Caminos que pueden seguir los esqueletos de carbono producidos a partir de los aminoácidos

Observando las reacciones de transaminación que se aprecian en las Figuras 14.1, 14.3 y 14.7, se puede ver que los aminoácidos, al perder su grupo amino  se transforman en un cetoácido, que corresponde a los átomos que formaban la estructura del aminoácido. Cada uno de los 20 aminoácidos produce un cetoácido diferente, el cual tiene una vía catabólica que lo convierte en algún intermediario de la glucólisis, el ciclo de Krebs o la β - oxidación, con lo que puede ingresar a las vías catabólicas  centrales para ser convertido en CO2 y H2O, o bien en carbohidratos o lípido.



El propósito de esta sección es analizar estas reacciones, para algunos de los 20 aminoácidos. Para facilitar la comprensión de estos conceptos analizaremos los caminos que pueden seguir los átomos de carbono producidos por uno de los aminoácidos más sencillos: la alanina, que está constituida por tan sólo tres átomos de carbono.


CONVERSIÓN DE LA ALANINA EN CO2 , AGUA Y AMONIO


Todas las rutas que siguen los carbonos que constituyen a la alanina, cuando ésta se transforma en otro compuesto, se inician con una reacción de transaminación, en la cual el aminoácido reacciona con α - cetoglutarato, para producir piruvato y glutamato. Figura 14.18.


El glutamato formado en la reacción 14.18 sufre desaminación oxidativa (Figura 14.19), para regenerar α - cetoglutarato y amonio libre, el cual es eliminado.



El esqueleto de carbonos, producido a partir de la transaminación de la alanina, es un cetoácido cuya estructura y función ya se han analizado en otros capítulos: el piruvato, que es un cetoácido que se forma cuando la glucosa es degradada mediante la vía de la glucólisis. (Capítulo 8).


La enzima descarboxilasa del piruvato transforma al piruvato en CO2 y acetil - S -CoA, que entra al ciclo de Krebs, en donde se convierte en CO2. Durante la descarboxilación del piruvato y en el ciclo de Krebs, se produce poder reductor en forma de NADH y FADH2 que donan los electrones a la cadena respiratoria produciéndose agua y ATP. (Capítulo 8).


Un resumen de las reacciones para degradar alanina hasta CO2 y agua se encuentra en la Figura 14.20.


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Figura 14.20 Resumen de las reacciones que convierten a la alanina en CO2 y amonio. (Figura elaborada por el autor).


Se observa en la ecuación global de la Figura 14.20, que después de la degradación de la alanina hasta CO2 y NH4+, también se ha producido poder reductor en forma de cinco moléculas de NADH y una de FADH2, quienes donan sus electrones a la cadena respiratoria produciéndose ATP y agua. Las ecuaciones de la cadena respiratoria se muestran en la Figura 14.21.


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Figura 14.21 Entrada de los electrones liberados durante la degradación de la alanina a la cadena respiratoria. (Figura elaborada por el autor).


Sumando la ecuación total de la Figura 14.20 con las dos ecuaciones de la Figura 14.21, se obtiene la ecuación global para la degradación de la alanina hasta CO2, H2O y NH4+. (Figura 14.22).


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Figura 14.22 Ecuación global para la degradación de la alanina hasta CO2, H2O y NH4+(Figura elaborada por el autor).

En la ecuación de la Figura 14.22 se observa otra cosa interesante: cuando los aminoácidos se degradan totalmente, producen energía en forma de ATP. Aunque no es la función principal de estos compuestos pueden ser usados para tales propósitos cuando no se encuentran disponibles otros combustibles.


CONVERSIÓN DE LA ALANINA EN GLUCOSA Y AMONIO


Hay algunos aminoácidos que se pueden convertir en glucosa, son glucogénicos. La alanina es uno de ellos. La conversión de esta estructura en carbohidrato implica su transaminación, para convertirla en piruvato y luego la transformación de este compuesto en glucosa mediante las reacciones ya analizadas en el Capítulo 11.


Las reacciones para esa transformación se encuentran en la Figura 14.23. La alanina tiene tres átomos de carbono y la glucosa seis, por lo tanto se requieren dos moléculas de aminoácido para fabricar una molécula de hexosa.


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Figura 14.23 Reacciones para la conversión de la alanina en glucosa y amonio. (Figura elaborada por el autor).


En la Figura 14.24 se puede apreciar la suma de las reacciones que se muestran en la Figura 14.23. La ecuación global se puede descomponer en una parte exergónica: la hidrólisis del ATP y una parte endergónica: la conversión de las dos moléculas de alanina en glucosa.


