Tema 15 (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2014
Páginas 20
Fecha de subida 02/11/2014
Descargas 19
Subido por

Vista previa del texto

BIOQUÍMICA PARCIAL 2 15. METABOLISME DE COMPOSTOS NITROGENATS METABOLISME DELS AMINOÀCIDS CATABOLISME D’AMINOÀCIDS No es tan fàcil obtenir energia dels compostos nitrogenats. Els animals no solem obtenir energia dels aminoàcids. Els carnívors, però, poden obtenir fins un 90% de l’energia de compostos nitrogenats. Les plantes gairebé no oxiden aminoàcids.
DIGESTIÓ I ABSORCIÓ DE PROTEÏNES DE LA DIETA Les proteïnes ingerides en la dieta són font d’AA per a la síntesi de noves proteïnes.
També serviran com a font de N per a la síntesi d’altres AA o de compostos nitrogenats àcids nucleics, ATP, etc.
El primer pas en la digestió és la desnaturalització de proteïnes per fer accessibles els enllaços peptídics.
També es poden degradar proteïnes endògenes danyades o que ja no són necessàries.
Les proteïnes danyades o innecessàries es marquen per la seva destrucció amb ubiqüitina i són degradades al proteosoma (cal ATP).
109 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 El catabolisme d’aminoàcids es dóna principalment al fetge. Els aminoàcids no es poden emmagatzemar, i per això els excedents són utilitzats com a combustible.
S’elimina el grup α-amino i l’esquelet carbonat es converteix en intermediari metabòlic. El grup amino serà transformat a amoni i eliminat del cos (cicle de la urea) o utilitzat en la síntesi d’altres compostos nitrogenats.
Absorció dels productes de la digestió de proteïna de la dieta: AA i polipèptids CATABOLISME DEL GRUP AMINO Per una reacció de transaminació (catalitzada per una transaminasa), els aminoàcids es transformen en α-cetoàcids (sense grup amino). El grup amino és recollit per l’αcetoglutarat i s’uneix en el carboni ceto per donar lloc a un altre AA, el glutamat. L’AA que teníem perd el grup amino i es transforma en un α-cetoàcid. Aquest glutamat pot passar el grup amino al cicle de la urea com també pot incorporar un nou grup amino per formar la glutamina. Un altre transportador de grups amino a la sang és l’alanina.
. glutamat es l’acceptor universal de grups amino (tot i que no pot El travessar les membranes) 110 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 Les transaminases o (aminotransferases) són per tant les que permeten passar l’amoni d’un aminoàcid a un altre.
Tenen com a grup prostètic el piridoxal fosfat. Quan aquest incorpora un grup amino, es transforma en piridoxamina fosfat. El piridoxal fosfat està unit a l’enzim en una lisina a través d’una base de Schiff. L’α-cetoglutarat s’unirà al grup amino de la piridoxamina fosfat i s’alliberarà, deixant regenerada la piridoxal fosfat (l’ α cetoglutarat es transformarà en el glutamat).
TRANSPORT DE L’IÓ AMONI ENTRE ÒRGANS L’ió amoni no pot viatjar lliurement en sang perquè és tòxic. Per això, l’ió amoni es transfereix a la glutamina. A través d’una reacció catalitzada per la glutamina sintetasa, el glutamat s’activa (incorporant un grup fosfat; es gasta ATP) i incorpora un grup amoni allà on estava el grup fosfat.
Obtenim la glutamina, que és neutra a diferència del glutamat i ja pot ser transportada per la sang fins el fetge ja que travessa lliurement la membrana.
111 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 Un cop al fetge, gràcies a una glutaminasa, es traurà l’amoni, obtenint un altre cop el glutamat. L’amoni se’n va al cicle de la urea.
L’ió amoni també pot provenir de la degradació d’àcids nucleics.
TRANSPORT DE L’IÓ AMONI ÒRGANS – Cicle glucosa – alanina ENTRE A múscul es degraden les proteïnes musculars. Per exemple en casos d’inanició, vagues de fam, etc. el que queda al final per degradar són les proteïnes. Quan es degraden es genera una quantitat d’amoni dins les cèl·lules musculars molt alta (no s’obté energia de l’amoni, sinó de l’esquelet carbonat). Llavors, en un principi l’amoni és acceptat pel glutamat, però quan n’hi ha en excés, com que el piruvat és molt semblant a l’esquelet carbonat de l’alanina, per una reacció de transaminació el piruvat es torna alanina acceptant un amoni i anirà cap al fetge. Un cop al fetge per transaminació donarà el grup amino del glutamat i l’esquelet carbonat tornarà a ser piruvat: el piruvat al fetge és el substrat de la gluconeogènesi – es resintetitzarà la glucosa que s’havia fet servir en el múscul, i es tornarà a reomplir la glucosa gastada en el múscul.
