5- Catabolismo amminoacidi PDF

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METABOLISMO AMMINOACIDI CATABOLISMO AMMINOACIDI Gli amminoacidi sono l'ultima classe di molecole che, attraverso la degradazione ossidativa, contribuiscono significativamente alla generazione di energia metabolica. Infatti, sebbene nascano come precursori delle proteine, gli amminoacidi possono anche essere utilizzati per ottenere energia. La frazione di energia metabolica ottenuta dagli amminoacidi, sia derivati dalle proteine della dieta che da quelle dei tessuti, varia notevolmente a seconda del tipo di tessuto e delle condizioni metaboliche dell'organismo. Generalmente, il catabolismo degli aa nell'uomo rappresenta una piccola parte dell'energia prodotta da catabolismi ossidativi. Gli aa liberi sono prodotti dalla normale demolizione delle proteine cellulari, dalla degradazione delle proteine della dieta e dalla degradazione di proteine corporee che sostituiscono altre fonti di energia, durante il digiuno o nei casi di diabete mellito non trattato. Negli animali, gli aa vanno incontro alla degradazione ossidativa in tre circostanze diverse: 1. Durante il normale processo di sintesi e degradazione delle proteine, alcuni aa liberati dalla degradazione, ma non necessari per la sintesi di nuove proteine, vanno incontro a degradazione. 2. Se la dieta è ricca di proteine e gli aa ingeriti sono in eccesso rispetto al fabbisogno per la sintesi proteica, il surplus viene catabolizzato. NB: gli aa non possono essere immagazzinati. 3. Durante il digiuno o nel diabete mellito, quando i carboidrati non sono disponibili o non sono correttamente usati, le proteine cellulari vengono impiegate come combustibile metabolico.

In queste condizioni metaboliche, gli aa perdono innanzitutto i loro gruppi amminici e vengono trasformati nei corrispondenti α-chetoacidi (il loro scheletro carbonioso). Gli a-chetoacidi, dopo essere passati dal ciclo dell'acido citrico, possono: Andare incontro a ossidazione a CO2 e H2O Fornire unità a 3C o 4C, che possono essere convertite in glucosio, tramite GNG, per rifornire cervello ed altri tessuti di carboidrati.

Anche la degradazione degli aa, come quella di glucosio e acidi grassi, converge verso le vie cataboliche centrali, con gli scheletri carboniosi della maggior parte degli aa che entrano nel ciclo dell'acido citrico a diversi livelli. Tuttavia, vi è una sostanziale differenza rispetto agli altri processi catabolici: gli aa possiedono un gruppo amminico, e quindi la loro degradazione deve comprendere una tappa in cui il gruppo α-amminico viene staccato dallo scheletro carbonioso ed incanalato verso uno specifico metabolismo. DEGRADAZIONE DELLE PROTEINE Nell'uomo, le proteine ingerite con la dieta vengono degradate ad aa liberi nel tratto gastrointestinale. L'ingresso delle proteine della dieta nello stomaco stimola la mucosa gastrica a secernere l'ormone gastrina, che a sua volta stimola la secrezione di acido cloridrico e di pepsinogeno. Succo gastrico (acid cloridrico): secreto dalle cellule parietali, funge da antisettico, uccidendo batteri e cellule estranee, e da agente denaturante, poiché denatura le proteine globulari rendendole meno ripiegate, così che i legami peptidici siano più suscettibili all'idrolisi enzimatica. Pepsinogeno: è un precursore inattivo (zimogeno) della pepsina. Viene convertito in pepsina mediante una scissione autocatalitica che avviene solo a pH bassi. La pepsina idrolizza le proteine ingerite, rompendo i legami peptidici formati dai residui aromatici Phe, Trp e Tyr a livello del loro gruppo amminico. Quest'azione proteolitica genera una miscela di peptidi più piccoli. Quando il contenuto dello stomaco passa nell'intestino tenue, il pH basso provoca secrezione dell'ormone secretina nel sangue. La secretina stimola il pancreas a secernere bicarbonato nell'intestino tenue, mediante il dotto pancreatico, neutralizzando l'HCl proveniente dallo stomaco e portando rapidamente il pH a valore neutro 7. Nel duodeno, parte alta dell'intestino, l'arrivo degli amminoacidi causa il rilascio nel sangue dell'ormone colecistochinina, che stimola la secrezione di alcuni enzimi pancreatici, inizialmente sotto forma di zimogeni che verranno quindi attivati: tripsinogeno, chimotripsina e procarbossipeptidasi A e B. La tripsina e la chimotripsina idrolizzano ulteriormente i peptidi prodotti dalla pepsina nello stomaco, ottenendo peptidi di piccole dimensioni che verranno a loro volta degradati dalle carbossipeptidasi A e B e da una amminopeptidasi, che rimuovono in successione, rispettivamente, residui amminoacidici dall’estremità C-terminale o dalla N-terminale. Gli amminoacidi liberi prodotti vengono trasportate nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue, poi entrano nei capillari dei villi intestinali e giungono al fegato.

