Aminoácidos esenciales
Las proteínas de todos los organismos, a excepción de unas pocas bacterias, están formadas por veinte aminoácidos: ácido aspártico, ácido glutámico, alanina, arginina, asparagina, cisteína, fenilalanina, glicina, glutamina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, prolina, serina, treonina, tirosina, triptófano y valina. Además de su papel como material proteico, muchos de estos aminoácidos realizan otras funciones metabólicas, interviniendo en muchos otros procesos, como material básico de construcción para la síntesis de otros productos, o como coenzimas que intervienen en diversas reacciones. Todos estos aminoácidos (a excepción de la glicina) deben tener la configuración L. los aminoácidos D no pueden realizar sus funciones metabólicas. La glicina, debido a su estructura simple, no tiene ningún carbono asimétrico, y por tanto, no puede adoptar la configuración L o D. No puede haber L-glicina, o D-glicina, como en los demás, sino simplemente glicina.
De estos veinte aminoácidos hay ocho (fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina) que nuestro metabolismo no puede sintetizar a partir de otros ingredientes, por lo que deben estar obligatoriamente en la dieta. Esos ocho aminoácidos se han clasificado como aminoácidos esenciales.
La mayoría de las recomendaciones dietéticas, cuando se refieren a los aminoácidos, se interesan sólo por los ocho esenciales, dando poca o ninguna importancia a los demás, puesto que se supone que a partir de los ocho citados, nuestro metabolismo puede sintetizar el resto. No obstante, esa suposición es extremadamente simplista; no obedece a la realidad, y tiene muy poco valor práctico, por los motivos que exponemos a continuación.
Revisión crítica de los aminoácidos esenciales
Aquí presentamos una revisión crítica sobre el concepto de aminoácidos esenciales. Con arreglo a este razonamiento concluimos que la lista de los ocho clásicos debe ampliarse a trece, por diferentes motivos. En lo que sigue, explicamos los motivos por los que deben añadirse los nuevos.
1. Los ocho clásicos (fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina) por imposibilidad bioquímica.
Estos ocho aminoácidos son estrictamente esenciales ya que existe una imposibilidad bioquímica para su biosíntesis, al no contar el metabolismo animal con las enzimas necesarias para sintetizarlos a partir de cualquier otro ingrediente. Esto es una realidad bien comprobada, por lo que estos ochos figuran en nuestra lista, en el primer grupo.
2. Histidina, por incapacidad bioquímica.
La histidina ha estado mucho tiempo sin considerarse aminoácido esencial, ya que su ruta de biosíntesis es operativa en los animales, al menos, en algunos de ellos, incluido el hombre, pero no en la rata.
Sin embargo, se ha comprobado que en la infancia, el metabolismo humano no tiene suficiente capacidad para sintetizar toda la histidina que necesita. En la actualidad hay muchos autores que reconocen que la histidina es esencial, por motivos empíricos, y que debe estar, por tanto, presente en la dieta [1]. En cualquier caso, nosotros preferimos resolver esta controversia añadiéndolo a la lista, por las razones apuntadas arriba.
3. Tirosina y Cisteína, por dependencia bioquímica.
Tirosina
La fenilalanina y la tirosina son dos aminoácidos proteicos, que se encuentran en cantidades moderadas (2-5%) en prácticamente todas las proteínas de una dieta habitual. El metabolismo de los animales, incluida la especie humana no puede sintetizar fenilalanina a partir de otros ingredientes de la dieta, y sólo puede fabricar tirosina a partir de fenilalanina. Por este motivo, de estos dos, sólo se le ha dado el rango de esencial a éste último, pues se supone que si la dieta contiene suficiente cantidad de fenilalanina, el metabolismo podrá cubrir con ella ambas necesidades. A efectos prácticos, sin embargo, esta clasificación tiene poco interés, ya que las fuentes de fenilalanina lo son también de tirosina, ya que estos dos aminoácidos, pero analizando con cuidado el papel que desempeña cada uno llegamos a una conclusión importante que obliga a corregir esta clasificación.
