CAPÍTULO 28: Catabolismo de proteínas y de nitrógeno de aminoácidos

Después de estudiar este capítulo, usted debe ser capaz de:

• Describir el recambio de proteína, indicar la tasa media de recambio de proteína en individuos sanos, y proporcionar ejemplos de proteínas de ser humano que son degradadas a tasas mayores que la tasa media.

• Describir los eventos en el recambio de proteína por medio de vías tanto dependientes de ATP como independientes de ATP, y los papeles en la degradación de proteína de la ubiquitina, los receptores de superficie celular, las asialoglucoproteínas circulantes, y los lisosomas.

• Indicar cómo los productos terminales finales del metabolismo del nitrógeno en mamíferos difieren de los que se encuentran en aves y peces.

• Ilustrar las funciones centrales de las transaminasas (aminotransferasas), de la glutamato deshidrogenasa y de la glutaminasa en el metabolismo de nitrógeno en seres humanos.

• Usar fórmulas estructurales para representar las reacciones que convierten NH₃, CO₂ y el nitrógeno amida del aspartato en urea.

• Indicar las ubicaciones subcelulares de las enzimas que catalizan la biosíntesis de la urea, y los papeles de la regulación alostérica y del acetilglutamato en la regulación de este proceso.

• Explicar por qué defectos metabólicos en diferentes enzimas de la biosíntesis de la urea, aunque distintos en el ámbito molecular, generan signos y síntomas clínicos similares.

• Describir tanto los métodos clásicos como el papel de la espectrometría de masa en tándem en la investigación de recién nacidos para buscar enfermedades metabólicas hereditarias.

En este capítulo se describe de qué modo el nitrógeno de aminoácidos se convierte en urea y los raros trastornos metabólicos que acompañan a los defectos de la biosíntesis de urea. En adultos normales, la ingestión de nitrógeno es igual al nitrógeno excretado. El balance positivo de nitrógeno, un exceso de nitrógeno ingerido sobre el que se excreta, acompaña al crecimiento y al embarazo. El balance negativo de nitrógeno, en el cual el egreso excede el ingreso, puede observarse después de intervención quirúrgica, en el cáncer avanzado, y en los trastornos nutricionales kwashiorkor y marasmo. El amoniaco, que es muy tóxico, se forma en seres humanos principalmente a partir del nitrógeno α-amino de aminoácidos. En consecuencia, los tejidos convierten el amoniaco en el nitrógeno amida del aminoácido no tóxico glutamina. La desaminación subsiguiente de la glutamina en el hígado libera amoniaco, que luego se convierte en urea, que es no tóxica. Si la función del hígado está alterada, como en la cirrosis o la hepatitis, las concentraciones sanguíneas altas de amonio generan signos y síntomas clínicos. Cada enzima del ciclo de la urea proporciona ejemplos de defectos metabólicos y sus consecuencias fisiológicas, y el ciclo en conjunto sirve como un modelo molecular para el estudio de defectos metabólicos en seres humanos.

La degradación y síntesis continuas de proteínas celulares (recambio) suceden en todas las formas de vida. Cada día, hay recambio de 1 a 2% de la proteína corporal total de seres humanos, principalmente proteína muscular. Los tejidos que están pasando por reordenamiento estructural, por ejemplo, el tejido del útero en el transcurso de la gestación, el músculo estriado en la inanición, y el tejido de la cola del renacuajo durante la metamorfosis, tienen índices altos de degradación de proteína. Alrededor de 75% de los aminoácidos liberados por degradación de proteína se vuelve a utilizar; sin embargo, los aminoácidos libres excesivos no se almacenan. Los que no se incorporan de inmediato hacia nueva proteína se degradan con rapidez. La principal porción de los esqueletos de carbono de los aminoácidos se convierte en intermediarios anfibólicos, mientras que en seres humanos el nitrógeno amino se convierte en urea y se excreta en la orina.

