¿Cómo se almacena y transfiere el nitrógeno en el cuerpo humano? Doctor Cirdy

Introducción al Metabolismo del Nitrógeno
Glutamato deshidrogenasa
Glutamina Sintetasa y Glutaminasa
Nitrógeno del tracto digestivo
Aminoácidos esenciales vs. no esenciales
Eliminación de Nitrógeno de Aminoácidos
El ciclo de la urea
Regulación del ciclo de la urea
Trastornos del ciclo de la urea (UCD)
Tabla de defectos del ciclo de la urea
Glutamato y glutamina: homeostasis del nitrógeno en el cerebro
Metabolismo de aminoácidos de cadena ramificada: homeostasis neuronal de nitrógeno
Neurotoxicidad del amoníaco

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¿Cómo puedo encontrar la cantidad total de proteínas presentes en cualquier bacteria que ya tenga su secuencia completa del genoma? ¿Hay alguna base de datos o herramienta para eso?

Cuando suda mucho, ¿qué significa eso?

¿Qué pasa si los humanos pueden regenerar cualquier parte del cuerpo perdida?

¿Cuál es el órgano más ocupado del cuerpo humano?

¿Cuál es la parte más sensible del cuerpo masculino?

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Introducción

Los seres humanos son totalmente dependientes de otros organismos para convertir el nitrógeno atmosférico en formas disponibles para el cuerpo. La fijación de nitrógeno se lleva a cabo mediante nitrógeno bacterianas que forman nitrógeno reducido, NH

, que luego pueden usar todos los organismos para formar aminoácidos.

Descripción general del flujo de nitrógeno en la biosfera. La bacteria (fijación de nitrógeno) y las plantas actúan sobre el nitrógeno, los nitritos y los nitratos y asimilamos estos compuestos como proteínas en nuestras dietas. La incorporación de amoniaco en animales ocurre a través de las acciones de la glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa. El glutamato desempeña un papel central en el flujo de nitrógeno de los mamíferos, sirviendo como donante de nitrógeno y aceptor de nitrógeno.

La reducción de nitrógeno ingresa al cuerpo humano como aminoácidos libres de la dieta, proteínas y el amoníaco producido por las bacterias del tracto intestinal. Un par de enzimas principales, la glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa, se encuentran en todos los organismos y afectan la conversión de amoníaco en los aminoácidos glutamato y glutamina, respectivamente. Los grupos amino y amida de estas 2 sustancias se transfieren libremente a otros esqueletos de carbono mediante reacciones de transaminación y transamidación.

Reacción catalizada por la aminotransferasa representativa.

Las aminotransferasas (transaminasas) catalizan la reacción general que se muestra arriba. Los compuestos más comunes implicados como pares donador / aceptor en las reacciones de transaminación son glutamato y 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato). La alanina transaminasa tiene una función importante en el suministro de carbono y nitrógeno del músculo esquelético (en forma de alanina) al hígado. En el músculo esquelético, el piruvato se transamina a alanina, lo que proporciona una ruta adicional de transporte de nitrógeno desde el músculo al hígado. En el hígado, la alanina transaminasa transfiere el amoníaco a 2-oxoglutarato y regenera piruvato. El piruvato puede desviarse a lagluconeogénesis formando nueva glucosa para su liberación a la sangre. Este proceso se conoce como ciclo de glucosa-alanina.

El ciclo de la glucosa-alanina: el ciclo de la glucosa-alanina se usa principalmente como un mecanismo para que el músculo esquelético elimine el nitrógeno mientras repone su suministro de energía. La oxidación de glucosa produce piruvato que puede someterse a transaminación a alanina. Esta reacción es catalizada por alanina transaminasa (ALT) que está codificada por el gen GPT (glutamato-piruvato transaminasa). Además, durante los períodos de ayuno, la proteína del músculo esquelético se degrada por el valor energético de los carbonos de aminoácidos y la alanina es un aminoácido principal en la proteína. La alanina luego ingresa al torrente sanguíneo y es transportada al hígado. Dentro del hígado, la alanina se convierte nuevamente en piruvato, que es entonces una fuente de átomos de carbono para la gluconeogénesis. La glucosa recién formada puede ingresar a la sangre para ser devuelta al músculo. El grupo amino transportado desde el músculo al hígado en forma de alanina se convierte en urea en el ciclo de la urea y se excreta.

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La reacción de glutamato deshidrogenasa

La reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa es:

La glutamato deshidrogenasa (GDH) utiliza cofactores de nucleótidos de nicotinamida; NAD

en la dirección de la liberación de nitrógeno y NADPH para la incorporación de nitrógeno. En la reacción directa (como se muestra arriba) la glutamato deshidrogenasa es importante en la conversión de amoníaco libre (como ion de amonio, NH

) y 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato) al glutamato, formando uno de los 20 aminoácidos requeridos para la síntesis de proteínas al mismo tiempo que reduce la carga celular del ion amonio potencialmente tóxico. Sin embargo, debe reconocerse que la reacción inversa es un proceso anapleurótico clave que une el metabolismo de aminoácidos con la actividad del ciclo de TCA. En la reacción inversa, la glutamato deshidrogenasa proporciona una fuente de carbono oxidable utilizada para la producción de energía, así como un transportador de electrones reducido, NADH. Como se esperaba para una enzima de punto de ramificación con un vínculo importante con el metabolismo energético, la glutamato deshidrogenasa está regulada por la carga de energía de la célula. El ATP y el GTP son efectores alostéricos positivos de la formación de glutamato y, a la inversa, el ATP y el GTP ejercen potentes efectos alostéricos negativos sobre la formación de 2-oxoglutarato. El GTP es único en sus efectos inhibidores sobre la GDH, en comparación con el ATP, ya que la inhibición por GTP afecta a todas las subunidades del complejo homohexamérico, independientemente de la subunidad a la que se une GTP. Este efecto de GTP hace de este nucleótido el regulador más potente de la actividad de GDH. NADH es también un inhibidor alostérico de la dirección de liberación de 2-oxoglutarato de la reacción de GDH. Dado que se esperaría que la baja carga de energía aumentara la conversión de glutamato a 2-oxoglutarato, no es sorprendente que ADP sea un efector alostérico positivo de esta dirección de reacción. Por lo tanto, cuando el nivel de ATP es alto, la conversión de glutamato a 2-oxoglutarato y otros intermedios del ciclo de TCA es limitada; cuando la carga de energía celular es baja, el glutamato se convierte en amoníaco y en intermediarios del ciclo de TCA oxidable. El glutamato también es un principal donador de amino a otros aminoácidos en reacciones de transaminación posteriores. Los múltiples roles del glutamato en el balance de nitrógeno lo convierten en una puerta de acceso entre el amoníaco libre y los grupos amino de la mayoría de los aminoácidos.

Los humanos expresan dos genes distintos de glutamato deshidrogenasa identificados como GLUD1 y GLUD2. La enzima codificada por el gen GLUD1 es la principal actividad de la glutamato deshidrogenasa (GDH1) en la mayoría de los tejidos. Esta enzima se localiza en la matriz mitocondrial y funciona como un complejo homohexamérico. El gen GLUD1 se encuentra en el cromosoma 10q23.3 y está compuesto por 17 exones que codifican una proteína de 558 aminoácidos. Se cree que el gen GLUD2 ha surgido como resultado de un evento retrotransposicional al cromosoma X. El gen GLUD2 se encuentra en Xq24-q25 y es un gen sin intrones que codifica una proteína de 558 aminoácidos. La proteína codificada por GLUD2 (GDH2) también forma un complejo homohexámico en la matriz mitocondrial. La expresión del gen GLUD2 es más alta en tejidos neutros y los controles reguladores sobre esta forma de la enzima son distintos de la enzima codificada por GLUD1. El complejo GDH2 no es inhibido por GTP, lo que permite que el astrocito GDH2 continúe funcionando en condiciones de neurotransmisión excitadora intensa, permitiendo que estas células manejen las cargas incrementadas del neurotransmisor glutamato.

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La glutamina sintetasa y las reacciones de glutaminasa

La reacción catalizada por la glutamina sintetasa es:

La reacción glutamina sintetasa también es importante en varios aspectos. Primero produce glutamina, uno de los 20 aminoácidos principales. En segundo lugar, en los animales, la glutamina es el principal aminoácido que se encuentra en el sistema circulatorio. Su función allí es transportar amoníaco desde y hacia diversos tejidos, pero principalmente desde los tejidos periféricos hasta el riñón, donde el nitrógeno amídico es hidrolizado por la enzima glutaminasa (reacción a continuación); este proceso regenera el glutamato y el ion amonio libre, que se excreta en la orina.

