Los aminoácidos sirven como precursores de una diversa gama de moléculas biológicamente activas más allá de su papel como componentes básicos de las proteínas. Estos derivados incluyen neurotransmisores, hormonas, porfirinas, melanina y moléculas de señalización que regulan la fisiología y el comportamiento.

Catecolaminas

Las catecolaminas se sintetizan a partir de la tirosina. La tirosina hidroxilasa cataliza el paso limitante, convirtiendo la tirosina en L-DOPA. Esta enzima es inhibida por las catecolaminas mediante retroalimentación y es el objetivo de fármacos utilizados en la enfermedad de Parkinson. La DOPA descarboxilasa luego convierte la L-DOPA en dopamina. En las neuronas noradrenérgicas, la dopamina beta-hidroxilasa convierte la dopamina en norepinefrina. En la médula adrenal, la feniletanolamina N-metiltransferasa convierte la norepinefrina en epinefrina.

La dopamina funciona en el cerebro como regulador del movimiento, la motivación y la recompensa. La enfermedad de Parkinson resulta de la degeneración de las neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra. La norepinefrina y la epinefrina median la respuesta de lucha o huida, aumentando la frecuencia cardíaca, la presión arterial y la glucosa en sangre. Las catecolaminas se inactivan mediante la monoaminooxidasa y la catecol-O-metiltransferasa, que son dianas de fármacos terapéuticos.

Serotonina y Melatonina

La serotonina se sintetiza a partir del triptófano en dos pasos. La triptófano hidroxilasa añade un grupo hidroxilo para formar 5-hidroxitriptófano, y la aminoácido aromático descarboxilasa lo convierte en serotonina. La serotonina regula el estado de ánimo, el apetito, el sueño y la percepción del dolor. Los inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina son antidepresivos ampliamente utilizados que prolongan la señalización de la serotonina.

En la glándula pineal, la serotonina es acetilada por la serotonina N-acetiltransferasa para formar N-acetilserotonina, luego metilada por la hidroxiindol-O-metiltransferasa para producir melatonina, un proceso análogo a las modificaciones postraduccionales de las proteínas. La melatonina regula los ritmos circadianos y los ciclos de sueño-vigilia. Su producción es suprimida por la luz y aumenta en la oscuridad, señalando al cuerpo que se prepare para dormir.

Histamina

La histamina se sintetiza a partir de la histidina por la histidina descarboxilasa. Se almacena en mastocitos, basófilos y neuronas. La histamina media respuestas alérgicas e inflamatorias, estimula la secreción de ácido gástrico y actúa como neurotransmisor regulando la vigilia y el apetito. Los antihistamínicos dirigidos al receptor H1 tratan las alergias, mientras que los antagonistas del receptor H2 reducen la secreción de ácido gástrico en la úlcera péptica. Los receptores H3 regulan la liberación de histamina en el cerebro.

GABA

El ácido gamma-aminobutírico es el principal neurotransmisor inhibidor en el cerebro, sintetizado a partir del glutamato por la glutamato descarboxilasa. La GAD requiere fosfato de piridoxal como cofactor. El GABA se une a los receptores GABAA, que son canales de iones cloruro, y a los receptores GABAB, que son receptores acoplados a proteína G. Las benzodiazepinas y los barbitúricos mejoran la actividad del receptor GABAA, produciendo sedación y efectos ansiolíticos. El GABA es metabolizado por la GABA transaminasa a semialdehído succínico, que entra en el ciclo del ácido cítrico.

Óxido Nítrico

El óxido nítrico es una molécula de señalización gaseosa sintetizada a partir de la arginina por la óxido nítrico sintasa. Existen tres isoformas de NOS. La NOS neuronal produce NO para la neurotransmisión. La NOS inducible se expresa en células inmunitarias y produce grandes cantidades de NO para la defensa contra patógenos. La NOS endotelial produce NO que se difunde a las células de músculo liso adyacentes, activando la guanilil ciclasa y causando vasodilatación. El NO es una señal paracrina con una vida media de segundos, y su efector downstream es el cGMP. La nitroglicerina utilizada para la angina actúa liberando NO.

Glutatión

El glutatión es un tripéptido compuesto por glutamato, cisteína y glicina, con el inusual enlace gamma-glutamilo que lo protege de la escisión por peptidasas. Es el tiol intracelular más abundante, alcanzando concentraciones milimolares. El glutatión sirve como el principal antioxidante celular, reaccionando directamente con especies reactivas de oxígeno y sirviendo como cofactor para la glutatión peroxidasa y la glutatión S-transferasa. El glutatión reducido se mantiene mediante la glutatión reductasa usando NADPH. La depleción de glutatión contribuye al estrés oxidativo en el envejecimiento, la neurodegeneración y la enfermedad hepática.

Porfirinas y Hemo

El hemo se sintetiza a partir de glicina y succinil-CoA en ocho pasos enzimáticos. La primera reacción y limitante condensa glicina con succinil-CoA para formar ácido aminolevulínico, catalizada por la ALA sintasa. Cuatro moléculas de ALA se ensamblan en porfobilinógeno, y cuatro porfobilinógenos se unen para formar hidroximetilbilano, que se cicliza a uroporfirinógeno III. La descarboxilación y oxidación producen protoporfirina IX, y la ferroquelatasa inserta hierro ferroso para formar hemo.

El hemo es el grupo prostético de la hemoglobina, mioglobina, citocromos, catalasa y óxido nítrico sintasa. Los trastornos de la síntesis de hemo causan porfirias, caracterizadas por la acumulación de intermediarios de la ruta que causan síntomas neurológicos y fotosensibilidad.

Poliaminas

Las poliaminas incluyendo putrescina, espermidina y espermina se sintetizan a partir de ornitina y metionina. La ornitina descarboxilasa cataliza el paso comprometido. Las poliaminas son esenciales para la proliferación celular, regulando la expresión génica, la función de los canales iónicos y la estabilidad del ADN. La ODC es un objetivo para el desarrollo de fármacos anticancerosos debido a su papel en el crecimiento celular.

Melanina

La melanina se sintetiza a partir de la tirosina por la tirosinasa, que oxida la tirosina a DOPAquinona. Las reacciones posteriores difieren para la producción de eumelanina y feomelanina. La melanina proporciona fotoprotección en la piel y es crítica para la visión en el ojo. La deficiencia de tirosinasa causa albinismo, caracterizado por falta de pigmento y mayor riesgo de cáncer de piel.