IntroduccinLos seres humanos son totalmente dependientes de otros organismos para convertir el nitrgeno atmosfrico en las formas disponibles para el cuerpo. La fijacin de nitrgeno es realizada por las nitrogenasas bacterianas que forman nitrgeno reducido, NH4+el cul puede ser entonces utilizado por todos los organismos para formar los aminocidos.

Descripcin del flujo de nitrgeno en la biosfera. El nitrgeno, los nitritos y los nitratos son utilizados por las bacterias (fijacin de nitrgeno) y las plantas y nosotros asimilamos estos compuestos como protena en nuestra dieta. La incorporacin del amonaco en los animales ocurre a travs de acciones de la glutamato deshidrogenasa y de la glutamina sintasa. El glutamato desempea el papel central en el flujo de nitrgeno en los mamferos, sirviendo como donante y receptor de nitrgeno.El nitrgeno reducido ingresa al cuerpo humano como aminocidos libres dietticos, protena, y amonaco producido por las bacterias del tracto intestinal. Un par de enzimas principales, la glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintasa, se encuentran en todos los organismos y efectan la conversin de amonaco en los aminocidos glutamato y glutamina, respectivamente. Los grupos amino y amido de estas 2 substancias son libremente transferidos a otros esqueletos de carbono por reacciones de transaminacin y transamidacin.

Reaccin representativa catalizada por aminotransferasaLas aminotransferasas existen para todos los aminocidos excepto para la treonina y la lisina. Los compuestos ms comunes implicados como donante/receptor en las reacciones de transaminacin son el glutamato y el -cetoglutarato (-KG), que participan en reacciones con diversas aminotransferasas. Las aminotransferasas sricas tales como glutamato-oxaloacetato-aminotransferasa (SGOT) (tambin llamada aspartato aminotransferasa, AST) y glutamato-piruvato aminotransferasa srica (SGPT) (tambin llamada alanina transaminasa, ALT) han sido utilizadas como marcadores clnicos de dao tisular, con los niveles sricos aumentados indicando un extenso dao celular. La alanina transaminasa tiene una importante funcin en la entrega de esqueletos de carbono y nitrgeno del msculo esqueltico (bajo la forma de alanina) al hgado. En el msculo esqueltico, el piruvato es transaminado a alanina, produciendo as una ruta adicional de transporte de nitrgeno del msculo al hgado. En el hgado, la alanina transaminasa transfiere el amonaco al -KG y regenera piruvato. El piruvato puede entonces ser entregado en la gluconeognesis. Este proceso es referido como el ciclo de glucosa-alanina.

El ciclo de la glucosa-alanina es utilizado sobre todo como un mecanismo para eliminar el nitrgeno del msculo esqueltico mientras que se reabastece su fuente de energa. La oxidacin de glucosa produce el piruvato que puede experimentar la transaminacin a alanina. Esta reaccin es catalizada por la alanina transaminasa, ALT. Adems, durante perodos de ayuno, la protena del msculo esqueltico es degradada por el valor energtico de los carbonos del aminocido y la alanina es un aminocido importante en la protena. La alanina entonces entra en la corriente sangunea y es transportada al hgado. Dentro del hgado la alanina es convertida de nuevo a piruvato que es entonces una fuente de tomos de carbono para la gluconeognesis. La glucosa recin formada puede entonces entrar a la corriente sangunea para ser entregada nuevamente al msculo. El grupo amino transportado del msculo al hgado en la forma de alanina es convertido a urea en el ciclo de la urea y es excretado.Regreso al inicio

La Reaccin de Glutamato DeshidrogenasaLa reaccin catalizada por la glutamato deshidrogenasa es:

La glutamato deshidrogenasa utiliza tanto los cofactores del nucletido de nicotinamida; NAD+en la direccin de la liberacin del nitrgeno y NADP+para la incorporacin del nitrgeno. En la reaccin haca adelante como se muestra la glutamato deshidrogenasa es importante en la conversin de amonaco libre y -KG a glutamato, formando uno de los 20 aminocidos requeridos para la sntesis de protenas. Sin embargo, se debe reconocer que la reaccin reversa es un proceso crucial anapletrico que enlaza el metabolismo del aminocido con la actividad delCiclo del TCA. En la reaccin reversa, la glutamato deshidrogenasa proporciona una fuente de carbono oxidable usada para la produccin de energa as como un reducido portador de electrones, NADH. Segn lo esperado para un punto de ramificacin de la enzima con un importante acoplamiento al metabolismo energtico, la glutamato deshidrogenasa es regulada por la carga de energa celular. El ATP y el GTP son efectores alostricos positivos de la formacin de glutamato, mientras que el ADP y el GDP son efectores alostricos positivos de la reaccin reversa. As, cuando el nivel de ATP es alto, la conversin de glutamato a -KG y a otros intermediarios del ciclo del TCA es limitada; cuando la carga de energa celular es baja, el glutamato es convertido a amoniaco y a intermediarios oxidables del ciclo del TCA. El glutamato es tambin un principal donante amino para otros aminocidos en reacciones de transaminacin subsecuentes. Los mltiples papeles del glutamato en el balance del nitrgeno lo convierten en una puerta entre el amonaco libre y los grupos aminos de la mayora de los aminocidos.Regreso al inicio

La Reaccin de Glutamina SintasaLa reaccin catalizada por la glutamina sintetasa es:

La reaccin de la glutamina sintetasa es tambin importante en varios aspectos. Primero produce la glutamina, uno de los 20 aminocidos principales. Segundo, en animales, la glutamina es el principal aminocido encontrado en el sistema circulatorio. Su papel ah es llevar el amonaco a y desde varios tejidos pero principalmente de tejidos perifricos al rin, donde el nitrgeno amida es hidrolizado por la enzima glutaminasa (reaccin abajo); este proceso regenera el glutamato y el in amoniaco libre, que se excreta en la orina.

