Ciclo de la urea y alteraciones

Mg Inés Arnao Salas

2013

EAP Medicina Humana

• Eliminación del grupo amino: Reacciones de

Transaminación, Descarboxilación y

Desaminación oxidativa.

• Utilización del amonio: Glutamato deshi-

drogenasa, glutamina sintetasa, asparagina

sintetasa, carbamoil-P sintetasa.

• Ciclo de la úrea: funciones y alteraciones.

• Transportadores de úrea.

• Aplicación clínica: deficiencia de Ornitina

transcarbamilasa.

Eliminación del grupo amino

Reacciones de eliminación del grupo amino

• Transaminación

• Desaminación Directa

• A) Serina deshidratasa. Requiere de PP y forma piruvato

• B) Treonina deshidratasa. Requiere de PP y forma cetobutirato

• C) Glutaminasa y asparaginasa

• D) Histidina urocanato

• Desaminación oxidativa

• A) Glutamato deshidrogenasa

• B) L-amino oxidasa

• C) D-amino oxidasa

Transaminación

• Primer paso del catabolismo de la mayoría de AA.

• Enzimas: aminotransferasas (hígado, riñón, intestino y músculo)

• Sustratos: alfa AA y alfa ceto glutarato.

• Productos: alfa cetoácido (der del AA original) y glutamato.

• Coenzima: piridoxal P

• Usan los pares Glu/CetoGlut, Asp/OA, Ala/pyr.

• Excepción: lisina y treonina.

• Enzimas inducibles (tiroxina, glucocorticoides)

Componentes de la transaminación

• Son específicas para uno o unos pocos donadores de grupo amino.

• Funcionan en el anabolismo y catabolismo. Reacción reversible

• AST : aminotransferasa aspártica o TGO.

• Transfiere grupos amino del glutamato al OA para formar aspartato ciclo de la úrea.

• ALT: aminotransferasa alanina o GPT

• Transfiere grupos amino de la alanina al cetoglutarato piruvato y glutamato ”colector” de N procedente de la alanina.

Especificidad de sustrato

TRANSAMINACIÓN

Keq = 1

Reacciones de desaminación no oxidativa

• Serina deshidratasa

L-Serina Piruvato + NH4+

• Treonina deshidratasa

L-Treonina a- cetobutirato + NH4+

Fosfato de Piridoxal

Fosfato de Piridoxal

Eliminación del grupo amino

Enzima mitocondrial,

dependiente de P

Muy activa en

hígado, riñón,

branquias.

En hígado, inhibida

por pH bajo y

estimulada por NH3

Glutamato deshidrogenasa

Mitocondria

Hígado, riñón

Alto Km para NH3

Para liberar el grupo amino, la

transaminación se acopla a la GluDH

En el catabolismo de AA, actúa de manera concertada con la GDH.

Las amino oxidasas eliminan grupos amino

D amino amino en plantas y paredes celulares de microorganismos. Presentes en la dieta y se metabolizan en el hígado.

Estas flavoproteínas se

encuentran en los

peroxisomas junto con la

catalasa

Riñón e hígado de

mamíferos

Fijación del NH3

Biogénesis del N orgánico

Carbamoil P sintetasa

• Existen 2 isoenzimas:

a) mitocondrial (CPS-I) .

NH3 + HCO3- + 2ATP CP + 2ADP + Pi

b) citosólica (CPS-II)

Gln + HCO3- + 2ATP + H2O

CP + 2ADP + Pi + Glu

Glutamato deshidrogenasa

CE 1. 4. 1. 2

Aminación reductiva

Mitocondria

NH4+ Cetoglutarato +

NADH + H+

NAD+

Estimulada

por ADP y

GDP

NADPH + H+

NADP+

Estimulada

por ATP y

GTP

Glutamato

GLUTAMATO

DESHIDROGENASA

Glutamato deshidrogenasa

Homohexamérica

Glutamato DH humana

• GLUD 1 y GLUD 2, en matriz mitocondrial.

