METABOLISMO DEL NITROGENO Y METABOLISMO DE LA UREA

Introducción

Los seres humanos son totalmente dependientes de otros organismos para convertir el nitrógeno atmosférico en las formas disponibles para el cuerpo. La fijación de nitrógeno es realizada por las nitrogenasas bacterianas que forman nitrógeno reducido, NH₄⁺ el cuál puede ser entonces utilizado por todos los organismos para formar los aminoácidos.

Descripción del flujo de nitrógeno en la biosfera. El nitrógeno, los nitritos y los nitratos son utilizados por las bacterias (fijación de nitrógeno) y las plantas y nosotros asimilamos estos compuestos como proteína en nuestra dieta. La incorporación del amoníaco en los animales ocurre a través de acciones de la glutamato deshidrogenasa y de la glutamina sintasa. El glutamato desempeña el papel central en el flujo de nitrógeno en los mamíferos, sirviendo como donante y receptor de nitrógeno.

El nitrógeno reducido ingresa al cuerpo humano como aminoácidos libres dietéticos, proteína, y amoníaco 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 efectúan la conversión de amoníaco en los aminoácidos glutamato y glutamina, respectivamente. Los grupos amino y amido de estas 2 substancias son libremente transferidos a otros esqueletos de carbono por reacciones de transaminación y transamidación.

Reacción representativa catalizada por Aminotransferasa

Las aminotransferasas existen para todos los aminoácidos excepto para la treonina y la lisina. Los compuestos más comunes implicados como donante/receptor en las reacciones de transaminación son el glutamato y el α-cetoglutarato (α-KG), que participan en reacciones con diversas aminotransferasas. Las aminotransferasas séricas tales como glutamato-oxaloacetato-aminotransferasa (SGOT) (también llamada aspartato aminotransferasa, AST) y glutamato-piruvato aminotransferasa sérica (SGPT) (también llamada alanina transaminasa, ALT) han sido utilizadas como marcadores clínicos de daño tisular, con los niveles séricos aumentados indicando un extenso daño celular. La alanina transaminasa tiene una importante función en la entrega de esqueletos de carbono y nitrógeno del músculo esquelético (bajo la forma de alanina) al hígado. En el músculo esquelético, el piruvato es transaminado a alanina, produciendo así una ruta adicional de transporte de nitrógeno del músculo al hígado. En el hígado, la alanina transaminasa transfiere el amoníaco al α-KG y regenera piruvato. El piruvato puede entonces ser entregado en la gluconeogénesis. 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 nitrógeno del músculo esquelético mientras que se reabastece su fuente de energía. La oxidación de glucosa produce el piruvato que puede experimentar la transaminación a alanina. Esta reacción es catalizada por la alanina transaminasa, ALT. Además, durante períodos de ayuno, la proteína del músculo esquelético es degradada por el valor energético de los carbonos del aminoácido y la alanina es un aminoácido importante en la proteína. La alanina entonces entra en la corriente sanguínea y es transportada al hígado. Dentro del hígado la alanina es convertida de nuevo a piruvato que es entonces una fuente de átomos de carbono para la gluconeogénesis. La glucosa recién formada puede entonces entrar a la corriente sanguínea para ser entregada nuevamente al músculo. El grupo amino transportado del músculo al hígado en la forma de alanina es convertido a urea en el ciclo de la urea y es excretado.

