Alai

Aminoácidos esenciales y no esenciales

Los aminoácidos no esenciales son los que sintetizan los mamíferos, mientras que los aminoácidos esenciales deben obtenerse de la dieta. ¿Por qué un organismo evoluciona de tal manera que no puede existir en ausencia de ciertos aminoácidos? Lo más probable es que la fácil disponibilidad de estos aminoácidos en los organismos inferiores (plantas y microorganismos) obviara la necesidad de que el organismo superior siguiera produciéndolos. Las vías para su síntesis fueron seleccionadas. No tener que sintetizar diez aminoácidos adicionales (y regular su síntesis) representa, pues, una gran economía.Sin embargo, nos queda familiarizarnos con las vías de síntesis de estos aminoácidos esenciales en las plantas y los microorganismos, y resulta que son, en general, más complicadas que las vías de síntesis de los aminoácidos no esenciales y también son específicas de cada especie.

Los veinte aminoácidos pueden dividirse en dos grupos de 10 aminoácidos. Diez son esenciales y 10 no esenciales. Sin embargo, esta no es realmente una dicotomía precisa, ya que hay un solapamiento entre los dos grupos, como se indica en el texto que acompaña a los dos gráficos siguientes:

Nótese que la tirosina es realmente un aminoácido esencial, ya que se sintetiza mediante la hidroxilación de la fenilalanina, un aminoácido esencial.Además, en los animales, el grupo sulfhidrilo de la cisteína se deriva de la metionina, que es un aminoácido esencial, por lo que la cisteína también puede considerarse esencial.

Los diez aminoácidos «esenciales» son:

La arginina es sintetizada por los mamíferos en el ciclo de la urea, pero la mayor parte se hidroliza a urea y ornitina:

(Enlace a la página web del Dr. Diwan’s webpage on AminoAcid Catabolism for more information about thehydrolysis of urea, as well as for review of amino acid catabolism)

Debido a que los mamíferos no pueden sintetizar suficiente arginina para satisfacer las necesidades metabólicas de los bebés y niños, se clasifica como un aminoácido esencial.

Síntesis de los aminoácidos no esenciales

A excepción de la tirosina (ya que su precursor inmediato es la fenilalanina, un aminoácido esencial), todos los aminoácidos no esenciales (y aquí incluiremos la arginina) se sintetizan a partir de intermediarios de las principales vías metabólicas. Además, los esqueletos de carbono de estos aminoácidos son rastreables hasta sus correspondientes a-cetoácidos. Por lo tanto, podría ser posible sintetizar cualquiera de los aminoácidos no esenciales directamente mediante la transaminación de su correspondiente a-cetoácido, si ese cetoácido existe como un intermedio común. Una «reacción de transaminación», en la que se transfiere un grupo amino de un aminoácido al carbono a de un cetoácido, es catalizada por una aminotransferasa.

Tres a-cetoácidos muy comunes pueden ser transaminados en un paso a su aminoácido correspondiente:

Piruvato (producto final glicolítico) –> alanina

Oxaloacetato (intermediario del ciclo del ácido cítrico) –> aspartato

a-cetoglutarato (intermediario del ciclo del ácido cítrico) –> glutamato

Las reacciones individuales son:

La asparagina y la glutamina son los productos de las amidaciones del aspartato y del glutamato, respectivamente. Así, la asparagina y la glutamina, y los restantes aminoácidos no esenciales, no son directamente el resultado de la transaminación de los a-cetoácidosporque éstos no son intermediarios comunes de las otras vías. Aún así, podremos rastrear los esqueletos de carbono de todos ellos hasta un a-cetoácido.Hago este punto no por ninguna implicación profunda inherente a él, sino más bien como una forma de simplificar el aprendizaje de las vías sintéticas de los aminoácidos no esenciales.

El aspartato se transamina a asparagina en una reacción dependiente de ATPcatalizada por la asparagina sintetasa, y la glutamina es el grupo amino donante:

La síntesis de la glutamina es de dos pasos en los que el glutamato se «activa» primero a un intermedio g-glutamilfosfato, seguido de una reacción en la que el NH3 desplaza al grupo fosfato:

Así, la síntesis de asparagina es intrínsecamente atada al de glutamina, y resulta que la glutamina es el donante de grupo amino en la formación de productos biosintéticos innumerables, así como ser una forma de almacenamiento de NH3. Por lo tanto, cabe esperar que la glutamina sintetasa, la enzima responsable de la amidación del glutamato, desempeñe un papel central en la regulación del metabolismo del nitrógeno. Ahora examinaremos este control con más detalle, antes de proceder a la biosíntesis de los restantes aminoácidos no esenciales.