Tenga en cuenta que, en esta función, el amoníaco que se origina en los tejidos periféricos se transporta en una forma no ionizable que no tiene ninguna de las propiedades neurotóxicas o generadoras de alcalosis del amoníaco libre.

Los tejidos primarios que expresan glutaminasa son el cerebro y el riñón. En el cerebro, el papel de la glutaminasa está en la síntesis del neurotransmisor glutamato. En los riñones, el papel de la glutaminasa está en equilibrio ácido-base como se explica a continuación. Sin embargo, el hígado también expresa glutamina sintetasa y glutaminasa, pero las enzimas están localizadas en diferentes subconjuntos de hepatocitos. Esto asegura que el hígado no es productor neto ni consumidor de glutamina. Las diferencias en la ubicación celular de estas dos enzimas permiten que el hígado elimine el amoníaco que no se ha incorporado a la urea. Las enzimas del ciclo de la urea se encuentran en las mismas células que las que contienen glutaminasa. El resultado de la distribución diferencial de estas dos enzimas hepáticas permite controlar la incorporación de amoníaco a la urea o a la glutamina, que conduce a la excreción de amoníaco por el riñón.

Cuando ocurre la acidosis, el cuerpo desviará más glutamina del hígado al riñón. Esto permite la conservación del ión de bicarbonato ya que la incorporación de amoníaco en urea requiere bicarbonato (ver a continuación). Cuando la glutamina ingresa al riñón, la glutaminasa libera un mol de amoníaco que genera glutamato y luego la glutamato deshidrogenasa libera otro mol de amoníaco que genera 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato). El amoníaco se ionizará a ion amonio (NH

) que se excreta. El efecto neto es una reducción en la concentración de iones de hidrógeno, [H

], y por lo tanto un aumento en el pH (ver también Riñones y Equilibrio Ácido-Base).

La enzima glutamina sintetasa está codificada por el gen glutamato-amoníaco ligasa (símbolo: GLUL) que se encuentra en el cromosoma 1q31 y está compuesta por 9 exones que generan varios ARNm empalmados alternativamente, cada uno de los cuales codifica la misma proteína de 373 aminoácidos. Hay dos genes distintos de glutaminasa en humanos identificados como GLS y GLS2. El gen GLS se encuentra en el cromosoma 2q32-q34 y está compuesto por 24 exones que se someten a un corte y empalme alternativo para producir varios ARNm que generan dos isoformas de la enzima. Las isoformas codificadas por GLS de la glutaminasa se expresan principalmente en los riñones. La isoforma 1 de GLS es una proteína de 669 aminoácidos y la isoforma 2 de GLS es una proteína de 598 aminoácidos. Se pensó originalmente que la glutaminasa codificada por el gen GLS2 era específica del hígado, pero de hecho se expresa en numerosos tejidos y es importante en el ciclo glutamato-glutamina en el cerebro. La glutaminasa codificada por GLS2 depende del fosfato inorgánico (P

) para la actividad y, por lo tanto, también se denomina glutaminasa activada con fosfato, PAG. El gen GLS2 se encuentra en el cromosoma 12q13.3 y está compuesto por 19 exones que se someten a un corte y empalme alternativo para producir varios ARNm que codifican cuatro isoformas diferentes de la enzima.

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Nitrógeno del tracto digestivo

Mientras que la glutamina, el glutamato y los restantes aminoácidos no esenciales pueden ser producidos por animales, la mayoría de los aminoácidos que se encuentran en los tejidos humanos provienen necesariamente de fuentes dietéticas (alrededor de 400 g de proteínas por día). La digestión con proteínas comienza en el estómago, donde una proenzima llamada pepsinógeno se secreta, se convierte autocatalíticamente en Pepsina A y se usa para el primer paso de la proteólisis. Sin embargo, la mayoría de la proteólisis tiene lugar en el duodeno como consecuencia de las actividades enzimáticas secretadas por el páncreas. Todas las serina proteasas y las peptidasas de zinc de las secreciones pancreáticas se producen en forma de sus respectivas proenzimas. Estas proteasas son tanto endopeptidasa como exopeptidasa, y su acción combinada en el intestino conduce a la producción de aminoácidos, dipéptidos y tripéptidos, que son absorbidos por los enterocitos de la pared de la mucosa.

Una ruta regulatoria tortuosa que conduce a la secreción de proenzimas en el intestino se desencadena por la aparición de alimentos en la luz intestinal. Las células endocrinas mucosales especiales secretan las hormonas peptídicas colecistoquinina (CCK) y secretina en el sistema circulatorio. Juntos, la CCK y la secretina causan la contracción de la vesícula biliar y la secreción exocrina de un líquido alcalino rico en bicarbonato, que contiene proenzimas de proteasa desde el páncreas hacia el intestino. Una segunda función paracrina de CCK es estimular células intestinales adyacentes para secretar enteropeptidasa, una proteasa que escinde tripsinógeno para producir tripsina. La tripsina también activa el tripsinógeno y todas las otras proenzimas en la secreción pancreática, produciendo las proteasas y peptidasas activas que hidrolizan los polipéptidos de la dieta.

Después de la hidrólisis luminal, los péptidos pequeños y los aminoácidos se transfieren a través de los enterocitos a la circulación portal por difusión, difusión facilitada o transporte activo. Una cantidad de Na

se han descrito sistemas de transporte de aminoácidos dependientes con superposición de especificidad de aminoácidos. En estos sistemas de transporte, Na

y los aminoácidos a altas concentraciones luminales son co-transportados por su gradiente de concentración hacia el interior de la célula. El Na dependiente de ATP

/ K

la bomba intercambia el Na acumulado

para K extracelular

, reduciendo el Na intracelular

niveles y mantener el alto Na extracelular

concentración (alta en la luz intestinal, baja en enterocitos) requerida para conducir este proceso de transporte. Los mecanismos de transporte de esta naturaleza son ubicuos en el cuerpo. Los péptidos pequeños se acumulan por un protón (H

) proceso de transporte impulsado e hidrolizado por peptidasas intracelulares. Los aminoácidos en el sistema circulatorio y en los fluidos extracelulares son transportados a las células del cuerpo por al menos siete sistemas de transporte activo que requieren ATP diferentes con superposición de especificidades de aminoácidos.

El trastorno de Hartnup es un trastorno autosómico recesivo del transporte de aminoácidos neutros que afecta los túbulos renales y el intestino delgado. El trastorno es el resultado de defectos en el sistema de transporte específico responsable del transporte de aminoácidos neutros a través de la membrana con borde en cepillo del epitelio renal e intestinal. Las deficiencias en la familia de portadores de soluto 6 (transportador de neurotransmisores), el gen miembro 19 (símbolo SLC6A19) están asociadas con el trastorno de Hartnup. La proteína codificada también se denomina proteína transportadora 1 [B (0) AT1] del sistema B (0) del aminoácido neutro B (0). La característica diagnóstica característica del trastorno de Hartnup es una hiperaminoaciduria dramática neutral. Además, los individuos excretan compuestos indólicos que se originan a partir de la degradación bacteriana del triptófano no absorbido. La reducción de la absorción intestinal y el aumento de la pérdida renal de triptófano conducen a una menor disponibilidad de triptófano para el dinucleótido de nicotinamida adenina (NAD)

y NADP

) biosíntesis. Como consecuencia, las personas afectadas con frecuencia presentan erupciones similares a la pellegra

Muchos otros compuestos nitrogenados se encuentran en el intestino. La mayoría son productos bacterianos de la degradación de proteínas. Algunos tienen potentes efectos farmacológicos (vasopresores).