La Reacción de Glutamato Deshidrogenasa

La glutamato deshidrogenasa utiliza tanto los cofactores del nucleótido de nicotinamida; NAD⁺ en la dirección de la liberación del nitrógeno y NADP⁺ para la incorporación del nitrógeno. En la reacción hacía adelante como se muestra la glutamato deshidrogenasa es importante en la conversión de amoníaco libre y α-KG a glutamato, formando uno de los 20 aminoácidos requeridos para la síntesis de proteínas. Sin embargo, se debe reconocer que la reacción reversa es un proceso crucial anapletórico que enlaza el metabolismo del aminoácido con la actividad del Ciclo del TCA. En la reacción reversa, la glutamato deshidrogenasa proporciona una fuente de carbono oxidable usada para la producción de energía así como un reducido portador de electrones, NADH. Según lo esperado para un punto de ramificación de la enzima con un importante acoplamiento al metabolismo energético, la glutamato deshidrogenasa es regulada por la carga de energía celular. El ATP y el GTP son efectores alostéricos positivos de la formación de glutamato, mientras que el ADP y el GDP son efectores alostéricos positivos de la reacción reversa. Así, cuando el nivel de ATP es alto, la conversión de glutamato a α-KG y a otros intermediarios del ciclo del TCA es limitada; cuando la carga de energía celular es baja, el glutamato es convertido a amoniaco y a intermediarios oxidables del ciclo del TCA. El glutamato es también un principal donante amino para otros aminoácidos en reacciones de transaminación subsecuentes. Los múltiples papeles del glutamato en el balance del nitrógeno lo convierten en una puerta entre el amoníaco libre y los grupos aminos de la mayoría de los aminoácidos.

La Reacción de Glutamina Sintasa

La reacción de la glutamina sintetasa es también importante en varios aspectos. Primero produce la glutamina, uno de los 20 aminoácidos principales. Segundo, en animales, la glutamina es el principal aminoácido encontrado en el sistema circulatorio. Su papel ahí es llevar el amoníaco a y desde varios tejidos pero principalmente de tejidos periféricos al riñón, donde el nitrógeno amida es hidrolizado por la enzima glutaminasa (reacción abajo); este proceso regenera el glutamato y el ión amoniaco libre, que se excreta en la orina.

Observe que, en esta función, el amoníaco presente en el tejido periférico es llevado en una forma no ionizable que no tiene ninguna de las características neurotóxicas o de generación de alcalosis del amoníaco libre.

El hígado contiene ambas glutamina sintasa y glutaminasa pero las enzimas están localizadas en diferentes segmentos celulares. Esto asegura que el hígado no sea ni productor ni consumidor neto de glutamina. Las diferencias en la localización celular de estas dos enzimas permiten que el hígado limpie el amoníaco que no ha sido incorporado en la urea. Las enzimas del ciclo de la urea están localizadas en las mismas células que las que contienen glutaminasa. El resultado de la distribución diferenciada de estas dos enzimas hepáticas hace posible controlar la incorporación del amoníaco en la urea o la glutamina, el último conduce a la excreción del amoníaco por el riñón.

Cuando ocurre acidosis el cuerpo desvía más glutamina del hígado al riñón. Esto permite la conservación del ión bicarbonato puesto que la incorporación del amoníaco en la urea requiere de bicarbonato (véase abajo). Cuando la glutamina entra al riñón, la glutaminasa libera un mol de amoníaco generando glutamato y entonces la glutamato deshidrogenasa libera otra mol de amoníaco generando α-KG. El amoníaco se ionizara a ión amoniaco (NH₄⁺) que es excretado. El efecto neto es una reducción en la concentración del ión hidrógeno, [H⁺], y así un incremento en el pH (véase también Riñones y Balance Ácido-Base).

Nitrógeno del Tracto Digestivo

Mientras que la glutamina, el glutamato, y los aminoácidos no esenciales restantes pueden ser producidos por los animales, la mayoría de los aminoácidos que se encuentran en tejidos humanos necesariamente vienen de fuentes dietéticas (sobre 400g de proteína por día). La digestión de proteínas comienza en el estómago, donde una proenzima llamada pepsinógeno es secretada, autocatalíticamente convertida a Pepsina A, y utilizada para el primer paso de la proteolisis. Sin embargo, la mayoría de la proteolisis ocurre en el duodeno como consecuencia de las actividades enzimáticas secretadas por el páncreas. Todas las serin proteasas y las zinc peptidasas de las secreciones pancreáticas son producidas bajo la forma de sus respectivas proenzimas. Estas proteasas son endopeptidasas y exopeptidasas, y su acción combinada en el intestino conduce a la producción de aminoácidos, de dipéptidos, y de tripéptidos, todos los cuales son tomados por los enterocitos de la pared mucosa.