Has estudiado previamente la desaminación oxidativa del glutamato por la glutamato deshidrogenasa, en la que se produce NH3 y a-cetoglutarato. El a-cetoglutarato producido está entonces disponible para aceptar grupos amino en otras reacciones de transaminación, pero la acumulación de amoníaco como el otro producto de esta reacción es un problema porque, en altas concentraciones, es tóxico. Para mantener el nivel de NH3 en un rango controlado, un nivel creciente de a-cetoglutarato activa la glutamina sintetasa, aumentando la producción de glutamina, que dona su grupo amino en varias otras reacciones.

La regulación de la glutamina sintetasa ha sido estudiada en E.Coli y, aunque complicada, vale la pena observar algunas de sus características porque esto nos dará más información sobre la regulación de las vías metabólicas que se cruzan. La difracción de rayos X de los cristales de la enzima revela una estructura de prisma hexagonal (simetría D6) compuesta por 12 subunidades idénticas. La actividad de la enzima está controlada por 9 inhibidores alostéricos de retroalimentación, 6 de los cuales son productos finales de las vías que implican a la glutamina:

histidina

triptófano

carbamoil fosfato (sintetizado a partir de la carbamoilfosfato sintetasa II)

glucosamina-6-fosfato

AMP (ver próxima conferencia)

CTP (ver próxima conferencia)

Los otros tres efectores son alanina la serina y la glicina, que llevan información sobre el nivel de nitrógeno celular.

La enzima también está regulada por una modificación covalente (adenililación de un Tyrresiduo), que resulta en un aumento de la sensibilidad a la inhibición acumulativa de retroalimentación por los nueve efectores anteriores. La adeniltransferasa es la enzima que cataliza tanto la adenilación como la deadenilación de la glutaminosintetasa de E. coli, y esta enzima forma un complejo con una proteína reguladora tetramérica, PII.La regulación de la adenilación y su reversión se produce a nivel de PII, dependiendo de la uridilación de otro residuo Tyr, situado en PII.Cuando la PII está uridilada, la glutamina sintetasa está deadenilada; lo contrario ocurre cuando el UMP está unido covalentemente al residuo Tyr de la PII.El nivel de uridilación está, a su vez, regulado por las actividades de las dos enzimas, la uridiltransferasa y la enzima eliminadora de uridil, ambas localizadas en la misma proteína. La uridiltransferasa es activada por el a-cetoglutarato y el ATP, mientras que es inhibida por la glutamina y el Pi.

El siguiente diagrama resume la regulación de la glutaminesintetasa bacteriana (véase el texto de la página 1035) :

Podemos «recorrer» esta cascada reguladora observando un ejemplo específico, a saber, el aumento de los niveles de a-cetoglutarato( que refleja un aumento correspondiente de los niveles de NH3):

(1) La actividad de la uridiltransferasa se incrementa

(2) La PII (en complejo con la adeniltransferasa)se uridiliza

(3) La glutamina sintetasa se deadeniliza

(4) El a-ketoglutarato y NH3 forman glutamina y Pi

Que el control de la glutamina sintetasa bacteriana es exquisitamente sensible al nivel de los metabolitos de nitrógeno de la célula se ilustra por el hecho de que la glutamina recién producida en la cascada anterior es ahora un inhibidor de la producción adicional de glutamina.

Ejercicio en clase: Utilice la vía de regulación para explicar el efecto de un nivel creciente de glutamina en la actividad de la glutaminosintetasa bacteriana.

La prolina, la ornitina y la arginina se derivan del glutamato

El primer paso implica la fosforilación del glutamato por el ATP con la enzima g-glutamilquinasa, seguida de la reducción a glutamato-5-semialdehído, que se cicla espontáneamente (sin necesidad de enzima) a una base de Schiff interna. La formación del semialdehído también requiere la presencia de NADP o NADPH.

El semialdehído es un punto de ramificación, sin embargo. Una rama conduce a la prolina, mientras que la otra rama conduce a la ornitina y la arginina. El glutamato-5-semialdehído se transamina a ornitina y el glutamato es el donante del grupo amino. La ornitina, un intermediario del ciclo de la urea, se convierte en arginina a través del ciclo de la urea.

Para resaltar aún más la importancia del glutamato, se convierte en la amina fisiológicamente activa, el ácido g-aminobutírico (GABA), el principal neurotransmisor inhibidor del cerebro:

El intermediario glucolítico, el 3-fosfoglicerato, se convierte en serina, cisteína y glicina.

