Tema 7. Metabolisme dels compostos nitrogenats I. Biosíntesi i degradació de proteïnes (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Pompeu Fabra (UPF)
Grado Medicina - 2º curso
Asignatura Bioquímica II
Año del apunte 2015
Páginas 11
Fecha de subida 03/02/2015
Descargas 14
Subido por

Vista previa del texto

Tema 7. Metabolisme de compostos nitrogenats (I): Biosíntesi i degradació de proteïnes En el metabolisme dels compostos nitrogenats, tant de proteïnes com d’àcids nucleics, és important tenir en compte que la disponibilitat dels substrats és limitada i que és impossible emmagatzemar el nitrogen com a tal, ja que l’NH3 és molt tòxic a nivell del sistema nerviós.
1. METABOLISME DE LES PROTEÏNES Les fonts bàsiques d’aminoàcids al nostre organisme són la dieta, les proteïnes musculars, les proteïnes bàsiques del cos i la síntesi d’aminoàcids no essencials. Donat que els aminoàcids no es poden emmagatzemar, segueixen tres vies diferents que impliquen tres funcions:  Biosíntesi de proteïnes  Síntesi d’altres compostos  Obtenció d’energia (només en cas de dèficit de glúcids i lípids) Digestió de proteïnes de dieta i absorció d’aminoàcids Els proteïnes obtingudes a través de la dieta són degradades durant la digestió gràcies a l’acció d’enzims proteolítics produïts per tres òrgans diferents.
En primer lloc l’estómac allibera àcid clorhídric i pepsina que actuen desnaturalitzant les proteïnes. El pàncrees allibera enzims pancreàtics que actuen com a peptidases. L’activació constant d’aquests enzims no interessa ja que podrien digerir les proteïnes pròpies de l’organisme. Per aquest motiu es sintetitzen com a zimògens (forma inactiva) i s’activen a l’arribar al tub digestiu. La tripsina és activada en presència de l’àcid clorhídric i seguidament activa altres enzims com la quimiotripsina i l’elastasa. Els enzims proteolítics tallen amb una gran especificitat i donen com a resultat oligopèptids i aminoàcids lliures. Per últim a l’intestí prim actuen les aminopeptidases que tenen una especificitat menor i permeten l’alliberació d’aminoàcids senzills que podran ser absorbits.
2. CATABOLISME DE PROTEÏNES Degradació de proteïnes musculars La degradació de proteïnes musculars es produeix únicament en situacions de dejú extrem en les que s’han exhaurit tant les reserves de glúcids com els de lípids i en després de patir un trauma.
La degradació de les proteïnes consisteix en la transferència del seu grup amí a una molècula d’α-cetoglutarat que es converteix en glutamat. D’aquesta manera l’aminoàcid es converteix en un α-cetoàcid, que és un esquelet carbonat que es podrà introduir a una via d’obtenció d’energia.
El glutamat es converteix en glutamina amb l’incorporació d’un grup NH4+ i aquesta reacció va associada a la formació d’alanina a partir de piruvat, també a causa de l’adició d’una molècula d’NH4+. La glutamina i l’alanina són transportades al fetge on s’obtindrà urea que s’eliminarà al ronyó amb l’orina.
Degradació de proteïnes Les cèl·lules sintetitzen i degraden constantment proteïnes a partir dels aminoàcids. Això és important per la regulació metabòlica de la cèl·lula i depèn de canvis ambientals i requeriments metabòlics.
Per a la degradació de les proteïnes s’utilitzen senyals d’ubiquitinació, que permeten funcions de manteniment i regulació. Alguns exemples de senyals d’ubiquitinació són les proteïnes PEST, que contenen una seqüència rica en residus de prolina (P), àcid glutàmic (E), serina (S) i treonina (T), i la regla del N-terminal, que es basa en què la presència de certs aminoàcids a l’extrem N-terminal modifiquen l’estabilitat de la proteïna.
Així doncs, les proteïnes es marquen per la seva degradació mitjançant una unió covalent a ubiquitina. Aquest marcatge es produeix mitjançant una cascada que s’inicia amb la conjugació del grup COOH de l’ubiquitina amb l’enzim activador d’ubiquitina E1. A continuació l’ubiquitina es transfereix a un grup SH de l’enzim conjugador de l’ubiquitina E2 i finalment la ligasa de ubiquitina-proteïna E3 transfereix l’ubiquitina activada des d’E2 fins la proteïna diana mitjançant un enllaç isopeptídic.
El marcatge amb una molècula d’ubiquitina no és suficient sinó que cal crear una poliubiquitinació, és a dir, cal crear una cadena d’almenys quatre molècules d’ubiquitina unides en tàndem.