La fenilalanina es un aminoácido cuyo destino metabólico (aparte de su incorporación a las proteínas) es exclusivamente su transformación en tirosina. Sin embargo, la tirosina tiene asignada una elevada responsabilidad metabólica, ya que es el precursor de varios productos, algunos de los cuales son de uso abundante: las catecolaminas (dopa, dopamina, adrenalina y noradrenalina), la hormona tiroxina, y otros productos, como la melanina. Si quisiésemos cubrir todas esas necesidades partiendo exclusivamente de la fenilalanina, estaríamos sobrecargando la reacción de conversión de fenilalanina en tirosina (fenilalanina hidroxilasa), una reacción compleja que depende de la coenzima tetrahidrobiopterina (la cual quizá sea también una vitamina), y al ser una oxidasa que trabaja con oxígeno molecular puede ser fuente de radicales libres de oxígeno, con el consiguiente riesgo de estrés oxidativo. No tiene sentido, pues, nutrir la fuente de todos esos procesos con un precursor que se usaría minoritariamente como tal, cuando su principal aplicación puede ser suministrada directamente incorporando la cantidad pertinente de tirosina en la dieta. Además, la sobrecarga de fenilalanina, podría provocar que parte de ella se desviase hacia los ácidos fenilpirúvico y fenilacético, y estos productos pueden provocar trastornos metabólicos bien conocidos. Es fácil evitar todos estos problemas si en la dieta hay suficiente cantidad de tirosina. Por tanto, la tirosina debe considerarse como un ingrediente necesario en la dieta, al menos igual que la fenilalanina, o incluso más necesario.
Cisteína
Con la cisteína ocurre un fenómeno similar. Nuestro metabolismo puede sintetizar este aminoácido, pero sólo a expensas de la metionina (esencial en el primer grupo). Por tanto, la ausencia de cisteína en la dieta obligaría a duplicar la cantidad de metionina, y esto sería un esfuerzo inútil pues la conversión obligada de metionina en cisteína produciría un exceso de homoserina como producto residual, que tendría que transformarse en a-cetobutirato; en principio, esa ruta no parece tener problemas, pero la ausencia de cisteína en la dieta vuelve a ser, una forma de forzar el metabolismo.
4. Arginina, por imposibilidad biofísica.
La arginina es un intermediario de la ruta de síntesis de urea (el ciclo de la urea), y nuestro metabolismo la fabrica en grandes cantidades. De acuerdo con esto, podría pensarse -y así figura en los libros de texto- que el metabolismo puede usar la ruta de síntesis de urea también para fabricar arginina, sin más que desviándola de allí; véase, por ejemplo, el mapa clásico del Prof. Michal [2].
Sin embargo, la biosíntesis de urea no es tan sencilla como lo muestran los textos básicos, donde el ciclo de la urea aparece como una ruta secuencial en la que las enzimas que participan son independientes y están distribuidas aleatoriamente en el espacio, de forma que los productos intermedios han de pasar de una a otra por difusión libre al medio. Si eso fuese así, cualquiera de estos intermediarios podría intercambiarse libremente con el exterior, de forma que el flujo de carbono podría desviarse hacia otros destinos partiendo de cualquier intermediario, o bien, cualquier intermediario de esta ruta producido en otra, o procedente del exterior, podría incorporarse directamente a ésta.
Sin embargo, esto no es así. A finales de los años ochenta, el grupo de Luisa Raijman, en la University of Southern California (USC), estudiando la organización biofísica del ciclo de la urea, demostró por primera vez, con unos elegantes experimentos, la existencia del fenómeno de channelling en el metabolismo celular [2].
El channelling es una asociación física ordenada de enzimas que participan secuencialmente en una ruta de transformación, de forma que el producto de una, y sustrato de la siguiente se traspasa directamente de la primera a la segunda, sin tener que difundir al medio. Es decir, el channelling significa un alto grado de organización estructural biofísica del metabolismo, en el campo de la arquitectura molecular de las células [3]. Una ruta metabólica con channelling tiene ventajas cinéticas obvias: tiene menor tiempo de respuesta, ya que los metabolitos intermedios no tienen que difundir para encontrarse con la siguiente enzima, y esto reduce evidentemente el tiempo para alcanzar el estado estacionario; además, esto significa un ahorro de espacio y de electrolitos, de manera que las enzimas pueden trabajar con una concentración local de sustratos elevada sin que aumente la osmolaridad general del medio, y se consigue, en definitiva mayor flujo, pues las enzimas actúan con el máximo grado de saturación.
En general, las enzimas, como proteínas que son, tienen tendencia a asociarse. La cuestión es si una determinada asociación específica entre dos enzimas particulares puede tener ventajas selectivas en la evolución, que lleven a determinar su consistencia. Y puesto que el channelling significa una mejora cinética, es de esperar, desde el punto de vista evolutivo, que su consecución sea un objetivo de la selección natural.
