Ciclo del nitrógeno y la urea

Definitions & Key takeaways

The nitrogen cycle is the process by which nitrogen is converted between its various chemical forms. One important aspect of the nitrogen cycle is the urea cycle, which involves biochemical reactions that produce urea from ammonia. The urea cycle takes place primarily in the liver, and to a lesser extent in the kidney. Its main role is to convert excess nitrogen in the body into urea, which is then excreted in the urine.

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El cuerpo humano genera numerosos productos de desecho y, afortunadamente, el riñón es capaz de deshacerse de la mayoría de ellos.
Sin embargo, hay un archienemigo al que el riñón no puede enfrentarse solo. Entonces, el hígado acude al rescate.
El villano es el amoníaco. El amoníaco es la principal toxina resultante del metabolismo de los aminoácidos.
Los aminoácidos están formados por un grupo de nitrógeno, un esqueleto de carbono y una cadena lateral que es única para cada aminoácido.
Cuando se metabolizan los aminoácidos, el nitrógeno se convierte en amoníaco, y el amoníaco es tóxico para las células. Así que el amoníaco se traslada al hígado y se envía a través del ciclo de la urea, que es una serie de reacciones enzimáticas que convierten el amoníaco en urea.
El ciclo de la urea tiene lugar dentro de las mitocondrias, por lo que no afecta a las proteínas y orgánulos del citoplasma.
La urea puede entonces ser manejada fácilmente por el riñón. Es algo parecido a lo que hace una madre pájaro al triturar un gusano para que sea más fácil de digerir para su cría.
En este caso, el hígado es la madre y el riñón, la cría. Claro está que, antes, es preciso que el amoníaco llegue al hígado.
Y debe hacerlo con cuidado, porque es tóxico. Así que, al igual que un prisionero, ha de ser acompañado en la circulación por un policía, hasta su prisión, que es la mitocondria del hígado.
Esto puede ocurrir de dos maneras. La primera forma es utilizada por las células de todo el cuerpo.
La enzima glutamina sintetasa añade amoníaco al aminoácido glutamato para formar glutamina. La glutamina puede pasar a la sangre, y esencialmente transportar el amoníaco alrededor del bloque, hasta llegar a una célula del hígado.
Una vez dentro de la mitocondria de una célula hepática, una enzima llamada glutaminasa escinde la glutamina en glutamato y amoníaco, y el amoníaco puede entonces entrar en el ciclo de la urea.
La segunda forma de desplazar el amoníaco la realizan principalmente las células del músculo esquelético. En las células del músculo esquelético, la enzima glutamato deshidrogenasa incorpora amoníaco a la molécula alfa-cetoglutarato y la convierte en glutamato Pero a diferencia de la glutamina, el glutamato no puede abandonar la célula por sí mismo.
Necesita entregar de alguna manera su amoníaco a un aminoácido que pueda salir de la célula, y entra en juego la alani Así, la enzima alanina transaminasa, o ALT, convierte el glutamato y el piruvato en alfa-cetoglutarato y alanina.
La alanina pasa a la sangre y acaba transportando amoníaco a una célula del hígado; una vez allí sufre la reacción inversa a la anterior.
La enzima alanina transaminasa convierte la alanina y el alfa-cetoglutarato en piruvato y glutamat En este punto, el amoníaco vuelve a formar parte del glutamato.
Estas dos vías terminan en el mismo punto en la célula hepática, en forma de glutamato. A partir de ahí, el glutamato tiene dos destinos posibles.
Según el primero, el glutamato se encuentra con la misma enzima que incorporó el amoníaco al glutamato, la glutamato deshidrogenasa, y el amoníaco es arrebatado del glutamato, convirtiéndolo de nuevo en alfa-cetoglutarato y en amoníaco libre que entra en el ciclo de la urea.
Como esta reacción puede ocurrir en ambas direcciones, se llama reacción reversible. El segundo resultado es que el glutamato se encuentra con la enzima aspartato transaminasa, o AST y se combina con el oxaloacetato para formar aspartato y alfa-cetoglutarato Al igual que antes, el aminoácido aspartato lleva el grupo amoníaco, y el aspartato entrará directamente en el ciclo de la urea.