La susceptibilidad relativa de una proteína a degradación se expresa como su vida media (t_½), el tiempo necesario para disminuir sus cifras a la mitad del valor inicial. La vida media de las proteínas del hígado varía desde menos de 30 min hasta más de 150 h. Las enzimas “normalizadoras” o “caseras” (“house keeping”) típicas tienen valores de t_½ de más de 100 h. En contraste, las enzimas reguladoras clave pueden tener valores de t_½ de apenas 0.5 a 2 h. Las secuencias PEST, regiones ricas en prolina (P), glutamato (E), serina (S) y treonina (T), establecen a algunas proteínas como objetivos para degradación rápida. Las proteasas intracelulares hidrolizan enlaces peptídicos internos. Los péptidos resultantes a continuación se degradan hacia aminoácidos por medio de endopeptidasas que dividen enlaces peptídicos internos, y mediante aminopeptidasas y carboxipeptidasas que eliminan aminoácidos de manera secuencial desde las terminales amino y carboxilo, respectivamente.

Degradación independiente de ATP

La degradación de glucoproteínas de la sangre (cap. 47) sigue a la pérdida de una porción ácido siálico a partir de los extremos no reductores de sus cadenas de oligosacárido. Las asialoglucoproteínas a continuación son internalizadas por receptores de asialoglucoproteína de células hepáticas, y degradadas por proteasas lisosomales. Las proteínas extracelulares, asociadas a membrana, e intracelulares de vida prolongada, son degradadas en lisosomas por medio de procesos independientes de ATP.

Degradación dependiente de ATP y de ubiquitina

La degradación de proteínas reguladoras que tienen vida media breve, y las proteínas anormales o plegadas de modo erróneo, ocurre en el citosol, lo cual requiere ATP y ubiquitina. La ubiquitina, así llamada porque está presente en todas las células eucarióticas, es un polipéptido pequeño (8.5 kDa, 76 residuos) que establece a muchas proteínas intracelulares como blanco para degradación. La estructura primaria de la ubiquitina está muy conservada. Sólo 3 de 76 residuos difieren entre la ubiquitina de levaduras y la de seres humanos. Las moléculas de ubiquitina están fijas mediante enlaces no α-peptídicos que se forman entre el carboxilo terminal de la ubiquitina y los grupos ε-amino de residuos lisilo en la proteína blanco (figura 28-1). El residuo presente en su amino terminal influye sobre el hecho de si una proteína es ubiquitinada. El amino terminal Met o Ser retarda la ubiquitinación, mientras que Asp o Arg la acelera. La fijación de una molécula de ubiquitina única a proteínas transmembrana altera su localización subcelular y las establece como objetivos para degradación. Las proteínas solubles pasan por poliubiquitinación, la fijación, catalizada por ligasa, de cuatro o más moléculas de ubiquitina adicionales. La degradación subsiguiente de proteínas marcadas con ubiquitina tiene lugar en el proteasoma, una macromolécula con múltiples subunidades diferentes que también está omnipresente en células eucarióticas (ver cap. 46). En 2004, Aaron Ciechanover y Avram Hershko, de Israel, e Irwin Rose, de EUA, recibieron el premio Nobel en química por el descubrimiento de la degradación de proteína mediada por ubiquitina. Las enfermedades metabólicas relacionadas con defectos de la ubiquitinación incluyen los síndromes de Angelman y de von Hippel-Lindau, en el cual hay un defecto en la ubiquitina E3 ligasa. En el capítulo 4 y en el 46 se presentan aspectos adicionales de la degradación y ubiquitinación de proteína, incluso su función en el ciclo celular.

El mantenimiento de cifras de estado estable de aminoácidos que circulan en el plasma entre las comidas depende del balance neto entre la liberación desde reservas de proteína endógenas y la utilización por diversos tejidos. El músculo genera más de la mitad del fondo común corporal total de aminoácidos libres, y el hígado es el sitio de las enzimas del ciclo de la urea necesarias para la eliminación del nitrógeno excesivo. Así, el músculo y el hígado desempeñan funciones importantes en el mantenimiento de las concentraciones de aminoácidos en la circulación.

En la figura 28-2 se resume el estado posterior a la absorción. Los aminoácidos libres, en especial alanina y glutamina, se liberan desde el músculo hacia la circulación. La alanina, que parece ser el vehículo de transporte de nitrógeno en el plasma, se extrae principalmente en el hígado. La glutamina se extrae en el intestino y los riñones, y ambos convierten una porción importante en alanina. La glutamina también sirve como una fuente de amoniaco para excreción por los riñones. Estos últimos proporcionan una fuente importante de serina para captación por tejidos periféricos, incluso hígado y músculo. Los aminoácidos de cadena ramificada, en particular la valina, son liberados por el músculo y captados de forma predominante por el cerebro.

La alanina es un aminoácido gluconeogénico clave (figura 28-3). El índice de gluconeogénesis hepática a partir de alanina es mucho más alto que el proveniente de todos los otros aminoácidos. La capacidad del hígado para gluconeogénesis desde alanina no se satura sino hasta que las cifras de alanina alcanzan 20 a 30 veces su concentración fisiológica normal. Luego de una comida con alto contenido de proteína, los tejidos esplácnicos liberan aminoácidos (figura 28-4), mientras que los músculos periféricos extraen aminoácidos, en ambos casos de manera predominante aminoácidos de cadena ramificada. De ese modo, éstos desempeñan una función especial en el metabolismo de nitrógeno, tanto en el estado de ayuno, cuando proporcionan una fuente de energía al cerebro, como después de la alimentación, cuando son extraídos predominantemente por los músculos, una vez que han sido preservados por el hígado.

Dependiendo de su nicho ecológico y de sus características fisiológicas, diferentes animales excretan el nitrógeno excesivo como amoniaco, como ácido úrico, o como urea. El ambiente acuoso de los peces teleósteos, que son amonotélicos (que excretan amoniaco), les permite excretar agua continuamente para facilitar la excreción de amoniaco, que es muy tóxico. Si bien este método es apropiado para un animal acuático, las aves deben conservar agua y mantener el peso bajo. Las aves que son uricotélicas, abordan ambos problemas al excretar ácido úrico rico en nitrógeno (figura 33-11) como un guano semisólido. Muchos animales terrestres, incluso los seres humanos, son ureotélicos, y excretan urea no tóxica, altamente hidrosoluble. Dado que la urea no es tóxica para seres humanos, la concentración alta en sangre en pacientes con enfermedad renal es una consecuencia de función renal alterada, no una causa.

Ocurre en cuatro etapas: 1) transaminación, 2) desaminación oxidativa de glutamato, 3) transporte de amoniaco y 4) reacciones del ciclo de la urea (figura 28-5). El uso de sondas de DNA complementarias ha mostrado que la expresión en el hígado de los RNA que codifican para todas las enzimas del ciclo de la urea aumenta varias veces durante la inanición.

La transaminación transfiere nitrógeno α-amino a α-cetoglutarato, lo que forma glutamato

Las reacciones de transaminación interconvierten pares de α-aminoácidos y α-cetoácidos (figura 28-6). Las reacciones de transaminación, que son libremente reversibles, también funcionan en la biosíntesis de aminoácidos (figura 27-3). Todos los aminoácidos comunes, excepto la lisina, treonina, prolina e hidroxiprolina participan en la transaminación. La transaminación no está restringida a grupos α-amino. El grupo δ-amino de la ornitina (no así el grupo ε-amino de la lisina) pasa fácilmente por transaminación.

Laalanina-piruvato aminotransferasa (alanina aminotransferasa) y la glutamato-α-cetoglutarato aminotransferasa (glutamato aminotransferasa) catalizan la transferencia de grupos amino hacia piruvato (lo que forma alanina) o hacia α-cetoglutarato (lo que forma glutamato) (figura 28-7). Cada aminotransferasa es específica para un par de sustratos, pero inespecífica para el otro par. Puesto que la alanina también es un sustrato para la glutamato aminotransferasa, todo el nitrógeno amino proveniente de aminoácidos que pasan por transaminación puede concentrarse en el glutamato. Esto es importante porque el l-glutamato es el único aminoácido que pasa por desaminación oxidativa a un índice apreciable en tejidos de mamífero. De esta manera, la formación de amoniaco a partir de grupos α-amino ocurre principalmente por medio del nitrógeno α-amino del l-glutamato.

La transaminación ocurre por medio de un mecanismo de “ping-pong” que se caracteriza por adición de un sustrato y liberación de un producto alternadas (figura 28-7). Después de la eliminación de su nitrógeno α-amino mediante transaminación, el “esqueleto” de carbono restante de un aminoácido es degradado por medio de vías que se comentan en el capítulo 29. Como se mencionó, ciertas enfermedades se asocian con cifras séricas altas de aminotransferasas (cuadro 7-2).

El fosfato de piridoxal (PLP), un derivado de la vitamina B₆ (figura 44-12) está presente en el sitio catalítico de todas las aminotransferasas, y desempeña un papel clave en la catálisis. Durante la transaminación el PLP sirve como un “transportador” de grupos amino. Se forma una base de Schiff unida a enzima (figura 28-8) entre el grupo oxo de PLP unido a enzima y el grupo α-amino de un α-aminoácido. La base de Schiff puede reordenarse de diversas maneras. En la transaminación, el reordenamiento forma un cetoácido y un fosfato de piridoxamina unido a enzima. Como se mencionó, ciertas enfermedades se asocian con concentración sérica alta de transaminasas (cuadro 7-2).

La transferencia de nitrógeno amino hacia α-cetoglutarato forma l-glutamato. La l -glutamato deshidrogenasahepática(GDH), que puede usar NAD⁺ o NADP⁺, libera este nitrógeno como amoniaco (figura 28-9). La conversión de nitrógeno α-amino en amoniaco por la acción concertada de la glutamato aminotransferasa y la GDH suele denominarse “transdesaminación”. La actividad de GDH en el hígado es inhibida de modo alostérico por ATP, GTP y NADH, y activada por ADP. La reacción de GDH es libremente reversible, y funciona también en la biosíntesis de aminoácidos (figura 27-1).

Las aminoácido oxidasas también eliminan nitrógeno como amoniaco

Aun cuando su importancia fisiológica es incierta, las l-aminoácido oxidasas del hígado y los riñones convierten un aminoácido en un α-iminoácido que se descompone hacia un α-cetoácido con liberación de ion amonio (figura 28-10). El oxígeno molecular reoxida a la flavina reducida, lo que forma peróxido de hidrógeno (H₂O₂), al cual luego la catalasa divide hacia O₂ y H₂O.

La intoxicación por amoniaco pone en peligro la vida

El amoniaco producido por las bacterias entéricas y que se absorbe hacia la sangre venosa porta, y el amoniaco producido por los tejidos, se eliminan con rapidez de la circulación por medio del hígado, y se convierten en urea. Así, en circunstancias normales únicamente hay cantidades traza (10 a 20 μg/dl) en la sangre periférica. Esto es esencial, dado que el amoniaco es tóxico para el sistema nervioso central. Cuando la sangre porta no pasa por el hígado, las cifras sanguíneas de amoniaco pueden alcanzar concentraciones tóxicas. Esto sucede en presencia de función hepática gravemente alterada, o cuando se forman enlaces colaterales entre las venas porta y sistémicas en la cirrosis. Los síntomas de intoxicación por amoniaco son temblor, lenguaje cercenado, visión borrosa, coma y finalmente la muerte. El amoniaco puede ser tóxico para el cerebro debido en parte a que reacciona con α-cetoglutarato para formar glutamato. El decremento resultante de las cifras de α-cetoglutarato después altera la función del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) en neuronas.

La glutamina sintetasa fija el amoniaco como glutamina

La glutamina sintetasa mitocondrial cataliza la formación de glutamina (figura 28-11). Puesto que la síntesis de enlace amida está acoplada a la hidrólisis de ATP hacia ADP y P_i, la reacción favorece fuertemente la síntesis de glutamina. Durante la catálisis, el glutamato ataca el grupo γ-fosforilo del ATP, lo que forma γ-glutamil fosfato y ADP. Después de la desprotonación de NH₄⁺, el NH₃ ataca el γ-glutamil fosfato, y se liberan glutamina y P_i. Además de proporcionar glutamina para que sirva como un transportador de nitrógeno, carbono y energía entre órganos (figura 28-2), la glutamina sintetasa desempeña una función importante en la destoxificación de amoniaco y la homeostasis acidobásica. Una rara deficiencia de glutamina sintetasa en recién nacidos da lugar a daño cerebral grave, insuficiencia multiorgánica y muerte.

Glutaminasa y asparaginasa desamidato glutamina y asparagina

Hay dos isoformas de glutaminasa mitocondrial en seres humanos, llamadas glutaminasas tipo hepático y tipo renal. Las glutaminasas, que son productos de diferentes genes, difieren respecto a su estructura, cinética y regulación. La concentración de glutaminasa hepática aumenta en respuesta a ingestión alta de proteína, mientras que la glutaminasa tipo renal aumenta en los riñones en la acidosis metabólica. La liberación hidrolítica del nitrógeno amida de la glutamina como amoniaco, catalizada por la glutaminasa (figura 28-12), favorece con fuerza la formación de glutamato. La L-asparaginasa cataliza una reacción análoga. De esta manera, la acción concertada de la glutamina sintetasa y de la glutaminasa cataliza la interconversión de ion amonio libre y glutamina.

La formación y secreción de amoniaco mantienen el equilibrio acidobásico

La excreción hacia la orina del amoniaco producido por las células de los túbulos renales facilita la conservación de catión y la regulación del equilibrio acidobásico. La acidosis metabólica incrementa la producción de amoniaco a partir de aminoácidos renales intracelulares, en especial glutamina, en tanto que la alcalosis metabólica la aminora.

La síntesis de 1 mol de urea necesita 3 mol de ATP, 1 mol, cada uno, de ion amonio y de aspartato, y emplea cinco enzimas (figura 28-13). De los seis aminoácidos que participan, el N-acetilglutamato funciona sólo como un activador de enzima. Los otros funcionan como acarreadores de átomos que, por último, se convierten en urea. El principal papel metabólico de la ornitina, citrulina y argininosuccinato en mamíferos es la síntesis de urea, que es un proceso cíclico. Mientras que se consumen ion amonio, CO₂, ATP y aspartato, la ornitina consumida en la reacción 2 es regenerada en la reacción 5. Así, no hay pérdida o ganancia neta de ornitina, citrulina, argininosuccinato o arginina. Algunas reacciones de la síntesis de urea ocurren en la matriz de la mitocondria, y otras reacciones en el citosol (figura 28-13).

La carbamoil fosfato sintetasa I inicia la biosíntesis de urea

La carbamoil fosfato sintetasa I mitocondrial cataliza la condensación de CO₂, amoniaco y ATP para formar carbamoil fosfato. Una forma citosólica de esta enzima, la carbamoil fosfato sintetasa II, usa glutamina en lugar de amoniaco como el donador de nitrógeno, y funciona en la biosíntesis de pirimidina (figura 33-9). Así, la acción concertada de la glutamato deshidrogenasa y de la carbamoil fosfato sintetasa I, transporta nitrógeno amino hacia el carbamoil fosfato, un compuesto con un alto potencial de transferencia de grupo.

La carbamoil fosfato sintetasa I, la enzima limitante del ciclo de la urea, sólo es activa en presencia de N-acetilglutamato, un activador alostérico que aumenta la afinidad de la sintetasa por ATP. La síntesis de 1 mol de carbamoil fosfato requiere 2 mol de ATP. Un ATP sirve como donador del fosforilo para la formación del enlace anhídrido ácido mixto del carbamoil fosfato. El segundo ATP proporciona la fuerza impulsora para la síntesis del enlace amida del carbamoil fosfato. Los otros productos son 2 mol de ADP y 1 mol de P_i (reacción 1, figura 28-13). La reacción procede por pasos. La reacción de bicarbonato con ATP forma carbonil fosfato y ADP. A continuación el amoniaco desplaza al ADP, lo que forma carbamato y ortofosfato. La fosforilación de carbamato por el segundo ATP forma entonces carbamoil fosfato.

El carbamoil fosfato más ornitina forma citrulina

La L -ornitina transcarbamoilasa cataliza la transferencia del grupo carbamoilo del carbamoil fosfato hacia ornitina, lo que forma citrulina y ortofosfato (reacción 2, figura 28-13). Si bien la reacción sucede en la matriz mitocondrial, tanto la formación de ornitina como el metabolismo subsiguiente de citrulina tienen lugar en el citosol. Por ende, la entrada de ornitina hacia las mitocondrias, y el éxodo de citrulina desde estas últimas, comprenden permeasas de membrana interna mitocondrial (figura 28-13).

La citrulina más aspartato forman argininosuccinato

La argininosuccinato sintetasa enlaza aspartato y citrulina mediante el grupo amino del aspartato (reacción 3, figura 28-13), y proporciona el segundo nitrógeno de la urea. La reacción necesita ATP e incluye la formación intermedia de citrulil-AMP. El desplazamiento subsiguiente de AMP por aspartato a continuación forma argininosuccinato.

La división de argininosuccinato forma arginina y fumarato

La división del argininosuccinato es catalizada por la argininosuccinato liasa. La reacción procede con retención de los tres nitrógenos en la arginina, y liberación del esqueleto aspartato como fumarato (reacción 4, figura 28-13). La adición subsiguiente de agua a fumarato forma l-malato, cuya oxidación dependiente de NAD⁺ subsiguiente lo convierte en oxaloacetato. Estas dos reacciones son análogas a las reacciones del ciclo del ácido cítrico (figura 17-3), pero son catalizadas por la fumarasa y la malato deshidrogenasa citosólicas. La transaminación de oxaloacetato por la glutamato aminotransferasa a continuación vuelve a formar aspartato. De esta manera, el esqueleto de carbono del aspartato-fumarato actúa como un acarreador del nitrógeno de glutamato hacia un precursor de urea.

La división de arginina libera urea y vuelve a formar ornitina

La división hidrolítica del grupo guanidino de la arginina, catalizada por la arginasa hepática, libera urea (reacción 5, figura 28-13). El otro producto, la ornitina, vuelve a entrar a las mitocondrias hepáticas, y participa en rondas adicionales de síntesis de urea. La ornitina y la lisina son potentes inhibidores de la arginasa, y compiten con la arginina. Esta última también funciona como un precursor del potente relajante muscular óxido nítrico (NO) en una reacción dependiente de Ca²⁺ catalizada por la NO sintetasa (figura 49-15).

La carbamoil fosfato sintetasa I es la enzima marcapasos del ciclo de la urea

La actividad de la carbamoil fosfato sintetasa I está determinada por el N-acetilglutamato, cuya concentración de estado estable está dictada por el equilibrio entre su índice de síntesis a partir de acetil-CoA y glutamato, y su índice de hidrólisis hacia acetato y glutamato. Estas reacciones son catalizadas por la N-acetilglutamato sintetasa (NAGS) y la N-acetilglutamato hidrolasa, respectivamente.

Acetil-CoA + l-glutamato → N-acetil-l-glutamato + CoASH

N-acetil-l-glutamato + H₂O → l-glutamato + acetato

Los cambios importantes en la dieta pueden incrementar 10 a 20 veces las cifras de enzimas individuales del ciclo de la urea. Por ejemplo, la inanición aumenta las concentraciones de enzimas, probablemente para afrontar el incremento de la producción de amoniaco que acompaña a la degradación aumentada de proteína inducida por inanición.

Los trastornos metabólicos comparativamente raros, pero bien caracterizados y devastadores desde el punto de vista médico, relacionados con las enzimas de la biosíntesis de la urea, ilustran los siguientes principios generales de las enfermedades metabólicas hereditarias:

1. Signos y síntomas clínicos similares o idénticos pueden caracterizar diversas mutaciones genéticas en un gen que codifica para una enzima dada, o en enzimas que catalizan reacciones sucesivas en una vía metabólica.

2. La terapia racional debe basarse en un entendimiento de las reacciones catalizadas por enzimas bioquímicas importantes en sujetos tanto normales como alterados.

3. La identificación de intermediarios y de productos auxiliares que se acumulan antes de un bloqueo metabólico proporciona la base para las pruebas para detectar trastornos metabólicos, y pueden indicar la reacción que está alterada.

4. El diagnóstico preciso requiere evaluación cuantitativa de la actividad de la enzima que se sospecha que es defectuosa.

5. La secuencia de DNA del gen que codifica para una enzima mutante dada se compara con la del gen tipo natural para identificar la o las mutaciones específicas que originan la enfermedad.

6. Con el aumento exponencial de la secuenciación de DNA de genes del ser humano se han identificado docenas de mutaciones de un gen afectado que son benignas o se asocian con síntomas de gravedad variable de un trastorno metabólico dado.

Se han descrito defectos en cada enzima del ciclo de la urea. Muchas de las mutaciones causales han sido “mapeadas” y se han identificado defectos específicos en las enzimas codificadas. Cinco enfermedades bien documentadas representan defectos de la biosíntesis de enzimas del ciclo de la urea. El análisis genético molecular ha identificado con exactitud los loci de mutaciones relacionadas con cada deficiencia, cada uno de los cuales muestra considerable variabilidad genética y fenotípica (cuadro 28-1).

Los trastornos del ciclo de la urea se caracterizan por hiperamonemia, encefalopatía y alcalosis respiratoria. Cuatro de las cinco enfermedades metabólicas, deficiencias de carbamoil fosfato sintetasa, ornitina carbamoil transferasa, argininosuccinato sintetasa y argininosuccinato liasa, suscitan la acumulación de precursores de urea, en especial amoniaco y glutamina. La intoxicación por amoniaco es más grave cuando el bloqueo metabólico ocurre en las reacciones 1 o 2 (figura 28-13), porque si puede sintetizarse citrulina, algo de amoniaco ya se ha eliminado al enlazarse de modo covalente a un metabolito orgánico.

Los síntomas clínicos comunes a todos los trastornos del ciclo de la urea comprenden vómitos, evitación de alimentos con alto contenido de proteína, ataxia intermitente, irritabilidad, letargo y retraso mental grave. La presentación clínica más notoria sucede en lactantes a término que en un inicio parecen normales pero luego muestran letargo progresivo, hipotermia y apnea debido a las cifras plasmáticas altas de amoniaco. Los datos clínicos y el tratamiento de los cinco trastornos son similares. Una dieta hipoproteínica ingerida como comidas frecuentes pequeñas con el fin de evitar incrementos repentinos de las concentraciones sanguíneas de amoniaco puede ir acompañada de mejoría y minimización del daño cerebral significativas. El objetivo de la dietoterapia es proporcionar suficiente proteína, arginina y energía para promover el crecimiento y desarrollo, mientras que al mismo tiempo se minimizan las perturbaciones metabólicas relacionadas con estas enfermedades.

Carbamoil fosfato sintetasa I

El N-acetilglutamato es esencial para la actividad de la carbamoil fosfato sintetasa I (reacción 1, figura 28-13). Los defectos de esta enzima producen la enfermedad metabólica relativamente rara (frecuencia estimada, 1:62 000) denominada “hiperamonemia tipo 1”.

N-acetilglutamato sintetasa (NAGS)

Cataliza la formación, a partir de acetil-CoA y glutamato, del N-acetilglutamato esencial para la actividad de la carbamoil fosfato sintetasa I.

l-Glutamato + acetil-CoA →N-acetil- l-glutamato + CoASH

Aunque las características clínicas y bioquímicas de la deficiencia de NAGS son indistinguibles de las que surgen por un defecto de la carbamoil fosfato sintetasa I, una deficiencia de NAGS puede mostrar respuesta al N-acetilglutamato administrado.

Ornitina permeasa

La hiperornitinemia, la hiperamonemia y el síndrome de homocitrulinuria (síndrome HHH) se producen por mutación del gen ORNT1 que codifica para la permeasa de ornitina de la membrana mitocondrial. El fracaso para importar ornitina citosólica hacia la matriz mitocondrial hace inoperable al ciclo de la urea, con hiperamonemia consiguiente, e hiperornitinemia debida a la acumulación acompañante de ornitina citosólica. En ausencia de su aceptor normal ornitina, el carbamoil fosfato mitocondrial carbamoila la lisina hacia homocitrulina, lo que ocasiona homocitrulinuria.

Ornitina transcarbamoilasa

La deficiencia enlazada al cromosoma X llamada “hiperamonemia tipo 2” refleja un defecto de la ornitina transcarbamoilasa (reacción 2, figura 28-13). Las madres también muestran hiperamonemia, y aversión a los alimentos hiperproteínicos. Las cifras de glutamina están altas en la sangre, el líquido cefalorraquídeo y la orina, probablemente como resultado de aumento de la síntesis de glutamina en respuesta a concentraciones altas de amoniaco hístico.

Argininosuccinato sintetasa

Además de los enfermos que carecen de actividad detectable de esta enzima (reacción 3, figura 28-13), se ha informado un incremento de 25 veces de la K_m para citrulina. En la citrulinemia resultante, las cifras de citrulina en el plasma y el líquido cefalorraquídeo están altas, y se excretan 1 a 2 g de citrulina a diario.

Argininosuccinato liasa

La argininosuccinicaciduria, acompañada de concentraciones altas de argininosuccinato en la sangre, el líquido cefalorraquídeo y la orina, se relaciona con pelo friable y deshilachado en el extremo (tricorrexis nodosa). Se conocen tipos de inicio tanto temprano como tardío. El defecto metabólico yace en la argininosuccinato liasa (reacción 4, figura 28-13). El diagnóstico basado en la medición de la actividad de argininosuccinato liasa en los eritrocitos puede efectuarse en sangre de cordón umbilical o en células de líquido amniótico.

Arginasa

La hiperargininemia es un defecto autosómico recesivo en el gen que codifica para la arginasa (reacción 5, figura 28-13). Al contrario de otros trastornos del ciclo de la urea, los primeros síntomas de hiperargininemia típicamente no aparecen sino hasta los 2 a 4 años de edad. Las cifras de arginina en la sangre y el líquido cefalorraquídeo están altas. El modelo de aminoácidos urinario, que semeja el de la lisina-cistinuria (cap. 29), quizá refleje competencia por la arginina con lisina y cisteína para resorción en el túbulo renal.

El análisis de sangre del recién nacido mediante espectrometría de masa en tándem puede detectar enfermedades metabólicas

Las enfermedades metabólicas dependientes de falta o deterioro funcional de enzimas metabólicas pueden ser devastadoras. Empero, la intervención temprana respecto a la dieta casi siempre puede disminuir los efectos ominosos que de otra manera son inevitables. De este modo, la detección temprana de esas enfermedades metabólicas tiene importancia primaria. Desde que en EUA iniciaron los programas de detección durante el decenio de 1960-1969, en todos los estados de ese país ahora se llevan a cabo pruebas de detección de enfermedades metabólicas en recién nacidos, aun cuando el alcance de las pruebas de detección empleadas varía entre uno y otro. La poderosa y sensible técnica de espectrometría de masa en tándem (cap. 4) puede detectar en algunos minutos más de 40 analitos de importancia en la detección de trastornos metabólicos. En casi todo el territorio estadounidense se emplea la MS (espectometría de masa) en tándem para investigar a recién nacidos con el objeto de detectar trastornos metabólicos, como acidemias orgánicas, aminoacidemias, trastornos de la oxidación de ácidos grasos, y defectos de las enzimas del ciclo de la urea. Con todo, persisten diferencias importantes de la cobertura de analitos entre los estados. En un artículo en Clinical Chemistry 2006 39:315 se revisa la teoría de la MS en tándem, su aplicación a la detección de trastornos metabólicos, y situaciones que pueden dar resultados positivos falsos, e incluye un cuadro grande de analitos detectables, y las enfermedades metabólicas importantes.

¿La terapia génica resulta promisoria para corregir defectos de la biosíntesis de la urea?

La terapia génica de defectos de las enzimas del ciclo de la urea es un área de investigación activa. A pesar de haberse obtenido resultados estimulantes en modelos en animales, por ejemplo, el uso de un vector adenoviral para tratar citrulinemia, en la actualidad la terapia génica no proporciona una solución eficaz para seres humanos.

• Los seres humanos degradan 1 a 2% de su proteína corporal a diario, a índices que varían entre las proteínas y con el estado fisiológico. Las enzimas reguladoras clave a menudo tienen vida media breve.

• Las proteínas se degradan por medio de vías tanto dependientes, como independientes, de ATP. La ubiquitina establece como objetivo muchas proteínas intracelulares para degradación. Los receptores de superficie celular hepáticos se unen a asialoglucoproteínas circulantes destinadas para degradación lisosómica, y las internalizan.

• Los peces excretan de manera directa el muy tóxico NH₃. Las aves convierten el NH₃ en ácido úrico. Los vertebrados superiores convierten el NH₃ en urea.

• La transaminación canaliza el nitrógeno de aminoácidos hacia glutamato. La l-glutamato deshidrogenasa (GDH) ocupa una posición fundamental en el metabolismo del nitrógeno.

• La glutamina sintetasa convierte el NH₃ en glutamina no tóxica. La glutamina libera NH₃ para uso en la síntesis de urea.

• El NH₃, el CO₂ y el nitrógeno amida del aspartato proporcionan los átomos de la urea.

• La síntesis de urea en el hígado tiene lugar en parte en la matriz mitocondrial, y en parte en el citosol.

• Los cambios de las concentraciones de enzima y la regulación alostérica de la carbamoil fosfato sintetasa I por N-acetilglutamato regulan la biosíntesis de la urea.

• Las enfermedades metabólicas se relacionan con defectos en cada enzima del ciclo de la urea, de la permeasa de ornitina relacionado con membrana, y de la NAGS.

• La MS en tándem es la mejor técnica para efectuar pruebas de detección de enfermedades metabólicas hereditarias en recién nacidos.