Sin embargo, la formación de un channelling entre dos enzimas significa que el sustrato intermedio no estará disponible para otras rutas divergentes que pudiesen formarse en ese posible punto de bifurcación, o para otras rutas convergentes, puesto que el channelling encierra el metabolito. Por tanto, el channelling puede tener obvias ventajas selectivas cuando se trata de aumentar el rendimiento cinético de una ruta, pero aísla esa ruta quitándole versatilidad al metabolismo, igual que una autovía tiene muy pocos puntos de comunicación con el exterior, mientras que en una calle se puede entrar o salir por cualquier encrucijada. La autovía es muy rápida pero es poco o nada versátil.
Luisa Raijman estudió el funcionamiento del ciclo de la urea en hepatocitos aislados de rata permeabilizados con a-toxina de Staphylococcus aureus. Esta toxina ataca a las membranas plasmáticas de las células eucarióticas formando pequeños poros que permiten el libre intercambio de metabolitos pero no de macromoléculas, de forma que las células mantienen su integridad, pero su metabolismo es accesible desde fuera, pudiéndose controlar las concentraciones de intermediarios como si fuesen variables externas. El grupo de Luisa Raijman puso en marcha el ciclo de la urea en las células permeabilizadas, con bicarbonato, como fuente de CO2, marcado isotópicamente con carbono radiactivo [C-14]. El sistema trabajando en estado estacionario producía urea con un determinado marcaje en el carbono. Cuando el sistema estaba en estado estacionario añadieron arginosuccinato frío a una concentración 200 veces superior a la que habían determinado en el medio, y en otro experimento separado añadieron arginina fría en la misma proporción; estando las células permeabilizadas no había problema para que cualquiera de estos dos productos pudiese atravesar la membrana plasmática y llegase hasta la ruta, ya que estas reacciones ocurren en el citoplasma. Si cada uno de estos productos intermedios (radiactivos) de la ruta estuviese difundiendo libremente al medio, los añadidos se mezclarían con ellos y podrían incorporarse libremente al sistema, siendo atrapados por las enzimas correspondientes como sustratos. Entonces, su concentración extremadamente alta, al mezclarse con el intermediario radiactivo de la ruta apagaría la radiactividad de éste, y se observaría un descenso en el contaje de la urea final. Los resultados mostraron que la adición de arginosuccinato frío provocó la disminución de la radiactividad de la urea en un 25%, mientras que la adición de arginina fría no provocó ningún descenso de la radiactividad. La conclusión es que hay un channelling del 75% para el arginosuccinato, y un channelling del 100% para la arginina.
A finales de la década de 1980 había datos que sugerían la existencia de channelling en varias rutas metabólicas, pero eran sólo indicios indirectos, como balances estequiométricos de flujos que no cuadraban [5,6]. Sin embargo, hasta el trabajo de Luisa Raijman no se habían presentado datos experimentales que lo demostrasen, y por ello, este trabajo marca un hito en el conocimiento del metabolismo.
La arginina y el arginosuccinato (los dos intermediarios ensayados y en los que Luisa Raijman demostró el channelling) se han quedado, pues, atrapados en el ciclo de la urea, evidentemente con el fin de mejorar el rendimiento cinético de esta ruta que es con toda evidencia una de las más activas del metabolismo, y en concreto, una de las más activas de los hepatocitos. Pero el precio que ha habido que pagar por esta mejora cinética es que, al perder la arginina la comunicación con el exterior, esa ruta ha dejado de cumplir su primitiva función, que era, sin duda, la síntesis de arginina. Y la consecuencia dramática es que la arginina, a pesar de que el metabolismo la produce en grandes cantidades, se ha convertido en un aminoácido esencial para los animales donde haya ocurrido esto; en general ?admitiendo que la rata sea un buen modelo experimental? es de esperar que haya ocurrido así al menos en todos los vertebrados ureotélicos, es decir, en todos los mamíferos. En consecuencia, aunque el hígado humano fabrica diariamente hasta más de 100 gramos diarios de arginina, ésta no queda a disposición del metabolismo para sus usos, entre ellos la incorporación a la estructura de las proteínas como aminoácido proteico.
De los resultados del trabajo de Luisa Raijman se deduce, pues, que la arginina debe ser clasificada como aminoácido esencial, por causas de imposibilidad biofísica. Estos resultados vienen a confirmar un buen número de observaciones empíricas que se habían ido haciendo desde cerca de treinta años antes, sobre la necesidad de que la dieta contuviese una cierta cantidad de arginina. Véase, en particular, la revisión, muy bien documentada de Willard Visek, publicada en 1984 en Annual Review of Nutrition [7]. En ese trabajo, Visek afirma que “se ha hecho aparente que el criterio clásico de esencialidad (indispensabilidad) o no esencialidad (dispensabilidad) tiene importantes limitaciones, al ir aumentando el conocimiento de la nutrición y su aplicación. Los datos que soportan estas conclusiones proceden principalmente de estudios con histidina y arginina.”
