Enzimas Digestivas y Metabolismo de Aminoácidos

Pepsina

La pepsina es una enzima digestiva que se produce en el estómago. El pepsinógeno, su precursor inactivo, se sintetiza en las células principales o zimogénicas de las glándulas del estómago. Tras ser sintetizado, el pepsinógeno es secretado a la luz del estómago ante determinadas señales. Estas señales pueden ser la actividad colinérgica nerviosa, la condición ácida del estómago, la presencia de gastrina o secretina.

El pepsinógeno se diferencia de la pepsina en una secuencia de 44 aminoácidos (aa) localizados en la región N-terminal. Este péptido se hidroliza y se separa del resto de la proteína en medio ácido, debido a la presencia de protones. Se hidroliza un enlace Leu-Ile y se forma la pepsina. La pepsina tiene dos dominios equivalentes, con 327 aa. Es una aspartato proteasa. Hidroliza enlaces peptídicos en los que el aa que aporta el grupo carboxilo es Phe, Tyr o Leu.

Cuando la pepsina pasa del estómago al intestino, la variación de pH producida por las secreciones biliar y pancreática la inactiva, ya que el ambiente óptimo de actuación de la pepsina es de pH 1.8-2.

Enzimas Pancreáticas (Zimógenos)

Los acinos pancreáticos secretan enzimas digestivas. Se generan gránulos citoplasmáticos que contienen las enzimas en forma de zimógenos. Cuando llega una señal, como CCK, acetilcolina o gastrina, estas se unen a receptores de membrana y desencadenan una cascada que conduce a la activación de proteínas quinasas. Estas proteínas quinasas fosforilan algunos residuos de membrana, lo que conduce a la fusión de los gránulos con la membrana y su posterior liberación. El contenido de los gránulos llega al intestino delgado, donde los zimógenos se activan.

Este proceso lo desencadena una enzima denominada enteroquinasa o enteropeptidasa, que se sintetiza únicamente en el intestino delgado. Esta enzima se encarga de la formación de enzimas activas a partir de zimógenos.

Activación de Zimógenos

La enteropeptidasa transforma el tripsinógeno en tripsina. La tripsina, a su vez, activa el quimotripsinógeno en quimotripsina, la procarboxipeptidasa A y B en carboxipeptidasa A y B, y la proelastasa en elastasa. Estas tres enzimas (tripsina, quimotripsina y elastasa) son endopeptidasas, es decir, hidrolizan enlaces interiores de las cadenas proteicas, y cada una tiene una selectividad diferente. En cambio, las carboxipeptidasas son exopeptidasas del extremo C-terminal.

• Tripsina: hidroliza enlaces peptídicos en los que el aa que aporta el grupo carboxilo es Arg o Lys.
• Quimotripsina: hidroliza enlaces en los que el aa que aporta el grupo carboxilo es Phe, Trp, Tyr, Met o Leu.
• Elastasa: hidroliza enlaces en los que el aa que aporta el grupo carboxilo es Ala, Gly o Ser. Es una endopeptidasa específica.
• Carboxipeptidasas A y B: son exopeptidasas del extremo C-terminal. La carboxipeptidasa A actúa sobre Val, Leu, Ile y Ala, mientras que la carboxipeptidasa B actúa sobre Arg y Lys.

Tripsina

Una vez formada, la tripsina se autoactiva y activa a las demás enzimas. La activación consiste en la eliminación del hexapéptido N-terminal, resultando en una cadena proteica con 6 aa menos: la tripsina. Al igual que en el caso de la pepsina, la separación del hexapéptido produce cambios conformacionales que implican invaginaciones e interacciones, configurando el centro de unión del sustrato.

La activación se produce en el intestino delgado. Para evitar que se produzca en el páncreas, existe un inhibidor específico de la tripsina.

Quimotripsina

En la activación del quimotripsinógeno, la tripsina rompe un enlace peptídico entre las posiciones 15 y 16, lo que conduce a la forma activa de la quimotripsina. La autoactivación de la quimotripsina consiste en la eliminación de dos dipéptidos en las posiciones 14-15 y 147-148. De esta manera, la cadena polipeptídica se une mediante una serie de interacciones (puentes disulfuro) que permiten la formación del sitio de unión al sustrato.

Enzimas de Secreción Intestinal

Aminopeptidasas

Son exopeptidasas que atacan el extremo N-terminal. Existen diferentes aminopeptidasas en función del aa del extremo N-terminal:

• Aminopeptidasa A: actúa sobre oligopéptidos con extremo N-terminal ácido.
• Aminopeptidasa N: actúa sobre oligopéptidos con extremo N-terminal neutro.

Dipeptidasas y Tripeptidasas

Tienen distintas especificidades dependiendo de los aa. En cualquier caso, existen transportadores específicos que permiten que los péptidos pasen desde el lumen al interior de las células intestinales. Allí, en el citoplasma del enterocito, los péptidos son hidrolizados, generando aa que son los que pasarán a la sangre.