METABOLISMO DELL’AZOTO Gli amminoacidi che derivano dalle proteine della dieta sono la fonte della maggioranza dei gruppi amminici. Lo ione ammonio liberato nei processi catabolici viene in parte utilizzato in una serie di vie biosintetiche, mentre l'eccesso viene escreto (sotto forma di ammoniaca, urea o acido urico). L'eccesso di ioni ammonio generati in tessuti extraepatici giunge al fegato, sotto forma di gruppi amminici, per essere trasformato in forme di escrezione. Quattro aa hanno un ruolo particolare nel metabolismo dell'azoto, poiché sono convertiti più facilmente in intermedi del ciclo dell'acido citrico: a. Glutammato --> a-chetoglutarato b. Glutammina --> a-chetoglutarato c. Alanina --> piruvato

d. Aspartato --> ossalacetato

Nel citosol degli epatociti, i gruppi amminici della maggior parte degli aa vengono trasferiti all'achetoglutarato, formando glutammato. Il glutammato poi entra nei mitocondri, dove perde il suo gruppo amminico sotto forma di NH4+. Nei tessuti extraepatici, l'eccesso di ammoniaca viene convertito nell'azoto ammidico della glutammina, poi trasferita al fegato e internalizzata nei mitocondri degli epatociti. Nel muscolo scheletrico, i gruppi amminici in eccesso vengono in genere trasferiti al piruvato, formando alanina, che può poi trasferire i gruppi amminici al fegato.

TRANSAMMINAZIONE

La prima tappa del catabolismo della maggior parte degli L-amminoacidi, in tutte le cellule, è il distacco (reversibile) del gruppo α-amminico, promosso da enzimi chiamati amminotrasferasi (o transamminasi). Ciascun amminoacido ha una propria amminotrasferasi specifica. In tutte le reazioni di transamminazione, il gruppo α-amminico dell'amminoacido viene trasferito al C-α dell'α-chetoglutarato, generando contemporaneamente l'α-chetoacido dell'aa corrispontente e L-glutammato. La transamminazione catalizzata dall'amminotrasferasi è facilmente reversibile. L'effetto delle transamminazioni è quello di raccogliere i gruppi amminici che derivano da diversi tipi di amminoacidi su un unico composto, l'L-glutammato. Il glutammato funge poi da donatore del gruppo amminico per le reazioni delle vie biosintetiche, oppure per le reazioni delle vie di escrezione dei composti azotati. Nelle cellule vi sono diverse amminotrasferasi, molte delle quali sono specifiche per l'α-chetoglutarato come accettore ma differiscono comunque per la specificità dell'L-amminoacido donatore del gruppo amminico. Questi enzimi prendono il nome proprio dall'aa donatore. Tutte le amminotrasferasi hanno lo stesso gruppo prostetico ed un meccanismo d'azione identico.

PLP Il gruppo prostetico delle ammiontrasferasi è il PLP, piridossal fosfato, forma coenzimatica della vitamina B6. Agisce come trasportatore di gruppi amminici a livello del sito attivo dell'amminotrasferasi, prima di cederli all'a-chetoglutarato. Il suo gruppo reattivo è un COH aldeidico. È in genere saldamente legato all'enzima mediante interazioni non covalenti e mediante la formazione di una base di Schiff, detta aldimmina interna, con il gruppo amminico di un residuo di Lys presente nel sito attivo dell'enzima. Il PLP è coinvolto in diversi tipi di reazioni a livello degli atomi di carbonio α β e γ degli amminoacidi. In particolare, le reazioni riguardanti l'atomo C-α comprendono transamminazione, racemizzazione e decarbossilazione. In tutti e tre i processi, il PLP svolge sempre la stessa funzione chimica: uno dei legami del carbonio α del substrato viene rotto dall'enzima, sottraendo un protone o un gruppo COOH; la coppia di elettroni lasciata sull'atomo C-α formerebbe un carbanione altamente instabile, ma il PLP genera una stabilizzazione per risonanza di questo intermedio, generando un intermedio chinonoide e delocalizzando la carica negativa grazie all'anello pirimidinico del PLP. MECCANISMO TRANSAMMINAZIONE

Il processo di transamminazione è di particolare importanza per le vie metaboliche degli aa: 1. Accetta il gruppo amminico del substrato amminoacidico, che sostituisce il gruppo amminico della Lys, formando un'aldimmina esterna. Tuttavia, il PLP non si distacca dall'enzima, poiché vi è legato anche con interazioni elettrostatiche. Forma aldimminica esterna.