• GLUD 1: hígado, cerebro, páncreas y riñones

pero no en músculos.

• Importante en el metabolismo del N, glutamato y

homeostasis energética.

• Inhibido por GTP

• GLUD 2: retina, testículos y cerebro.

• Importante para reciclar el glutamato en la

neurotrasmisión.

Efectos multi-orgánicos de HHS

Neurochem Int. 2011: 59(4): 445–455

Efectos multi-orgánicos de HHS

Neurochem Int. 2011: 59(4): 445–455

Glutamina

• Acarreador importante del amonio.

• Donador de grupo amino de muchas reacciones biosintéticas.

• Síntesis en músculo hígado y riñón.

• Concentración en estado post- absortivo = 0.5-0.6 mmol/l.

Regulación de la glutamina sintetasa

• Citosólica.

• El hígado y cerebro

• Formada por 8

subunidades idénticas,

pudiendo existir como

tetrámero.

• Inhibidores: gly, ser, ala

y C-P.

• Activador: oxoglutarato

• (+) desadenilación:

activa

• (-) adenilación : inactiva

• Inhibida por metionina

sulfoximina.

GS

GS AMP

activa

inactiva

Asparagina sintetasa

Equilibrio en el metabolismo de amonio

• Fuentes:

• 1.- Transaminación acoplada a GDH

• Oxidasa de AA (peroxisómica)

• 3.- Serina y treonina deshidratasa

• 4.- Aminooxidasa (mitocondrias)

• 5.- Hidrólisis de Gln intestinal y renal

• Escisión de la Gly enNH4, CO2 formando N5,N10 metilenTHF

• Desaminación de purina y pirimidinas

• Ureasa bacteriana

• Utilización:

• 1.- Síntesis de Glutamato (GluDH)

• 2.- Síntesis de Glutamina

• 3.- Síntesis de úrea

• 4.- Excreción de NH4+ en orina

En tejidos extra hepáticos se realiza la

remoción de 2 mol de amonio

NADH NAD+

a-Ketoglutarate + NH4+ Glutamate

Glutamine

NH4+ + ATP

ADP + Pi

Glutamato deshidrogenasa

Glutamine sintetasa

Excreción de amonio a nivel renal

Glutaminasa

Glutamate

Glutamine

NH4+

a-Ketoglutarate

+

NH4+

NAD+ NADH

Glutamate dehydrogenase

Proceso sensible a pH. Mantiene la homeostasis ácido básica y elimina N

Glutaminasa mitocondrial dependiente de P

(30%)

En el hígado, el N de los AA se convierte

en úrea

a-Amino acid

a-Keto acid

a-Ketoglutarate

Glutamate

Aminotransferase

NAD+ + H2O

Glu dehydrogenase

NADH + NH4+

UREA

Urea

cycle

Transporte de N al hígado

Etapas en la eliminación del

amonio

Ciclo de la UREA

Excreción de compuestos N urinario

• Compuesto Fuente

• Urea catabolismo de AA,

formación de amonio

• Urobilinógeno ruptura del hemo

• N-Metilhistidina ruptura de la proteína

miofibrilar

• Creatinina creatina muscular

• Aminoácidos proteínas tisulares,

pirimidinas

• Acido úrico Degradación de purinas

1. Urea es el 85-90% del nitrógeno en orina (20-35 g / 24 h). 2. Amonio es 2-3% (0.7-1 g) 3. El resto de compuestos nitrogenados (10%): ácido úrico, creatinina , creatina

Ciclo de la úrea

• Transforma el ión amonio en úrea.

• Permite la síntesis de arginina.

• Localización: mitocondrias y citosol del

hepatocito.

• Se requiere 4 enlaces de alta energía .