Productos de actividad bacteriana intestinal

Sustratos

Productos

Vasopresores Aminas

Otro

Lisina

Cadavereno

Arginina

Agmatine

Tirosina

Tyramine

Ornitina

Putrescine

Histidina

Histamina

Triptófano

Indole y skatole

Todos los aminoácidos

NUEVA HAMPSHIRE

Los procariotas, como E. coli, pueden formar los esqueletos de carbono de los 20 aminoácidos y transaminar esos esqueletos de carbono con nitrógeno a partir de glutamina o glutamato para completar las estructuras de aminoácidos. Los seres humanos no pueden sintetizar las cadenas de carbono ramificadas que se encuentran en los aminoácidos de cadena ramificada o los sistemas de anillos que se encuentran en la fenilalanina y los aminoácidos aromáticos; ni podemos incorporar azufre en estructuras unidas covalentemente. Por lo tanto, los 10 llamados aminoácidos esenciales (ver la Tabla a continuación) deben ser suministrados a partir de la dieta. Sin embargo, debe reconocerse que, dependiendo de la composición de la dieta y el estado fisiológico de un individuo, uno u otro de los aminoácidos no esenciales también puede convertirse en un componente dietético requerido. Por ejemplo, la arginina normalmente solo se considera un aminoácido esencial durante el desarrollo de la primera infancia porque el ciclo de la urea tiene las necesidades de los adultos como para satisfacer las necesidades de los adultos.

Para tomar un tipo diferente de ejemplo, la cisteína y la tirosina se consideran no esenciales, pero se forman a partir de los aminoácidos esenciales metionina y fenilalanina, respectivamente. Si hay suficiente cisteína y tirosina en la dieta, los requisitos para la metionina y la fenilalanina son marcadamente reducidos; por el contrario, si la metionina y la fenilalanina están presentes en cantidades limitadas, la cisteína y la tirosina pueden convertirse en componentes dietéticos esenciales. Finalmente, debe reconocerse que si los α-cetoácidos correspondientes a los esqueletos de carbono de los aminoácidos esenciales se suministran en la dieta, las aminotransferasas en el cuerpo convertirán los cetoácidos en sus respectivos aminoácidos, suministrando en gran medida las necesidades básicas.

A diferencia de las grasas y los carbohidratos, el nitrógeno no tiene depósitos de almacenamiento designados en el cuerpo. Dado que la vida media de muchas proteínas es corta (del orden de las horas), cantidades insuficientes en la dieta de incluso un aminoácido pueden limitar rápidamente la síntesis y reducir los niveles corporales de muchas proteínas esenciales. El resultado de la síntesis limitada y las tasas normales de degradación de proteínas es que el equilibrio de la ingesta de nitrógeno y la excreción de nitrógeno se altera rápida y significativamente. Los adultos normales y sanos generalmente tienen un balance de nitrógeno, y la ingesta y la excreción se combinan muy bien. Los niños pequeños en crecimiento, los adultos que se recuperan de una enfermedad grave y las mujeres embarazadas a menudo tienen un balance de nitrógeno positivo. Su ingesta de nitrógeno excede su pérdida a medida que avanza la síntesis neta de proteínas. Cuando se excreta más nitrógeno de lo que se incorpora en el cuerpo, un individuo se encuentra en equilibrio negativo de nitrógeno. Cantidades insuficientes de incluso un aminoácido esencial son adecuadas para convertir a un individuo por lo demás normal en uno con un balance de nitrógeno negativo.

El valor biológico de las proteínas alimentarias se relaciona con la medida en que proporcionan todos los aminoácidos necesarios. Las proteínas de origen animal generalmente tienen un alto valor biológico; las proteínas vegetales tienen una amplia gama de valores desde casi ninguno hasta bastante altos. En general, las proteínas vegetales son deficientes en lisina, metionina y triptófano y son mucho menos concentradas y menos digestibles que las proteínas animales. La ausencia de lisina en las proteínas de cereales de bajo grado, utilizada como un pilar dietético en muchos países subdesarrollados, conduce a la incapacidad de sintetizar proteínas (debido a la falta de aminoácidos esenciales) y finalmente a un síndrome conocido como kwashiorkor , común entre los niños en estos países.

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Aminoácidos esenciales vs. no esenciales

No esencial

Alanina, Asparagina, Aspartato, Cisteína, Glutamato, Glutamina, Glicina, Prolina, Serina, Tirosina

Esencial

Arginina *, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina *, fenilalanina *, treonina, triptófano, valina

* Los aminoácidos arginina , metionina y fenilalanina se consideran esenciales por razones que no están directamente relacionadas con la falta de síntesis. La arginina es sintetizada por células de mamíferos, pero a un ritmo que es insuficiente para satisfacer las necesidades de crecimiento del cuerpo y la mayoría que se sintetiza se escinde para formar urea. La metionina se requiere en grandes cantidades para producir cisteína si este último aminoácido no se suministra adecuadamente en la dieta. De manera similar, se necesita fenilalanina en grandes cantidades para formar tirosina si esta última no se suministra adecuadamente en la dieta.

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Eliminación de Nitrógeno de Aminoácidos

Las reacciones dominantes involucradas en la eliminación de nitrógeno de aminoácidos del cuerpo se conocen como transaminaciones (véase la reacción general anterior). Esta clase de reacciones canaliza el nitrógeno de todos los aminoácidos libres a un pequeño número de compuestos; luego, o bien se desaminan oxidativamente, produciendo amoníaco, o bien sus grupos amina se convierten en urea mediante el ciclo de la urea. Las transaminaciones implican mover un grupo α-amino de un α-aminoácido donante al carbono ceto de un α-cetoácido aceptor. Estas reacciones reversibles son catalizadas por un grupo de enzimas intracelulares conocidas como aminotransferasas (también llamadas transaminasas), la mayoría de las cuales requieren un fosfato de piridoxal unido covalentemente (vitamina B).

) como un cofactor. Sin embargo, algunas aminotransferasas emplean piruvato como cofactor.

Las aminotransferasas (transaminasas) existen para todos los aminoácidos excepto la treonina y la lisina. Los compuestos más comunes implicados como pares donador / aceptor en las reacciones de transaminación son glutamato y 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato), que participan en reacciones con muchas aminotransferasas diferentes. Las aminotransferasas séricas como la aspartato aminotransferasa, la AST (también llamada glutamato-oxaloacetato transaminasa sérica, SGOT) y la alanina transaminasa, ALT (también llamada glutamato-piruvato transaminasa sérica (SGPT) se han usado como marcadores clínicos de daño tisular, con niveles séricos crecientes que indican un mayor grado de daño (ver la página de Enzyme Kinetics para la descripción del uso de niveles de enzimas en el diagnóstico). Como se indicó anteriormente, ALT tiene una función importante en la entrega de carbono y nitrógeno del músculo esquelético (en forma de alanina) al hígado en una serie de reactoínas denominado ciclo de glucoasa-alanina (ver Figura anterior en la sección Introducción). En el músculo esquelético, el piruvato se transamina a alanina, lo que proporciona una ruta adicional de transporte de nitrógeno del músculo al hígado. alanina transaminasa transfiere el amoníaco a 2-oxoglutarato y regenera piruvato. El piruvato puede luego ser desviado a la gluconeogénesis permitiendo que el hígado genere La glucosa endógena puede ser liberada a la sangre donde el músculo esquelético puede usarla para la producción de energía anaeróbica.

ALT es una enzima citosólica codificada por el gen GPT (glutamato-piruvato transaminasa) que se encuentra en el cromosoma 8q24.3 y se compone de 12 exones que codifican una proteína de 496 aminoácidos. Los humanos expresan dos enzimas AST diferentes, que funcionan como enzimas homodiméricas. Una enzima AST es una enzima citosólica y la otra es una enzima mitocondrial. La enzima AST citosólica es sintetizada por el gen GOT1 (transaminasa 1 de glutamato-oxalato) que se encuentra en el cromosoma 10q24.1-q25.1 y está compuesta por 9 exones que codifican una proteína de 413 aminoácidos. La enzima mitocondrial AST se sintetiza a partir del gen GOT2 que se encuentra en el cromosoma 16q21 y está compuesta de 10 exones que generan dos ARNm empalmados alternativamente que codifican dos isoformas diferentes: isoforma 1 (430 aminoácidos) e isoforma 2 (387 aminoácidos).

Debido a la participación de 2-oxoglutarato en numerosas transaminaciones, el glutamato es un intermediario prominente en la eliminación de nitrógeno, así como en las vías anabólicas. El glutamato, formado en el curso de la eliminación de nitrógeno, es desaminado oxidativamente por la glutamato deshidrogenasa del hígado formando amoníaco, o convertido en glutamina por la glutamina sintetasa y transportado a las células del túbulo renal. Allí, la glutamina es desamidada secuencialmente por la glutaminasa y desaminada por la glutamato deshidrogenasa del riñón.