Once meses después de la publicación del trabajo de Luisa Raijman, un trabajo del grupo de Daly, de la Universidad de Pensilvania [8], reconoce la necesidad de enriquecer la dieta con arginina para el tratamiento de ciertos tumores, y comenta que la clasificación de arginina como no esencial es sólo una cuestión de definición (no de necesidades metabólicas).
La evidente trascendencia práctica de los experimentos de Luisa Raijman hace que sus resultados no pueden quedarse exclusivamente como una curiosidad para los estudiosos del metabolismo, sino que deben trascender al campo de la nutrición y de la dietética, pues demuestran que la arginina es un aminoácido esencial. Es difícil creer que a estas alturas no se disponga de tablas de composición de alimentos donde vengan las cantidades de todos los aminoácidos (no sólo los ocho esenciales clásicos) en los alimentos comunes -y en especial, en los ricos en proteínas. Los especialistas en metabolismo llevan más de veinte años insistiendo en que la lista de aminoácidos esenciales debe ampliarse, y no sólo la lista, sino sobre todo el concepto, y esas conclusiones no acaban de cuajar en los textos ni en la práctica de los especialistas en nutrición.
5. Glicina, por imposibilidad matemática.
Ver las secciones: Metabolismo de la glicina, Biosíntesis del colágeno, y Teoría de los puntos débiles del metabolismo – Glicina y enfermedades degenerativas.
Comentarios al hilo, sobre el Triptófano y el ácido nicotínico (niacina, o vitamina B3)
El triptófano es un aminoácido esencial, y como tal está en el primer grupo, de forma que su disponibilidad depende estrictamente de su aporte en la dieta. El triptófano es el aminoácido más escaso de todos en la composición de las proteínas, y sin embargo, al igual que la tirosina tiene asignado un importante cometido en el metabolismo, como precursor de varios productos, y entre ellos varios neurotransmisores y hormonas, como la serotonina y la melatonina. El riesgo de deficiencia de triptófano como precursor de serotonina es un hecho bien probado, hasta el punto de que el sistema nervioso ha desarrollado un sistema de recaptación de serotonina a fin de reciclar el neurotransmisor para ahorrar triptófano. El que un producto esencial, tan escaso, tenga tan alta responsabilidad metabólica es otro punto débil del metabolismo.
Hace unos años se descubrió que el metabolismo humano puede sintetizar el ácido nicotínico (niacina, o vitamina B3) a partir de triptófano, y esto ha hecho que esta vitamina deje de considerarse como tal. Si procediésemos en consecuencia, omitiendo el ácido nicotínico de los suplementos vitamínicos, estaríamos agravando el punto débil del metabolismo del triptófano que estamos comentando, pues estaríamos sobrecargando aún más el uso del triptófano, que, como hemos visto es el aminoácido menos abundante en la dieta.
Conclusiones generales sobre la composición de la dieta
La estrategia correcta para diseñar la dieta idónea no debería ser reducir la lista de vitaminas y compuestos esenciales al mínimo indispensable fijándonos sólo en el mapa metabólico, sino aumentarla todo lo que sea posible. El concepto de aminoácido esencial y de vitamina no debería ser sólo ‘académico’, para consideraciones de papel y lápiz. La estrategia de confeccionar la dieta buscando lo mínimo imprescindible sobre el papel es mala porque puede provocar importantes problemas de tráfico metabólico, y la estrategia lógica no debe ser la de aportar la dieta mínima, como si la nutrición fuese un tour de force al metabolismo, para ponerlo a prueba y ver hasta dónde es capaz de resistir, sino -muy al contrario- darle las cantidades idóneas de sus requerimientos para que trabaje en las mejores condiciones posibles. Por tanto, los aminoácidos citados deberían añadirse a la lista de aminoácidos esenciales; el triptófano debería añadirse a la dieta con regularidad, al menos, cuando se vea que puede haber trastornos neurológicos, problemas de sueño y relajación, intranquilidad persistente, hiperactividad, etc. (esta última conclusión no cambia la clasificación del triptófano como aminoácido esencial), y el ácido nicotínico (vitamina B3) no debe excluirse de la lista de vitaminas aunque podamos fabricarlo a partir del triptófano.
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Secciones relacionadas de esta página web:
Instituto del Metabolismo Celular
Prof. Meléndez-Hevia
Consultorio nutricional del Prof. Meléndez-Hevia
