidos termina formando glutamato.

Las reacciones de transaminación tienen constantes de equilibrio cercanas a 1, por lo

tanto son fácilmente reversibles. Por este motivo, este tipo de reacciones funciona tanto

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en el catabolismo como en la biosíntesis de aminoácidos. Las transaminasas son

responsables de la redistribución de grupos amino de los aminoácidos y proveen al

organismo de aquellos aminoácidos no esenciales que están en déficit. Existen

transaminasas específicas para el aminoácido dador del grupo amino.

Todas las transaminasas requieren fosfato de piridoxal (forma activa de la vitamina B6 o

piridoxina) como grupo prostético. En el curso de la reacción, el aminoácido entrante se

une al sitio activo de la enzima, cediendo el grupo amino al fosfato de piridoxal (que se

transforma en piridoxamina) y saliendo como -cetoácido. Luego, el -cetoácido entrante

recibe al grupo amino del fosfato de piridoxal y sale como aminoácido y el grupo prostético

se recupera en su estado original, es decir como fosfato de piridoxal. La distribución de

algunas transaminasas se utiliza como indicio diagnóstico; la liberación de una enzima

específica como consecuencia de una lesión tisular, por ejemplo la glutamato-oxalacetato

aminotransfersas (GOT) en plasma, es un índice de lesión hepática. Las reacciones de

transaminación ocurren mayoritariamente a nivel citoplasmático.

Desaminación oxidativa

Como ya dijimos, el producto más abundante que resulta de las reacciones de

transaminación es el glutamato. Éste, a su vez, es capaz de perder su grupo amino por

una reacción de desaminación oxidativa catalizada por la glutamato deshidrogenasa. Esta

enzima está altamente expresada en el hígado y se localiza en la matriz mitocondrial.

Utiliza NAD+ o NADP+ como cofactor que se reduce durante la reacción. El glutamato

pierde el grupo amino y el carbono se oxida a carbonilo, dando -cetoglutarato como

producto, como se indica en la reacción:

glutamato -cetoglutarato

glutamato-deshidrogenasa

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La glutamato deshidrogenasa es una enzima alostérica sujeta a control inhibitorio por GTP

(y ATP) y estimulatorio por ADP (y GDP). De esta forma, cuando los aminoácidos son

necesarios para la producción de energía, la actividad de la enzima aumenta y, por el

contrario cuando los niveles de nucleótidos trifosfatos son altos, su actividad disminuye.

La reacción de la glutamato deshidrogenasa es reversible y el sentido de la misma

depende de la concentración de reactivos y productos. Por lo tanto, la enzima forma parte

tanto de la degradación de aminoácidos como de su biosíntesis, dado que el glutamato

puede participar en reacciones de transaminación. La acción combinada de

transaminasas y la glutamato deshidrogenasa se conoce como transdesaminación,

según se esquematiza en la siguiente figura:

aminoácido1 α- cetoácido1 + NH3

aminoácido1 α-cetoácido1

vías de oxidación, gluconeogénesis

-cetoglutarato glutamato

AMONÍACO

Balance global de la transdesaminación:

Otras reacciones de desaminación

En el hígado y el riñón existen L-aminoácido oxidasas de baja actividad, que requieren

flavina monoculeótido (FMN) como cofactor de óxido-reducción, y catalizan la siguiente

reacción:

L-aminoácido + H2O + Enzima-FMN -cetoácido + NH3 + Enzima-FMNH2

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La reoxidación del grupo prostético se produce a partir de O2 con formación de peróxido

de hidrógeno (H2O2):

Enzima-FMNH2 Enzima-FMN + H2O2

El H2O2 formado se desdobla en agua y oxígeno en una reacción catalizada por la

catalasa:

H2O2 H2O + ½ O2

Ciertos aminoácidos hidroxilados como serina y treonina pueden ser desaminados en

forma no oxidativa por deshidratasas, generando piruvato y -cetobutirato.

Por otra parte, la cisteína puede perder su grupo amino por la acción de una

desulfhidrasa, originando piruvato.

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En estos últimos casos, el fosfato de piridoxal también actúa como coenzima, formándose

amoníaco y el correspondiente -cetoácido sin que haya una oxidación real de la

molécula. Por este motivo, se llama a estas reacciones desaminaciones no oxidativas.

De acuerdo a estas consideraciones, el metabolismo de los L-aminoácidos requiere un

proceso inicial de transaminación, generando mayoritariamente glutamato, y

posteriormente la desaminación oxidativa de éste, a través de reacciones reversibles. Esta

vía es de gran importancia desde el punto de vista de la economía celular. Al estar en

equilibrio con sus cetoácidos y entre sí, muchos aminoácidos pueden sintetizarse

fácilmente a partir de otros aminoácidos, o bien desaminarse, lo que depende del estado

metabólico. Si el sistema estuviera lejos del equilibrio, esta interrelación no existiría.