• Los átomos de N provienen: NH4+ y Asp

GlutDH NH4+ Carbamil-P úrea

Glu

AST Asp Arginosuccinato úrea

Comprende las siguientes reacciones:

1. Síntesis de carbamil fosfato

2. Síntesis de citrulina

3. Síntesis de argininsuccinato

4. Ruptura de argininsuccinato

5. Hidrólisis de arginina

CICLO DE LA UREA

Balance del ciclo de la úrea

Glutamina

Glutamina

Hepatocitos periportales Hepatocitos perivenosos

Glutamina

Glutamato

NH4+

1 Urea

Vena porta

Glutamina

NH4+

Glutamato

NH4+

2

Vena hepática

Urea

Ciclo glutamato/glutamina

Ciclo de la urea

Eliminación del amonio

Regulación de la ureogénesis

• Existen 2 tipos de regulación:

1) Control a largo plazo: proteínas de la dieta y ayuno.

2) Corto plazo: carbamil-P sintetasa I.

activador alostérico: N-acetil glutamato

• La síntesis de carbamil-P depende de las concentraciones mitocondriales de Arg y Glu

Glu

Fumarato

2ATP

2ATP

NH4+

+

HCO3-

Carbamil-P

Glutamato

Aminoácidos

N-acetilGlutamato

+

+ Arg

Acetil- CoA

Citrulina

Ornitina

Ornitina

Citrulina

Arginina

Arginosuccinato

Aspartato

Urea

4

5

3

1

2

Mitocondria Citosol

Relaciones del ciclo de la úrea con el

ciclo de Krebs

NH4+

RIÑON

Urea

2-Oxo

-glut

HCO3-

NH4+ NH4

+

HCO3- (1) Urea Urea

HIGADO

Glucosa Glucosa

(4) Glu

Gln (3)

NH4+

(2)

Glu

Gln Su

stra

tos

ener

gét

icos

Respuesta a la acidosis metabólica de los mecanismos de eliminación de amonio

30%

70%

Rol del riñón bajo condiciones

fisiológicas (a) y en acidosis (b)

a b

J Clin Nutr 2004; 79: 185-97

Destino de la urea

• Excreción a nivel renal

• Parte de la urea difunde al intestino:

ureasa bacteriana.

• Pacientes con insuficiencia renal:

hiperamonemia

Transportadores de úrea (UT)

• La reabsorción pasiva de úrea se realiza mediante proteínas transportadoras de úrea (UT)

• UT-A1-4 son expresados en túbulos renales y UT-A5 sólo en testículos.

• UT-B1 es expresado en los glóbulos rojos.

• Niveles altos de úrea en los fluídos, participan en mecanismos de osmoregulación.

• Niveles urémicos de úrea inhiben el transporte de Arg en células endoteliales.

Niveles de urea y amonio en

sangre

• Significado fisiológico:

• Uremia : índice de funcionamiento renal

• Amonemia: índice de funcionamiento hepático.

Hiperamonemia > 60 umoles/L

• La deficiencia de alguna de las enzimas del

ciclo de la urea suelen conllevar a

hiperamonemia y alcalosis respiratoria.

• Manifestaciones: letargia, hipotermia y apnea,

Visión borrosa, temblores, habla incoherente y

por último coma y muerte

Hiperamonemias

Hiperamoniemias congénitas Hiperamoniemias adquiridas

Defectos del ciclo de la urea Síndrome de Reye

Defecto de transporte de los metabolitos intermediarios del ciclo de la urea:

LIP (Intolerancia proteica lisinúrica) y HHH.

Fallo hepático

Acidurias orgánicas Tratamiento con valproato

Trastornos de la beta-oxidación

de los ácidos grasos

Infecciones por bacterias ureasa

Otros errores innatos del metabolismo Tratamiento de la leucemia

Enfermedades sistémicas graves (RN)

Alteraciones en el transporte de

aminoácidos

Biochemical Society Transactions (2005) Volume 33, part 1

Síndrome HHH

• Hiperornitemia, hiperamonemia, Homocitrulinemia

• Deficit de transporte de la ornitina a la mitocondria.