Una vía reguladora indirecta que conduce a la secreción de proenzimas en el intestino es accionada por la presencia de alimentos en el lumen intestinal. Las células endocrinas mucosas especiales secretan las hormonas peptídicas colecistocinina (CCK) y secretina en el sistema circulatorio. Junto, CCK y secretina causan la contracción de la vesícula biliar y la secreción exocrina de un líquido alcalino rico en bicarbonato, que contiene proenzimas proteasas del páncreas en el intestino. Un segundo papel parácrino de la CCK es estimular las células intestinales adyacentes para que secreten enteropeptidasas, una proteasa que rompe al tripsinógeno para producir tripsina. La tripsina también activa al tripsinógeno así como todas las otras proenzimas en la secreción pancreática, produciendo proteasas y peptidasas activas que hidrolizan los polipéptidos dietéticos.

Subsiguiente a la hidrólisis luminal, pequeños péptidos y aminoácidos son transferidos a través de los enterocitos a la circulación portal por difusión, difusión facilitada, o transporte activo. Varios sistemas de transporte de aminoácidos dependientes de Na⁺ con especificidad sobrepuesta para los aminoácidos han sido descritos. En estos sistemas de transporte, el Na⁺ y los aminoácidos en el lumen son co-transportados bajo su gradiente de concentración al interior de la célula. 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 concentración 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. Pequeños péptidos son acumulados por un proceso de transporte estimulado por protones (H⁺) e hidrolizados por peptidasas intracelulares. Los aminoácidos en el sistema circulatorio y en los fluidos extracelulares son transportados dentro de las células del cuerpo por lo menos por 7 diferentes sistemas de transporte activos que requieren de ATP con especificidades sobrepuestas del aminoácido.

El Desorden de Hartnup es un daño autosómico recesivo del transporte de aminoácidos neutros que afecta los túbulos renales y el intestino delgado. Se cree que el defecto se sitúa en un sistema específico responsable del transporte de aminoácidos neutros a través del borde en cepillo de la membrana del epitelio renal e intestinal. El defecto exacto todavía no ha sido caracterizado. El diagnostico característico presentado por el desorden de Hartnup es una dramática hiperaminoaciduria neutra. Además, los individuos excretan compuestos indólicos que se originan de la degradación bacteriana por el triptófano no absorbido. La reducida absorción intestinal y la creciente pérdida renal del triptófano conducen a una reducida disponibilidad del triptófano para la biosíntesis del nucleótido 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 mayoría son productos bacterianos de la degradación de proteínas. Algunos tienen fuertes efectos farmacológicos (vasopresor).

Los procariotas, como la E. coli pueden formar los esqueletos de carbono de los 20 aminoácidos y transaminar esos esqueletos de carbono con nitrógeno de la glutamina o del glutamato para completar las estructuras del aminoácido. Los seres humanos no pueden sintetizar las cadenas de carbono de los aminoácidos ramificados o los sistemas de anillo que se encuentran en la fenilalanina y en los aminoácidos aromáticos; ni tampoco incorporar azufre en las estructuras de unión covalente. Por lo tanto, los 10 llamados aminoácidos esenciales (véase la Tabla abajo) deben ser provistos de la dieta. Sin embargo, debe reconocerse que, dependiendo de la composición de la dieta y del estado fisiológico de un individuo, uno u otro de los aminoácidos no esenciales puede también convertirse en un componente dietético requerido. Por ejemplo, la arginina es solo considerada como aminoácido esencial durante el desarrollo de la niñez 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 aminoácidos esenciales metionina y fenilalanina, respectivamente. Si suficiente cisteina y tirosina están presentes en la dieta, los requerimientos para la metionina y la fenilalanina están marcadamente reducidos; inversamente, si la metionina y la fenilalanina están presentes solo en cantidades limitadas, la cisteina y la tirosina pueden convertirse en componentes dietéticos esenciales. Finalmente, debe ser reconocido que si los α-cetoácidos que corresponden a los esqueletos de carbono de los aminoácidos esenciales son administrados en la dieta, las aminotransferasas en el cuerpo convertirán los cetoácidos a sus respectivos aminoácidos, proveyendo en gran parte las necesidades básicas.