Asimismo, el hecho de que el glutamato sea el producto común de las reacciones de

transaminación, reduce la cantidad de enzimas necesarias. La reversibilidad de las

reacciones de transaminación asegura la utilización correcta de los aminoácidos-

cetoácidos dependiendo de la situación metabólica:

Proteínas de la dieta 1 CO2 + H2O

Aminoácido1 α-cetoácido1 4

2 5 CARBOHIDRATOS

Proteínas endógenas 6

LIPIDOS

3 α-cetoglutarato glutamato 7

GLUCOSA

Proteínas

AMONIACO

Cuando la absorción intestinal de aminoácidos se incrementa luego de la dieta (1), el

exceso de aminoácidos que no se emplea en la síntesis de proteínas (3) podrán derivarse

a la obtención de energía (4) o la síntesis de lípidos (6) luego de la pérdida del grupo

amino. En ayuno, la velocidad de degradación de proteínas endógenas (2) supera la

velocidad de síntesis de proteínas (3), los aminoácidos perderán su grupo amino y los

cetoácidos se convertirán en glucosa por gluconeogénesis (5) para ser usada en el

cerebro; en estas condiciones la síntesis de ácidos grasos (6) y la oxidación del piruvato

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(4) estarán inhibidas. Por otra parte, cuando la ingesta proteica no es adecuada, la

síntesis de proteínas podría mantenerse a expensas de la degradación de proteínas

endógenas, sin embargo esto no ocurre por la proximidad al equilibrio de las reacciones

de transdesaminación. Es decir, es imposible evitar que parte de los aminoácidos pierdan

su grupo amino y se metabolicen.

B) REACCIONES DE FIJACION DEL GRUPO AMINO

Como ya mencionamos, el amoníaco es muy tóxico, pero existen reacciones que permiten

que éste reaccione formando compuestos no tóxicos, que llegan por sangre al hígado y al

riñón. Existen varias vías metabólicas para la fijación del grupo amino:

Síntesis de glutamato

Síntesis de glutamina

Síntesis de alanina

Síntesis de urea.

Síntesis de glutamato

Como ya dijimos, la reacción de la glutamato deshidrogenasa es reversible y la enzima

forma parte no sólo de la degradación de los aminoácidos, sino también de su biosíntesis.

De esta forma, es posible sintetizar glutamato a partir de -cetoglutarato, incorporando

amonio y oxidando NADPH o NADH.

Síntesis de glutamina

La síntesis de glutamina a partir de glutamato es catalizada por la enzima glutamina

sintetasa, que se localiza a nivel mitocondrial y cataliza la siguiente reacción:

glutamato glutamina

glutamina sintetasa

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La glutamina es una forma temporaria de transporte de amoníaco en condiciones no

tóxicas, y dado que es una molécula neutra, atraviesa con mayor facilidad las membranas

que el glutamato. La glutamina cumple distintas funciones:

- biosíntesis de nucleótidos de purinas y pirimidinas

- biosíntesis de hexosaminas

- biosíntesis de NAD

- ruptura con liberación de glutamato y amoníaco en riñón. Esta reacción es catalizada por

la glutaminasa.

Síntesis de alanina

En el músculo, se forma alanina a partir de piruvato y glutamato en una reacción

catalizada por la enzima alanina amino transferasa (ALAT). La alanina así sintetizada llega

por la sangre al hígado donde se utiliza como precursor en la gluconeogénesis.

Síntesis de urea

La urea es el producto final no tóxico de eliminación del nitrógeno en el hombre y muchos

otros vertebrados superiores (a los que se denomina ureotélicos), en tanto que las aves y

los reptiles excretan el amoníaco como ácido úrico y por ello se los denomina uricotélicos.

Algunos peces y anfibios, eliminan directamente amoníaco (amonotélicos).

En los animales ureotélicos, el amoníaco proveniente de la pérdida de los grupos amino

se convierte en urea en las mitocondrias hepáticas a través del denominado ciclo de la

urea.

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El ciclo de la urea es un proceso que abarca dos compartimientos intracelulares. Se inicia

en el interior de las mitocondrias de los hepatocitos, donde se forma amoníaco a partir del

glutamato por desaminación oxidativa. Otro origen posible de amoníaco hepático es la

degradación bacteriana de los aminoácidos intestinales. El amoníaco así liberado, se

absorbe y llega al hígado por la vena porta. Asimismo, el amoníaco puede provenir del

catabolismo de algunos neurotransmisores como catecolaminas, serotonina e histamina,

que son degradadas por enzimas específicas localizadas a nivel cerebral o periférico.

Estas enzimas liberan amoníaco por oxidación de la amina. Finalmente, el amoníaco

circulante puede originarse a partir de la degradación de bases púricas y pirimidínicas.

EL CICLO DE LA UREA

En la primera reacción de este ciclo, el amoníaco se combina con bicarbonato para formar

carbamoil-fosfato, con consumo de 2 uniones fosfato de alta energía.