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Figura 14.24 Suma total de las reacciones para la conversión de la alanina en glucosa y amonio. (Figura elaborada por el autor).


CONVERSIÓN DE LA ALANINA EN LÍPIDOS


Todos los lípidos se producen a partir de acetil - S - CoA (Capítulo 13), por lo tanto, convirtiendo los átomos de carbono de la alanina en este compuesto se pueden derivar hacia cualquiera de los lípidos que existen en las células.


La entrada de la alanina a las rutas metabólicas que conducen hacia las grasas se inicia con su transaminación, lo que produce piruvato, que al descarboxilarse se convierte en acetil - S - CoA, la cual puede ser convertida en ácidos grasos, para luego transformarse en algún lípido simple o complejo. (Figura 14.25).


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Figura 14.25 Ruta que sigue la alanina para convertirse en lípido. (Figura elaborada por el autor).


Habiendo analizado tres rutas que puede seguir la alanina para convertirse, ya sea en CO2, glucosa o lípido, a continuación se pueden mencionar algunas generalidades, que son aplicables no solamente a este aminoácido, sino a la conversión de cualquier aminoácido en otro compuesto. (Figura 14.26).


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Figura 14.26 Diversas rutas que puede seguir un aminoácido para convertirse en diferentes compuestos. (Figura elaborada por el autor).

1. La transformación de un aminoácido en otro compuesto se inicia con una transaminación, que transfiere el nitrógeno, quedando el aminoácido convertido en un cetoácido.


2. En seguida, un conjunto de enzimas transforman al cetoácido en algún compuesto que participa en las rutas centrales del metabolismo, por ejemplo: acetil - S - CoA, piruvato o algún intermediario del ciclo de Krebs.


3. Por último, la molécula sintetizada en el paso 2 es convertida en algún producto final mediante la acción de las enzimas que catalizan las reacciones centrales del metabolismo: ciclo de Krebs, glucólisis, síntesis de glucosa etc.


¿Cómo se decide qué ruta deben de seguir los carbonos que constituyen un aminoácido para ser transformados en otro compuesto?



Esto depende de las condiciones metabólicas presentes en un ser vivo. La función principal de un aminoácido es la de ser utilizado para la síntesis de proteínas. Si hay un exceso de aminoácidos la célula los transforma en otro compuesto, para almacenar los átomos de carbono y ser utilizados en otro momento. Si, por el contrario, no hay disponible otra forma de energía, entonces los aminoácidos son usados directamente para producir ATP o son convertidos en glucosa u otro compuesto diferente. Por ejemplo, si al organismo le hace falta glucosa y no hay otra fuente disponible, entonces se pueden degradar algunas proteínas para producir aminoácidos que son convertidos a glucosa.



CONVERSIÓN DE LA TIROSINA EN CO2, AGUA Y AMONIO.


Habiendo visto un ejemplo sencillo, ahora se analiza la degradación de la tirosina, un aminoácido más complejo, en CO2 , H2O y NH4+.


REACCIÓN 1: TRANSAMINACIÓN DE LA TIROSINA


El proceso se inicia con la transaminación de este aminoácido, con lo que se obtiene el esqueleto de carbonos que en este caso es el ácido 4 - hidroxi - fenilpirúvico. (Figura 14.27).



REACCIÓN 2: DESAMINACIÓN OXIDATIVA DEL ÁCIDO GLUTÁMICO


En esta reacción el ácido glutámico se desamina oxidativamente para regenerar el α - cetoglutarato y producir amonio libre. (Figura 14.28).


Ahora ha quedado un esqueleto de carbono: el ácido 4 - hidroxi - fenilpirúvico, que en las siguientes reacciones va a ser degradado enzimáticamente, para ser convertido en ácido fumárico y acetoacetíl - S - CoA, los cuales son intermediarios de las vías centrales del metabolismo; el primero se encuentra en el ciclo de Krebs y el segundo es un compuesto importante en el metabolismo de los lípidos.



REACCIÓN 3: TRANSFORMACIÓN DEL ÁCIDO 4 - HIDROXI - FENILPIRÚVICO EN ÁCIDO HOMOGENTÍSTICO


En esta reacción el ácido - 4 - hidroxi - fenilpirúvico, al reaccionar con una molécula de oxígeno, es convertido a ácido homogentístico, produciéndose además CO2. La enzima que cataliza esta reacción se llama: dioxigenasa del ácido 4 - fenilpirúvico. Figura 14.29.