Observe que, en esta funcin, el amonaco presente en el tejido perifrico es llevado en una forma no ionizable que no tiene ninguna de las caractersticas neurotxicas o de generacin de alcalosis del amonaco libre.El hgado contiene ambas glutamina sintasa y glutaminasa pero las enzimas estn localizadas en diferentes segmentos celulares. Esto asegura que el hgado no sea ni productor ni consumidor neto de glutamina. Las diferencias en la localizacin celular de estas dos enzimas permiten que el hgado limpie el amonaco que no ha sido incorporado en la urea. Las enzimas del ciclo de la urea estn localizadas en las mismas clulas que las que contienen glutaminasa. El resultado de la distribucin diferenciada de estas dos enzimas hepticas hace posible controlar la incorporacin del amonaco en la urea o la glutamina, el ltimo conduce a la excrecin del amonaco por el rin.Cuando ocurre acidosis el cuerpo desva ms glutamina del hgado al rin. Esto permite la conservacin del in bicarbonato puesto que la incorporacin del amonaco en la urea requiere de bicarbonato (vase abajo). Cuando la glutamina entra al rin, la glutaminasa libera un mol de amonaco generando glutamato y entonces la glutamato deshidrogenasa libera otra mol de amonaco generando -KG. El amonaco se ionizara a in amoniaco (NH4+) que es excretado. El efecto neto es una reduccin en la concentracin del in hidrgeno, [H+], y as un incremento en el pH (vase tambinRiones y Balance cido-Base).Regreso al inicio

Nitrgeno del Tracto DigestivoMientras que la glutamina, el glutamato, y los aminocidos no esenciales restantes pueden ser producidos por los animales, la mayora de los aminocidos que se encuentran en tejidos humanos necesariamente vienen de fuentes dietticas (sobre 400g de protena por da). La digestin de protenas comienza en el estmago, donde una proenzima llamada pepsingeno es secretada, autocatalticamente convertida a Pepsina A, y utilizada para el primer paso de la proteolisis. Sin embargo, la mayora de la proteolisis ocurre en el duodeno como consecuencia de las actividades enzimticas secretadas por el pncreas. Todas las serin proteasas y las zinc peptidasas de las secreciones pancreticas son producidas bajo la forma de sus respectivas proenzimas. Estas proteasas son endopeptidasas y exopeptidasas, y su accin combinada en el intestino conduce a la produccin de aminocidos, de dipptidos, y de tripptidos, todos los cuales son tomados por los enterocitos de la pared mucosa.Una va reguladora indirecta que conduce a la secrecin de proenzimas en el intestino es accionada por la presencia de alimentos en el lumen intestinal. Las clulas endocrinas mucosas especiales secretan las hormonas peptdicas colecistocinina (CCK) y secretina en el sistema circulatorio. Junto, CCK y secretina causan la contraccin de la vescula biliar y la secrecin exocrina de un lquido alcalino rico en bicarbonato, que contiene proenzimas proteasas del pncreas en el intestino. Un segundo papel parcrino de la CCK es estimular las clulas intestinales adyacentes para que secreten enteropeptidasas, una proteasa que rompe al tripsingeno para producir tripsina. La tripsina tambin activa al tripsingeno as como todas las otras proenzimas en la secrecin pancretica, produciendo proteasas y peptidasas activas que hidrolizan los polipptidos dietticos.Subsiguiente a la hidrlisis luminal, pequeos pptidos y aminocidos son transferidos a travs de los enterocitos a la circulacin portal por difusin, difusin facilitada, o transporte activo. Varios sistemas de transporte de aminocidos dependientes de Na+con especificidad sobrepuesta para los aminocidos han sido descritos. En estos sistemas de transporte, el Na+y los aminocidos en el lumen son co-transportados bajo su gradiente de concentracin al interior de la clula. La bomba de Na+/K+dependiente de ATP intercambia el Na+acumulado por el K+extracelular, reduciendo los niveles de Na+intracelular y manteniendo la alta concentracin de Na+extracelular (alta en el lumen intestinal, bajo en los enterocitos) requerida para mantener este proceso de transporte.Los mecanismos de transporte de esta naturaleza son ubicuitos en el cuerpo. Pequeos pptidos son acumulados por un proceso de transporte estimulado por protones (H+) e hidrolizados por peptidasas intracelulares. Los aminocidos en el sistema circulatorio y en los fluidos extracelulares son transportados dentro de las clulas del cuerpo por lo menos por 7 diferentes sistemas de transporte activos que requieren de ATP con especificidades sobrepuestas del aminocido.El Desorden de Hartnup es un dao autosmico recesivo del transporte de aminocidos neutros que afecta los tbulos renales y el intestino delgado. Se cree que el defecto se sita en un sistema especfico responsable del transporte de aminocidos neutros a travs del borde en cepillo de la membrana del epitelio renal e intestinal. El defecto exacto todava no ha sido caracterizado. El diagnostico caracterstico presentado por el desorden de Hartnup es una dramtica hiperaminoaciduria neutra. Adems, los individuos excretan compuestos indlicos que se originan de la degradacin bacteriana por el triptfano no absorbido. La reducida absorcin intestinal y la creciente prdida renal del triptfano conducen a una reducida disponibilidad del triptfano para la biosntesis del nucletido de niacina y de nicotinamida. Por consiguiente los individuos afectados exhiben con frecuencia erupciones como pelagra.Muchos otros compuestos nitrogenados se encuentran en el intestino. La mayora son productos bacterianos de la degradacin de protenas. Algunos tienen fuertes efectos farmacolgicos (vasopresor).Productos de la actividad bacteriana intestinal