2 ATP HCO3 - H2O NH2 C OPO3

2- 2ADP 2H Pi

O

carbamoil -fosfato

carbamoil-fosfato sintetasa I

Esta reacción es catalizada por la enzima carbamoil-fosfato sintetasa I que se encuentra

en la matriz mitocondrial (la carbamoil-fosfato sintetasa II es citosólica y participa en la

síntesis de novo de pirimidinas) y cataliza el paso limitante de esta vía. A continuación el

carbamoil-fosfato cede su grupo carbamilo (NH2—CO) a la ornitina, para formar citrulina y

liberar fosfato. Esta reacción es catalizada por la enzima ornitina carbamoil transferasa. La

citrulina, se transloca al citosol. Allí, se incorpora un segundo grupo amino proveniente del

aspartato, en una reacción catalizada por la arginino-succinato sintetasa, dando origen al

arginino-succinato. El aspartato se forma en la mitocondria por transaminación del

oxalacetato en una reacción catalizada por la aspartato aminotransferasa (ASAT), siendo

el glutamato el dador del grupo amino. Ese aspartato sale al citosol. La reacción de la

arginino-succinato sintetasa emplea la energía de hidrólisis de dos uniones de alta energía

liberada a partir de una molécula de ATP para dar AMP y PPi. A continuación, la arginino

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succinato liasa cataliza la ruptura de este compuesto dando arginina y fumarato. El

fumarato puede incorporarse al ciclo de Krebs del cual había salido originalmente como

oxalacetato. La arginina, por su parte, es sustrato de la enzima citosólica arginasa, que la

escinde dando urea y ornitina. La ornitina vuelve a entrar a la mitocondria donde se

reinicia el ciclo, en tanto que la urea pasa a la sangre y es excretada a nivel renal. La

membrana mitocondrial interna contiene un transportador que intercambia

citrulina/ornitina. En resumen, en el ciclo de la urea, los intermediarios ornitina, citrulina y

arginina no sufren ganancia ni pérdida neta. En cambio, el amoniaco y el bicarbonato se

consumen en la síntesis de urea, en la que además se utilizan 4 uniones fosfato de alta

energía provistas por el ATP.

De esta forma, el balance final del ciclo es:

CO2 + NH4+

+ 3 ATP + aspartato + 2 H2O UREA + 2 ADP + 2 Pi + AMP+ PPi + fumarato

Las enzimas citosólicas y las mitocondriales del ciclo de la urea forman complejos

multienzimáticos, de forma tal que el producto de una reacción pasa inmediatamente a ser

el sustrato de la reacción siguiente sin difundir, lo que asegura una gran eficiencia de todo

el proceso. La urea no puede ser metabolizada en el organismo y se elimina por la orina.

Si algo de urea penetra en el tracto intestinal, ésta puede ser degradada por bacterias

intestinales que contienen ureasa y el amoníaco resultante es reabsorbido y utilizado en el

hígado.

Regulación del ciclo de la urea

El flujo de nitrógeno a través del ciclo de la urea varía considerablemente con la

composición de la dieta. Con una dieta rica en proteínas, el uso de los esqueletos

carbonados de los aminoácidos como fuente de energía, genera una elevada producción

de urea a partir del exceso de aminoácidos. En estado de ayuno severo, cuando la

degradación de proteínas del músculo constituye una de las fuentes de energía, la

producción de urea también aumenta, así como en la diabetes mellitus no controlada. El

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aumento de la actividad del ciclo de la urea está vinculado a un aumento en la actividad

de las enzimas involucradas en el ciclo. La expresión de las cinco enzimas que participan

en el ciclo aumenta en los casos de dietas ricas en proteínas o en caso de ayuno severo.

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Estos mecanismos regulatorios se hacen evidentes a tiempos relativamente prolongados.

En cambio, a tiempos cortos, la actividad del ciclo está regulada por mecanismos

alostéricos. En este sentido, la carbamoil-fosfato sintetasa I es activada alostéricamente

por N-acetilglutamato. Este modulador se sintetiza a partir de glutamato y acetil CoA, en

una reacción catalizada por la N-acetilglutamato sintetasa.

glutamato

N-acetilglutamatosintetasa

N-acetilglutamato

carbamoil-fosfatosintetasa I

Acetil-CoA

Esta enzima, a su vez es activada por arginina, que se acumula cuando la producción de

urea es muy baja.

Se han descripto deficiencias de origen genético en las enzimas del ciclo de la urea. Los

pacientes que poseen estas alteraciones no toleran dietas ricas en proteínas, pues un

exceso de aminoácidos generaría una sobreproducción de amoníaco a nivel hepático que

no llegaría a ser metabolizado. Por otra parte, una deficiencia a nivel renal puede provocar

la acumulación de urea en sangre. En esos casos, es crítico frenar la acumulación de

urea, que puede ser tóxica en concentraciones elevadas y puede aumentar la

concentración de amoníaco en forma indirecta. Para ello, es importante un control estricto

de la dieta con cantidades adecuadas de proteínas de alto valor biológico, es decir cuya

composición aminoacídica sea similar a las proteínas del ser humano, evitando excesos y

defectos de determinados aminoácidos.

