26.1. El amoniaco: toxicidad y necesidad de transporte
El catabolismo de los aminoácidos genera inevitablemente amoniaco (NH₃), que en solución fisiológica existe en equilibrio con el ión amonio (NH₄⁺). El amoniaco libre es uno de los compuestos más tóxicos que produce el metabolismo celular. A concentraciones superiores a 50–100 µmol/L en plasma produce disfunción neurológica, y concentraciones superiores producen coma y muerte.
El mecanismo de toxicidad del amoniaco es múltiple:
- Consume α-cetoglutarato (al convertirlo en glutamato mediante la glutamato deshidrogenasa en dirección inversa), depleccionando el ciclo de Krebs y reduciendo la producción de ATP en las neuronas.
- Interfiere con el transporte de K⁺ a través de la membrana neuronal, alterando el potencial de reposo.
El amoniaco no puede circular libre en sangre. El organismo ha desarrollado dos sistemas de transporte seguro:
(1) La glutamina (que carga 2 grupos amino).
(2) La alanina (que carga 1 grupo amino y el esqueleto carbonado del piruvato).
Ambos convergen en el hígado, el único órgano capaz de convertir el amoniaco en urea.
La estructura química de los aminoácidos y el concepto de grupo amino se estudian en Tema 3 · Aminoácidos y péptidos.
26.2. Mecanismos de pérdida del grupo amino
El grupo amino de los aminoácidos debe eliminarse antes de que la cadena carbonada pueda entrar en las rutas metabólicas centrales. Existen tres mecanismos principales:
- Transaminación.
- Desaminación oxidativa.
- Transdesaminación.
26.2.1. Transaminación
La transaminación transfiere el grupo amino de un aminoácido a un α-cetoácido aceptor, generando un nuevo aminoácido y un nuevo α-cetoácido. No hay pérdida neta de nitrógeno: el nitrógeno cambia de portador, no desaparece.
La reacción la catalizan las aminotransferasas (transaminasas), que utilizan el fosfato de piridoxal (PLP), derivado de la vitamina B₆, como coenzima. El PLP actúa como intermediario que acepta temporalmente el grupo amino y lo cede al α-cetoácido aceptor.
En todas las transaminaciones, el par glutamato/α-cetoglutarato es el aceptor universal. El grupo amino de cualquier aminoácido se transfiere al α-cetoglutarato, generando glutamato. Las dos transaminasas más importantes clínicamente son:
- La GPT (ALT: alanina aminotransferasa).
- La GOT (AST: aspartato aminotransferasa).
La GPT y la GOT son marcadores de daño hepatocelular. En condiciones normales están confinadas en el citosol de los hepatocitos.
Cuando la membrana celular se daña (hepatitis, isquemia hepática, toxicidad por fármacos), se liberan al plasma y sus niveles aumentan.
La GPT es más específica del hígado; la GOT también se eleva en daño muscular y miocárdico (infarto). La relación GOT/GPT ayuda a diferenciar hepatitis alcohólica (>2) de hepatitis vírica (<1).
26.2.2. Desaminación oxidativa
La desaminación oxidativa es la única reacción que genera amoniaco libre a tasas fisiológicamente relevantes. La cataliza la glutamato deshidrogenasa, una enzima mitocondrial exclusiva de los hepatocitos periportales, que oxida el glutamato a α-cetoglutarato liberando NH₄⁺ y reduciendo NAD⁺ (o NADP⁺) a NADH (o NADPH).
La reacción es reversible en teoría, pero en el organismo funciona casi exclusivamente en dirección oxidativa (generando amoniaco), porque las concentraciones de amoniaco necesarias para impulsarla en sentido inverso serían letales.
26.2.3. Transdesaminación
La transdesaminación es el acoplamiento secuencial de la transaminación y la desaminación oxidativa.
Todos los aminoácidos (excepto Thr y Lys, que se desaminan por mecanismos específicos) pierden su grupo amino mediante la siguiente secuencia:
- Una transaminación transfiere el grupo amino al α-cetoglutarato generando glutamato y un α-cetoácido.