SubstratosProductos

Aminas VasopresorasOtro

LisinaCadaverina

ArgininaAgmatina

TirosinaTiramina

OrnitinaPutrescina

HistidinaHistamina

TriptfanoIndol y escatol

Todos los aminocidosNH4+

Los procariotas, como laE. colipueden formar los esqueletos de carbono de los 20 aminocidos y transaminar esos esqueletos de carbono con nitrgeno de la glutamina o del glutamato para completar las estructuras del aminocido. Los seres humanos no pueden sintetizar las cadenas de carbono de los aminocidos ramificados o los sistemas de anillo que se encuentran en la fenilalanina y en los aminocidos aromticos; ni tampoco incorporar azufre en las estructuras de unin covalente. Por lo tanto, los 10 llamadosaminocidos esenciales(vase la Tabla abajo) deben ser provistos de la dieta. Sin embargo, debe reconocerse que, dependiendo de la composicin de la dieta y del estado fisiolgico de un individuo, uno u otro de los aminocidos no esenciales puede tambin convertirse en un componente diettico requerido. Por ejemplo, la arginina es solo considerada como aminocido esencial durante el desarrollo de la niez porque en los adultos se produce en suficiente cantidad por el ciclo de la urea.Para tomar un diferente tipo de ejemplo, la cisteina y la tirosina se consideran no esenciales, pero se producen de los aminocidos esenciales metionina y fenilalanina, respectivamente. Si suficiente cisteina y tirosina estn presentes en la dieta, los requerimientos para la metionina y la fenilalanina estn marcadamente reducidos; inversamente, si la metionina y la fenilalanina estn presentes solo en cantidades limitadas, la cisteina y la tirosina pueden convertirse en componentes dietticos esenciales. Finalmente, debe ser reconocido que si los -cetocidos que corresponden a los esqueletos de carbono de los aminocidos esenciales son administrados en la dieta, las aminotransferasas en el cuerpo convertirn los cetocidos a sus respectivos aminocidos, proveyendo en gran parte las necesidades bsicas.A diferencia de las grasas y de los carbohidratos, el nitrgeno no tiene ningn depsito designado para almacenarse en el cuerpo. Puesto que la vida media de muchas protenas es corta (en el orden de horas), insuficientes cantidades en la dieta de al menos un aminocido pueden limitar rpidamente la sntesis y bajar los niveles de muchas protenas esenciales. El resultado de la sntesis limitada y de ndices normales de degradacin de protenas es que el balance en la ingestin y excrecin del nitrgeno sea alterado rpida y significativamente. Adultos normales sanos, estn generalmente en balance de nitrgeno, con la ingestin y la excrecin bien acopladas. Nios en crecimiento, adultos recuperndose de enfermedades importantes, y mujeres embarazadas estn a menudo en balance nitrogenado positivo. La ingesta de nitrgeno excede su prdida mientras que procede la sntesis neta de la protena. Cuando se excreta ms nitrgeno que el que se incorpora al cuerpo, el individuo est en balance nitrogenado negativo. Cantidades insuficientes incluso de un aminocido esencial son adecuadas para convertir a un individuo con balance nitrogenado normal en uno con balance nitrogenado negativo.El valor biolgico de las protenas dietticas se relaciona con el grado al cual proporcionan todos los aminocidos necesarios. Las protenas de origen animal generalmente tienen un alto valor biolgico; las protenas vegetales tienen una amplia gama de valor que va de ninguno a completamente alto. En general, las protenas vegetales son deficientes en lisina, metionina y triptfano y son mucho menos concentradas y digeribles que las protenas animales. La ausencia de lisina en protenas cereales de grado inferior, utilizadas como base diettica en muchos pases subdesarrollados, conduce a una inhabilidad para sintetizar protenas (debido a la falta de aminocidos esenciales) y en ltima instancia a un sndrome conocido comokwashiorkor, comn en nios en estos pases.Regreso al inicio

Aminocidos Esenciales vs. no EsencialesNo EsencialesEsenciales

AlaninaArginina*

AsparraginaHistidina

AspartatoIsoleucina

CisteinaLeucina

GlutamatoLisina

GlutaminaMetionina*

GlicinaFenilalanina*

ProlinaTreonina

SerinaTriptfano

TirosinaValina

* Los aminocidos arginina, metionina y fenilalanina son considerados esenciales por razones no directamente relacionadas con la carencia de la sntesis. La arginina es sintetizada por las clulas mamferas pero en un rango que es insuficiente para resolver las necesidades de crecimiento del cuerpo y de la mayora que se sintetiza es procesada para formar la urea. La metionina es requerida en grandes cantidades para producir cisterna, si el ltimo aminocido no es adecuadamente provisto en la dieta. Similarmente, la fenilalanina es requerida en grandes cantidades para formar tirosina, si el ltimo aminocido no es adecuadamente provisto en la dieta.Regreso al inicio

Remocin del Nitrgeno de los AminocidosLas reacciones dominantes implicadas en remover el nitrgeno de los aminocidos del cuerpo son conocidas como transaminaciones. Esta clase de reacciones concentra el nitrgeno de todos los aminocidos libres en una pequea cantidad de compuestos; entonces, o son deaminados por medio de oxidacin, produciendo amonaco, o sus grupos aminos son convertidos en urea por el ciclo de la urea. La transaminacin implica mover un grupo -amino desde un -aminocido donador al carbono ceto de un -cetocido receptor. Estas reacciones reversibles son catalizadas por un grupo de enzimas intracelulares conocidas como aminotransferasas, que generalmente emplean como cofactor covalentemente unido al fosfato de piridoxal. Sin embargo, algunas aminotransferasas emplean el piruvato como cofactor.Las aminotransferasas existen para todos los aminocidos excepto para la treonina y la lisina. Los compuestos comnmente implicados como pares donantes/receptores en las reacciones del transaminacin son el glutamato y el -KG, que participan en reacciones con diversas aminotransferasas. Las aminotransferasas sricas tales como la glutamato-oxaloacetato-aminotransferasa srica (SGOT) (tambin llamada aspartato aminotransferasa, AST) y la glutamato piruvato aminotransferasa srica (SGPT) (tambin llamada alanina transaminasa, ALT) han sido utilizadas como marcadores clnicos de dao tisular, el aumento en los niveles sricos indica un dao extenso. La alanina transaminasa tiene una importante funcin en la entrega de carbono y de nitrgeno (en la forma de alanina) del msculo esqueltico al hgado. En el msculo esqueltico, el piruvato es transaminado a alanina, produciendo as una ruta adicional de transporte de nitrgeno del msculo al hgado. En el hgado, la alanina transaminasa transfiere el amonaco a -KG y regenera el piruvato. El piruvato puede entonces ser desviado a la gluconeognesis. Este proceso se refiere como ciclo de la glucosa-alanina.Debido a la participacin de -KG en numerosas transaminaciones, el glutamato es un prominente intermediario en la eliminacin de nitrgeno as como en las vas anablicas. El glutamato, formado en el curso de la eliminacin de nitrgeno, es deaminado por medio de la oxidacin por la glutamato deshidrogenasa heptica formando amoniaco, o convertido a glutamina por la glutamina sintasa y transportada a las clulas de los tbulos renales. All la glutamina es secuencialmente deaminada por la glutaminasa y deaminada por la glutamato deshidrogenasa renal.El amonaco producido en las dos ltimas reacciones es excretado como NH4+en la orina, donde ayuda a mantener el pH urinario en el rango normal de pH 4 a pH 8. La produccin extensa de amonaco por el tejido perifrico o la glutamato deshidrogenada heptica no es factible debido a los efectos altamente txicos del amonaco circulante. Las concentraciones normales del amonio srico estn en el rango de 20 - 40M, y un incremento en el amonaco circulante cerca de 400M causa alcalosis y neurotoxicidad.Una reaccin final til, relacionada teraputicamente con los aminocidos es la amidacin del cido asprtico para producir asparragina. La enzima asparragina sintasa cataliza la reaccin de transamidacin que requiere de ATP demostrada abajo:

La mayora de las clulas realizan esta reaccin para producir toda la asparagina que necesitan. Sin embargo, algunas clulas de leucemia requieren asparagina exgena, que obtienen del plasma. La quimioterapia usando la enzima asparaginasa se aprovecha de esta caracterstica de las clulas de leucemia mediante la hidrolizacin de la asparagina srica a amonaco y a cido asprtico, as privando a las clulas neoplsicas de la asparagina que es esencial para su caracterstico rpido crecimiento.En los peroxisomas de los tejidos de mamferos, especialmente en el hgado, existe una menor via enzimtica para la remocin de los grupos aminos de los aminocidos. La L-aminocido oxidasa esta ligada a la FMN y tiene amplia especificidad para los L-aminocidos.Un nmero de sustancias, incluyendo el oxgeno, pueden actuar como receptores de electrones de las flavoprotenas. Si el oxgeno es el receptor el producto es el perxido de hidrgeno, que es entonces rpidamente degradado por las catalasas que se encuentran en el hgado y otros tejidos.La ausencia o la biognesis defectuosa de peroxisomas o de la L-aminocido oxidasa causa hiperaminoacidemia e hiperaminoaciduria generalizados, generalmente conduciendo a neurotoxicidad y muerte temprana.Regreso al inicio

El Ciclo de la UreaPreviamente fue conocido que la glutaminasa renal era la responsable de convertir el exceso de glutamina del hgado a amoniaco urinario. Sin embargo, aproximadamente el 80% del nitrgeno excretado est en la forma de urea que se produce exclusivamente en el hgado, en una serie de reacciones que se distribuyen entre la matriz mitocondrial y el citosol. La serie de reacciones que forman la urea es conocida como Ciclo de la Urea o Ciclo de Krebs-Henseleit.

Diagrama del ciclo de la urea. Las reacciones del ciclo de la urea que ocurren en la mitocondria estn contenidas en el rectngulo rojo. Todas las enzimas estn en rojo, CPS-I es cabamoil fosfato sintetasa-I, OTC es ornitina transcarbamilasa.Las caractersticas esenciales de las reacciones del ciclo de la urea y su regulacin metablica son como sigue: la arginina de la dieta o del metabolismo de las protenas es rota por la enzima citoslica arginasa, generando urea y ornitina. En reacciones subsecuentes del ciclo de la urea un nuevo residuo de urea es construido sobre la ornitina, regenerando arginina y perpetuando el ciclo.Ornitina, que surge en el citosol, se transporta a la matriz mitocondrial a travs de la accin de translocasa ornitina codificada por el ORNT1 gen. El transportador ORNT1 es un miembro delfamilia de transportadores de solutostransportistas y como tal tambin se identifica como SLC25A15. En la ornitina mitocondrias transcabamoylase cataliza la la condensacin de ornitina con fosfato carbamoilo, citrulina produciendo. la energa para la reaccin es proporcionada por el anhdrido de alta energa de carbamolo fosfato. Concomitante con el transporte de ornitina dentro de la mitocondria es la exportacin de citrulina, por SLC25A15, al citosol donde el Las reacciones restantes del ciclo tendr lugar. Tambin es importante en la funcin del ciclo de la urea es el transportador mitochodrial llama citrina. Citrin est implicado en la captacin mitocondrial de glutamato y el aspartato y la exportacin de tales funciones, como en la lanzadera malato-aspartato. Citrin es un Ca2+-dependiente del transportador mitocondrial soluto que es tambin miembro de la portadora de soluto familia de transportadores identificados como SLC25A13.La sntesis de citrulina requiere una activacin previa de carbono y de nitrgeno como carbamoil fosfato (CP). El paso de activacin requiere 2 equivalentes de ATP y de la enzima carbamoil fosfato sintetasa-I (CPS-I) de la matriz mitocondrial. Hay dos CP sintetasas: una enzima mitocondrial, CPS-I, que forma el CP destinado para la inclusin en el ciclo de la urea, y una sintetasa citoslica CP (CPS-II), que est envuelta en labiosntesis del nucletido de pirimidina.La CPS-I es regulada positivamente por el efector alostrico N-acetil-glutamato, mientras que la enzima citoslica es independiente del acetilglutamato.En una reaccin de 2 pasos, catalizada por la arginino succinato sintetasa citoslica, la citrulina y el aspartato son condensados para formar el arginino succinato. La reaccin implica la adicin de AMP (a partir de ATP) al amido carbonil de citrulina, formando un intermediario activado en la superficie de la enzima (AMP-citrulina), y la adicin subsiguiente del aspartato para formar arginino succinato.La arginina y el fumarato son producidos a partir del arginino succinato por la enzima citoslica arginino succinato liasa (tambin llamada arginino succinasa). En el paso final del ciclo la arginasa se libera la urea del arginino, regenerando ornitina citoslica, que puede ser transportada a la matriz mitocondrial para otra ronda de la sntesis de la urea. El fumarato, generado va la accin de la arginino succinato liasa, es reconvertido a aspartato para usarlo en la reaccin de la arginino succinato sintetasa. Esto ocurre a travs de las acciones de las versiones citoslicas de las enzimas delCiclo del TCA, fumarasa (que produce malato) y malato deshidrogenasa (que produce oxaloacetato). El oxaloacetato es entonces transaminado a aspartato por medio de la AST.Comenzando y terminando con la ornitina, las reacciones del ciclo consumen 3 equivalentes de ATP y un total de 4 fosfatos de nucletido de alta energa. La urea es el nico compuesto nuevo generado por el ciclo; todos los otros intermediarios y reactantes son reciclados. La energa consumida en la produccin de urea es ms que la recuperada por la liberacin de la energa formada durante la sntesis de los intermediarios del ciclo de la urea. El amonaco liberado durante la reaccin de la glutamato deshidrogenasa esta acoplado a la formacin del NADH. En adicin, cuando el fumarato se convierte de nuevo a aspartato, la reaccin de la malato deshidrogenasa usada para convertir el malato a oxaloacetato genera un mol de NADH. Estas dos moles de NADH, as, son oxidadas en la mitocondria produciendo 6 moles de ATP.Regreso al inicio