A diferencia de las grasas y de los carbohidratos, el nitrógeno no tiene ningún depósito designado para almacenarse en el cuerpo. Puesto que la vida media de muchas proteínas es corta (en el orden de horas), insuficientes cantidades en la dieta de al menos un aminoácido pueden limitar rápidamente la síntesis y bajar los niveles de muchas proteínas esenciales. El resultado de la síntesis limitada y de índices normales de degradación de proteínas es que el balance en la ingestión y excreción del nitrógeno sea alterado rápida y significativamente. Adultos normales sanos, están generalmente en balance de nitrógeno, con la ingestión y la excreción bien acopladas. Niños en crecimiento, adultos recuperándose de enfermedades importantes, y mujeres embarazadas están a menudo en balance nitrogenado positivo. La ingesta de nitrógeno excede su pérdida mientras que procede la síntesis neta de la proteína. Cuando se excreta más nitrógeno que el que se incorpora al cuerpo, el individuo está en balance nitrogenado negativo. Cantidades insuficientes incluso de un aminoácido esencial son adecuadas para convertir a un individuo con balance nitrogenado normal en uno con balance nitrogenado negativo.

El valor biológico de las proteínas dietéticas se relaciona con el grado al cual proporcionan todos los aminoácidos necesarios. Las proteínas de origen animal generalmente tienen un alto valor biológico; las proteínas vegetales tienen una amplia gama de valor que va de ninguno a completamente alto. En general, las proteínas vegetales son deficientes en lisina, metionina y triptófano y son mucho menos concentradas y digeribles que las proteínas animales. La ausencia de lisina en proteínas cereales de grado inferior, utilizadas como base dietética en muchos países subdesarrollados, conduce a una inhabilidad para sintetizar proteínas (debido a la falta de aminoácidos esenciales) y en última instancia a un síndrome conocido como kwashiorkor, común en niños en estos países.

Aminoácidos Esenciales vs. no Esenciales

* Los aminoácidos arginina, metionina y fenilalanina son considerados esenciales por razones no directamente relacionadas con la carencia de la síntesis. La arginina es sintetizada por las células mamíferas pero en un rango que es insuficiente para resolver las necesidades de crecimiento del cuerpo y de la mayoría que se sintetiza es procesada para formar la urea. La metionina es requerida en grandes cantidades para producir cisterna, si el último aminoácido no es adecuadamente provisto en la dieta. Similarmente, la fenilalanina es requerida en grandes cantidades para formar tirosina, si el último aminoácido no es adecuadamente provisto en la dieta.

Remoción del Nitrógeno de los Aminoácidos

Las reacciones dominantes implicadas en remover el nitrógeno de los aminoácidos del cuerpo son conocidas como transaminaciones. Esta clase de reacciones concentra el nitrógeno de todos los aminoácidos libres en una pequeña cantidad de compuestos; entonces, o son deaminados por medio de oxidación, produciendo amoníaco, o sus grupos aminos son convertidos en urea por el ciclo de la urea. La transaminación implica mover un grupo α-amino desde un α-aminoácido donador al carbono ceto de un α-cetoácido 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 aminoácidos excepto para la treonina y la lisina. Los compuestos comúnmente implicados como pares donantes/receptores en las reacciones del transaminación son el glutamato y el α-KG, que participan en reacciones con diversas aminotransferasas. Las aminotransferasas séricas tales como la glutamato-oxaloacetato-aminotransferasa sérica (SGOT) (también llamada aspartato aminotransferasa, AST) y la glutamato piruvato aminotransferasa sérica (SGPT) (también llamada alanina transaminasa, ALT) han sido utilizadas como marcadores clínicos de daño tisular, el aumento en los niveles séricos indica un daño extenso. La alanina transaminasa tiene una importante función en la entrega de carbono y de nitrógeno (en la forma de alanina) del músculo esquelético al hígado. En el músculo esquelético, el piruvato es transaminado a alanina, produciendo así una ruta adicional de transporte de nitrógeno del músculo al hígado. En el hígado, la alanina transaminasa transfiere el amoníaco a α-KG y regenera el piruvato. El piruvato puede entonces ser desviado a la gluconeogénesis. Este proceso se refiere como ciclo de la glucosa-alanina.