Aquest cicle anomenat cicle de la glucosa – alanina és molt semblant al cicle de Cori – és el cicle de reaccions metabòliques que comprèn dues rutes de transport de productes entre els músculs i el fetge. Al llarg del cicle, el glucogen muscular és desglossat en glucosa i aquesta és transformada a piruvat mitjançant la glucòlisi. Aquest piruvat es transformarà en lactat (o àcid làctic) per la via del metabolisme anaeròbic (per falta d'oxigen en la cèl·lula) gràcies a l'enzim lactat deshidrogenasa.
L'àcid làctic és transportat fins al fetge per via sanguínia i allí és reconvertit a piruvat, i, després, a glucosa a través de la via anapleròtica. La glucosa pot tornar al múscul com a font d'energia immediata o ser emmagatzemada en forma de glucogen al fetge.
Aquest reciclatge de l'àcid làctic és la base del Cicle de Cori.
112 BIOQUÍMICA Cicle de Cori PARCIAL 2 Cicle glucosa – alanina DESAMINACIÓ OXIDATIVA DEL GLUTAMAT – Glutamat deshidrogenasa La reacció de desaminació oxidativa és aquella en que al glutamat, gràcies a la glutamat deshidrogenasa (situada al mitocondri dels hepatòcits), se li treu el grup amino i passa a ser α-cetoglutarat. L’acceptor d’electrons pot ser tant el NAD com el NADP. S’ha vist que aquest enzim és regulat al·lostèricament per concentracions de ATP/ADP o GTP/GDP – quan hi ha molt ADP/GDP s’activa i quan hi ha molt ATP/GTP es desactiva.
Aquest grup amoni que ha quedat lliure va cap al cicle de la urea.
L’acció seqüencial de les aminotransferases per generar glutamina i de la glutamat deshidrogenasa per generar amoni s’anomena transdesaminació.
113 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 EXCRECIÓ DE NITROGEN I CICLE DE LA UREA Aquest amoni lliure podrà entrar al cicle de la urea. El cicle de la urea només es dóna en els hepatòcits. Va ser el primer cicle descobert – Krebs, 1932, observà que l’addició d’ornitina, arginina i citrul·lina a trossos de fetge estimulava la producció d’urea. La urea és molt hidrosoluble, passa a sang i ronyó.
L’alanina o la glutamina en el citosol passen per transaminació a glutamat. Així entra a la mitocòndria (també pot entrar la glutamina que és transformada dins el mitocondri a glutamat per la glutaminasa). A dins entra en acció la glutamat deshidrogenasa que desamina el glutamat, obtenint així α-cetoglutarat i amoni lliure que cal eliminar.
L’amoni s’unirà a bicarbonat que prové del CO2 produït en la respiració mitocondrial.
Aquesta reacció està catalitzada per un enzim molt important, la carbamoïl fosfat sintetasa 1 que permet la síntesi del carbamoïl fosfat i que conté el grup amino que ve de la desaminació del glutamat, un carboni del bicarbonat i un grup fosfat. Aquesta reacció gasta 2 ATPs – un enllaç ric en energia permetrà l’enllaç del grup fosfat i l’altre farà viable la reacció. Aquest producte és el que pot entrar al cicle de la urea.
114 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 El cicle de la urea consta de 4 reaccions, però és un cicle compartit entre 2 compartiments – mitocondri i citosol.
En primer lloc trobem l’acceptor del carbamoïl fosfat que entra al cicle que és l’ornitina, i en quan s’hi uneix dóna lloc a la citrul·lina (1). Això està catalitzat per l’ornitina transcarbamilasa. Un cop formada la citrul·lina, surt del mitocondri perquè els altres 3 enzims es troben al citosol. Aquests 3 enzims estan molt junts per poder funcionar a nivell de canalització de substrat (augmenta l’eficiència del cicle).
La segona reacció consisteix en l’obtenció de l’arginino succinat (2) a partir de la citrul·lina – en aquest pas intervé l’aspartat (aminoàcid) aportant un grup amino. La citrul·lina es condensa amb l’aspartat (que ve de la transaminació d’altres aminoàcids) – aquesta condensació necessita 2 ATPs i dóna lloc a l’arginino succinat.
La tercera reacció està catalitzada per l’arginino succinasa i consisteix en la formació d’arginina (3), reacció en la qual surt una molècula de fumarat (intermediari del cicle de Krebs).