Regulacin del Ciclo de la UreaEl ciclo de la urea funciona solo para eliminar el exceso de nitrgeno. En las dietas de alto contenido proteico los esqueletos de carbono de los aminocidos son oxidados para energa o almacenados como grasa y glicgeno, pero el nitrgeno amino debe ser excretado. Para facilitar este proceso, las enzimas del ciclo de la urea son controladas a nivel del gen. Se han observado cambios en las concentraciones en las enzimas del ciclo de hasta 20 veces ms con cambios a largo plazo en la cantidad de protena diettica. Cuando las protenas dietticas aumentan significativamente, las concentraciones de las enzimas se elevan. De regreso a una dieta balanceada, los niveles de las enzimas decrecen. Bajo condiciones de inanicin, los niveles de las enzimas se elevan mientras las protenas son degradas y los esqueletos de carbono de los aminocidos son usados para proporcionar energa, incrementando as la cantidad de nitrgeno que debe ser excretado.La regulacin a corto plazo del ciclo ocurre principalmente en la CPS-I, que esta inactiva en ausencia de su activadorobligaN-acetilglutamato. La concentracin del estado estacionario deN-acetilglutamato esta determinado por la concentracin de sus componentes acetil-CoA y glutamato y por la arginina, la cual es un efector alostrico positivo deN-acetilglutamato sintasa.

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Desrdenes del Ciclo de la Urea (siglas en Ingls: UCD)Una carencia completa de cualquier enzima del ciclo de la urea dar lugar a muerte temprana despus del nacimiento. Sin embargo, deficiencias en cada una de las enzimas del ciclo de la urea, incluyendo laN-acetilglutamato sintasa han sido identificadas. Estos desrdenes se refieren como desrdenes del ciclo de la urea o UCDs. Ms informacin sobre los UCDs individuales pueden ser encontrados en las pginasErrores innatos en el metabolismo. Una condicin comn a la mayora de UCDs es la hiperamonemia que conduce a la intoxicacin con amonaco con las consecuencias descritasdebajo. La qumica sangunea tambin mostrar elevaciones en la glutamina. Adicionalmente a la hiperamonemia, todos los UCDs se presentan con encefalopata y alcalosis respiratoria. La presentacin ms dramtica de los sntomas de UCD ocurre en neonatos entre las 24 y 48 horas despus del nacimiento. Los infantes afectados exhiben sntomas progresivos de deterioro debido a los niveles elevados de amoniaco. Las deficiencias en arginasa no conducen a hiperamonemia sintomtica tan severa o tan comnmente como en otros UCDs. Las deficiencias en carbamoil fosfato sintetasa I (CPS I), ornitina transcarbamoilasa, arginino succinato sintetasa y arginino succinato liasa abarcan los UCDs neonatales comunes. Al hacer un diagnostico de UCD neonatal basado en los sntomas presentados y de la observacin de hiperamonemia, es posible hacer un diagnostico diferencial en cuanto a cual de las cuatro deficiencias de las enzimas es la causa como se demuestra en la figura abajo:

Esquema para el diagnostico diferencial (DDx) de UCD neonatal. La presentacin de hiperamonemia entre 24 y 48 hrs. despus del nacimiento (pero no antes de 24 hrs. despus del nacimiento) indicara probablemente un UCD. Este diagnostico puede ser confirmado por la ausencia de acidosis o de cetosis. La primera prueba diagnstica es ensayar los niveles plasmticos de citrulina. Niveles moderadamente altos son indicativos de deficiencia de arginino succinato liasa (ALD) y niveles extremadamente altos indicativos de deficiencia de arginino succinato sintetasa (ASD). Si no existe citrulina o los niveles son bajos entonces se puede utilizar el anlisis del cido ortico en la orina para distinguir la deficiencia de CPS I (CPSD) o de OTC (OTCD).Los sntomas clnicos son ms severos cuando el UCD est en el nivel de carbamoil fosfato sintetasa I. Los sntomas de los UCD se presentan en el nacimiento y abarcan generalmente, ataxia, convulsiones, letargo, alimentacin pobre y eventualmente coma y muerte si no son reconocidos y tratados adecuadamente. De hecho, el ndice de mortalidad es del 100% para UCD que son dejados sin diagnostico. Varios UCD se manifiestan con inicio tardo por ejemplo en la edad adulta. En estos casos los sntomas son hiperactividad, hepatomegalia y una evasin de los alimentos de elevado valor proteico.En general, el tratamiento de UCD tiene como elementos comunes la reduccin de protena en la dieta, remocin del exceso de amonaco y reemplazo de los intermediarios que faltan del ciclo de la urea. La administracin de levulosa reduce el amonaco por su accin de acidificar el colon. Las bacterias metabolizan la levulosa para acidificar los subproductos que entonces promueven la excrecin de amonaco en las heces como iones de amoniaco, NH4+. Los antibiticos pueden ser administrados para matar a las bacterias que producen amonaco intestinal. El benzoato de sodio y el fenilacetato de sodio pueden ser administrados para unirse covalentemente a la glicina (formando hipurato) y a la glutamina (formando fenilacetilglutamina), respectivamente. Estos ltimos compuestos, que contienen el nitrgeno del amonaco, son excretados en las heces. El Ammunol es una solucin intravenosa de 10% de benzoato de sodio y 10% de fenilacetato de sodio aprobada por la FDA, usado en el tratamiento de hiperamonemiaagudaen pacientes con UCD. Sin embargo, la hemodialisis es el nico medio eficaz para reducirrpidamenteel nivel de amonaco circulante en pacientes con UCD. El Buphenyl es una medicacin oral aprobada por la FDA para la terapia adjuntacrnicade hiperamonemia en pacientes con UCD. La suplementacin diettica con arginina o citrulina puede aumentar el ndice de la produccin de urea en ciertos UCDs.Regreso al inicio