Debido a la participación de α-KG en numerosas transaminaciones, el glutamato es un prominente intermediario en la eliminación de nitrógeno así como en las vías anabólicas. El glutamato, formado en el curso de la eliminación de nitrógeno, es deaminado por medio de la oxidación por la glutamato deshidrogenasa hepática formando amoniaco, o convertido a glutamina por la glutamina sintasa y transportada a las células de los túbulos renales. Allí la glutamina es secuencialmente deaminada por la glutaminasa y deaminada por la glutamato deshidrogenasa renal.

El amoníaco producido en las dos últimas 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 producción extensa de amoníaco por el tejido periférico o la glutamato deshidrogenada hepática no es factible debido a los efectos altamente tóxicos del amoníaco circulante. Las concentraciones normales del amonio sérico están en el rango de 20 - 40μM, y un incremento en el amoníaco circulante cerca de 400μM causa alcalosis y neurotoxicidad.

Una reacción final útil, relacionada terapéuticamente con los aminoácidos es la amidación del ácido aspártico para producir asparragina. La enzima asparragina sintasa cataliza la reacción de transamidación que requiere de ATP demostrada abajo:

La mayoría de las células realizan esta reacción para producir toda la asparagina que necesitan. Sin embargo, algunas células de leucemia requieren asparagina exógena, que obtienen del plasma. La quimioterapia usando la enzima asparaginasa se aprovecha de esta característica de las células de leucemia mediante la hidrolización de la asparagina sérica a amoníaco y a ácido aspártico, así privando a las células neoplásicas de la asparagina que es esencial para su característico rápido crecimiento.

En los peroxisomas de los tejidos de mamíferos, especialmente en el hígado, existe una menor via enzimática para la remoción de los grupos aminos de los aminoácidos. La L-aminoácido oxidasa esta ligada a la FMN y tiene amplia especificidad para los L-aminoácidos.

Un número de sustancias, incluyendo el oxígeno, pueden actuar como receptores de electrones de las flavoproteínas. Si el oxígeno es el receptor el producto es el peróxido de hidrógeno, que es entonces rápidamente degradado por las catalasas que se encuentran en el hígado y otros tejidos.

La ausencia o la biogénesis defectuosa de peroxisomas o de la L-aminoácido oxidasa causa hiperaminoacidemia e hiperaminoaciduria generalizados, generalmente conduciendo a neurotoxicidad y muerte temprana.

El Ciclo de la Urea

Previamente fue conocido que la glutaminasa renal era la responsable de convertir el exceso de glutamina del hígado a amoniaco urinario. Sin embargo, cerca del 80% del nitrógeno excretado está bajo la forma de urea que también es altamente producida en el hígado, en una serie de reacciones que están distribuidas 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 están contenidas en el rectángulo rojo. Todas las enzimas están en rojo, CPS-I es cabamoil fosfato sintetasa-I, OTC es ornitina transcarbamilasa.

Las características esenciales de las reacciones del ciclo de la urea y su regulación metabólica son como sigue: la arginina de la dieta o del metabolismo de las proteínas es rota por la enzima citosólica 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.

La ornitina que se presenta en el citosol es transportada a la matriz mitocondrial, donde la ornitina transcabamilasa cataliza la condensación de la ornitina con el carbamoil fosfato, produciendo citrulina. La energía para la reacción es proporcionada por el anhídrido de alta energía del carbamoil fosfato. El producto, citrulina, es entonces transportado al citosol, donde ocurren las restantes reacciones del ciclo.

La síntesis de citrulina requiere una activación previa de carbono y de nitrógeno como carbamoil fosfato (CP). El paso de activación 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 inclusión en el ciclo de la urea, y una sintetasa citosólica CP (CPS-II), que está envuelta en la biosíntesis del nucleótido de pirimidina. La CPS-I es regulada positivamente por el efector alostérico N-acetil-glutamato, mientras que la enzima citosólica es independiente del acetilglutamato.