• Ello causa una deficiencia funcional de ornitina transcarbamilasa y ornitina aminotransferasa.

• Los signos clínicos iniciales son el coma por hiperamonemia, convulsiones e hipotonía, puede causar deficiencia mental.

• Características bioquímicas: hiperamonemia, excreción urinaria de homocitrulina, hiperornitinemia plasmática y excreción elevada de ácido orótico.

Enfermedades congénitas del

ciclo de la úrea • Hiperamonemia I: CP-sintetasa.

• Hiperamonemia II: OTC

• Deficiencia de argininosuccinato sintetasa: citrulemia, hiperamonemia.

• Deficiencia de arginosuccinato liasa: argino-succinato en sangre.

• Deficiencia de arginasa: Argininemia.

• Deficiencia de acetilglutamato sintasa: hiperamonemia

Hiperamonemia tipo I

Hiperamonemia tipo I

Citrulinuria

Acidemia arginosuccínica

Deficit de

arginasa

Causas de la toxicidad del

amonio • Interfiere con los intercambios iónicos a

través de membrana.

• Disminuye la concentración de alfa cetoglutarato.

• El NH4+ se incorpora al Glu Gln (edema cerebral).

• La Gln forma por transaminación alfa ceto glutarámico (tóxico).

⇑ [NH4+] ⇑ uso deα-cetoglutarato ⇓ TCA ⇓ [ATP] Necrosis

Celular

Caso clínico: Hiperamonemia

• Un lactante de 6 meses comenzó a vomitar de forma ocasional y dejó de ganar peso.

• Las pruebas habituales de laboratorio: normales

• Síntomas: somnolencia habitual, temperatura: 39.4 ºC, pulso acelerado y hepatomegalia.

• Electroencefalograma : numerosas anomalías.

• El lactante no retenía la leche (por sonda) por lo que se le administró glucosa por vía i.v. Mejoró

• Análisis de orina: presencia de Gln y uracilo .

• Análisis de sangre: hiperamonemia.

Preguntas de bioquímica

• ¿Qué enzimas podrían estar afectadas?

• ¿Por qué la concentración de Gln era elevada?

• ¿Cómo se altera el equilibrio ácido-básico por la hiperamonemia?

• El paciente fue tratado usando los procedimientos disponibles: Dieta de 1.5 g/kg de peso (2 años). Su peso y estatura fueron normales.¿Cuál es el efecto de la dieta en un niño en crecimiento en términos de equilibrio N?

• ¿Cómo trataría a un paciente similar el día de hoy?

60 h tras el nacimiento

Síntomas clínicos

Alcalosis respiratoria

hiperamonemia

Plasma

L-citrulina no detectable L-citrulina elevada

Eliminación renal de orotato

normal anormal

Déficit de

CPS-I Déficit de

OTC

Alteraciones

compensadoras

L-arginina

L –ornitina

L-glutamina

L-alanina

L-argino succinato

Déficit de argino-

succinato sintetasa

Déficit de argino-

succinasa

Diagnóstico de

enfermedades

del ciclo de la úrea

Acido fenilacético

Fenilacetil glutamina

Acido hipúrico Glicina Benzoato

Glutamina

Tratamiento de hiperamonemias

200 a 600 mg/kg/día

200-300 mg/kg/día

Tratamiento de Hiperamonemias con

Cetoácidos

Valina Leucina

Bibliografía

• Bioquímica : Herrera

• Bioquímica un enfoque clínico: Marks

• Bioquímica : Mathews

• Bioquímica: Montgomery

• Bioquímica: Díaz Zagoya – Hicks

• Bioquímica clínica: González de Buitrago

• Bioquímica: Villavicencio

• Van de Poll, Marcel y col. Renal metabolism of aminoacids: its role in interorgan aminoacid. Am J Clin Nutr 2004; 79: 185-97

MUCHAS GRACIAS

POR SU ATENCIÓN