REACCIÓN 4: CONVERSIÓN DEL ÁCIDO HOMOGENTÍSTICO EN ÁCIDO 4 - MALEIL - ACETOACÉTICO


En este paso el ácido homogentístico reacciona con oxígeno molecular para producir ácido 4 - maleil - acetoacético. (Figura 14.30). La enzima que cataliza la reacción es la ácido homogentístico 1, 2 dioxigenasa.



REACCIÓN 5: TRANSFORMACIÓN DEL ÁCIDO 4 - MALEIL - ACETOACÉTICO EN ÁCIDO 4 - FUMARIL - ACETOACÉTICO


En este punto el ácido 4 - maleil - acetoacético se isomeriza para convertirse en ácido 4 - fumaril - acetoacético. Figura 14.31. La enzima que cataliza esta reacción es la isomerasa del ácido maleil - aceto - acético.



REACCIÓN 6: CONVERSIÓN DEL ÁCIDO 4 - FUMARIL - ACETOACÉTICO EN ÁCIDO FUMÁRICO Y ÁCIDO ACETOACÉTICO


En este paso el ácido 4 - fumaril - acetoacético se rompe en dos moléculas: el fumarato y el ácido acetoacético. En la reacción se usa una molécula de agua. La enzima que cataliza la reacción se llama fumaril - acetoacetasa. Figura 14.32.



REACCIÓN 7: TRANSFORMACIÓN DEL ÁCIDO ACETOACÉTICO EN ACETOACETIL - S - CoA


En esta reacción, catalizda por la 3 - oxoácido - CoA - transferasa, el ácido acetoacético es convertido a acetoacetil - S - CoA. La molécula de coenzima A es donada por el succinil - S - CoA, que se transforma en succinato. (Figura 14.33).


A este nivel la tirosina ha quedado convertida en dos compuestos, los cuales pertenecen a las rutas centrales del metabolismo: el ácido fumárico, que es un intermediario del ciclo de Krebs y el acetoacetil - S - CoA, un compuesto que se produce durante la β - oxidación de los ácidos grasos. Estos compuestos son convertidos, siguiendo rutas diferentes, en acetil - S - CoA, la cual entonces es transformada a CO2 y agua, siguiendo la ruta del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.


Dada la naturaleza cíclica de las reacciones del ciclo de Krebs, el fumarato formado a partir de la degradación de la tirosina no se puede convertir directamente a CO2, puesto que al completarse un período se regenera el ácido fumárico. El camino que sigue un intermediario del ciclo de Krebs para degradarse hasta CO2 es convertirse en oxaloacetato y luego, mediante la descarboxilación de este compuesto producir fosfoenolpiruvato que se transforma en piruvato, que al perder un carbono se convierte en acetil - S - CoA, que ingresa al ciclo de Krebs. (Figura 14.34).


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Figura 14.34 Esquema del camino que siguen los átomos del fumarato para convertirse en CO2 y agua. (Figura elaborada por el autor).


El acetoacetil - S - CoA que se produce al degradarse la tirosina es convertido a dos moléculas de acetil - S - CoA, por la acción de la enzima acetil - S - CoA acetiltransferasa, una enzima de la β - oxidación. (Figuras 14.34 y 14.35).


En resumen, de los nueve átomos de carbono que constituyen la tirosina, seis son convertidos a tres moléculas de acetil - S – CoA y los otros tres son transformados en CO2 mediante la acción de descarboxilasas. Las moléculas de acetil - S - CoA ingresan al ciclo de Krebs, en donde son transformadas en CO2, produciéndose además poder reductor en forma de NADH y FADH2 y en la cadena respiratoria se produce ATP.


TRANSFORMACIÓN DE LA ISOLEUCINA EN GLUCOSA Y AMONIO


Como otro ejemplo, ahora se analiza la conversión de algunos de los átomos de carbono que constituyen a la isoleucina en glucosa. Al ser degradada la isoleucina se convierte en un intermediario del ciclo de Krebs: succinil - S - CoA, que es transformada en oxaloacetato mediante las reacciones del ciclo de Krebs y este compuesto, al descarboxilarse, produce fosfoenolpiruvato, un intermediario de la glucólisis, que se puede transformar en glucosa. Se requieren dos moléculas de isoleucina para fabricar una de glucosa.