De hecho es el único aminoácido que lo hace. Ahora que tenemos amoníaco en el hígado, puede comenzar el ciclo de la urea.
El ciclo de la urea se compone de una serie de reacciones enzimáticas que modifican la estructura química de los sustratos en su interior hasta dar lugar finalmente a la molécula de urea.
La urea está formada por 2 grupos nitrogenados y 1 grupo carboxilo. Puede pensarse en las enzimas que intervienen en el ciclo de la urea como niños jugando con arcilla, cuya forma cambian hasta que la arcilla se parece a la ure ¡Parece divertido!
Ahora bien, los dos primeros pasos del ciclo de la urea tienen lugar en las mitocondrias, y el resto ocurre en el citoplasma.
Para empezar, los participantes en la primera reacción son el amoníaco, el dióxido de carbono y 2 moléculas de trifosfato de adenosina o ATP.
Una enzima llamada carbamoil fosfato sintetasa 1, o CPS1, los convierte en una molécula denominada carbamoil fosfato. Desglosando el nombre de esta molécula, "carb" se refiere al grupo carboxilo aportado por el dióxido de carbono, "-amoil" alude al grupo nitrógeno aportado por el amoníaco y fosfato habla del grupo fosfato que proviene de una de las dos moléculas de ATP.
Este proceso puede acelerarse o ralentizarse en función de la afinidad de la carbamoil fosfato sintetasa 1 por el amoníaco.
Una molécula llamada N-acetilglutamato activa alostéricamente la CPS1, lo que significa que se une a la CPS1 en un sitio diferente al que se suma el amoníaco Cuando se une, el N-acetilglutamato modifica la forma física de la CPS1, de modo que puede procesar el amoníaco con mayor eficacia, aumentando la tasa de síntesis de la urea.
El N-acetilglutamato en sí mismo es producido por una enzima mitocondrial llamada N-acetilglutamato sintetasa que combina glutamato y acetil-CoA.
Es crucial contar con suficiente N-acetilglutamato porque, sin él, la CPS1 tiene muy poca afinidad por el amoníaco De hecho, tener una deficiencia genética de N-acetilglutamato puede hacer que el amoníaco se acumule hasta concentraciones tóxicas.
En el segundo paso del ciclo de la urea, también en la mitocondria, la enzima ornitina transcarbamoilasa combina la molécula ornitina con la parte carbamoil del carbamoil fosfato para formar citrulina, liberando fosfato libre en el proceso.
De hecho, la deficiencia de ornitina transcarbamoilasa es la causa genética más común del aumento de las concentraciones de amoníaco, o hiperamonemia.
A continuación, la citrulina pasa de la mitocondria al citoplasma, donde se encuentra con el aspartato. La enzima argininosuccinato sintetasa utiliza la energía de una molécula de ATP para combinar la citrulina con el aspartato y producir argininosuccinat Así que el aspartato ha procurado el segundo y último grupo de nitrógeno que formará parte de la estructura final de la urea Sin embargo, tenemos que seguir jugando con la arcilla hasta llegar a la urea.
A continuación, la enzima argininosuccinato liasa rompe el argininosuccinato en dos moléculas: fumarato y arginina. Empecemos con el fumarato.
El fumarato se convierte primero en malato, y después la enzima malato deshidrogenasa convierte el malato en oxaloacetato.
El oxaloacetato y el glutamato son convertidos en aspartato y alfa-cetoglutarato por la enzima aspartato transaminasa, o AST.
Así se regenera el aspartato, para que pueda entrar en el siguiente ciclo de la urea. Luego está la arginina.
La arginasa descompone la arginina para producir urea y ornitina. La urea sale de la célula hepática, entra en la sangre y es excretada por los riñones.
Mientras, la ornitina se dirige hacia el otro lado y entra en la mitocondria, para acceder al siguiente ciclo de la urea.
##Resumen Como breve resumen... Todos los aminoácidos, a excepción del aspartato, se metabolizan en un compuesto tóxico que contiene nitrógeno, llamado amoníaco.
En las células del hígado, el aspartato y el amoníaco proporcionan los 2 nitrógenos necesarios para fabricar la urea menos tóxica en el ciclo de la urea.
En la mitocondria del hígado, la carbomoil fosfato sintetasa 1 requiere la activación alostérica del N-acetilglutamato para unirse al amoníaco Una vez que se forma la urea, puede pasar al torrente sanguíneo y ser excretada por los riñones.