Nótese la participación del glutamato como donante del grupo amino. La serina se convierte en glicina en la siguiente reacción:

serina + THF –> glicina + N5,N10 -metileno-THF (enzima: serina hidroximetiltransferasa)

La glicina también se forma en una reacción de condensación como la siguiente:

N5,N10 -metileno-THF + CO2 + NH4+ –> glicina (enzima: glicina sintasa; requiere NADH)

La cisteína se sintetiza a partir de la serina y la homocisteína (producto de la descomposición de la metionina):

ser + homocisteína ->cistetionina + H2O

cistetionina + H2O –> a-cetobutirato + cisteína + NH3

Síntesis de aminoácidos esenciales

Las vías de síntesis de los aminoácidos esenciales son:

(1) presentes sólo en los microorganismos

(2) considerablemente más complejas que las de los aminoácidos no esenciales

(3) utilizan precursores metabólicos conocidos

(4) muestran variación entre las especies

Para fines de clasificación, considere las siguientes 4 «familias «que se basan en precursores comunes:

(1) Familia del aspartato: lisina, metionina, treonina

(2) Familia del piruvato: leucina, isoleucina, valina

(3) Familia de los aromáticos:fenilalanina, tirosina, triptófano

(4) histidina

La familia del aspartato

El primer paso comprometido para la síntesis de Lys, Met y Thr es el primer paso, en el que el aspartato se fosforila a aspartil-b-fosfato, catalizado por la aspartoquinasa:

E.coli tiene 3 isozimas de aspartoquinasa que responden de forma diferente a cada uno de los 3 aminoácidos, con respecto a la inhibición de la enzima y a la inhibición por retroalimentación. La biosíntesis de lisina, metionina y treonina no son, entonces, controlados como un grupo.

La vía de aspartato a lisina tiene 10 pasos.

La vía de aspartato a treonina tiene 5 pasos

La vía de aspartato a metionina tiene 7 pasos

La regulación de las tres vías también ocurre en los dos puntos de ramificación:

b-Aspartato-semialdehído (homoserina y lisina)

Homoserina (treonina y metionina)

La regulación resulta de la inhibición por retroalimentación de los productos aminoácidos de las ramas, indicados en los paréntesis anteriores.

Consideraremos un paso importante en la síntesis de este grupo de 3 aminoácidos, concretamente el paso en el que la homocisteína se convierte en metionina, catalizado por la enzima metionina sintasa:

En esta reacción, la homocisteína se metila a metionina, y el donante C1 es N5-metil-THF. Obsérvese que la enzima se denomina «sintasa» en lugar de sintetasa, porque la reacción es una reacción de condensación en la que no se utiliza el ATP (u otro nucleósido trifosfato) como fuente de energía, lo que debe compararse con una «sintetasa» en la que se requiere un NTP como fuente de energía.Esta reacción también se puede considerar como la transferencia del grupo amilo del N5-metil-THF a la homocisteína, por lo que otro nombre para la enzima que la cataliza es homocisteinometiltransferasa.

Es razonable revisar las reacciones en las que se añade una unidad C1 a un precursor metabólico, ya que estas reacciones se ven muy comúnmente en nuestro estudio de las vías bioquímicas. Ya se ha visto la transferencia del grupo acarboxilo del cofactor biotina de la piruvato carboxilasa al piruvato para formar oxaloacetato (¿por qué no se llama «transferasa» o «sintasa»?). La mayoría de las reacciones de carboxilación utilizan la biotina como cofactor.También ha estudiado la descomposición de la metionina, en la que el primer paso implica la transferencia de adenosina a metionina para formar S-adenosilmetionina (SAM). El grupo metílico del ion sulfonio de la SAM es muy reactivo, por lo que no es de extrañar que la SAM sea un agente de metilación en algunas reacciones.Los tetrahidrofolatos también son agentes donadores de C1 y, a diferencia de las carboxilaciones y las metilaciones de la SAM, los THF pueden transferir unidades de C1 en más de un estado de oxidación.

El N5-metil-THF ,como acabamos de ver, transfiere el grupo metilo (-CH3), en el que el nivel de oxidación del C es el del metanol(-4). El N5,N10-metileno-THF transfiere un grupo metileno(-CH2-) y el nivel de oxidación es el del formaldehído (0), mientras que el N5-formimino-THF transfiere el grupo formimino (-CH=NH), en el que el nivel de oxidación del Catom es el del formiato. Los grupos formilo (-CH=O) y metenilo (-CH=) también son transferidos por el THF y ambos tienen el C en el nivel de oxidación del formiato (+2). La estructura del THF es adecuada para estas transferencias en virtud de sus grupos N5 y N10 como se muestra en la siguiente estructura química:

Volveremos a ver el THF cuando estudiemos la síntesis del timidilato a partir del dUMP, catalizada por la enzima timidilato sintasa en la que el N5,N10-metileno-THF es el donante de metilo.