Aquesta seqüència és detectada pel proteosoma 26S, un complex multiproteic depenent d’ATP que degrada les proteïnes ubiquitinades en petits pèptids que ja poden entrar al metabolisme de proteïnes. El proteosoma 26S està format per dues subunitats. Els casquets 19S es troben als extrems i realitzen el reconeixement de les seqüències poliubiquitinades. El proteosoma 20S realitza la proteòlisi de les proteïnes marcades.
Degradació dels aminoàcids: transaminació i desaminació oxidativa La degradació dels aminoàcids s’inicia amb la separació del grup NH 3+ de l’esquelet carbonat mitjançant una reacció de transaminació. El grup amí formarà urea i amoníac mentre que l’esquelet carbonat s’utilitzarà per formar energia al múscul o per realitzar la gluconeogènesi al fetge.
La reacció de transaminació consisteix en la transferència del grup amí d’un aminoàcid a l’αcetoglutarat, donant com a productes un α-cetoàcid i glutamat.
L’α-cetoglutarat és un component del cicle de Krebs, per tant és important regenerar-lo. Amb aquest objectiu es realitza una segona reacció de transaminació entre el glutamat i una molècula d’oxalacetat i s’obté α-cetoglutarat i aspartat.
Les reaccions de transaminació són bidireccionals i es realitzen en una direcció o en l’altra en funció de si s’han de degradar aminoàcids o si cal recuperar algun component.
Les transaminases són els enzims que catalitzen les reaccions de transaminació. Presenten especificitat per cada aminoàcid i requereixen la presència del coenzim piridoxal-5’-fosfat (PLP). Les dues reaccions descrites són catalitzades per l’alanina i aspartat aminotransferases, ALT i AST o GOT respectivament. Nivells elevats d’aquests enzim seran indicatius de lesions tissulars hepàtiques (hepatitis) o musculars (infarts o desordres musculars). Les agulletes també causarien nivells alts d’aquests enzims.
El glutamat és l’únic aminoàcid capaç d’alliberar el grup amí eficientment, per això el procés descrit es centra en la transferència del grup amí a aquest aminoàcid. La reacció de desaminació oxidativa és bidireccional i és catalitzada per l’enzim glutamat deshidrogenasa (GDH).
3. EL CICLE DE LA UREA El cicle de la urea es produeix al fetge i és la forma majoritària d’eliminació del nitrogen, donat que és la única manera d’acumular NH4+ de manera no tòxica.
La via d’entrada al cicle de la urea és el glutamat, que es degradarà en NH3 i aspartat mitjançant la glutamat deshidrogenasa i l’aspartat aminotransferasa.
El cicle de la urea consta de 5 reaccions enzimàtiques, les dues primeres de les quals es produeixen als mitocondris de les cèl·lules hepàtiques i les tres darreres es donen al citosol.
L’activació del cicle es produeix quan l’individu té una dieta rica en aminoàcids o en processos d’inanició prolongada. En els fos casos arriben molts aminoàcids al fetge que indueixen la síntesi dels enzims del cicle.
Les reaccions del cicle de la urea són les següents: 1. Carbamoil fosfat sintetasa (CPS-I) Adquireix el primer àtom de nitrogen de la urea formant carbamoil fosfat mitjançant una reacció irreversible 2. Ornitina transcarbamoilasa Sintetitza citrul·lina a partir d’ornitina i carbamoil fosfat 3. Arginosuccinat sintetasa Es forma aspartat i arginossuccionat sintetasa 4. Arginosuccionasa Arginosuccinat es converteix en arginina i l’aspartat es transforma en fumarat 5. Arginasa Converteix l’arginina en urea mitjançant l’addició d’aigua El fumarat és un subproducte del cicle de la urea que es transforma en malat i oxalacetat i s’utilitza per sintetitzar glucosa amb el procés de gluconeogènesi.
Rendiment: El cicle de la urea requereix 3 ATP pel pas d’aspartat a fumarat i urea.
El control del cicle de la urea es realitza a través de CPS-I, que és activat al·lostèricament pel N-acetilglutamat. Els altres enzims són també controlats per les concentracions de substrat.
Alteracions en el metabolisme del nitrogen L’amoníac és un compost tòxic que afecta principalment el sistema nerviós provocant retràs mental, coma i mort. Els principals causants de l’acumulació de nitrogen són alteracions genètiques en alguns enzims del cicle de la urea i problemes adquirits com ara cirrosi hepàtica.
4. METABOLISME DELS ESQUELETS CARBONATS Els esquelets carbonats no es degraden sinó que s’integren en el metabolisme intermediari.