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Relación entre el ciclo de la urea y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos

Como ya mencionamos, en el ciclo de la urea, el aspartato se combina en el citoplasma

con la citrulina para dar arginino-succinato. Este aspartato proviene de una reacción de

transaminación mitocondrial catalizada por la ASAT, en la que el oxalacetato recibe el

grupo amino del glutamato, formando aspartato y -cetoglutarato. El aspartato sale al

citosol, donde se incorpora al ciclo de la urea. Sin embargo, el esqueleto carbonado del

aspartato se desprende del ciclo como fumarato. De esta forma, el fumarato puede

retornar a la mitocondria e incoporarse al ciclo de Krebs, para volver a transformarse en

oxalacetato, nuevamente generar aspartato y reiniciar el proceso.

Ciclo de la urea y ciclo del ácido cítrico

0citrulina

ornitina

arginina

Argininosuccinato

oxalacetato

malato

aspartato

fumarato

aminoácido

α-cetoácido

Carbamoilfosfato

DESTINO DE LOS ESQUELETOS CARBONADOS DE LOS AMINOACIDOS

Luego de la pérdida del grupo amino, los esqueletos carbonados resultantes de los

aminoácidos pueden ser canalizados hacia la síntesis de glucosa o hacia el ciclo de

Krebs, para su degradación a través de 7 compuestos: piruvato, acetilCoA, acetoacetato,

-cetoglutarato, succinilCoA, fumarato y oxalacetato. En muchos casos, las reacciones de

transaminación de un determinado aminoácido da directamente un intermediario del ciclo

de Krebs, en otros, en cambio, los procesos de degradación son mucho más complejos.

Además, dado que las reacciones de degradación de los aminoácidos son reversibles, los

intermediarios del ciclo de Krebs pueden ser utilizados para la síntesis de aminoácidos no

esenciales. De acuerdo al destino final del esqueleto carbonado, los aminoácidos se

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clasifican en cetogénicos y glucogénicos. Los cetogénicos son aquellos aminoácidos

que se degradan a acetilCoA o a acetoacetilCoA, y pueden dar origen a cuerpos

cetónicos. Los aminoácidos glucogénicos son aquellos que se degradan a piruvato, -

cetoglutarato, succinilCoA, glutamato u oxalacetato, todos compuestos que pueden ser

utilizados para la síntesis de glucosa (gluconeogénesis). La mayoría de los aminoácidos

son glucogénicos; la leucina y la lisina son cetogénicos y la fenilalanina, tirosina,

isoleucina y triptofano son cetogénicos y glucogénicos. Por lo tanto, los aminoácidos no

sólo son importantes para la síntesis de compuestos nitrogenados sino también para la

síntesis de compuestos de reserva energética.

METABOLISMO DE LOS AMINOÁCIDOS EN LOS DIFERENTES TEJIDOS

No todos los tejidos captan y metabolizan aminoácidos en forma similar. Por el contrario,

cada órgano tiene funciones especializadas, con requerimientos energéticos y de

precursores biosintéticos diferentes. Por lo tanto, es necesario diferenciar el metabolismo

de los aminoácidos en cada tejido en particular.

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1) INTESTINO

El intestino es un órgano de alto recambio celular debido a la continua descamación de

las células de su epitelio. Por ese motivo, la síntesis de ADN, ARN y proteínas ocurre a

alta velocidad. El intestino capta preferencialmente aquellos aminoácidos que intervienen

en la síntesis de bases nitrogenadas, glutamina y aspartato, así como sus derivados,

glutamato y asparagina, que provienen de la digestión de las proteínas de la dieta.

Durante períodos de ayuno, la glutamina que se utiliza en el intestino para la síntesis de

purinas y pirimidinas, proviene del músculo. Por otra parte, el nitrógeno liberado en el

intestino a partir del metabolismo de las bases nitrogenadas es captado por el piruvato,

que se transforma en alanina, o bien se libera a la sangre portal directamente como

amoníaco, que es captado y detoxificado en el hígado. Además, las bacterias entéricas

descomponen compuestos nitrogenados y liberan amoníaco que se absorbe y contribuye

a la síntesis de urea. De acuerdo a estas consideraciones, es evidente que el intestino

modifica marcadamente la proporción de aminoácidos que provienen de las proteínas de

la dieta, incrementando la carga de alanina y disminuyendo la de los aminoácidos diácidos

y sus amidas.