El amoníaco producido en las últimas dos reacciones se excreta como NH

en la orina, donde ayuda a mantener el pH de la orina en el rango normal de pH 4 a pH 8. La producción extensiva de amoniaco por tejido periférico o glutamato deshidrogenasa hepática no es factible debido a los efectos altamente tóxicos del amoníaco circulante. Las concentraciones normales de amonio en suero están en el rango de 20-40 μM, y un aumento en el amoniaco circulante a aproximadamente 400 μM causa alcalosis y neurotoxicidad.

Una reacción final, terapéuticamente útil relacionada con los aminoácidos es la amidación del ácido aspártico para producir asparagina. La enzima, asparagina sintetasa (símbolo del gen: ASNS), cataliza la reacción de transamidación que requiere ATP que se muestra a continuación. El gen ASNS se encuentra en el cromosoma 7q21.3 y está compuesto por 15 exones que generan varios ARNm empalmados alternativamente.

La mayoría de las células realizan esta reacción lo suficientemente bien como para producir toda la asparagina que necesitan. Sin embargo, algunas células de leucemia requieren asparagina exógena, que obtienen del plasma. La quimioterapia que utiliza la enzima asparaginasa aprovecha esta propiedad de las células leucémicas al hidrolizar la asparagina sérica en amoníaco y ácido aspártico, privando así a las células neoplásicas de la asparagina que es esencial para su crecimiento rápido característico.

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El ciclo de la urea

Alrededor del 80% del nitrógeno de desecho excretado se encuentra en forma de urea que se produce exclusivamente en el hígado, en una serie de reacciones que se distribuyen entre la matriz mitocondrial y el citosol. La serie de reacciones que forman urea se conoce como ciclo de urea o ciclo de Krebs-Henseleit.

Diagrama del ciclo de la urea. Las reacciones del ciclo de la urea que ocurren en la mitocondria están contenidas en el rectángulo rojo. Todas las enzimas están en rojo, CPS-I es carbamoil fosfato sintetasa-I, OTC es ornitina transcarbamoilasa. Haga clic en los nombres de las enzimas para ir a una página descriptiva del trastorno del ciclo de la urea causado por la deficiencia en la enzima particular.

Las características esenciales de las reacciones del ciclo de la urea son que el ion amonio libre, generado a partir de las reacciones de glutaminasa y glutamato deshidrogenasa, se condensa con bicabonato y eventualmente se convierte en urea para su excreción. Además de la arginina producida en el ciclo de la urea, la arginina de la dieta o de la descomposición de proteínas puede escindirse mediante la enzima cinasa cinasa, que genera urea y ornitina. La ornitina, que se origina en el citosol, se transporta a la matriz mitocondrial a través de la acción de la translocasa de ornitina codificada por el gen ORNT1. El transportador ORNT1 es un miembro de la familia de transportadores de portadores de soluto y, como tal, también se identifica como SLC25A15. En reacciones subsecuentes del ciclo de la urea, un nuevo residuo de urea se construye en la ornitina a partir de iones de amonio adicionales, regenerando la arginina y perpetuando el ciclo. Concomitante con el transporte de ornitina en la mitocondria es la exportación de citrulina, por SLC25A15, al citosol donde tienen lugar las reacciones restantes del ciclo. También importante en la función del ciclo de la urea es el transportador mitocondrial llamado citrina. Citrin está involucrado en la captación mitocondrial de glutamato y la exportación de aspartato y, como tal, funciona, en parte, en la lanzadera malatoaspartato. Citrin es un Ca

transportador de soluto mitocondrial dependiente que también es miembro de la familia de transportadores de soluto de transportadores identificados como SLC25A13.

En las mitocondrias, la ornitina transcabamoilasa (OTC) cataliza la condensación de ornitina con carbamoil fosfato, produciendo citrulina. El gen OTC es un gen ligado a X (Xp21.1) compuesto por 10 exones que codifican una proteína de 354 aminoácidos. La energía para la reacción OTC es proporcionada por el anhídrido de alta energía de carbamoil fosfato. La síntesis de citrulina requiere una activación previa de carbono y nitrógeno como carbamoil fosfato (CP). El paso de activación requiere dos equivalentes de ATP y la enzima de la matriz mitocondrial carbamoil fosfato sintetasa-I (CPS-I). La reacción catalizada por CPS-I es la reacción de limitación de velocidad del ciclo de la urea. La enzima CPS-I está codificada por el gen CPS1. El gen CPS1 se encuentra en el cromosoma 2q35 y está compuesto por 43 exones que generan tres ARNm empalmados alternativamente. Estos tres ARNm generan tres isoformas de CPS-I: la isoforma a es una proteína de 1506 aminoácidos, la isoforma b es una proteína de 1500 aminoácidos y la isoforma c es una proteína de 1049 aminoácidos. La actividad catalítica de CPS-I está regulada positivamente por N -acetilglutamato, que es producido por N- acetilglutamato sintetasa (NAGS). En ausencia de N -acetilglutamato, existe poca o ninguna actividad de CPS-I, de modo que esta molécula se denomina a menudo activador obligado en oposición a un activador alostérico. Hay dos actividades de carbamoil fosfato sintetasa en células humanas: el CPS-I mitocondrial que forma CP destinado a la inclusión en el ciclo de la urea, y una actividad citosólica carbamoil sintetasa (la actividad CPS-II de un complejo enzimático trifuncional), que es involucrado en la biosíntesis de nucleótidos de pirimidina. La actividad de la CPS-II citosólica no se ve afectada por N- acetilglutamato.

En una reacción de 2 pasos, catalizada por argininosuccinato sintetasa citosólica, la citrulina y el aspartato se condensan para formar argininosuccinato. La reacción implica la adición de AMP (del ATP) al amido carbonilo de la citrulina, formando un intermedio activado en la superficie de la enzima (AMP-citrulina) y la posterior adición de aspartato para formar argininosuccinato. La argininosuccinato sintetasa está codificada por el gen ASS1 ubicado en el cromosoma 9q34.1 que está compuesto por 18 exones que generan dos ARNm empalmados alternativamente que generan la misma proteína de 412 aminoácidos. El genoma humano contiene al menos 14 copias del gen ASS1, todos ellos pseudogenes excepto el del cromosoma 9 que codifica la enzima funcional.

La arginina y el fumarato se producen a partir de argininosuccinato por la enzima citosólica argininosuccinato liasa (también llamada argininosuccinasa). La argininosuccinato liasa es funcional como un complejo homotetramérico. La proteína argininosuccinato liasa está codificada por el gen ASL ubicado en el cromosoma 7q11.21 y está compuesta por 17 exones que generan varios ARNm empalmados alternativamente.

En el paso final del ciclo, la arginasa escinde la urea de la arginina, que regenera la ornitina citosólica, que puede transportarse a la matriz mitocondrial para otra ronda de síntesis de urea. El fumarato, generado a través de la acción de la arginiosuccinato liasa, se reconvierte en aspartato para su uso en la reacción de argininosuccinato sintetasa. Esto ocurre a través de las acciones de las versiones citosólicas de las enzimas del ciclo de TCA, fumarasa (que produce malato) y malato deshidrogenasa (que produce oxalacetato). El oxaloacetato se transamina a aspartato mediante AST. Hay dos genes de arginasa en humanos identificados como los genes ARG1 y ARG2. La isoforma de arginasa codificada por ARG1 es una enzima citosólica que se expresa principalmente en el hígado y funciona como la enzima del ciclo de la urea. El gen ARG1 está ubicado en el cromosoma 6q23 y está compuesto por 8 exones que generan dos ARNm empalmados alternativamente que codifican la isoforma 1 de arginasa-1 (330 aminoácidos) y la isoforma 2 de arginasa-1 (322 aminoácidos). La arginasa codificada por ARG2 (arginasa-2) es una enzima localizada mitocondrialmente expresada en tejidos no hepáticos, principalmente el riñón. Se cree que la isoforma arginasa-2 está implicada en el metabolismo de óxido nítrico y poliamina, sin embargo, el papel preciso de esta enzima no está claramente definido. El gen ARG2 se encuentra en el cromosoma 14q24.1 y está compuesto por 8 exones que generan ARNm variantes de sitios de poliadenilación alternativos.

