Fuentes de amoníaco y vías de su neutralización
El nitrógeno ingresa al organismo principalmente como parte de aminoácidos, aminas biógenas y nucleótidos. Durante su catabolismo se forma amoníaco (NH₃), un compuesto nitrogenado clave que debe ser desintoxicado obligatoriamente debido a su alta neurotoxicidad.
Principales vías de excreción de nitrógeno del organismo:
- síntesis de urea en el hígado (ciclo de la ornitina) — la vía principal;
- síntesis de glutamina en los músculos, cerebro y otros tejidos — vía temporal universal de neutralización;
- excreción de sales de amonio por los riñones (debido a la desaminación de la glutamina);
- formación de glutamato en el cerebro y alanina (en los músculos e intestino) — formas de transporte de nitrógeno.
Síntesis de glutamina como vía universal de neutralización del amoníaco
La reacción ocurre prácticamente en todos los tejidos. La enzima glutamina sintetasa cataliza la adición de una molécula de NH₃ al grupo γ-carboxilo del glutamato con la formación de un grupo amida:
Glutamato + NH₃ + ATP → Glutamina + ADP + Pi
El gasto de un enlace macroérgico de ATP garantiza la irreversibilidad termodinámica de la reacción. La glutamina resultante sirve como forma de transporte no tóxica del amoníaco: se transporta por la sangre al hígado (para la síntesis de urea) y a los riñones (para la formación de sales de amonio).
Transporte de nitrógeno al hígado
Desde los músculos y el intestino, el nitrógeno se transporta principalmente en forma de alanina. En los tejidos, a través de reacciones de transaminación, el grupo amino se transfiere al piruvato, y la alanina resultante ingresa a la sangre y posteriormente al hígado.
En los hepatocitos, la alanina participa en la transaminación con el α-cetoglutarato (enzima ALT), formando glutamato. El glutamato se somete a una desaminación oxidativa por la enzima glutamato deshidrogenasa con la formación de α-cetoglutarato y NH₃ libre, el cual ingresa al ciclo de la ornitina.
Ciclo de la ornitina (ciclo de la urea de Krebs-Henseleit)
El conjunto completo de enzimas está localizado exclusivamente en el hígado. Las primeras dos reacciones ocurren en la matriz mitocondrial, y las siguientes en el citosol.
- Síntesis de carbamoilfosfato. La enzima carbamoilfosfato sintetasa I (mitocondrial) cataliza: NH₃ + CO₂ + 2 ATP → carbamoilfosfato + 2 ADP + Pi. Esta es la primera reacción reguladora y la que mayor energía consume.
- Formación de citrulina. La ornitina transcarbamilasa transfiere el grupo carbamoílo a la ornitina; se escinde fosfato inorgánico y se forma citrulina, que pasa al citosol.
- Síntesis de argininosuccinato. En el citosol, la argininosuccinato sintetasa añade a la citrulina el segundo átomo de nitrógeno procedente del aspartato; se consume ATP con la formación de AMP y pirofosfato.
- Escisión del argininosuccinato. La argininosuccinato liasa escinde el fumarato y se forma arginina.
- Hidrólisis de la arginina. La enzima arginasa, en presencia de H₂O, escinde la arginina en urea y ornitina. La ornitina regresa a la mitocondria y el ciclo se cierra.
De este modo, en una molécula de urea se incorporan dos átomos de nitrógeno: el primero del amoníaco libre (a través del carbamoilfosfato) y el segundo del aspartato.
Conexión del ciclo de la ornitina con el ciclo de Krebs y regeneración del aspartato
El fumarato resultante ingresa al ciclo de los ácidos tricarboxílicos, donde bajo la acción de la fumarasa se convierte en malato, y posteriormente la malato deshidrogenasa lo transforma en oxalacetato. Mediante transaminación (AST), el grupo amino del glutamato se transfiere al oxalacetato, regenerando el aspartato, el cual vuelve a ingresar al ciclo de la ornitina.
Por lo tanto, el sentido biológico del ciclo no se reduce únicamente a la síntesis de urea: también asegura la recirculación del aspartato y su acoplamiento con el ciclo de Krebs.
Regulación de la síntesis de urea
Tres enzimas son reguladoras:
- carbamoilfosfato sintetasa I;
- ornitina transcarbamilasa;
- arginasa.
Activación alostérica. La carbamoilfosfato sintetasa I es activada por el N-acetilglutamato, el cual es producido por la N-acetilglutamato sintasa cuando aumenta la concentración de arginina, indicador de la actividad del ciclo.
Inducción enzimática. Durante el ejercicio físico prolongado, el ayuno, una dieta hiperproteica y un catabolismo proteico intensificado, las enzimas del ciclo de la ornitina (carbamoilfosfato sintetasa I, ornitina transcarbamilasa, arginasa) son inducidas por el cortisol. Paralelamente, se inducen las enzimas de la gluconeogénesis (fosfoenolpiruvato carboxiquinasa), así como la ALT y la glutamato deshidrogenasa, que aseguran el suministro de amoníaco y esqueletos de carbono.
Sales de amonio y el papel de la glutamina en los riñones
La glutamina que llega a los riñones es desaminada por la glutaminasa con liberación de NH₃, el cual se une a protones para formar el ion NH₄⁺. Las sales de amonio se excretan con la orina, lo que asegura simultáneamente la excreción de nitrógeno y el mantenimiento del equilibrio ácido-base.
Hiperamonemia
La alteración en el funcionamiento de cualquiera de las enzimas del ciclo de la ornitina provoca acumulación de amoníaco en la sangre: hiperamonemia. El amoníaco es tóxico principalmente para el SNC: se une al α-cetoglutarato para formar glutamato (y posteriormente glutamina), agotando el ciclo de Krebs en las neuronas y alterando el suministro de energía al cerebro. Clínicamente, la hiperamonemia se manifiesta con vómitos, convulsiones y alteraciones de la conciencia que pueden llegar al coma.
Puntos clave
- El NH₃ es un producto tóxico del catabolismo de aminoácidos; sus vías principales de neutralización son la síntesis de urea, glutamina y sales de amonio.
- La glutamina sintetasa, con gasto de ATP, une NH₃ al glutamato; es una reacción universal en todos los tejidos.
- El ciclo completo de la ornitina está localizado exclusivamente en el hígado; las primeras dos reacciones ocurren en las mitocondrias y las restantes en el citosol.
- Los dos átomos de nitrógeno de la urea provienen del NH₃ libre y del aspartato; el ciclo consume 4 enlaces macroérgicos.
- Enzimas clave: carbamoilfosfato sintetasa I, ornitina transcarbamilasa, argininosuccinato sintetasa, argininosuccinato liasa y arginasa.
- El ciclo está acoplado al ciclo de Krebs a través del fumarato y asegura la regeneración del aspartato.
- El principal activador alostérico es el N-acetilglutamato; los inductores enzimáticos son el cortisol, la dieta hiperproteica y el ayuno.
- El defecto de las enzimas del ciclo provoca hiperamonemia con afectación grave del SNC.