La glutamina se tranforma en glutamato en una reacción catalizada por la glutaminasa o

bien por las enzimas que participan en la síntesis de bases. Posteriormente, el glutamato

se desamina por la glutamato deshidrogenasa o se transamina a -cetoglutarato. En

cuanto al aspartato, luego de ceder el nitrógeno a la síntesis de bases, se transforma en

fumarato. Ambos compuestos resultantes (fumarato y -cetoglutarato) son intermediarios

del ciclo de Krebs, de manera que terminan transformados en malato, y éste produce

CO2, NADPH y piruvato por acción de la enzima málica (malato deshidrogenasa

descarboxilante). Parte del piruvato resultante puede transaminarse con glutamato,

formando -cetoglutarato (que se reincorpora al proceso) y alanina, que sale a la sangre

portal. El resto del piruvato, se consume en el ciclo de Krebs y sirve como fuente de

energía. De esta manera, el intestino obtiene hasta el 50% de la energía necesaria para

su funcionamiento, el resto proviene de la utilización de cuerpos cetónicos y glucosa, ya

que no utiliza cantidades apreciables de ácidos grasos como combustible energético.

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1) HÍGADO

El hígado es el primer destinatario de los aminoácidos absorbidos en el intestino que

llegan por vía portal. También es el sitio primario de captación de la alanina liberada en el

músculo que se utiliza para gluconeogénesis cuando se agota el glucógeno hepático. En

el hígado hay una activa síntesis de proteínas, no sólo propias, sino también de

exportación (proteínas plasmáticas, enzimas de coagulación, etc.). También en el hígado

hay una síntesis considerable de diversos compuestos nitrogenados. El exceso de

aminoácidos es desaminado en el hígado y los esqueletos carbonados generados pueden

ser utilizados para la síntesis de glúcidos o cuerpos cetónicos (dependiendo de la

estructura de su esqueleto carbonado), o bien utilizados como fuentes de energía. La

actividad de las transaminasas y de otras enzimas que participan en la degradación de

aminoácidos disminuye cuando el aporte proteico de la dieta es bajo. Esto permite

priorizar, en estas condiciones, la síntesis de proteínas.

El hígado carece de las enzimas necesarias para la metabolización de aminoácidos

ramificados. Estos últimos se metabolizan principalmente en el músculo, que controla la

concentración sanguínea de estos compuestos y los utiliza como fuentes de energía.

Cuando se ingiere un exceso aminoácidos cetogénicos, sus esqueletos carbonados se

transforman en el hígado en acetilCoA, que dependiendo del estado metabólico puede ser

utilizado para la síntesis de ácidos grasos (por ejemplo en estado de saciedad) o para la

síntesis de cuerpos cetónicos (en estado de ayuno o en una diabetes no controlada) que

pueden utilizarse en tejidos periféricos como fuente de energía. Indudablemente, una

función clave del hígado en el metabolismo de los aminoácidos es la eliminación del

amoníaco a través del ciclo de la urea. El amoníaco, no sólo proviene de los aminoácidos,

sino también de la descomposición bacteriana intestinal de compuestos nitrogenados. La

urea es una sustancia no tóxica y altamente soluble, que se elimina en la orina. En un

individuo normal, los niveles plasmáticos de urea no superan los 40 mg/100 ml, valores

mayores indican alteraciones a nivel renal. Cuando la función hepática está deteriorada,

como en la cirrosis, la detoxificacion del amoníaco es insuficiente y su concentración

aumenta marcadamente. Del total de aminoácidos que llegan al hígado por sangre portal,

aproximadamente el 75% es metabolizada en el hígado y el resto en los demás tejidos.

Por lo tanto, el destino de los aminoácidos hepáticos involucra las siguientes opciones:

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1) síntesis de proteínas hepáticas

2) síntesis de proteínas plasmáticas

3) detoxificación del amoníaco como urea

4) síntesis de ácidos grasos

5) síntesis de glucosa

6) síntesis de cuerpos cetónicos

3) MÚSCULO

El músculo capta los aminoácidos ramificados (leucina, isoleucina y valina) provenientes

de la dieta y no captados por el hígado. Estos aminoácidos son transformados, parte se

utiliza como fuente de energía y otra parte se libera a la circulación como alanina,

glutamina y glicina. En el músculo las reacciones de transaminación son muy activas. En

general, las transaminasas para aminoácidos ramificados del músculo esquelético son

más afines por el -cetoglutarato que por el piruvato, por lo que se forma

mayoritariamente glutamato. El glutamato se transamina con piruvato regenerando -

cetoglutarato y formando alanina que sale a la circulación. El esqueleto carbonado de los

aminoácidos ramificados es degradado por diversas enzimas, dando intermediarios del

ciclo de Krebs, fundamentalmente oxalacetato. El oxalacetato se transforma en

fosfoenolpiruvato en una reacción catalizada por la enzima fosfoenolpiruvato

carboxiquinasa) y posteriormente en piruvato por la piruvato quinasa. El piruvato derivado

de aminoácidos ramificados, contiene los átomos de carbono que originarán alanina por

transaminación, de manera que el nitrógeno de la alanina también provendrá del mismo