Comenzando y terminando con ornitina, las reacciones del ciclo consumen tres equivalentes de ATP y un total de cuatro fosfatos de nucleótidos de alta energía. La urea es el único compuesto nuevo generado por el ciclo; todos los demás compuestos intermedios y reactivos se reciclan. La energía consumida en la producción de urea está más que recuperada por la liberación de energía formada durante la síntesis de los intermedios del ciclo de la urea. El amoníaco liberado durante la reacción de glutamato deshidrogenasa está acoplado a la formación de NADH. Además, cuando el fumarato se convierte de nuevo en aspartato, la reacción de malato deshidrogenasa utilizada para convertir el malato en oxalacetato genera una mol de NADH. Estos dos moles de NADH se oxidan posteriormente en las mitocondrias produciendo seis moles de ATP.

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Regulación del ciclo de la urea

El ciclo de la urea funciona solo para eliminar el exceso de nitrógeno. En las dietas altas en proteínas, los esqueletos de carbono de los aminoácidos se oxidan para obtener energía o se almacenan como grasa y glucógeno, pero el nitrógeno amino debe excretarse. Para facilitar este proceso, las enzimas del ciclo de la urea se controlan a nivel genético. Con cambios a largo plazo en la cantidad de proteína de la dieta, se observan cambios de 20 veces o más en la concentración de las enzimas del ciclo. Cuando las proteínas de la dieta aumentan significativamente, aumentan las concentraciones de enzimas. Al regresar a una dieta equilibrada, los niveles de enzimas disminuyen. En condiciones de inanición, los niveles de enzimas aumentan a medida que las proteínas se degradan y los esqueletos de carbono de aminoácidos se utilizan para proporcionar energía, lo que aumenta la cantidad de nitrógeno que debe excretarse.

La regulación a corto plazo del ciclo se produce principalmente en la reacción de CPS-I, que es la reacción de limitación de velocidad del ciclo de la urea. CPS-I es esencialmente inactivo en ausencia del activador N -acetilglutamato, de modo que esta molécula a veces se denomina activador obligado en oposición a un activador alostérico. La concentración en estado estacionario del N -acetilglutamato se establece por las concentraciones celulares de acetil-CoA y glutamato que son utilizadas por la enzima N- acetilglutamato sintasa (NAGS) para formar N- acetilglutamato. El gen NAGS se encuentra en el cromosoma 17q21.31 y está compuesto por 8 exones que codifican una proteína mitocondrial de 534 aminoácidos. La actividad de NAGS se activa alostéricamente por el aminoácido y el intermediario de ciclo de urea, arginina.

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Trastornos del ciclo de la urea (UCD)

Una falta completa de cualquiera de las enzimas del ciclo de la urea dará como resultado la muerte poco después del nacimiento. Sin embargo, se han identificado deficiencias en cada una de las enzimas del ciclo de la urea, incluida la N- acetilglutamato sintasa. Estos trastornos se conocen como trastornos del ciclo de la urea o UCD. Se puede encontrar más información sobre los UCD individuales en las páginas Errores congénitos en el metabolismo. Un hilo común para la mayoría de los UCD es la hiperamoniemia que conduce a la intoxicación por amoníaco con las consecuencias que se describen a continuación. La química de la sangre también mostrará elevaciones en la glutamina. Además de la hiperamonemia, todos los UCD se presentan con encefalopatía y alcalosis respiratoria. La presentación más dramática de los síntomas UCD ocurre en recién nacidos entre 24 y 48 horas después del nacimiento. Los bebés afectados presentan síntomas progresivamente deteriorados debido a los niveles elevados de amonio. Las deficiencias en arginasa no conducen a una hiperamonemia sintomática tan severa o tan común como en los otros UCD. Las deficiencias en carbamoilfosfato sintetasa I (CPS I), ornitina transcarbamoilasa, argininosuccinato sintetasa y argininosuccinato liasa comprenden los UCD neonatales comunes. Al hacer un diagnóstico de UCD neonatal basado en la presentación de los síntomas y la hiperamoniemia observada, es posible realizar un diagnóstico diferencial sobre cuál de las cuatro deficiencias enzimáticas es la causa, como se muestra en la siguiente figura.

Esquema para el diagnóstico diferencial (DDx) de UCD neonatales. La presentación de hiperamonemia entre 24 y 48 horas después del nacimiento (pero no antes de 24 horas después del nacimiento) probablemente indique un UCD. Este diagnóstico puede confirmarse por la ausencia de acidosis o cetosis. La primera prueba de diagnóstico es analizar los niveles plasmáticos de citrulina. Los niveles moderadamente altos son indicativos de deficiencia de argininosuccinato liasa (ALD) y niveles extremadamente altos indicativos de deficiencia de argininosuccinato sintetasa (TEA). Si no se detecta rastro de citrulina, se puede utilizar el análisis de ácido orótico en orina para distinguir entre la deficiencia de CPS I (CPSD) y la deficiencia de OTC (OTCD).

Los síntomas clínicos son más severos cuando el UCD está al nivel de la carbamoil fosfato sintetasa I (CPSI). Los síntomas de UCD generalmente surgen en el momento del nacimiento y abarcan, ataxia, convulsiones, letargo, alimentación deficiente y, finalmente, coma y muerte si no se reconoce y se trata adecuadamente. De hecho, la tasa de mortalidad es del 100% para los UCD que no se diagnostican. Varios UCD se manifiestan con inicio tardío, como en la edad adulta. En estos casos, los síntomas son hiperactividad, hepatomegalia y una evitación de alimentos ricos en proteínas.

En general, el tratamiento de UCD tiene como elementos comunes la reducción de proteínas en la dieta, la eliminación del exceso de amoníaco y la sustitución de productos intermedios que faltan en el ciclo de la urea. La administración de lactulosa (un disacárido no absorbible) da como resultado una producción reducida de amoníaco en el intestino y, por lo tanto, se libera menos iones de amonio a la circulación portal desde los intestinos. Las bacterias metabolizan lactulosa en subproductos ácidos que luego promueven la excreción de amoníaco en las heces como ion de amonio, NH

e interfiere con la producción de amoníaco a través del catabolismo reducido de otros compuestos nitrogenados. Los antibióticos se pueden administrar para matar bacterias productoras de amoniaco intestinal. El benzoato de sodio y el fenilacetato de sodio se pueden administrar para unir covalentemente glicina (formando hipurato) y glutamina (formando fenilacetilglutamina), respectivamente. Estos últimos compuestos, que contienen el nitrógeno amoniacal, se excretan en las heces. Ammunol® es una solución intravenosa aprobada por la FDA de 10% de benzoato de sodio y 10% de fenilacetato de sodio utilizado en el tratamiento de la hiperamonemia aguda en pacientes con UCD. Sin embargo, la hemodiálisis es el único medio eficaz para reducir rápidamente el nivel de amoníaco circulante en pacientes UCD. Buphenyl® es un medicamento oral aprobado por la FDA para la terapia adyuvante crónica de la hiperamonemia en pacientes con UCD. La suplementación dietética con arginina o citrulina puede aumentar la tasa de producción de urea en ciertos UCD.

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Tabla de UCD

UCD

Deficiencia de enzimas

Síntomas / Comentarios

Hiperamonemia tipo I, CPSD

Carbamoilfosfato sintetasa I

con 24h-72h después del nacimiento, el bebé se vuelve letárgico, necesita estimulación para alimentarse, vómitos, aumento del letargo, hipotermia e hiperventilación; sin la medición de los niveles séricos de amoníaco y la intervención adecuada, el bebé morirá: tratamiento con arginina que activa la N -acetilglutamato sintetasa

Deficiencia de N -acetilglutamato sintetasa

N- acetilglutamato sintetasa

hiperamonemia grave, hiperamonemia leve asociada con coma profundo, acidosis, diarrea recurrente, ataxia, hipoglucemia, hiperornitinemia: el tratamiento incluye la administración de glutamato de carbamoilo para activar CPS I

Hiperamonemia tipo 2, OTCD

Ornitina transcarbamoilasa

UCD más común, solo UCD ligado a X, amoníaco y aminoácidos elevados en suero, aumento de ácido orótico sérico debido a que el carbamoilfosfato mitocondrial ingresa al citosol y se incorpora a nucleótidos de pirimidina que conduce a un exceso de producción y consecuentemente exceso de productos catabólicos: tratar con alto contenido de carbohidratos , dieta baja en proteínas, desintoxicación de amoniaco con fenilacetato de sodio o benzoato de sodio

Citrulinemia clásica, ASD

Argininosuccinato sintetasa

hiperamonemia episódica, vómitos, letargo, ataxia, siezes, coma eventual: tratar con administración de arginina para mejorar la excreción de citrulina, también con benzoato de sodio para la desintoxicación del amoníaco