Finalment per acció de l’arginasa, es trenca l’arginina per hidròlisi i obtenim la urea i a la vegada regenerem l’ornitina (4) que tornarà a entrar al mitocondri per acceptar més molècules de carbamoïl fosfat.
115 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 REGULACIÓ DEL CICLE DE LA UREA Una dieta rica en proteïnes o una inanició augmentarà la síntesi dels 4 enzims del cicle de la urea i la síntesi de la carbamoïl fosfat sintetasa 1. Aquest últim enzim pot ser regulat al·lostèricament positivament per la Nacetilglutamat provinent de la unió d’acetilCoA i glutamat gràcies a l’arginina que ho facilita (si hi ha molt glutamat s’activarà l’enzim i s’estimularà el cicle).
Els cicles de la urea i de Krebs estan molt connectats a través del fumarat-malat i a través de l’oxalacetat/espartat.
- - Quan el fumarat es forma al cicle de la urea ha de tornar a dins el mitocondri a través de la llançadora de malat. Per això s’ha de transformar prèviament a malat. El malat sí que entrarà a Krebs.
A partir de l’oxalacetat es pot formar aspartat (per una transaminació) que pot entrar al cicle de la urea La connexió entre els 2 cicles s’anomena llançadora aspartat – argininosuccinat.
116 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 BALANÇ GLOBAL - La síntesi de carbamoïl fosfat en el mitocondri requereix la hidròlisi de 2 ATP a 2 ADP + 2 Pi.
La síntesi d’argininosuccinat requereix la hidròlisi de 1 ATP a AMP + PPi (2 ATP). Per tant l’equació global: La síntesi d’urea també implica: - Conversió d’oxalacetat a fumarat Reoxidació del fumarat a oxalacetat en el cicle dels àcids tricarboxílics (mitocondrial)  Es genera NADH + H+ en la reacció de la malat deshidrogenasa  Reducció del cost energètic de la síntesi d’urea.
Gràcies a la connexió amb el cicle de Krebs (gràcies a l’obtenció de fumarat que pot regenerar l’aspartat obtenint a més poder reductor), el cicle de la urea és més eficient que el de Krebs.
IMPORTÀNCIA DE LA CADENA CARBONADA En el cas que hi hagi un excés d’aminoàcids, en la imatge veiem com poden ser degradats a CO2 i aigua o també poden ser degradats a altres molècules (degradem l’esquelet carbonatat i el convertim al que vulguem).
117 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 Tots els intermediaris poden entrar a Krebs, des d’on poden oxidar-se completament o anar a la formació d’altres compostos, com és el cas de la glucosa (intermediaris glucogènics) o fins i tot cossos cetònics (intermediaris cetogènics, leucina i lisina – la leucina és molt abundant a totes les proteïnes, per tant la formació de cossos cetònics és una via metabòlica activa en casos de dejú prolongat (vaga de fam) o diabetis).
Imatge anterior: Els que veiem dibuixats en rosa són els capaços de donar lloc a glucosa. Els que veiem dibuixats en blau poden donar CoA.
Per tant, a en situacions d’inanició quan no queden glúcids o lípids, s’obtenen a través de la degradació de proteïnes pròpies de l’individu. Majoritàriament s’obté glucosa però alguns arriben a cossos cetònics. Hi ha AA que tan poden ser glucogènics com cetogènics.
DEFECTES GENÈTICS HUMANS DEL CATABOLISME D’AMINOÀCIDS Defectes en el catabolisme d’aminoàcids poden donar lloc a malalties. Per exemple l’albinisme (deficiència en la síntesi de melanina), la fenilcetonúria (deficiència en convertir la fenilalanina en tirosina – dóna neurotoxicitat), etc.
La majoria de malalties enzimàtiques estan relacionades amb malalties rares (per sota dels 8 cada 100 naixements).
118 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 SÍNTESI D’AMINOÀCIDS Hi ha una sèrie d’aminoàcids que són essencials i uns altres que no ho són. Els que ho són, és així perquè no els podem sintetitzar. Alguns depenen de la condició de l’individu (si estan en creixement, etc.) L’esquelet carbonat dels aminoàcids es pot sintetitzar per tres vies: - Pels intermediaris de la glucòlisi Pels intermediaris de la via de les pentoses 5 fosfat A partir de l’oxalacetat i l’α-cetoglutarat L’amoni sempre l’aportarà el glutamat o la glutamina a través d’una reacció de transaminació.
REGULACIÓ DE LA SÍNTESI Es dóna a nivell de regulació de la glutaminasintetasa – enzim al·lostèric que només té inhibidors. Alguns d’ells són el carbamoïl fosfat, el triptòfan, la histidina, l’AMP...