aminoácido, en forma indirecta. Parte del piruvato puede utilizarse en la obtención de

energía. En una dieta normal, es posible que la mayor parte del piruvato formado por esta

vía se oxide en el músculo y sirva como fuente de energía, dada la alta capacidad del

músculo de degradar aminoácidos ramificados. En cambio, en una dieta pobre en glúcidos

o en estado de ayuno, la oxidación del piruvato es poco probable, dado que la piruvato

deshidrogenasa estará en estado inactivo, por el aumento en los niveles de acetilCoA

provenientes de la -oxidación e incluso de la cetólisis. En estas condiciones, el piruvato

preferentemente se transaminará para formar alanina. La alanina resultante llega al

hígado donde se transamina para dar piruvato que se utiliza como sustrato de

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gluconeogénesis. La glucosa resultante puede derivarse a otros tejidos incluso al propio

músculo. Se ha postulado que en el músculo, la glucosa se oxida y forma piruvato, que

nuevamente genera alanina a partir de aminoácidos ramificados, lo que se denomina ciclo

glucosa-alanina, que se esquematiza a continuación:

HÍGADO

glucosaurea

gluconeogénesis

NH3 + piruvato

alanina

MÚSCULO

glucosaglucólisis

piruvato

aminoácidocetoácido

alanina

Sin embargo, es poco probable que el ciclo glucosa-alanina ocurra en ayunas, dado que

la velocidad de entrada de la glucosa al músculo es baja por falta de insulina. Tampoco es

muy probable que este ciclo funcione luego de una buena alimentación, porque las

enzimas de la gluconeogénesis no se encontrarán en estado activo en el hígado. En

ayuno, es más probable que la alanina generada en el músculo llegue al hígado y allí se

utilice para la gluconeogénesis, pero la glucosa así formada podría ser captada por otros

órganos insulino-independientes y glucosa-dependientes, como el cerebro o los eritrocitos.

Otra posibilidad es que este mecanismo opere en el músculo en actividad, porque en este

estado, la entrada de glucosa al músculo no depende de insulina. En estas condiciones,

se genera lactato por glucólisis anaeróbica y a partir del amoníaco de los aminoácidos

aromáticos se forma alanina. En el hígado, se genera piruvato (precursor de glucosa) a

partir de la alanina y los grupos amino se eliminan como urea.

En el músculo también se puede producir glutamina a partir de aminoácidos ramificados a

través de un mecanismo complejo que se represente en el siguiente esquema. En el

músculo, se puede sintetizar glutamina a partir de los aminoácidos ramificados leucina y

valina. La leucina se desprende de su grupo amino por transaminación con -

cetoglutarato, generando glutamato y el -cetoácido correspondiente. La degradación de

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su esqueleto carbonado genera acetilCoA, que se combina con oxalacetato para dar

citrato, que a través de las reacciones del ciclo de Krebs puede generar -cetoglutarato.

Por su parte, la valina se puede transaminar con ese -cetoglutarato para dar glutamato y

su cetoácido correspondiente, el -ceto-3-metil butirato. Los pasos metabólicos que

siguen son complejos y dan como producto succinil-CoA, otro intermediario del ciclo de

Krebs. Es decir que la leucina y la valina pueden aportar los carbonos y el nitrógeno

necesario para la síntesis de glutamato, que a su vez se transforma en glutamina por

ación de la glutamina sintetasa.

El nitrógeno también puede provenir en forma indirecta de la leucina. Existe otro

mecanismo alternativo para la síntesis de glutamina en el músculo. Por ejemplo, la

glucosa puede aportar los carbonos necesarios para sintetizar -cetoglutarato, que

necesita de un nitrógeno amínico y amoníaco para sintetizar glutamina. El nitrógeno

amínico puede provenir de cualquier aminoácido que se transamine con -cetoglutarato

para dar glutamato y el amoníaco tiene varias fuentes posibles:

1) fuentes exógenas

2) desaminación oxidativa del glutamato (que es poco importante en el músculo)

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3) desaminación de la adenosina a inosina por acción de la adenosina deaminasa. Esta

enzima que interviene en la degradación de nucleótidos de adenina es muy importante

en el músculo en actividad que consume grandes cantidades de ATP.

Sintetizada a través de cualquiera de las vías mencionadas, la glutamina generada en el

músculo puede ser captada en el intestino o en el riñón. En conclusión, en el músculo se

generan sobre todo aceptores de nitrógeno (piruvato y -cetoglutarato) que se combinan

con amoníaco para formar compuestos no tóxicos (alanina y glutamina, respectivamente)

que son transportados a la sangre, sin riesgo. El uso de alanina como transportador de

grupos amino desde el músculo en trabajo activo al hígado resulta muy beneficioso en

términos de economía de energía. De esta forma, el músculo en contracción opera

anaeróbicamente generando lactato y amoníaco. Ambos compuestos llegan al hígado

como alanina y permiten generar glucosa y urea. De esta forma, el gasto energético para

realizar la gluconeogénesis lo realiza el hígado, mientras que el ATP muscular se utiliza

para la contracción.