Aciduria argininosuccínica, ALD

Argininosuccinato liasa (argininosuccinase)

síntomas episódicos similares a la citrulinemia clásica, elevación de plasma y líquido cefalorraquídeo cerebral: tratar con arginina y benzoato de sodio

Hiperargininemia, AD

Arginasa

UCD raro, cuadriplejia espástica progresiva y retraso mental, amoníaco y arginina con alto contenido en líquido cefalorraquídeo y suero, arginina, lisina y ornitina con alto contenido de orina: el tratamiento incluye una dieta de aminoácidos esenciales con exclusión de la arginina, dieta baja en proteínas

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Glutamato y glutamina: homeostasis del nitrógeno en el cerebro

El amoníaco es una neurotoxina grave y, como tal, los trastornos que conducen a niveles elevados de amoníaco circulante, como los UCD, así como una disfunción hepática grave, pueden tener graves consecuencias para el sistema nervioso central (SNC) e incluso la muerte. La hiperamonemia ejerce sus efectos negativos primarios sobre el SNC a través de acciones que interrumpen el metabolismo y la función de las células gliales protectoras llamadas astrocitos. El amoníaco que ingresa al cerebro desde la circulación se incorpora inicialmente al glutamato que forma glutamina a través de la acción de la glutamina sintetasa. Este proceso puede afectar los niveles de glutamato en las neuronas sinápticas.

Dentro del CNS, el glutamato es el principal neurotransmisor excitador. Las neuronas que responden al glutamato se conocen como neuronas glutamatérgicas. Las neuronas glutamatérgicas postsinápticas poseen tres tipos distintos de receptores que se unen al glutamato liberado por las neuronas presinápticas. Estos receptores han sido identificados sobre la base de sus afinidades de unión para ciertos sustratos y son, por lo tanto, conocidos como el kainato , ácido 2-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxalona propiónico ( AMPA ) y N-metilo -D-aspartato ( NMDA ) receptores. las neuronas glutamatérgicas son responsables de la mediación de muchos procesos vitales, como la codificación de información, la formación y recuperación de recuerdos, el reconocimiento espacial y el mantenimiento de la conciencia. La excitación excesiva de los receptores de glutamato se ha asociado con la fisiopatología de la lesión hipóxica, la hipoglucemia, el accidente cerebrovascular y la epilepsia.

Dentro del SNC existe una interacción entre el flujo sanguíneo cerebral, las neuronas y los astrocitos protectores que regulan el metabolismo del glutamato, la glutamina y el amoníaco. Este proceso se conoce como el ciclo glutamato-glutamina y es un proceso metabólico crítico central para el metabolismo global del glutamato cerebral. Usando neuronas presinápticas como punto de partida, el ciclo comienza con la liberación de glutamato de las vesículas secretoras presinápticas en respuesta a la propagación de un impulso nervioso a lo largo del axón. El lanzamiento de glutamato es un Ca

proceso dependiente que implica la fusión de glutamato que contiene vesículas presinápticas con la membrana neuronal. Después de la liberación del glutamato en la sinapsis, debe eliminarse rápidamente para evitar la excitación excesiva de las neuronas postsinápticas. El glutamato sináptico se elimina mediante tres procesos distintos. Puede tomarse en la célula postsináptica, puede reabsorberse en la célula presináptica a partir de la cual se liberó o puede ser captada por una tercera célula no neuronal, a saber, los astrocitos. Las neuronas postsinápticas eliminan poco glutamato de la sinapsis y, aunque existe una recaptación activa en las neuronas presinápticas, este último proceso es menos importante que el transporte a los astrocitos. El potencial de membrana de los astrocitos es mucho más bajo que el de las membranas neuronales y esto favorece la absorción de glutamato por los astrocitos. La absorción de glutamato por los astrocitos está mediada por Na

-independiente y Na

sistemas dependientes Entonces un

Los sistemas dependientes tienen alta afinidad por el glutamato y son el mecanismo predominante de captación de glutamato en el sistema nervioso central. Hay dos Na astrocíticos distintos

transportadores de glutamato dependientes identificados como EAAT1 (para E xcitatory A mino A cid T ransporter 1, también llamado GLAST) y EAAT2 (también llamado GLT-1)

Ciclo de glutamato glutamina cerebral. Ion de amonio (NH

) en la sangre es absorbida por los astrocitos y se incorpora en el glutamato a través de la glutamina sintetasa. La glutamina luego se transporta a neuronas presinápticas a través de SLC38A7 (también llamado transportador de aminoácidos neutros acoplado al sodio 7, SNAT7). Dentro de la neurona presináptica, el glutamato se forma a partir de la glutamina mediante la acción de la glutaminasa. El glutamato se empaqueta en vesículas secretoras para su liberación después de la activación de un potencial de acción. El glutamato en la hendidura sináptica puede ser absorbido por los astrocitos a través de los transportadores EAAT1 y EAAT2 (transportadores de aminoácidos excitadores 1 y 2, también conocidos como transportadores de glutamato glial de alta afinidad). Dentro del astrocito, el glutamato se convierte nuevamente en glutamina. Parte de la glutamina de astrocitos se puede transportar a la sangre mediante la acción del transportador SLC38A3 (también llamado transportador de aminoácidos neutros acoplado a sodio 3, SNAT3).

Después de la absorción de glutamato, los astrocitos tienen la capacidad de eliminar el aminoácido a través de la exportación a la sangre a través de los capilares que colindan con los procesos de los pies de los astrocitos. El problema con la eliminación de glutamato a través de este mecanismo es que eventualmente resultaría en una pérdida neta de carbono y nitrógeno del SNC. De hecho, el resultado de la absorción de glutamato astrocítico es su conversión a glutamina. La glutamina por lo tanto sirve como un “reservorio” para el glutamato, pero en forma de un compuesto no neuroactivo. La liberación de glutamina de los astrocitos permite que las neuronas obtengan glutamato de este compuesto original. Los astrocitos convierten fácilmente el glutamato en glutamina a través de la reacción catalizada por la glutamina sintetasa, ya que esta enzima microsomal es abundante en estas células. De hecho, los datos histoquímicos demuestran que las neuronas son esencialmente las únicas células del SNC que llevan a cabo la reacción glutamina sintetasa. El amoníaco que se usa para generar glutamina se deriva de la sangre o de procesos metabólicos que ocurren en el cerebro. Como se señala a continuación, durante los períodos de hiperamonemia, los niveles de glutamina astrocítica pueden aumentar tan abruptamente que la glía puede hincharse y causar daño celular y la muerte.

Al igual que la absorción de glutamato por los astrocitos, la captación neuronal de glutamina procede a través de ambos Na

dependiente y Na

mecanismos independientes El principal transportador de glutamina en ambas neuronas excitadoras e inhibidoras es el transportador de aminoácidos neutros del sistema N SLC38A7 (también llamado SNAT7). El destino metabólico predominante de la glutamina absorbida por las neuronas es la hidrólisis a glutamato y amoníaco a través de la acción de la forma mitocondrial de la glutaminasa codificada por el gen GLS2. Como se indicó anteriormente, esta enzima se denomina glutaminasa dependiente de fosfato (PAG). El fosfato inorgánico (P

) necesario para esta reacción se deriva principalmente de la hidrólisis de ATP y su función es bajar el K

METRO

de la enzima para la glutamina. Durante la despolarización hay un aumento repentino en el consumo de energía. La hidrólisis de ATP a ADP y P

por lo tanto, favorece la hidrólisis concomitante de glutamina a glutamato a través del aumento resultante P

. Debido a que es necesario reponer el ATP perdido durante la despolarización neuronal, las reacciones metabólicas que generan ATP deben aumentar. Se ha encontrado que no todo el glutamato neuronal que se deriva de la glutamina se utiliza para reponer el conjunto de neurotransmisores. Una porción del glutamato se puede oxidar dentro de las células nerviosas después de la transaminación. La principal reacción de transaminación implica aspartato aminotransferasa (AST) y produce 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato) que es un sustrato en el ciclo de TCA. La glutamina, por lo tanto, no es simplemente un precursor del glutamato neuronal sino un posible combustible, que, como la glucosa, es compatible con los requisitos de energía neuronal.