- La glutamato deshidrogenasa desaminiza el glutamato liberando NH₄⁺ y regenerando el α-cetoglutarato para el siguiente ciclo.
La transdesaminación usa el glutamato como intermediario colector.
Todos los grupos amino convergen en el glutamato, y desde ahí se liberan como amoniaco en la mitocondria hepática. El α-cetoglutarato actúa como carretera de entrada al sistema.
26.3. Transporte de amoniaco hasta el hígado
El catabolismo de aminoácidos ocurre en todos los tejidos, pero la producción de amoniaco es especialmente elevada en el músculo esquelético (mayor masa proteica del organismo) y en el intestino.
Como el amoniaco libre es tóxico, los tejidos periféricos lo empaquetan en dos transportadores no tóxicos antes de enviarlo al hígado.
26.3.1. Glutamina — transportador universal
- La glutamina sintetasa (presente en todos los tejidos) añade un grupo amoniaco al glutamato consumiendo ATP y generando glutamina.
- La glutamina es un aminoácido neutro, no tóxico, que circula en la mayor concentración de cualquier aminoácido en plasma.
- En el hígado (hepatocitos periportales), la glutaminasa hidroliza la glutamina liberando glutamato y NH₄⁺ que entra directamente en el ciclo de la urea. La glutamina transporta 2 grupos amino por molécula.
26.3.2. Alanina — ciclo glucosa-alanina
- En el músculo, las aminotransferasas transfieren grupos amino al piruvato (procedente de la glucólisis) generando alanina.
- La alanina circula hasta el hígado, donde la GPT regenera el piruvato (que entra en gluconeogénesis) y el glutamato (que aporta NH₄⁺ al ciclo de la urea).
- Este circuito se denomina ciclo glucosa-alanina: el hígado envía glucosa al músculo, el músculo devuelve alanina cargada con el grupo amino.
Los hepatocitos periportales (primera línea de contacto con la sangre portal) tienen alta actividad de glutaminasa y glutamato deshidrogenasa, y sintetizan urea.
Los hepatocitos perivenosos (última zona antes de la vena central) tienen alta actividad de glutamina sintetasa, y capturan el amoniaco que escapa del ciclo de la urea convirtiéndolo en glutamina.
El hígado funciona como un sistema de dos etapas de detoxificación del amoniaco.
26.4. El ciclo de la urea
El ciclo de la urea ocurre exclusivamente en los hepatocitos periportales y es el único mecanismo de eliminación definitiva del amoniaco en forma de urea. Fue la primera ruta metabólica cíclica descrita (Krebs y Henseleit, 1932), antes incluso que el ciclo de Krebs.
Ciclo de la urea: ruta metabólica cíclica exclusiva de los hepatocitos periportales que convierte 2 grupos amonio (uno procedente del NH₄⁺ y otro del aspartato) en urea, con un coste de 4 ATP por molécula de urea. La urea se excreta por la orina.
26.4.1. Reacciones y balance energético del ciclo de la urea
Las cinco reacciones del ciclo, con su localización:
- Reacción 1 (mitocondria) — Síntesis de carbamil-fosfato:
- La carbamil-fosfato sintetasa I (CPS-I) condensa NH₄⁺ + HCO₃⁻ + 2 ATP para generar carbamil-fosfato. Este es el paso comprometido e irreversible del ciclo.
- Requiere N-acetilglutamato como activador alostérico obligatorio.
- Reacción 2 (mitocondria) — Formación de citrulina:
- La ornitín transcarbamilasa (OTC) transfiere el grupo carbamilo del carbamil-fosfato a la ornitina, generando citrulina.
- La citrulina sale de la mitocondria al citosol.
- Reacción 3 (citosol) — Formación de argininosuccinato:
- La argininosuccinato sintetasa condensa citrulina con aspartato (el donante del segundo grupo amino) consumiendo ATP (→ AMP + PPi).
- El aspartato aporta su grupo amino, que es en realidad el del glutamato que llegó por transaminación.