Els aminoàcids glicogènics es degraden a precursors de la glucosa (piruvat, α-cetoglutarat, succinil-CoA, fumarat o oxalacetat) per realitzar la gluconeogènesi, mentre que els aminoàcids cetònics es poden convertir en àcids grassos o cossos cetònics i realitzar l’oxidació a CO2.
Aminoàcids glucogènics Alanina Cisteïna Glicina Serina Asparagina Aspartat Metionina Valina Arginina Glutamat Glutamina Histidina Prolina Aminoàcids cetogènics Leucina Lisina Aminoàcids glucogènics i cetogènics Isoleucina Triptòfan Treonina Tirosina Fenilalanina 5. BIOSÍNTESI DE PROTEÏNES: ANABOLISME DELS AMINOÀCIDS Els aminoàcids es classifiquen en essencials i no essencials en funció de si només els adquirim amb la dieta o si tenim capacitat per sintetitzar-los.
La biosíntesi d’alanina, aspartat, asparagina, glutamat i glutamina es realitza a partir de piruvat, oxalacetat i α-cetoglutarat segons les reaccions següents: La serina es forma a partir del 3-fosfoglicerat.
Per últim, la modificació d’aminoàcids permet la síntesi de derivats    La biosíntesi de prolina, ornitina i arginina es realitza a partir de glutamat La biosíntesi de cisteïna i glicina es fa a partir de la serina La biosíntesi de tirosina és a partir de la fenilalanina 6. UTILITZACIÓ DE L ’AMONÍAC: BIOGÈNESI DEL NITROGEN ORGÀNIC L’amoníac s’incorpora als aminoàcids mitjançant el glutamat i la glutamina.
Intervenen els enzims CPS-1, asparagina sintetasa, glutamat deshidrogenasa i glutamina sintetasa.
La glutamat deshidrogenasa sintetitza glutamat a partir d’α-cetoglutarat i NH3 mitjançant una reacció reversible i molt bidireccional. Els grups α-amí de la major part dels aminoàcids provenen del grup α-amí del glutamat, que els transmet mitjançant reaccions de transaminació.
La glutamina sintetasa és un punt de control central en el metabolisme del glicogen que catalitza la formació de glutamina a partir de glutamat i un grup amí consumint una molècula d’ATP. La reacció és activada per l’α-cetoglutarat i és regulada al·lostèricament per retroinhibició acumulativa dels productes finals o de productes que representen el nivell de nitrogen de la cèl·lula, com per exemple alanina, serina i glicina.
Altres funcions del metabolisme dels aminoàcids són la formació de:  Porfirines per condensació de glicina i succinil-CoA  Creatinina a partir de glicina i arginina  Hormones i neurotransmissors com histamina (histidina), serotonina (triptòfan) i catecolamines (tirosina)  Purines i pirimidines PREGUNTES Indica quina no és correcta.
a) La primera etapa de la degradació dels aminoàcids musculars és la transferència del grup amí a alfa-cetoàcids per formar glutamat o alanina.
b) Les proteïnes es marquen per la seva degradació mitjançant la seva unió covalent a ubiquitina.
c) L’alanina és l’aminoàcid que es pot desaminar oxidativament més eficientment.
Dos nens, una mateixa història? Els pares d’en Joan, un nen de dos mesos d’edat, van portar el seu fill al pediatre quan va començar a vomitar. Els pediatres de guàrdia que atengueren a en Joan van observar que es dormia amb facilitat i passava així gairebé tot el dia. L’anàlisi d’orina va mostrar concentracions anormalment elevades de glutamina i amoni. Li van practicar un encefalograma que mostrà signes evidents d’anormalitat. Davant d’aquesta situació, els pediatres van decidir administrar glucosa, que va permetre una milloria ràpida de la situació clínica d’en Joan. Quan van revisar els antecedents familiars, van descobrir que uns anys abans un germà seu va morir als pocs dies d’edat després d’haver patit un procés de letargia, irritabilitat, convulsions i haver entrat en coma del que no es recuperà. L’estudi genètic posterior mostrà que tenia una rara malaltia genètica conseqüència d’una mutació puntual en el gen de l’ornitina transcarbamoilasa. Aquest però no havia estat l’únic ingrés a l’hospital amb símptomes similars que els pediatres havien atès aquell dia. La Joana, un nena de tres anys, va ingressar amb un quadre clínic molt similar amb l’excepció que tenia unes concentracions de transaminases (ALT/AST) molt elevades. El més curiós era que en aquest cas no hi havia cap dada d’interès relativa a la seva família, i no existien antecedents familiars de malalties similars. La única cosa rellevant era que recentment la Joana havia estat diagnosticat d’hepatitis vírica. En els dos casos però el tractament proposat fou el mateix: consistia en una dieta baixa en proteïnes, la realització d’hemodiàlisi i, en el cas més greu, l’administració de benzoat sòdic i fenilacetat.