El glutamato, liberado como un neurotransmisor, es absorbido por los astrocitos, convertido en glutamina, liberado de regreso a las neuronas, donde luego se convierte de nuevo en glutamato representa el ciclo completo de glutamato-glutamina. La importancia de este ciclo para el manejo del glutamato cerebral es que promueve varios procesos críticos de la función del SNC. El glutamato se elimina rápidamente de la sinapsis mediante la absorción astrocítica, evitando así la sobreexcitación de la neurona postsináptica. Dentro del astrocito, el glutamato se convierte en glutamina que, en efecto, es un compuesto no neuroactivo que puede transportarse de vuelta a las neuronas. La absorción de glutamina por las neuronas proporciona un mecanismo para la regeneración de glutamato que se ve aumentado por la generación de P

como resultado del consumo de ATP durante la despolarización. Dado que las neuronas también necesitan regenerar el ATP perdido, el glutamato puede servir como esqueleto de carbono para la oxidación en el ciclo de TCA. Por último, pero significativamente, la incorporación de amoníaco en glutamato en el astrocito sirve como un mecanismo para amortiguar el amoníaco cerebral.

El ciclo glutamato-glutamina no representa el único destino del glutamato en el SNC. El cerebro oxida activamente el glutamato. De hecho, los datos demuestran que la tasa de oxidación de glutamato puede ser tan alta que el aminoácido podría sustituir teóricamente a la glucosa como fuente de energía. El principal mecanismo de oxidación del glutamato parece ser la reacción AST como se indicó anteriormente. Dentro del SNC, tanto las neuronas como los astrocitos también pueden oxidar el glutamato a través de la reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa. Aunque esta última reacción podría representar una ruta principal para la oxidación de los átomos de carbono del glutamato a través del ciclo de TCA, los estudios han demostrado que cuantitativamente la reacción más significativa para la oxidación del glutamato es la catalizada por AST.

Durante los períodos de metabolismo basal, la glucosa sirve como principal combustible metabólico del cerebro. Durante la inanición, se produce cetoacidosis debido al aumento de la oxidación de ácidos grasos en el hígado. El cerebro extrae los cuerpos cetónicos, β-hidroxibutirato y acetoacetato, de la sangre para utilizarlos como combustibles principales durante períodos en los que la glucosa es escasa. Aunque, como se indicó, el cerebro oxida el glutamato, hay poco paso de glutamato o glutamina a través de la barrera hematoencefálica. Por lo tanto, ninguno de los aminoácidos puede servir como un sustrato metabólico convencional. Sin embargo, ambos compuestos son importantes para la producción global de energía cerebral. Durante los períodos de hipoglucemia, el consumo de glutamato y glutamina aumenta. De manera similar, durante períodos de acidosis, cuando el flujo glucolítico está restringido, los astrocitos aumentan el consumo tanto de glutamato como de glutamina. Aunque el ciclo glutamato-glutamina implica una liberación neta de glutamina por los astrocitos, estas células también pueden oxidar la glutamina. Tal como se describió anteriormente para las neuronas, los astrocitos pueden convertir la glutamina nuevamente en glutamato a través de la reacción catalizada por PAG (glutaminasa). La oxidación del glutamato por los astrocitos aumenta a medida que aumentan los niveles de este aminoácido.

La evidencia experimental indica que si se inhiben las reacciones de transaminación de las células nerviosas hay una inhibición concomitante en la oxidación del glutamato junto con aumentos significativos en los niveles intracelulares de este aminoácido. Por lo tanto, dado que el cerebro puede oxidar el glutamato (y de manera similar la glutamina), existe la necesidad de que una fuente de nitrógeno compense el glutamato y la glutamina consumidos durante el proceso de oxidación. La glutamina también puede ser transportada fuera del SNC, un mecanismo que puede reflejar el mantenimiento del equilibrio metabólico general. La principal fuente de átomos de carbono para la síntesis de glutamato y glutamina es la glucosa. La glucosa es el sustrato ideal para este proceso, ya que pasa fácilmente de la sangre al cerebro a través del transporte mediado por GLUT3 y dentro del cerebro se oxida a través del ciclo de TCA a 2-oxoglutarato, que se transamina a través de AST para producir glutamato. La fuente principal de los grupos amino en el glutamato probablemente sea otro aminoácido (o aminoácidos) ya que poco o nada de glutamato cruza la barrera hematoencefálica. La razón obvia para bloquear el transporte de glutamato al cerebro es que cantidades relativamente grandes de glutamato en el espacio extracelular del cerebro causarían una despolarización inapropiada de las neuronas susceptibles. Por lo tanto, una fuente alternativa de grupos amino para soportar la síntesis de ácido glutámico debe estar disponible para el sistema.

Los aminoácidos de cadena ramificada (BCCA: leucina, isoleucina y valina) son candidatos ideales como los donantes de aminoácidos para la síntesis de glutamato cerebral. Los tres aminoácidos se transportan fácilmente a través de la barrera hematoencefálica con cruce de leucina más eficientemente que cualquier otro aminoácido. Dentro de muchos tejidos periféricos, se sabe que los BCAA son las principales fuentes de los grupos amino en el glutamato. El cerebro tiene una abundante actividad de BCAA aminotransferasa y los astrocitos son un tipo de célula importante implicado en el metabolismo de los BCAA y los correspondientes cetoácidos. La evidencia experimental ha demostrado que hasta el 25-30% del nitrógeno presente en el glutamato y la glutamina del cerebro, de hecho, se deriva de la leucina sola. La reacción de aminotransferasa de cadena ramificada es libremente reversible y el aminoácido original se regenera fácilmente a partir del cetoácido correspondiente. La interrelación entre la leucina cerebral y el glutamato sugiere que es probable que exista un ciclo de leucina-glutamato que funcione en concierto con el ciclo glutamato-glutamina. La interacción de estos ciclos refleja el hecho de que la leucina que ingresa al cerebro desde la periferia se transamina para producir un cetoácido y glutamato. El glutamato se puede convertir en glutamina, que se libera a las neuronas y allí se reconvierte en glutamato. Además, el cetoácido formado a partir de leucina, en el curso de la reacción BCAA aminotransferasa, también se libera de los astrocitos y es absorbido por las neuronas. Dentro de las neuronas, el cetoácido se puede transaminar con glutamato para regenerar leucina. La leucina luego puede ser transportada nuevamente a los astrocitos, lo que completa el supuesto ciclo de leucina-glutamato. Los beneficios metabólicos de este ciclo propuesto están relacionados con el hecho de que presenta un mecanismo eficiente para la absorción de nitrógeno amino de la periferia y la posterior síntesis de glutamato y glutamina. Además, dado que la reacción de BCAA aminotransferasa es libremente reversible, la reaminación de un cetoácido de cadena ramificada a un aminoácido original da como resultado el consumo neto de glutamato que sirve como un tipo de tampón de glutamato.

Una consideración final en el contexto de la homeostasis de nitrógeno del SNC es el medio por el cual el cerebro elimina el nitrógeno de desecho ya que el cerebro no puede sintetizar urea. El cerebro genera amoníaco y su nivel de generación aumenta bruscamente durante la despolarización neuronal. La fuente del amoníaco durante este proceso es la hidrólisis enzimática de la glutamina (derivada de los astrocitos) dentro de las neuronas a través de la reacción catalizada por PAG. Una fracción más pequeña de la generación de amoníaco cerebral es el resultado de la desaminación oxidativa del glutamato a través de la reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa. Por lo tanto, la síntesis de glutamina por los astrocitos y su transporte a la sangre proporciona un mecanismo importante para la eliminación del exceso de nitrógeno del cerebro.

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Metabolismo de aminoácidos de cadena ramificada: homeostasis neuronal de nitrógeno

El metabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada (BCAA), isoleucina, leucina y valina, es importante no solo por la capacidad de generar ATP a través de la oxidación de sus esqueletos de carbono. El metabolismo de los BCAA es un regulador importante del consumo total de energía en el músculo esquelético, funciones para modular comportamientos de alimentación a través de la homeostasis energética alterada en el hipotálamo, sirve para regular la homeostasis neurotransmisora excitadora y también regula la homeostasis total del nitrógeno en el cerebro. La enzima clave en el metabolismo de BCAA que es el principal contribuyente a todas las funciones mencionadas es BCAA aminotransferasa (BCAT). Los humanos expresan dos genes que codifican la actividad de BCAT. Estos dos genes se identifican como BCAT1 y BCAT2. La proteína primaria codificada por el gen BCAT1 es una versión citosólica de la enzima y la proteína se identifica como BCATc. La proteína primaria codificada por el gen BCAT2 es una versión mitocondrial de la enzima y esta proteína se denomina BCATm. El gen BCAT1 representa el gen primario que expresa BCAT en el cerebro. La expresión de BCAT2 se distribuye ampliamente entre numerosos tejidos. Aunque detectable en el hígado fetal, el hígado adulto no expresa el gen BCAT. Dentro del cerebro, diferentes tipos de células expresan predominantemente el gen BCAT1 o el gen BCAT2. Esta localización diferencial de las dos formas de BCAT permite la modulación de la homeostasis del nitrógeno y neurotransmisores. Las células astrogliales expresan la enzima mitocondrial (BCATm) codificada por el gen BCAT2, mientras que las neuronas expresan la enzima citosólica (BCATc) codificada por el gen BCAT1.