En una reacción de 2 pasos, catalizada por la arginino succinato sintetasa citosólica, la citrulina y el aspartato son condensados para formar el arginino succinato. La reacción implica la adición 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 adición subsiguiente del aspartato para formar arginino succinato.

La arginina y el fumarato son producidos a partir del arginino succinato por la enzima citosólica arginino succinato liasa (también llamada arginino succinasa). En el paso final del ciclo la arginasa se libera la urea del aspartato, regenerando ornitina citosólica, que puede ser transportada a la matriz mitocondrial para otra ronda de la síntesis de la urea. El fumarato, generado vía la acción de la arginino succinato liasa, es reconvertido a aspartato para usarlo en la reacción de la arginino succinato sintetasa. Esto ocurre a través de las acciones de las versiones citosólicas de las enzimas del Ciclo 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 nucleótido de alta energía. La urea es el único compuesto nuevo generado por el ciclo; todos los otros intermediarios y reactantes son reciclados. La energía consumida en la producción de urea es más que la recuperada por la liberación de la energía formada durante la síntesis de los intermediarios del ciclo de la urea. El amoníaco liberado durante la reacción de la glutamato deshidrogenasa esta acoplado a la formación del NADH. En adición, cuando el fumarato se convierte de nuevo a aspartato, la reacción de la malato deshidrogenasa usada para convertir el malato a oxaloacetato genera un mol de NADH. Estas dos moles de NADH, así, son oxidadas en la mitocondria produciendo 6 moles de ATP.

Regulación del Ciclo de la Urea

El ciclo de la urea funciona solo para eliminar el exceso de nitrógeno. En las dietas de alto contenido proteico los esqueletos de carbono de los aminoácidos son oxidados para energía o almacenados como grasa y glicógeno, pero el nitrógeno 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 más con cambios a largo plazo en la cantidad de proteína dietética. Cuando las proteínas dietéticas aumentan significativamente, las concentraciones de las enzimas se elevan. De regreso a una dieta balanceada, los niveles de las enzimas decrecen. Bajo condiciones de inanición, los niveles de las enzimas se elevan mientras las proteínas son degradas y los esqueletos de carbono de los aminoácidos son usados para proporcionar energía, incrementando así la cantidad de nitrógeno que debe ser excretado.

La regulación a corto plazo del ciclo ocurre principalmente en la CPS-I, que esta relativamente inactiva en ausencia de su activador alostérico N-acetilglutamato. La concentración del estado estacionario de N-acetilglutamato esta determinado por la concentración de sus componentes acetil-CoA y glutamato y por la arginina, la cual es un efector alostérico positivo de N-acetilglutamato sintetasa.

Desórdenes del Ciclo de la Urea (UCDs)

Una carencia completa de cualquier enzima del ciclo de la urea dará lugar a muerte temprana después del nacimiento. Sin embargo, deficiencias en cada una de las enzimas del ciclo de la urea, incluyendo la N-acetilglutamato sintasa han sido identificadas. Estos desórdenes se refieren como desórdenes del ciclo de la urea o UCDs. Más información sobre los UCDs individuales pueden ser encontrados en las páginas Errores innatos en el metabolismo. Una condición común a la mayoría de UCDs es la hiperamonemia que conduce a la intoxicación con amoníaco con las consecuencias descritas debajo. La química sanguínea también mostrará elevaciones en la glutamina. Adicionalmente a la hiperamonemia, todos los UCDs se presentan con encefalopatía y alcalosis respiratoria. La presentación más dramática de los síntomas de UCD ocurre en neonatos entre las 24 y 48 horas después del nacimiento. Los infantes afectados exhiben síntomas progresivos de deterioro debido a los niveles elevados de amoniaco. Las deficiencias en arginasa no conducen a hiperamonemia sintomática tan severa o tan comúnmente 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 síntomas presentados y de la observación 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 UCDs neonatal. La presentación de hiperamonemia entre 24 y 48 hrs. después del nacimiento (pero no antes de 24 hrs. después del nacimiento) indicara probablemente un UCD. Este diagnostico puede ser confirmado por la ausencia de acidosis o de cetosis. La primera prueba diagnóstica es ensayar los niveles plasmáticos 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 análisis del ácido orótico en la orina para distinguir la deficiencia de CPS I (CPSD) o de OTC (OTCD).