- Reacción 4 (citosol) — Escisión de argininosuccinato:
- La argininosuccinasa rompe el argininosuccinato en arginina y fumarato.
- El fumarato entra en el ciclo de Krebs.
- La arginina continúa en el ciclo de la urea.
- Reacción 5 (citosol) — Hidrólisis de arginina:
- La arginasa hidroliza la arginina en ornitina y urea.
- La ornitina vuelve a la mitocondria para reiniciar el ciclo.
- La urea difunde al torrente sanguíneo y se excreta por el riñón.
| Reacción | Enzima | Localización | Sustrato → Producto |
|---|---|---|---|
| 1 | CPS-I | Mitocondria | NH₄⁺ + HCO₃⁻ → Carbamil-fosfato (2 ATP) |
| 2 | Ornitín transcarbamilasa (OTC) | Mitocondria | Ornitina + Carbamil-fosfato → Citrulina |
| 3 | Argininosuccinato sintetasa | Citosol | Citrulina + Aspartato → Argininosuccinato (ATP → AMP + PPi) |
| 4 | Argininosuccinasa | Citosol | Argininosuccinato → Arginina + Fumarato |
| 5 | Arginasa | Citosol | Arginina + H₂O → Ornitina + Urea |
Balance energético: el ciclo consume 3 ATP, pero la reacción 3 genera AMP + PPi (equivalente a 2 ATP). El coste total es 4 equivalentes de fosfato de alta energía por molécula de urea, que contiene 2 átomos de nitrógeno.
26.4.2. Regulación del ciclo de la urea
La regulación del ciclo opera a dos niveles: alostérico a corto plazo y por inducción enzimática a largo plazo.
- Regulación alostérica: la CPS-I, enzima del paso comprometido, requiere N-acetilglutamato (NAG) como activador alostérico obligatorio.
- Sin NAG, la CPS-I es inactiva.
- El NAG se sintetiza por la N-acetilglutamato sintasa a partir de acetil-CoA y glutamato. Cuando la concentración de glutamato aumenta (señal de exceso de grupos amino), el NAG aumenta y activa la CPS-I, acelerando el ciclo.
- Regulación por inducción enzimática: una dieta rica en proteínas o el ayuno prolongado (que activa la proteolisis muscular) aumentan el flujo de aminoácidos y amoniaco al hígado. En respuesta, el hígado induce la expresión de las cinco enzimas del ciclo, aumentando su capacidad máxima. Este proceso tarda horas o días, no minutos.
Los defectos congénitos de cualquiera de las enzimas del ciclo de la urea producen hiperamonemia neonatal grave.
El defecto más frecuente es el de la OTC (ornitín transcarbamilasa), ligado al cromosoma X. Clínicamente se presenta en los primeros días de vida con encefalopatía, rechazo del alimento y coma.
El tratamiento agudo combina diálisis para eliminar amoniaco, suspensión de proteínas y administración de eliminadores alternativos de nitrógeno (benzoato y fenilacetato sódico, que conjugan glicina y glutamina respectivamente y se excretan por la orina).
26.4.3. Conexión del ciclo de la urea con el ciclo de Krebs
El fumarato liberado en la reacción 4 del ciclo de la urea (por la argininosuccinasa) entra en el ciclo de Krebs en la mitocondria hepática, donde la fumarasa lo hidrata a malato, y la malato deshidrogenasa lo oxida a oxalacetato.
Este oxalacetato puede transaminarse con glutamato para regenerar aspartato (el donante del segundo grupo amino del ciclo de la urea), cerrando un cicuito de interconexión entre ambos ciclos.
El ciclo de la urea y el ciclo de Krebs son rutas conectadas en el hígado por el fumarato.
Esta interconexión, denominada a veces «biciclo de Krebs-urea», hace que la velocidad del ciclo de la urea influya sobre el flujo del ciclo de Krebs y viceversa.
El ciclo de Krebs y sus intermediarios se estudian en el Tema 16 · Ciclo de Krebs y cadena de transporte electrónico.