Tabla de UCDsUCDDeficiencia de la enzimaSntomas/comentarios

Hiperamonemia Tipo I, CPSDCarbamoil fosfato sintetasa ICon 24h72h despus del nacimiento el infante se pone letrgico, necesita estimulacin para alimentarse, vomita, se incrementa el letargo, la hipotermia y la hiperventilacin; sin la medida de los niveles de amonaco srico y apropiada intervencin el infante morir: el tratamiento con arginina que activa laN-acetilglutamato sintetasa

Deficiencia deN-acetilglutamato sintetasaN-acetilglutamato sintetasaSevera hiperamonemia, hiperamonemia moderada asociada con coma profundo, acidosis, diarrea recurrente, ataxia, hipoglucemia, hiperornitinemia: el tratamiento incluye la administracin de carbamoil glutamato para activar la CPS I

Hiperamonemia Tipo 2, OTCDOrnitina transcarbamoilasaLa mayor UCD que comnmente ocurre, solamente ligado al X UCD, el amonaco y los aminocidos elevados en suero, cido ortico elevado en suero debido al carbamoilfosfato mitocondrial entrando al citosol y siendo incorporado en los nucletidos de pirimidina que conducen a un exceso de produccin y consecuentemente exceso de productos catablicos: el tratamiento con alta cantidad de carbohidratos, dieta proteica baja, desintoxicacin de amonaco con fenilacetato de sodio o benzoato de sodio

Citrulinemia clasica, ASDArginosuccinato sintetasaHiperamonemia episdica, vomito, letargo, ataxia, convulsin, eventual coma: tratar con administracin de arginina para realzar la excrecin de citrulina, tambin con benzoato de sodio para la desintoxicacin de amonaco

Argininosuccinil aciduria, ALDArginosuccinato liasa (argininosuccinasa)Sntomas episdicos similares a citrulinemia clsica, arginino succinato elevado en plasma y liquido espinal: tratamiento con arginina y benzoato de sodio

Hiperargininemia, ADArginasaUCD raro, cuadriplegia espstica progresiva y retraso mental, amonaco y arginina elevados en lquido espinal cerebral y suero, altos niveles de arginina, lisina y ornitina en orina: el tratamiento incluye dieta de aminocidos esenciales excepto arginina, dieta proteica baja

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La Homeostasis de Nitrgeno en el CerebroEl amonaco es una neurotoxina graves y como tales trastornos que conducen a niveles elevados de amonaco circulante, como la UCD, as como la disfuncin heptica severa, puede resultar en graves consecuencias para el sistema nervioso central sistema (SNC; siglas en Ingls: CNS) e incluso la muerte. Hiperamonemia ejerce principales efectos negativos sobre el sistema nervioso central a travs de acciones que alteran el metabolismo y la funcin de las clulas protectoras gliales llamadas astrocitos. El amonaco de entrar en el cerebro de la circulacin es inicialmente incorporado en glutamina formador de glutamato a travs la accin de la glutamina sintetasa. Este proceso puede afectar los niveles de glutamato en las neuronas sinpticas.Dentro del SNC glutamato es el neurotransmisor excitatorio principal. Las neuronas que responden al glutamato se conocen como neuronas glutaminrgico. Postsinpticos neuronas glutaminrgico poseen tres tipos distintos de receptores que el glutamato se unen liberada por las neuronas presinpticas. Estos receptores se han identificado sobre la base de sus afinidades de unin para ciertos sustratos y son, por lo tanto referido como el kainato el, 2-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxalone cido propinico (AMPA) y N-metil-D-aspartato (NMDA). Glutaminrgico neuronas son responsables de la mediacin de muchos procesos vitales tales como la codificacin de la informacin, la formacin y la recuperacin de la memoria, el reconocimiento espacial y el mantenimiento de la conciencia. El exceso de excitacin de los receptores de glutamato se ha asociado con la fisiopatologa de la lesin hipxico, hipoglucemia, accidente cerebrovascular y la epilepsia.Dentro del SNC hay una interaccin entre el flujo sanguneo cerebral, las neuronas, y los astrocitos de proteccin que regula el metabolismo del glutamato, glutamina y amoniaco. Este proceso se conoce como elglutamato-glutamina cicloy es un proceso metablico crtico central para el metabolismo general glutamato cerebral. Uso de las neuronas presinpticas como punto de partida el ciclo comienza con la liberacin de glutamato de las vesculas secretoras presinpticos en respuesta a la propagacin de un impulso nervioso a lo largo del axn. La liberacin de glutamato es un proceso dependiente de calcio que implica la fusin de glutamato que contiene vesculas presinpticas con la membrana neuronal. Luego de la liberacin del glutamato en la sinapsis que debe ser rpidamente eliminado para evitar el exceso de excitacin de la las neuronas postsinpticas. Glutamato sinptica se elimina por tres procesos diferentes. Se puede tomar hasta inot la postsinptica celular, que puede someterse la recaptacin en la clula presinptica de la que se libera o se puede tomar hasta por tercera no neuronal de clulas, a saber, los astrocitos. Las neuronas postsinpticas eliminar el glutamato de la sinapsis poco y aunque no se activa la recaptacin en las neuronas presinpticas este ltimo proceso es menos importante que el transporte en los astrocitos. El potencial de la membrana de los astrocitos es mucho menor que la de las membranas neuronales y esto favorece la absorcin de glutamato por el astrocito. Captacin de glutamato por los astrocitos est mediada por los sistemas de sodio-independientes y dependientes de sodio. Los sistemas de sodio-dependientes tienen una alta afinidad por glutamato y son el predominante glutamato mecanismo de absorcin en el sistema nervioso central. Existen dos tipos de astroctico dependiente del sodio los transportadores de glutamato identificado como EAAT1 (en InglsExcitatoryAminoAcidTransporter 1; tambin llamado GLAST) y EAAT2 (tambin llamado GLT-1).