4) RIÑÓN

El riñón capta glutamina, prolina y glicina de la circulación. La glutamina es

metabolizada en el riñón como parte del mecanismo de regulación del equilibrio ácido-

base. Esto ocurre a nivel de los túbulos renales, dado que el amoníaco que aparece en la

orina no proviene del filtrado glomerular. La glutamina es captada desde la sangre e

incluso del filtrado glomerular y es convertida en glutamato y amoníaco por la glutaminasa

que es de localización mitocondrial en el riñón. Existe un sistema de transporte de

glutamina a través de la membrana mitocondrial interna. El glutamato se metaboliza a -

cetoglutarato (reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa), liberando una nueva

molécula de amoníaco. El -cetoglutarato se convierte en malato a través del ciclo de

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Krebs y éste último sale de la mitocondria y se transforma en oxalacetato (malato

deshidrogenasa citoplasmática). A continuación, el oxalacetato se convierte en

fosfoenolpiruvato y luego en piruvato, generando finalmente ATP. También puede ocurrir

que el malato se convierta directamente en piruvato por la enzima málica (malato

deshidrogenasa descarboxilante). Por cualquiera de estas vías, se genera piruvato que

permite la obtención de energía. En ayuno, la piruvato deshidrogenasa está inactiva y

entonces el fosfoenolpiruvato entra a la vía de gluconeogénesis. De acuerdo a estos

mecanismos la glutamina en el riñón genera dos moléculas de amoníaco que captan

protones para formar el ión amonio y de esta manera se excretan usando cloruro como

contraión. De esta forma se elimina el exceso de ácido. Este es uno de los mecanismos

compensatorios en la acidosis metabólica, según se representa en el siguiente esquema:

El transporte de glutamina a través de la membrana mitocondrial interna y plasmática, y

las reacciones catalizadas por la glutaminasa, la -cetoglutarato deshidrogenasa y la

fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, no están en equilibrio, en tanto que las otras reacciones

involucradas si lo están. En acidosis, aumenta la actividad de la -cetoglutarato

deshidrogenasa, favoreciendo el consumo de glutamato por la glutamato deshidrogenasa.

Dado que no se acumula glutamato, deja de inactivarse la glutaminasa porque bajan los

niveles de un modulador alostérica negativo. La conversión de -cetoglutarato en otros

intermediarios del ciclo de Krebs permitirá que disminuya su efecto inhibitorio sobre el

transporte de glutamina a través de la membrana mitocondrial interna, acelerando de esta

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forma la generación de amoníaco. De esta forma, un descenso agudo de pH que no

puede ser compensado por mecanismos rápidos de regulación (proteínas plasmáticas,

sistemas buffer plasmáticos) desencadenará la degradación de glutamina por el riñón.

Además de este mecanismo de regulación aguda, la capacidad del riñón de excretar

amonio se incrementa si la acidosis continúa por varios días, probablemente a través de la

inducción de enzimas y transportadores de glutamina.

Es muy importante remarcar que el metabolismo de la glutamina está fuertemente

integrado entre el músculo, el riñón y el intestino. El origen de la glutamina para su

metabolización renal durante la acidosis es preponderantemente muscular. El músculo

incrementa en estas condiciones la producción del aminoácido por un mecanismo

concertado con el riñón que todavía se desconoce.

En estas condiciones, el intestino, que es el principal consumidor de la glutamina

producida por el músculo en condiciones de no acidosis, reduce su consumo por la falta

de disponibilidad del sustrato que es consumido en mayor medida por el riñón. En la

siguiente se representa la interrelación de distintos tejidos respecto a la producción y

consumo de glutamina y alanina.

5) SISTEMA NERVIOSO

El cerebro está relativamente aislado de la circulación general por un sistema de filtración

selectivo, la barrera hematoencefálica. La mayoría de las moléculas que llegan al cerebro,

lo hacen a través de sistemas de transporte específico. Existen 3 sistemas de transporte

de aminoácidos al cerebro, según sean ácidos, básicos o neutros. Entre estos últimos, los

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aminoácidos ramificados se captan con gran afinidad. La concentración de aminoácidos

en el cerebro es mayor que en el plasma y las proporciones son también diferentes.

Además, el cerebro es capaz de sintetizar muchos aminoácidos no esenciales a partir de

los correspondientes cetoácidos, que a su vez derivan de la glucosa.

El amoníaco del cerebro proviene de la sangre o es de origen endógeno, principalmente a

partir de glutamina, glutamato o aspartato. También se produce a partir de AMP por la

adenosina deaminasa, como en el músculo.