Els dos nens es recuperaren satisfactòriament, tot i que un d’ells es va haver de seguir tractant durant molt de temps.
a) En el marc del quadre clínic d’en Joan, quin significat poden tenir els nivells alts de glutamina i amoníac en sang? Hi ha una alteració del cicle de l’urea que provoca la seva acumulació.
b) Per què en Joan va millorar amb l’administració de glucosa? La formació de glutamat per eliminar l’amoníac lliure causa una disminució d’αcetoglutarat, de manera que el cicle de Krebs no es pot donar amb normalitat. Amb l’administració de glucosa es permet l’obtenció d’energia a través d’una altra via.
c) Què és l’ornitina transcarbamoilasa i a quina via metabòlica pertany? És un enzim del cicle de la urea que sintetitza citrulina a partir d’ornitina i carbamoil fosfat.
d) Hi ha alguna relació entre aquest enzim i les manifestacions clíniques de la germana d’en Joan i amb ell mateix? Sí, els dos pateixen la mateixa malaltia genètica provocada per la deficiència d’aquest enzim.
e) Quina relació pot haver-hi entre l’hepatits vírica, les transaminases i el quadre clínic de la joana? Hi ha una destrucció de les cèl·lules hepàtiques que impedeix el cicle de la urea.
f) Per què cal donar una dieta baixa en proteïnes i realitzar hemodiàlisi en els dos nens Es dóna una dieta baixa en proteïnes per evitar la formació de més amoni lliure i es realitza hemodiàlisi per filtrar el contingut amoni de la sang.
g) Quin dols nens va haver de seguir un tractament llarg i per què? El Joan, doncs la seva malaltia és genètica.
h) Quin sentit té administrar benzoat sòdic i fenilacetat El benzoat sòdic es combina amb la glicina, és un compost que es secreta fàcilment amb l’orina, mentre que el fenilacetat es combina amb la glutamina perquè sigui més fàcil secretar-la.
D’aquesta manera no cal que es produeixi el cicle de la urea per eliminar l’amoni lliure.
Preguntes verdader - fals  La digestió de proteïnes de dieta es realitza gràcies a canvis de pH i proteases específiques.
 Els enzims pancreàtics degraden proteïnes amb gran especificitat i són secretats pel pàncrees en forma de zimògens.
 La primera etapa en la degradació intracel·lular dels aminoàcids musculars és la transferència del grup amí a α-cetoàcids per formar glutamina o alanina.
 Les proteïnes es marquen per la seva degradació mitjançant la seva unió covalent a ubiquitina.
 La primera etapa en la degradació dels aminoàcids és la transferència del grup amí per les aminotransferases.
 La presència d’alanina i aspartat aminotransferases en sang són indicadors de lesions tissulars.
 La presència d’ALT i AST en sang és un indicador d’una alimentació rica en proteïnes.
 La glutamat deshidrogenasa és l’enzim que du a terme la desaminació oxidativa del glutamat.
 El glutamat es descomposa en alanina i amoníac gràcies a la reacció de desaminació oxidativa catalitzada per la glutamat deshidrogenasa.
 El cicle de la urea es produeix al ronyó.
 El cicle de la urea és l’encarregada de detoxificar el nitrogen provinent del glutamat.
          El cicle de la urea permet la detoxificació de l’excés d’amoníac del nostre organisme.
EL carbamoil fosfat sintetasa I (CPS-I) és l’enzim responsable de l’adquisició del primer àtom del nitrogen de la urea formant carbamoil fosfat al mitocondri.
Per realitzar-se el cicle de la urea es necessita NH3 i asparagina.
Els esquelets carbonats dels aminoàcids s’integren en el metabolisme intermediari segons si son glucogènics o cetogènics.
Els esquelets carbonats provinents de la degradació de qualsevol dels aminoàcids pot ser utilitzats per la síntesi de glucosa.
La biosíntesi d’alanina, aspartat i glutamat es fa a partir del piruvat, oxalacetat i αcetoglutarat, respectivament.
Els humans podem sintetitzar la majoria d’aminoàcids necessaris, sempre i quan disposem de prou nitrogen en forma d’amoníac.
La síntesi dels aminoàcids no essencials es fa a partir d’uns pocs precursors del metabolisme intermediari.
La glutamina sintetasa és un punt de control central en el metabolisme del nitrogen.
L’amoníac és incorporat majoritàriament a compostos orgànics gràcies a la glutamat deshidrogenasa i la glutamina sintasa.
...