Los síntomas clínicos son más severos cuando el UCD está en el nivel de carbamoil fosfato sintetasa I. Los síntomas de los UCDs se presentan en el nacimiento y abarcan generalmente, ataxia, convulsiones, letargo, alimentación pobre y eventualmente coma y muerte si no son reconocidos y tratados adecuadamente. De hecho, el índice de mortalidad es del 100% para UCDs que son dejados sin diagnostico. Varios UCDs se manifiestan con inicio tardío por ejemplo en la edad adulta. En estos casos los síntomas son hiperactividad, hepatomegalia y una evasión de los alimentos de elevado valor proteico.

En general, el tratamiento de UCDs tiene como elementos comunes la reducción de proteína en la dieta, remoción del exceso de amoníaco y reemplazo de los intermediarios que faltan del ciclo de la urea. La administración de levulosa reduce el amoníaco por su acción de acidificar el colon. Las bacterias metabolizan la levulosa para acidificar los subproductos que entonces promueven la excreción de amoníaco en las heces como iones de amoniaco, NH₄⁺. Los antibióticos pueden ser administrados para matar a las bacterias que producen amoníaco 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 últimos compuestos, que contienen el nitrógeno del amoníaco, son excretados en las heces. El Ammunol® es una solución intravenosa de 10% de benzoato de sodio y 10% de fenilacetato de sodio aprobada por la FDA, usado en el tratamiento de hiperamonemia aguda en pacientes con UCD. Sin embargo, la hemodialisis es el único medio eficaz para reducir rápidamente el nivel de amoníaco circulante en pacientes con UCD. El Buphenyl® es una medicación oral aprobada por la FDA para la terapia adjunta crónica de hiperamonemia en pacientes con UCD. La suplementación dietética con arginina o citrulina puede aumentar el índice de la producción de urea en ciertos UCDs.

Tabla de UCDs

Neurotoxicidad Asociada al Amoníaco

Anteriormente fue observado que el amoníaco era neurotóxico. Se observa marcado daño cerebral en casos de falla en la producción de urea por via del ciclo de la urea o por falla en la eliminación de urea a través de los riñones. El resultado de cualquiera de estos acontecimientos es una acumulación de niveles circulantes del ión de amoniaco. Aparte de su efecto sobre el pH sanguíneo, el amoníaco atraviesa fácilmente la barrera sanguínea cerebral y en el cerebro es convertido a glutamato por vía de la glutamato deshidrogenasa, agotando al cerebro de α-KG. Mientras que la α-KG se agota, el oxaloacetato cae correspondientemente, y la actividad del ciclo del TCA se detiene. En ausencia de fosforilacion oxidativa aeróbica y de actividad del ciclo del TCA, los irreparables daños celulares y la muerte de las células nerviosas sobrevienen.

Además, el incremento de glutamato conduce a la formación de glutamina. Esto agota las reservas de glutamato que se necesitan en el tejido nervioso puesto que el glutamato es un neurotransmisor y un precursor para la síntesis de γ-aminobutirato: GABA, otro neurotransmisor. Por lo tanto, las reducciones en el glutamato cerebral afectan la producción energética así como la neurotransmisión.

Las inconvenientes consecuencias adicionales son el resultado de elevaciones en la concentración nerviosa de glutamina. El volumen de las células Gliales (astrocitos) es controlado por el metabolismo de metabolitos con capacidad osmótica intracelular. La glutamina es el metabolito orgánico con capacidad osmótica. Cuando los niveles de glutamina se incrementan en el cerebro el volumen de líquido dentro de las células gliales aumenta dando por resultado edema cerebral que se observa en infantes con hiperamonemia causado por defectos del ciclo de la urea.