119 BIOQUÍMICA FIXACIÓ DE NITROGEN PARCIAL 2 26/05/14 ORIGEN DEL NITROGEN DE LA DIETA – Cicle del Nitrogen En un principi, el nitrogen prové de l’atmosfera, el qual és fixat per bacteris nitrificants. El cicle del nitrogen està molt relacionat amb el metabolisme dels compostos nitrogenats. Per exemple, Rhizobium, que forma nòduls a les arrels. L’enzim que el fixa viu en condicions de pressió parcial d’oxigen molt baixes.
NITROGENASA La Nitrogenasa és l’enzim que transforma el nitrogen a amoni. Necessita 8 electrons i molta energia – el nitrogen és molt inert, i per poder convertir-lo en amoni es necessita molta energia. Si ho féssim al laboratori necessitaríem condicions de 300-400ºC i 300 atm. En canvi les lleguminoses ho fan a 0,8 atm.
D’aquests 8 electrons, 6 redueixen el nitrogen a amoni i els altres 2 serveixen per reduir hidrogen.
Si exposem aquest enzim a l’aire, la vida mitja de l’activitat reductasa és de 30 segons mentre que normalment és de 10 min – és hipersensible a l’oxigen i es protegeix d’ell a les arrels de les plantes.
Aquest enzim té dues subunitats amb dues activitats diferents: - - Reductasa – dímer de proteïnes Fe-S que conté 4 Fe i 4 S (amb cisteïnes) disposats en forma de cub; aquests centres són capaços de captar i cedir electrons – proporcionen el poder reductor.
Nitrogenasa – en el centre actiu també té proteïnes Fe-S. A més conté molibdè – és un tetràmer que conté en total 2 molècules de molibdè, 32 de Fe i 30 de S.
INCORPORACIÓ DE L’AMONI L’amoni sempre l’aportarà el glutamat o la glutamina a través d’una reacció de transaminació – l’amoni és incorporat a les biomolècules en forma de glutamat i glutamina.
120 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 METABOLISME DELS NUCLEÒTIDS – Bases nitrogenades Moltes bases nitrogenades són cofactors de molts enzims. El NAD, FAD, etc. són també molècules que contenen bases nitrogenades. A més, són importants en els intermediaris biosintètics activats (UDP glucosa).
A la cèl·lula només hi ha un 1% dels nucleòtids necessaris a l’hora de dividir-se – la velocitat de replicació d’una cèl·lula depèn de la velocitat de síntesi de nucleòtids necessaris.
Hi ha dues vies: via de síntesi de novo i via de recuperació (activa en el SNC). Ambdues parteixen d’una ribosa activada (fosforibosil pirofosfat, PRPP – ribosa que conté un enllaç fosfat ric en energia). En la síntesi de novo, a partir d’ella la base nitrogenada se sintetitza al seu voltant de manera que es va formant a partir d’una sèrie d’intermediaris tot el nucleòtid. La base nitrogenada sovint prové d’algun aminoàcid – una part dels AA aporten el N que s’incorpora a la base. En canvi en la via de recuperació es forma la ribosa i la base per separat i després s’ajunten.
PURINES BIOSÍNTESI DE NOVO La glutamina aporta els 2 nitrògens que estan a la base de la base nitrogenada. Els 2 carbonis els aporta el format. Els altres N els aporten la glicina i l’aspartat i un CO2 aporta un carboni.
A partir d’aquest anell s’afegeix inositolmonofosfat (IMP) i es formarà AMP si cal ATP o GMP si cal GTP, en funció del que se sintetitzi.
121 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 REGULACIÓ Es regula mitjançant l’enzim glutamina-PRPP-aminotransferasa – enzim al·lostèric que ve regulat per producte – tant AMP, GMP com pel producte comú que és IMP). A partir de l’anell de purina, es passa a IMP, i la via es divideix segons si es vol sintetitzar AMP o GMP (per sintetitzar un cal l’altre – així mai hi ha excessos d’un dels dos).
122 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 VIA DE RECUPERACIÓ – Reutilització de les bases Hi ha una via de reciclatge de purines (especialment funciona en neurones).
Hi ha unes endonucleases que trenquen el DNA en fragments petits, i després vénen unes fosfodiesterases que ho trenquen en nucleòtids monofosfat individuals. Es poden reciclar nucleòtids monofosfat individuals o bé la seva base nitrogenada.
Aquesta base nitrogenada, si no es fa servir serà degradada però també pot ser reutilitzada unint-se al PRPP per donar lloc a nous nucleòtids.