Transportadores de Péptidos

• Dipéptidos y Tripéptidos: simporte dependiente de H+ (cotransporte de H+).
• Aminoácidos (Aa): simporte dependiente de Na+ (a favor del gradiente de Na+).

El Na+ debe ser bombeado al exterior celular gracias a la acción de una bomba ATPasa. Por lo tanto, hay un consumo energético en este transporte. La salida del enterocito se produce por transportadores específicos.

Degradación de Aminoácidos (Eliminación de Nitrógeno)

Transaminación

La transaminación es el traspaso de un grupo amino desde un α-aa a un α-cetoácido, convirtiéndose el primero en un α-cetoácido y el segundo en un α-aa. Las enzimas que catalizan esta reacción son las aminotransferasas o transaminasas, que requieren como coenzima el piridoxal-fosfato (PLP). Se produce en dos etapas:

1. Transferencia del grupo amino (aa1) a la enzima y producción del cetoácido1:

[aa1 + E-PLP <–> cetoácido1 + E-PMP]

El PLP y la enzima se encuentran unidos formando una base de Schiff. El PLP actúa como transportador intermediario, recibiendo el grupo amino del aa (formando una nueva base de Schiff) y adoptando la forma de piridoxamina (PMP).

2. Transferencia del grupo amino al cetoácido aceptor (cetoácido2) y formación del aa correspondiente. Finalmente, se produce la regeneración de la enzima:

[cetoácido2 + E-PMP <–> aa2 + E-PLP]

Ejemplos:

• aa1 + α-cetoglutarato <–> cetoácido1 + glutamato
• aa1 + oxalacetato <–> cetoácido1 + aspartato
• aa1 + piruvato <–> cetoácido1 + alanina

Desaminación Oxidativa del Glutamato

La desaminación oxidativa del glutamato consiste en la liberación de un grupo amino por parte del glutamato, que se transforma en α-cetoglutarato. Se genera amonio libre por hidrólisis y se regenera NADH. La enzima encargada de esta reacción es la glutamato deshidrogenasa.

[glutamato + NAD(P)+ + H2O <–> α-cetoglutarato + NH4+ + NADH]

La reacción es bidireccional, y su sentido (degradativo o biosintético) depende de las necesidades celulares. Si hay mucho ADP/GDP, la reacción irá hacia la formación de NADH y α-cetoglutarato para la posterior obtención de energía. Si hay mucho ATP, la reacción irá en sentido contrario, recolectando grupos amino.

Desaminación Oxidativa de α-Aminoácidos

La desaminación oxidativa de α-aa consiste en la liberación de un grupo amino por parte de un aa, que se transforma en su cetoácido correspondiente. La enzima implicada es la L-aa-oxidasa, y el grupo prostético es el FMN, que se reduce a FMNH2. La reacción se produce en medio aerobio, necesario para la oxidación de FMNH2 a FMN, que fue reducido en la reacción.

Tras la oxidación del grupo prostético, se forma agua oxigenada, y es necesaria una catalasa para convertirla en agua y oxígeno.

[L-aa + H2O + O2 <–> α-cetoácido + NH4+ + H2O2]

Desaminación No Oxidativa de α-Aminoácidos

La desaminación no oxidativa afecta a la serina y la treonina, y es llevada a cabo por la treonina deshidratasa o serina deshidratasa. No hay reacción redox como en las otras reacciones. Se produce la liberación del grupo amino en dos etapas:

1. Deshidratación, donde se libera H2O y se forma aminoacrilato.

2. Hidrólisis del grupo amino, donde el aminoacrilato se transforma en piruvato y se libera NH4+. En el caso de la treonina, se forma α-cetobutirato.

En estas reacciones se utiliza como cofactor el PLP.

Excreción del Nitrógeno Proteico

Transporte de Amonio en Distintos Tejidos

La síntesis de urea solo se produce en el hígado, pero la degradación de aa ocurre en muchos tejidos. Por lo tanto, el grupo amino eliminado debe viajar hasta el hígado. Normalmente, los grupos amino llegan al hígado para la síntesis de urea en forma de alanina y glutamina, que son los dos aa que pasan a la sangre y se usan como colectores de grupos amino.

En la mayoría de los tejidos, incluido el músculo esquelético, se libera glutamato por la reacción de transaminación, y el grupo amino da lugar a la síntesis de glutamina. Se incorpora como ion amonio en una reacción catalizada por la glutamina sintetasa (dependiente de ATP). La glutamina tiene la ventaja de que puede transportar dos grupos amino.

En el músculo se produce la generación de alanina. Los aa se desaminan para liberar el NH4+. Este grupo amonio puede unirse al α-cetoglutarato para formar glutamato mediante la enzima glutamato deshidrogenasa. Posteriormente, se produce una transaminación del glutamato con piruvato para formar α-cetoglutarato y alanina. Este α-cetoglutarato se puede volver a utilizar para la formación de más glutamato. La enzima que cataliza la segunda reacción es la ALT (alanina transaminasa). La alanina, al igual que la glutamina, puede salir al torrente sanguíneo para viajar al hígado. En el músculo, normalmente se forma alanina, aunque también se puede formar glutamina.