Cerebro glutamato-glutamina ciclo. Ion amonio (NH4+) en la sangre es tomada por los astrocitos e incorporado en glutamato a travs glutamina sintetasa. La glutamina luego se transporta a travs de las neuronas presinpticas SLC38A7 (tambin llamado sodio-acoplado transportador de aminocidos neutros 7, SNAT7). Dentro de la neurona presinptica de glutamato est formado a partir de la glutamina a travs la accin de la glutaminasa. El glutamato se empaqueta en vesculas secretoras para la liberacin despus de la activacin de un potencial de accin. Glutamato en la hendidura sinptica puede ser absorbido por los astrocitos a travs de los EAAT1 y EAAT2 transportistas (transportadores de aminocidos excitatorios 1 y 2, tambin conocida como gliales transportadores de alta afinidad glutamte). Dentro de la astrocyter el glutamato se convierte de nuevo a glutamina. Algunos de la glutamina astrocito puede ser transportado en la sangre a travs de la accin de la SLC38A3 transportador (tambin llamado sodio acoplado transportador de aminocidos neutros 3, SNAT3).

Despus de la absorcin de glutamato, los astrocitos tienen la capacidad de disponer de los aminocidos a travs de la exportacin a la de sangre por los capilares que lindan con los procesos de los pies de los astrocitos. El problema con la eliminacin de glutamato a travs este mecanismo es que eventualmente se traducira en una prdida neta de carbono y nitrgeno desde el SNC. De hecho, el resultado de la captacin de glutamato astroctico es su conversin a la glutamina. La glutamina lo tanto, sirve como un "depsito" para el glutamato pero en la forma de un no-neuroactivo compuesto. La liberacin de glutamina a partir de astrocitos permite que las neuronas glutamato derivan de este compuesto de origen. Los astrocitos fcilmente convertir glutamato a glutamina a travs de la reaccin catalizada por la glutamina sintetasa como este microsomal enzima es abundante en estas clulas. En efecto, los datos demuestran que histoqumicas la gla son esencialmente las nicas clulas del SNC que llevan a cabo la reaccin de la glutamina sintetasa. El amonaco que se utiliza para generar glutamina se deriva de la sangre o cualquiera de los procesos metablicos que ocurren en el cerebro. Como se seala ms adelante, durante los perodos de glutamina hiperamonemia astroctica los niveles pueden aumentar de manera tan abrupta que la gla puede hincharse que resulta en dao celular y la muerte.Al igual que la captacin de glutamato por los astrocitos, productos neuronales de captacin de glutamina a travs de ambos mecanismos de sodio-dependientes y sodio-independiente. El transportador de glutamina importante tanto en las neuronas excitadoras e inhibidoras es el sistema N transportador de aminocidos neutros SLC38A7 (tambin llamado SNAT7). El destino metablico predominante de la glutamina tomada por las neuronas es la hidrlisis de glutamato y amonaco a travs de la accin de la enzima mitocondrial, fosfato dependiente de la glutaminasa (siglas en Ingls: PAG). El fosfato inorgnico (Pi) necesario para esta reaccin se deriva principalmente de la hidrlisis de ATP y su funcin es reducir el KMde la enzima de la glutamina. Durante la despolarizacin se produce un aumento repentino en el consumo de energa. La hidrlisis de ATP por lo tanto favorece la hidrlisis comcomitant de glutamina a glutamato por resultado aumento de Pi. Debido a que existe una necesidad de reponer el ATP pierde durante metablica despolarizacin neuronal Las reacciones que debe generar ATP debe aumentar. Se ha encontrado que no todos glutamato neuronal que se deriva de glutamina se utiliza para reponer la piscina neurotransmisor. Una porcin del glutamato puede ser oxidado dentro de las clulas nerviosas despus de transaminacin. La reaccin de transaminacin principio implica la aspartato aminotransferasa (AST) y los rendimientos -cetoglutarato (2-oxoglutarato) que es un sustrato en el ciclo de Krebs. La glutamina, por lo tanto, no es simplemente un precursor de glutamato neuronal pero un combustible potencial, que, como glucosa, apoya la energa neuronal requisitos.El glutamato, un neurotransmisor que se libera como, es tomado por los astrocitos, se convirti al glutamina, liberada de nuevo a neuronas donde se convierten de nuevo a glutamato representa la completa glutamato-glutamina ciclo. La importancia de este ciclo para la manipulacin cerebral glutamato es que promueve varios procesos crticos de la funcin del SNC. El glutamato se elimina rpidamente de la sinapsis mediante la absorcin de los astrocitos con ello prevenir la sobre-excitacin de la neurona postsinptica. dentro de el glutamato astrocitos se convierte en glutamina, que es, en efecto, un compuesto no-neuroactivo que puede ser transportado de nuevo a las neuronas. La captacin de glutamina por las neuronas proporciona un mecanismo para la regeneracin de glutamato que se ve aumentada por la generacin de Pi, como resultado del consumo de ATP durante la despolarizacin. desde las neuronas tambin necesitan para regenerar el ATP perdida, el glutamato puede servir como un esqueleto de carbono para la oxidacin en el ciclo de Krebs. Por ltimo, pero significativamente, la incorporacin de amonaco en glutamato en el astrocito sirve como un mecanismo para amortiguar cerebro amonaco.El ciclo glutamato-glutamina no representa el destino nico de glutamato en el SNC. El cerebro activamente oxida glutamato. De hecho, los datos demuestran que la tasa de oxidacin de glutamato puede ser tan alta que el aminocido tericamente podran sustituir a la glucosa como fuente de energa. El principal mecanismo de oxidacin de glutamato parece ser la AST reaccin como se ha indicado anteriormente. Dentro del SNC ambas neuronas y astrocitos tambin puede oxidar glutamato a travs de la reaccin catalizada por el glutamato deshidrogenasa. Aunque esta ltima reaccin puede representar un gran las rutas de tomos de carbono de glutamato que se oxidan a travs del ciclo de Krebs, los estudios han demostrado que cuantitativamente la reaccin ms importante