La intoxicación por amoníaco responde a distintas causas en niños y en adultos. En el

primer caso, la causa más frecuente es la deficiencia de alguna de las enzimas del ciclo

de la urea, en cambio, en adultos suele estar causada por el daño hepático provocado por

el alcohol, venenos o procesos infecciosos. La intoxicación por amoníaco se caracteriza

por un estado comatoso debido a la alcalinización del medio intracelular y a la disminución

de los intermediarios del ciclo de Krebs. Para la detoxificación del amonio, éste se

combina con -cetoglutarato para formar glutamato (a través de la reversión de la

reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa). El glutamato se convierte en

glutamina por acción de la glutamina sintetasa. Ambas enzimas tienen alta actividad en el

cerebro. La formación de glutamato a partir de -cetoglutarato consume equivalentes de

reducción que, por otra parte, son necesarios para la síntesis de ATP:

-cetoglutarato + NH4+ + NADH + H

+ glutamato + NAD

+

Además, para la síntesis de glutamina se requiere ATP. Cuando la capacidad de la

enzima se satura, se acumula amoníaco en el cerebro. Es importante señalar que en el

cerebro, los aminoácidos cumplen funciones particulares, como precursores de algunos

neurotransmisores.

En el cerebro, existe además una compartimentalización del metabolismo del amoníaco.

Las neuronas generan amoníaco, mientras que las células de la glia lo remueven. De esta

forma, los astrocitos sintetizan glutamina a partir de glutamato por acción de la glutamina

sintetasa (1) y la glutamina vuelve a las neuronas, donde da origen a neurotransmisores

aminoacídicos: glutamato, GABA y aspartato. El excedente pasa a la sangre o al líquido

cefalorraquídeo.

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Líquido cefalorraquídeo

sangre astrocito neurona otros

neurotransmisores

NH3

+ +

Glutamato glutamato glutamato

(1) (2)

glutamina glutamina

NH3

(1) Glutamina sintetasa

(2) glutaminasa

La glutaminasa (2) está sujeta aun complejo control alostérico inhibitorio por los productos

glutamato y amoníaco, de manera tal que si se acumula amoníaco puede frenarse la

síntesis de neurotransmisores.

glutaminasa

Glutamina glutamato + NH3 neurotransmisores

6) SANGRE

La concentración plasmática de aminoácidos está sujeta a control hormonal. Las

hormonas anabólicas como la insulina, promueven la incorporación de aminoácidos del

plasma a proteínas tisulares, particularmente en el músculo e inhibe la proteólisis

muscular. Las hormonas catabólicas como el cortisol, en cambio, estimulan la

degradación de proteínas musculares, aumentando la oxidación de aminoácidos en el

músculo y su liberación a la sangre.

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INTEGRACION DEL METABOLISMO DE AMINOACIDOS EN ESTADOS DE AYUNO Y

SACIEDAD

Dieta rica en proteínas

Luego de la digestión, los aminoácidos absorbidos en el intestino pasan directamente al

hígado a través de la vena porta, aunque el intestino retiene gran proporción de glutamina.

En una dieta rica en proteínas, habrá sustrato disponible para las enzimas catabolizantes

de aminoácidos. Dado que no existen reservas de proteínas en el organismo, los

aminoácidos en exceso perderán sus grupos amino por transdesaminación, y a partir de

ellos se sintetizará urea, que se eliminará a la sangre y de allí a la orina. Los esqueletos

carbonados podrán ser oxidados para obtener energía, o bien usados en la síntesis de

ácidos grasos (dependiendo de la estructura de su esqueleto carbonado). En los tejidos

periféricos, la insulina aumentará la captación de aminoácidos, que se utilizarán para la

síntesis de proteínas. Dado que el hígado no metaboliza aminoácidos ramificados, estos

serán captados preferencialmente en los músculos

Ayuno

Luego de varias horas post-ingesta, el metabolismo de aminoácidos en el músculo genera

alanina y glutamina. La alanina puede pasar al hígado donde podrá convertirse en glucosa

por gluconeogénesis. La glutamina puede ser captada por el intestino, y se utilizará para

la síntesis de bases nitrogenadas y obtención de energía.

En la medida en que el ayuno persista, el metabolismo de aminoácidos se acelerará, lo

que incluye la proteólisis muscular. Como consecuencia de ello, se libera glicina, alanina y

glutamina que se emplean en la gluconeogénesis hepática y renal. La glicina puede

transformarse en serina y luego en glucosa en el riñón. En el intestino se incrementa el

consumo de glutamina como fuente de energía, y su transformación parcial en alanina

puede servir como fuente de carbonos para la gluconeogénesis hepática. En estas

condiciones, se inducen las enzimas del ciclo de la urea, cuyos niveles aumentan como

resultado de la utilización de aminoácidos como fuente de energía. Finalmente, en un

ayuno muy prolongado, dejarán de sintetizarse proteínas plasmáticas y de regenerarse el

epitelio intestinal. La proteólisis muscular es el último aporte de esqueletos carbonados

para la gluconeogénesis