VIA DE RECUPERACIÓ DE LES PURINES: La recuperació de la guanina/hipoxantina a GMP/IMP està regulada per l’enzim HPRT – la seva deficiència pot causar el síndrome de Lesch-Nyhan.
La recuperació de l’adenosina/hipoxantina a AMP/IMP està regulada per l’enzim ADA – la seva deficiència afecta les cèl·lules T del sistema immune – no poden sintetitzar àcids nucleics prou ràpid.
123 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 CATABOLISME Per catabolitzar les GMP a guanina hi ha una desaminació; per catabolitzar les AMP a hipoxantina, es dóna una oxidació. Les dues acaben sent xantina que passarà a ser àcid úric.
Excés d’àcid úric – gota.
PIRMIDINES BIOSÍNTESI La via de síntesi comença a partir de bicarbonat (CO2 de la respiració) i amoni (glutamina) i donarà el carbamoïl fosfat, a partir de l’enzim carbamoïl fosfat sintetasa II que és un isoenzim citosòlic (el del cicle de la urea estava al mitocondri).
Aquest producte junt amb 3 carbonis i un N que els aporta l’aspartat formen l’estructura base de l’anell de pirimidina. A aquest anell s’hi uneix la ribosa activada (PRPP). Un C carboxílic es descarboxila i obtenim l’UMP en primera instància, a partir de la qual es forma l’UTP. D’UTP podem passar a CTP (RNA) o a TTP que passarà a ser dCPT (DNA).
124 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 Procés mes detallat: 125 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 L’enzim que permet la síntesi de la via és la carbamoïl fosfat sintetasa II.
Aquest enzim té 3 centres actius – un hidrolitza la glutamina (N), un fosforil·la el bicarbonat (C) i un catalitza la 3ª reacció de fosforilació de l’àcid carbònic.
El substrat va passant pels centres actius de l’enzim – això permet una canalització dels productes en aquest enzim (és molt més eficient).
Canalització de productes intermedis entre centres catalítics.
Estructura CATABOLISME A partir de la timina es dóna una reducció i això permet el trencament d’un enllaç que obre l’anell – obtenim una molècula semblant a un AA. Després d’una desaminació i una descarboxilació obtenim una molècula que segueix sent semblant a un AA. Finalment hi ha una reacció d’aminotransferència en què l’α-cetoglutarat accepta l’amoni, es torna glutamat i obtenim un producte final que és el metil malonil semi aldehid que és un intermediari del metabolisme de la valina – podrà entrar a través de succinil CoA al cicle de Krebs i ser degradat. El C i N que hem obtingut se’n van al cicle de la urea.
126 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 RIBONUCLEÒTID REDUCTASA Fins ara hem parlat de ribonucleòtids – ara parlem de desoxiribonucleòtids. Recordem que l’única diferència és la presència d’un H més.
Els hidrògens que s’han d’aportar els aporta el NADP reduït (reducció – els ribonucleòtids estan més oxidats que els desoxiribonucleòtids). Això ho catalitza la ribonucleòtid reductasa.
Trobem dues vies diferents per la captació de protons: - A través de la tioredoxina, la qual té grups SH que poden estar reduïts o oxidats.
A través del glutatió, mecanisme que disminueix el nombre de radicals lliures i que aquí participa en la reducció dels ribonucleòtids per donar lloc als desoxiribonucleòtids.
L’enzim és al·lostèric i està molt ben regulat – per la formació dels àcids nucleics hi ha un aparellament de bases nitrogenades, per tant la regulació de la síntesi de desoxiribonucleòtids ha d’estar molt ben regulada.
APLICACIONS EN BIOMEDICINA ANÀLEGS – Fàrmacs contra el càncer Les cèl·lules del càncer necessiten una síntesi de nucleòtids molt alta. En tractaments de quimioteràpia es fan servir fàrmacs inhibidors de la de la síntesi de nucleòtids.
Timidilat sintasa és capaç de convertir el dUMP a dTMP (utilitza tetrahidrofolat com a cofactor).
El fluorouracil inhibeix la timidilat sintasa porque ramadán.
També es pot inhibir a nivell de lal.
127 BIOQUÍMICA PARCIAL 2 ANÀLEGS – Fàrmacs contra el SIDA Un dels fàrmacs que es fan servir - AZT. En el C3’ en lloc d’un OH hi ha un grup amb 3 N. La síntesi de DNA uneix la següent ribosa en el C3’, de manera que si administrem AZT a una concentració adequada perquè competeixi amb la de les cèl·lules, el virus incorporarà aquest fàrmac.
La cosa és que el cos tampoc ho sintetitzarà correctament.
128 ...