para la oxidacin catalizada por el glutamato es un por AST.Durante los perodos de glucosa metabolismo basal sirve como el principal combustible metablico del cerebro. Durante el hambre, la cetoacidosis los resultados debido a una mayor oxidacin de cidos grasos en el hgado. El cerebro extrae los cuerpos cetnicos, -hidroxibutirato y acetoacetato, desde la sangre a utilizar como combustibles principales durante los perodos en que la glucosa es escasa. Aunque, como se indica, el cerebro oxida glutamato, hay poco pasaje de cualquiera de glutamato o glutamina travs de la barrera sangre-cerebro. Por lo tanto, ninguno de aminocidos puede servir como un sustrato metablico convencional. Sin embargo, ambos compuestos son importantes a la produccin total de energa del cerebro. Durante los perodos de hipoglucemia, el consumo de los incrementos de glutamato y glutamina. Del mismo modo, durante los perodos de acidosis, cuando el flujo glucoltico est restringida, los astrocitos aumentan consumo de ambos glutamato y glutamina. Aunque el ciclo glutamato-glutamina implica una liberacin neta de glutamina por los astrocitos, estas clulas tambin puede oxidar glutamina. Tal como se ha descrito anteriormente para las neuronas, los astrocitos se pueden convertir glutamina volver al glutamato a travs de la reaccin catalizada PAG. La oxidacin de glutamato por los astrocitos aumenta a medida que los niveles de este aumento de aminocidos.La evidencia experimental indica que si nerviosas reacciones de transaminacin de clulas se inhiben hay una inhibicin concomitante en la oxidacin de glutamato junto con aumentos significativos en la intracelular los niveles de este aminocido. Por lo tanto, ya que el cerebro puede oxidar glutamato (y de manera similar glutamina) hay un requisito para una fuente de nitrgeno para compensar el glutamato y glutamina consumida durante el proceso de oxidacin. La glutamina tambin pueden ser transportados fuera del SNC, un mecanismo que puede reflejar el mantenimiento del equilibrio metablico general. La principal fuente de tomo de carbono para el glutamato y glutamina sntesis es la glucosa. La glucosa es el sustrato ideal para este proceso, ya que pasa fcilmente de la sangre al cerebro a travs de GLUT3 mediada por el transporte y en el cerebro se oxida a travs del ciclo de Krebs a 2-oxoglutarato, que se transaminado travs de AST para dar glutamato. La fuente principal de los grupos amino en el glutamato es probable que sea otro aminocido (o aminocidos) desde poco o ningn glutamato cruza la barrera sangre-cerebro barrera. La razn obvia para un bloque para el transporte de glutamato en el cerebro es que las cantidades relativamente grandes de glutamato en el espacio extracelular del cerebro podra causar despolarizacin inadecuado de neuronas susceptibles. Por lo tanto, una fuente alternativa de grupos amino para apoyar la sntesis de cido glutmico necesita para ser puesto a disposicin del sistemaLos aminocidos de cadena ramificada (siglas en Ingls: BCCA; leucina, isoleucina y valina) son candidatos ideales como los aminocidos de los donantes cerebro sntesis glutamato. Todos los tres aminocidos son fcilmente transportados a travs de la la barrera hematoenceflica con leucina cruzar de manera ms eficiente que cualquier otro aminocido cido. Dentro de muchos tejidos perifricos los BCAA se sabe que son fuentes importantes de los grupos amino en glutamato. El cerebro tiene abundante actividad de aminocidos de cadena ramificada aminotransferasa y los astrocitos son un tipo de clula principal implicada en el metabolismo de BCAA y cetocidos correspondientes. La evidencia experimental ha demostrado que hasta un 25-30% del nitrgeno en presnet glutamato cerebral y glutamina es, de hecho, derivados de leucina solo. La reaccin aminotransferasa de cadena ramificada es libremente reversible y el cido amino primario se regenera fcilmente desde el cetocido correspondiente. La interrelacin entre el cerebro y la leucina glutamato sugiere que es posible que haya un ciclo de leucina-glutamato que funciona en concierto con el ciclo glutamato-glutamina. La interaccin de estos ciclos refleja el hecho de que cerebro leucina entrar desde la periferia es transaminado para dar un cetocido y glutamato. El glutamato se puede convertir en glutamina, que se libera a las neuronas y hay reconvertido al glutamato. Adems, el cetocido formado a partir de leucina, en el curso de la reaccin BCAA aminotransferasa, tambin es liberado desde astrocitos y es captada por las neuronas. Dentro de las neuronas del cetocido puede transaminado con el glutamato para regenerar leucina. La leucina puede ser transportado de vuelta a los astrocitos, que completa la supuesta leucina-glutamato ciclo. Los beneficios metablicos de este ciclo propuesto son relacionado con el hecho de que presenta un mecanismo eficaz para la absorcin de nitrgeno amino de la periferia y la sntesis posterior de glutamato y glutamina. Adems, puesto que la reaccin BCAA aminotransferasa es libremente reversible, el reamination de una cadena ramificada cetocido a unos resultados de cido amino primarios en la red consumo de glutamato que sirve como un tipo de tampn glutamato.Una consideracin final en el contexto de la homeostasis del nitrgeno del SNC es el medio por el cual el dispone del cerebro de residuos de nitrgeno ya que el cerebro no puede sintetizar la urea. El cerebro genera amonaco y su nivel de generacin aumenta considerablemente durante la despolarizacin neuronal. La fuente del amonaco durante este proceso es la hidrlisis enzimtica de glutamina (derivado de los astrocitos) dentro de las neuronas a travs de la reaccin catalizada PAG. Una fraccin ms pequea de la generacin de amonaco cerebro es el resultado de la desaminacin oxidativa de glutamato a travs de la reaccin catalizada por el glutamato deshidrogenasa. Por lo tanto, la sntesis de glutamina por los astrocitos y su transporte a la sangre proporciona una mecanismo importante para la eliminacin de exceso de nitrgeno desde el cerebro.