REACCIÓN 1: TRANSAMINACIÓN DE LA ISOLEUCINA


En esta reacción la isoleucina, mediante una reacción de transaminación, dona su nitrógeno al α - cetoglutarato para producir el ácido α - ceto - β - metil - valérico y glutamato. (Figura 14.36).



REACCIÓN 2: CONVERSIÓN DEL ÁCIDO α - CETO - β - METIL - VALÉRICO EN α - METILBUTIRIL - S - CoA


En este paso la molécula de α - ceto - β - metil - valérico se oxida, reacciona con CoA - SH y pierde un átomo de carbono, en forma de CO2, para convertirse en α - metilbutiril - S - CoA. El agente oxidante es unamolécula de NAD+, que queda transformado en NADH. La enzima que cataliza esta reacción es la deshidrogenasa del ácido α - cetoisovalérico. (Figura 14.37).



REACCIÓN 3: TRANSFORMACIÓN DEL α - METILBUTIRIL - S - CoA EN TIGLIL - S - CoA


En esta reacción el α - metilbutiril - S - CoA se oxida para producir tiglil - S - CoA. La coenzima de óxido reducción es el FADH2. El proceso lo cataliza la enzima deshidrogenasa de acil - S - CoA. (Figura 14.38).



REACCIÓN 4: CONVERSIÓN DEL TIGLIL - S - CoA EN α - METIL - β - HIDROXIBUTIRIL - S - CoA


En este proceso una molécula de tiglil - S - CoA al reaccionar con una de agua se transforma en α - metil - β - hidroxibutiril - S - CoA. La enzima que cataliza la reacción se llama hidratasa del enoil - S - CoA. (Figura 14.39).



REACCIÓN 5: TRANSFORMACIÓN DEL α - metil - β - HIDROXIBUTIRIL - S - CoA EN α - METIL - ACETOACETIL - S - CoA


Esta es una reacción de óxido reducción que usa al NAD+ como agente oxidante, en el proceso al α - metil - β - hidroxibutiril - S - CoA es convertido a α - metil - acetoacetil - S - CoA. La enzima de esta reacción se llama deshidrogenasa del β - hidroxiacil - CoA. (Figura 14.40).



REACCIÓN 6: CONVERSIÓN DEL α - METIL - ACETOACETIL - S - CoA EN PRPIONIL - S - CoA Y ACETIL - S - CoA


En esta reacción la molécula de α - metil - acetoacetil - S - CoA se rompe en propionil - S - CoA y acetil - S - CoA. La enzima que cataliza la reacción se llama acetil - CoA - aciltransferasa. (Figura 14.41).


Los átomos de carbono que forman parte de la molécula de acetil - S - CoA no pueden ser convertidos en glucosa, debido a las razones que se explican más adelante. Por lo tanto, pueden ingresar al ciclo de Krebs y ser transformados en glucosa, o bien ser transformados en ácidos grasos y después en lípidos.


REACCIÓN 7: TRANSFORMACIÓN DEL PROPIONIL - S - CoA  EN D - METILMALONIL - CoA


El propionil - S - CoA, producido en la reacción anterior, reacciona con CO2 , H2O y ATP produciendo d - metilmalonil - S - CoA, ADP y Pi. La enzima que cataliza esta reacción se llama carboxilasa del propionil - CoA - hidrolizante del ATP. (Figura 14.42).



REACCIÓN 8: ISOMERIZACIÓN DEL D - METILMALONIL - CoA a L - METILMALONIL CoA


La enzima racemasa del metilmalonil CoA, en esta reacción, transforma el d - metilmalonil CoA en su isómero l - metilmalonil CoA. (Figura 14.43).



REACCIÓN 9: FORMACIÓN DE SUCCINIL - S - CoA A PARTIR DE L - METILMALONIL CoA


En esta reacción el l - metilmalonil - S - CoA se transforma en su isómero succinil - S - CoA. (Figura 14.44).



El succinil - S - CoA es un intermediario del ciclo de Krebs, tres de sus cuatro átomos de carbono se pueden transformar en glucosa, para ello la molécula de succinil - S - CoA, mediante las enzimas del ciclo, es    llevada hasta oxaloacetato, que es descarboxilado para convertirse en fosfoenolpiruvato, un intermediario de la glucólisis. Como solamente tres de los seis átomos de carbono de una molécula de isoleucina pueden pasar a formar parte de una molécula de glucosa, se requieren dos moléculas del aminoácido para sintetizar una de hexosa. (Figura 14.45).


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Figura 14.45 Vista general del camino que sigue la isoleucina para convertirse en glucosa. (Figura elaborada por el autor).