La familia del piruvato

Estos son los aminoácidos de «cadena ramificada», y es útil recordarlos como un grupo, no sólo porque todos se originan a partir del carboesqueleto del piruvato, sino también porque la enfermedad «enfermedad de la orina del jarabe de arce» (MSUD) es un resultado de la deficiencia de la a-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada, lo que resulta en una acumulación de a-cetoácidos de cadena ramificada.

Sólo veremos el principio y el final de las vías:

El primer paso es común a los 3 aminoácidos:

Piruvato + TPP –> Hidroxietil-TPP (catalizado por la acetolactato sintasa)

Obsérvese que el carbonátomo central en la hidroxietil-TPP es un carbanión y está estabilizado por resonancias.

El hidroxietil-TPP puede reaccionar con otro piruvato para formar a-acetolactato, en cuyo caso la vía se dirige hacia la valina y la isoleucina, o puede reaccionar con a-cetobutirato, en cuyo caso la vía se dirige hacia la isoleucina.

Hay un punto de bifurcación en el a-cetovalerato que, en una dirección conduce a la valina y, en la otra, a la leucina.

El paso final en la formación de cada uno de estos aminoácidos implica la transferencia de un grupo amino del glutamato al correspondiente a-cetoácido de cada uno de los 3 aminoácidos de cadena ramificada.Aquí vemos otro ejemplo de la importancia de un aminoácido en particular, a saber, el glutamato, para las vías anabólicas de los aminoácidos.

Los aminoácidos aromáticos:

El fosfoenolpiruvato (PEP), un intermediario glucolítico, se condensa con la eritrosa-4-fosfato, un intermediario de la vía de las pentosas-fosfato, para formar 2-ceto-3-deoxi-arabinoheptulosonato-7-fosfato y fosfato inorgánico. La enzima implicada es una sintasa. Este producto de condensación finalmente cicla a corismato.

A partir de aquí, la vía se ramifica, terminando en la producción de triptófano en un extremo de la rama, y tirosina y fenilalanina en el otro extremo.

Merece la pena mencionar algunos puntos importantes. En primer lugar, la glutamina desempeña un papel como donante de un grupo amino al corismato para formar antranilato en la rama del triptófano.El precursor inmediato del triptófano es el indol:

El «anillo de indol» es el rasgo característico de la estructura del triptófano. Nótese que la serina es el donante del grupo amino al indol para formar el triptófano.

La rama que conduce hacia la tirosina y la fenilalanina tiene otro punto de ramificación en el prefenato. La única diferencia entre los dos aminoácidos resultantes es que el para carbono del anillo bencénico de la tirosina está hidroxilado. De hecho, en los mamíferos, la fenilalanina se hidroxila directamente a tirosina, catalizada por la enzima fenilalanina hidroxilasa.

Fenilcetonuria

Algunas aminas fisiológicamente activas muy importantes se derivan de la tirosina,y éstas son la L-DOPA, la dopamina, la norepinefrina y la epinefrina. La vía de la tirosina a la norepinefrina se muestra a continuación:

La formación de epinefrina a partir de norepinefrina implica la transferencia del grupo metilo altamente reactivo de la S-adenosilmetionina a la norepinefrina:

Estructura de la S-adenosilmetionina mostrando su grupo metilo reactivo:

Biosíntesis de la histidina:

Vamos a ver esta vía con un poco más de detalle, ya que implica a la molécula 5-fosforibosil-a-pirofosfato (a la que nos referiremos como «PRPP» a partir de ahora). La PRPP también interviene en la síntesis de purinas y pirimidinas, como pronto veremos. En el primer paso de la síntesis de la histidina, la PRPP se condensa con el ATP para formar una purina, el N1-5′-fosforibosilATP, en una reacción impulsada por la posterior hidrólisis del pirofosfato que se condensa. La glutamina vuelve a desempeñar un papel como aminodonante, esta vez dando lugar a la formación del 5-aminoamidazol-4-carboximideribonucleótido (ACAIR), que es un intermediario en la biosíntesis de las purinas.

La histidina es especial porque su biosíntesis está intrínsecamente ligada a las vías de formación de nucleótidos. Los residuos de histidina se encuentran a menudo en sitios de actividad enzimática, donde la química del anillo de imidazol de la histidina la convierte en anucleófila y en un buen catalizador ácido/base. Ahora sabemos que el ARN puede tener propiedades catalíticas, y se ha especulado que la vida se basaba originalmente en el ARN. Tal vez la transición a la catálisis de proteínas desde la catálisis del ARNocurrió en el origen de la biosíntesis de la histidina.

La amina fisiológicamente activa, la histamina, se forma a partir de la histidina: