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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 28-13). 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, EC 1.11.1.6.
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La intoxicación por amoníaco pone en peligro la vida
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El amoníaco producido por las bacterias entéricas y que se absorbe hacia la sangre venosa porta, y el amoníaco 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 mg/dL) en la sangre periférica. Esto es esencial, dado que el amoníaco es tóxico para el sistema nervioso central. Cuando la sangre porta no pasa por el hígado, las cifras sanguíneas de amoníaco 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 amoníaco son temblor, lenguaje cercenado, visión borrosa, coma y finalmente la muerte. El amoníaco 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.
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La glutamina sintetasa fija el amoníaco como glutamina
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La glutamina sintetasa mitocondrial cataliza la formación de glutamina (figura 28-14). Puesto que la síntesis de enlace amida está acoplada a la hidrólisis de ATP hacia ADP y Pi, 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 Pi. Además de proporcionar glutamina para que sirva como un transportador de nitrógeno, carbono y energía entre órganos (figura 28-5), la glutamina sintasa desempeña una función importante en la destoxificación de amoníaco y la homeostasis acidobásica. Una rara deficiencia de glutamina sintetasa en recién nacidos da lugar a daño cerebral grave, insuficiencia multiorgánica y muerte.
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Glutaminasa y asparaginasa desamidato glutamina y asparagina
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Hay dos isoformas de glutaminasa mitocondrial en 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 amoníaco, catalizada por la glutaminasa (figura 28-15), favorece con fuerza la formación de glutamato. La l-asparaginasa cataliza una reacción análoga (EC 3.5.1.1). De esta manera, la acción concertada de la glutamina sintetasa y de la glutaminasa cataliza la interconversión de ion amonio libre y glutamina.
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La formación y secreción de amoníaco mantienen el equilibrio acidobásico
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La excreción hacia la orina del amoníaco 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 amoníaco a partir de aminoácidos renales intracelulares, en especial glutamina, en tanto que la alcalosis metabólica la aminora.
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La urea es el principal producto terminal del catabolismo de nitrógeno en humanos
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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 28-16). 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. Como se indica en la figura 28-16, algunas reacciones de la síntesis de urea ocurren en la matriz de la mitocondria, y otras reacciones en el citosol
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La carbamoil fosfato sintetasa I inicia la biosíntesis de urea
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La carbamoil fosfato sintetasa I (EC 6.3.4.16) mitocondrial cataliza la condensación de CO2, amoníaco y ATP para formar carbamoil fosfato. Una forma citosólica de esta enzima, la carbamoil fosfato sintetasa II, usa glutamina en lugar de amoníaco 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.
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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 Pi (reacción 1, figura 28-16). La reacción procede por pasos. La reacción de bicarbonato con ATP forma carbonil fosfato y ADP. A continuación el amoníaco desplaza al ADP, lo que forma carbamato y ortofosfato. La fosforilación de carbamato por el segundo ATP forma entonces carbamoil fosfato.
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El carbamoil fosfato más ornitina forma citrulina
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La L-ornitina transcarbamoilasa (EC 2.1.3.3) cataliza la transferencia del grupo carbamoilo del carbamoil fosfato hacia ornitina, lo que forma citrulina y ortofosfato (reacción 2, figura 28-16). 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 28-16).
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La citrulina más aspartato forman argininosuccinato
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La argininosuccinato sintetasa (EC 6.3.4.5) enlaza aspartato y citrulina mediante el grupo amino del aspartato (reacción 3, figura 28-16), 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.
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La división de argininosuccinato forma arginina y fumarato
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La división del argininosuccinato es catalizada por la argininosuccinato liasa (EC 4.3.2.1). La reacción procede con retención de los tres nitrógenos en la arginina, y liberación del esqueleto aspartato como fumarato (reacción 4, figura 28-16). 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.
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La división de arginina libera urea y vuelve a formar ornitina
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La división hidrolítica del grupo guanidino de la arginina, catalizada por la arginasa (EC 3.5.3.1) hepática, libera urea (reacción 5, figura 28-16). 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 sintasa.
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La carbamoil fosfato sintetasa I es la enzima marcapasos del ciclo de la urea
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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 sintasa (NAGS) y la N-acetilglutamato hidrolasa, respectivamente.
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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 amoníaco que acompaña a la degradación aumentada de proteína inducida por inanición.