Cuando los aminoácidos de cadena ramificada ingresan a la vasculatura del cerebro, son absorbidos por las células astrogliales (astrocitos) que están en contacto directo con la sangre a través de los capilares cerebrales. Al ingresar al astrocito los BCAA son desaminados por BCATm. El aceptor de amino en estas reacciones es 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato) y los subproductos son glutamato y los correspondientes α-cetoácidos de cadena ramificada (BCKA). La oxidación de los BCKA es muy ineficiente en las células astrogliales, por lo que se transportan fuera de la célula donde son absorbidas por las neuronas. Dentro de la neurona, los BCKA se pueden transaminar de nuevo a los BCAA correspondientes con la producción concomitante de 2-oxoglutarato del donante amino, el glutamato. La reacción de transaminación neuronal es catalizada por BCATc. Los BCAA resultantes se transportan fuera de la neurona y se devuelven al astrocito. Dependiendo de la carga de energía en la neurona, el nivel de glutamato, y en el nivel general de ion amonio neuronal (NH

), el 2-oxoglutarato resultante se puede aminado por reducción mediante glutamato deshidrogenasa para producir glutamato, o puede entrar en el ciclo de TCA para que la oxidación contribuya a la producción de ATP. Esta serie de BCATm de astrocitos y reacciones BCATc neuronales proporciona un mecanismo para la transferencia de nitrógeno eficiente entre astrocitos y neuronas y la síntesis de glutamato a partir de 2-oxoglutarato de astrocitos. Esta vía se puede alterar farmacológicamente mediante el uso del fármaco gabapentina (comercializado principalmente con el nombre Neurontin) que inhibe la BCATc neuronal dando como resultado una producción reducida del neurotransmisor excitador, el glutamato.

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Neurotoxicidad asociada con amoníaco

Anteriormente se observó que el amoníaco era neurotóxico. Se observa daño cerebral marcado en casos de falla en la producción de urea a través del ciclo de la urea o para eliminar la urea a través de los riñones. El resultado de cualquiera de estos eventos es una acumulación de niveles circulantes de ion amonio. Además de su efecto sobre el pH de la sangre, el amoníaco atraviesa fácilmente la barrera sanguínea del cerebro y en el cerebro se convierte en glutamato a través de la glutamato deshidrogenasa, lo que agota el cerebro del 2-oxoglutarato (α-cetoglutarato). A medida que se agota el 2-oxoglutarato, el oxaloacetato cae correspondientemente, y finalmente la actividad del ciclo de TCA se detiene. En ausencia de la fosforilación oxidativa aeróbica y la actividad del ciclo de TCA, se produce un daño celular irreparable y la muerte de las células neurales.

Además, el aumento de glutamato conduce a la formación de glutamina. Esto agota las reservas de glutamato que se necesitan en el tejido neuronal ya que el glutamato es a la vez un neurotransmisor y un precursor para la síntesis de γ-aminobutirato: GABA, otro neurotransmisor. Por lo tanto, las reducciones en el glutamato cerebral afectan la producción de energía y la neurotransmisión. Para obtener información detallada sobre el papel del ciclo glutamato-glutamina en el cerebro y su papel en la regulación de los niveles de amoníaco en las células neuronales, visite la página sobre Metabolismo del nitrógeno.

Las consecuencias adicionales adversas de la hiperamonemia se han atribuido a un aumento en la concentración neuronal de glutamina. El volumen de células de astrocitos está controlado por el metabolismo del osmolito orgánico intracelular. Un osmolito orgánico importante en estas células es la glutamina. A medida que aumentan los niveles de glutamina en el cerebro concomitante con el aumento de la absorción de amoníaco, se hipotetizó que el volumen de líquido dentro de las células gliales aumentaría dando como resultado el edema cerebral visto en los bebés con hiperamonemia causada por defectos del ciclo de la urea. Sin embargo, hay algunos problemas con este modelo en particular. Primero, la glutamina no representa más del 1.5% de la suma de todos los osmolitos dentro del cerebro. En segundo lugar, una proporción significativa de la glutamina recién sintetizada puede salir rápidamente de los astrocitos debido tanto a la difusión como a través de la acción de transportadores de glutamina específicos. El transportador de glutamina de astrocito primario es el transportador 3 de aminoácido neutro acoplado a sodio (sistema N / A) (SNAT3: un miembro de la familia de transportadores de portadores de soluto también identificado como SLC38A3). El resultado de la difusión y el transporte es una reducción en la sobrecarga de glutamina en los astrocitos. Además, se ha demostrado que un aumento de la glutamina cerebral durante otras causas de hiperamonemia, como la encefalopatía hepática, se acompaña de pérdida de diferentes osmolitos de bajo MW, incluidos myo -inositol, taurina y betaína.

Un concepto actual del papel de la concentración de glutamina cerebral en la neurotoxicidad asociada con la hiperamonemia se relaciona con sus efectos adversos sobre la función mitocondrial. En animales de laboratorio se ha demostrado que la inhibición de la síntesis de glutamina por metionina sulfoximina (MSO) da como resultado la supresión de la formación de especies reactivas de oxígeno (ROS) inducidas por amoníaco. Además, cuando se agrega glutamina directamente a los cultivos de células de astrocitos hay una inducción resultante de la transición de la permeabilidad mitocondrial (mPT) y la hinchazón de las mitocondrias. Este efecto de la glutamina se puede bloquear mediante la adición de ciclosporina A (CsA), que es un inhibidor conocido de la mPT, así como mediante la inhibición de la absorción de glutamina mitocondrial por la histidina. Es de destacar el hecho de que la administración de histidina puede prevenir el edema cerebral durante la insuficiencia hepática inducida por fármacos en roedores. Además, los estudios han demostrado que cuando se administra glutamina en ausencia de exceso de amoníaco, los astrocitos aumentan la producción de ROS en función de la dosis. Este último efecto puede bloquearse mediante la administración de CsA. Por el contrario, el amoníaco en sí mismo no induce mPT o inflamación mitocondrial lo que indica que su entrada directa en la mitocondria puede no ser lo suficientemente eficiente como para ejercer un efecto perjudicial sobre la función mitocondrial. Sin embargo, la elevación en el amoníaco intracelular conduce a una mayor absorción mitocondrial de glutamina. Dentro de las mitocondrias, la glutamina se degrada a glutamato y amoníaco mediante una glutaminasa codificada por el gen GLS2. Se pensó originalmente que la glutaminasa codificada por el gen GLS2 era específica del hígado, pero de hecho se expresa en numerosos tejidos y es importante en el ciclo glutamato-glutamina en el cerebro. La glutaminasa codificada por GLS2 depende del fosfato inorgánico (P

) para la actividad y, como se señaló anteriormente, también se denomina glutaminasa activada con fosfato, PAG. La acción de la glutaminasa mitocondrial en los astrocitos conduce a mayores aumentos en los niveles de amoníaco intramitocondrial. Que la acción de PAG es significativa para la hinchazón de astrocitos inducida por glutamina se demuestra por el hecho de que la inhibición de PAG previene la hinchazón de las mitocondrias en condiciones de hiperamonemia. Estos resultados sugieren un modelo mediante el cual, en condiciones de hiperamonemia, la acumulación de amoníaco en las células cerebrales (en particular astrocitos) potencia la toxicidad de la glutamina al facilitar su absorción en las mitocondrias. El aumento de la captación mitocondrial de glutamina conduce a una mayor producción de amoníaco mitocondrial desencadenando deterioro mitocondrial, y una cadena resultante de eventos nocivos que conducen a la disfunción astrocítica, la hinchazón y el edema cerebral.

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Última modificación: 8 de agosto de 2017