2. Deprotonazione, che porta alla creazione di un carbanione a livello del Cα, che viene stabilizzato per

risonanza, tramite un intermedio chinonoide, dal PLP. 3. L'enzima catalizza l'idrolisi dell'aldimmina esterna, determinando il distacco del primo substrato (aa) che, avendo ceduto il gruppo amminico al PLP, è ora un α-chetoacido. Una volta completata la transamminazione dall'amminoacido al PLP, si ottiene una piridossammina fosfato, la forma amminata del PLP. Per completare il processo, un secondo αchetoacido (α-chetoglutarato) prende il posto di quello rilasciato, e viene convertito nell'amminoacido corrispondente (glutammato) tramite la stessa sequenza di reazioni, ma al contrario. Quello della amminotrasferasi è un perfetto esempio di catalisi con meccanismo "ping-pong": il primo substrato deve lasciare il sito attivo affinchè si possa legare il secondo substrato. La transamminazione avviene in due tempi differenti: prima un primo substrato (aa) si lega al sito attivo, dona il suo gruppo amminico al PLP e si allontana sotto forma di α-chetoacido; poi, il secondo substrato, un α-chetoacido, si lega al sito attivo e accetta il gruppo amminico dalla piridossammina fosfato, uscendo sotto forma di amminoacido. GLUTAMMATO DEIDROGENASI

I gruppi amminici di molti amminoacidi vengono raccolti nel fegato, sotto forma di gruppi amminici delle molecole di L-glutammato. Successivamente, i gruppi amminici devono essere rimossi dal glutammato, per poter essere escreti e per recuperare a-chetoglutarato. Negli epatociti, il glutammato viene trasferito dal citosol ai mitocondri, dove va incontro ad una deamminazione ossidativa catalizzata dalla L-glutammato deidrogenasi della matrice mitocondriale; questa reazione è un'ossidazione che usa NAD+ o NADP+ come accettore di elettroni. La glutammato deidrogenasi agisce in un importante punto di intersezione del metabolismo di C e N. È un enzima allosterico, formato da sei subunità identiche, regolato da numerosi modulatori allosterici, tra cui il modulatore positivo ADP e il negativo GTP. Dalla deamminazione si ottiene NH3, che entrerà nel ciclo dell'urea ed andrà incontro ad escrezione, e α-chetoglutarato, che può essere utilizzato per la sintesi del glucosio o nel ciclo di Krebs. Transamminazione (amminotrasferasi) + deamminazione ossidativa (glutammato deidrogenasi) = transdeamminazione GLUTAMMINA

Essendo tossica per i tessuti animali, il livello di ammoniaca nel sangue deve essere regolato. In molti organi, come il cervello, determinati processi possono generare ammoniaca. Prima di essere trasportata nel sangue dai tessuti extraepatici al fegato o ai reni, l'ammoniaca prodotta in eccesso deve essere convertita in un composto non tossico.

Per azione della glutammina sintetasi, l'ammoniaca prodotta nei tessuti si combina con il glutammato, formando L-glutammina, che funge da trasportatore non tossico (il glutammato serve principalmente per il metabolismo intracellulare dei gruppi amminici, non per il trasporto). Il trasporto dell'azoto sotto forma di glutammina è inoltre vantaggioso, poiché trasporta al fegato due gruppi NH3 anziché uno. La reazione necessita ATP e avviene in due tappe: 1. Glutammato + ATP reagiscono tra loro, formando ADP e il composto intermedio γ-glutammil fosfato (glutammato attivato). 2. Il glutammil-fosfato reagisce con lo ione ammonio NH4+, generando L-glutammina + Pi. La glutammina è normalmente presente nel sangue a concentrazioni molto più alte di qualsiasi altro aa. Rappresenta anche una fonte di gruppi amminici per molte biosintesi. Nella maggior parte degli animali, la glutammina in eccesso rispetto a quella richiesta dalle biosintesi viene trasportata dal sangue al fegato, all’intestino e ai reni, dove viene metabolizzata. Nei mitocondri di questi tessuti, l'enzima glutamminasi converte la glutammina in glutammato, rilasciando ione ammonio NH4+. Dall'intestino e dai reni, questo ione viene trasportato interamente al fegato attraverso il sangue. Nel fegato, infine, viene infine trasformato in urea. Una certa parte del glutammato formato dalla glutamminasi viene ulteriormente metabolizzata nel fegato dalla glutammato deidrogenasi, che libera un altro ione ammonio e rende disponibili scheletri carboniosi come combustibile metabolico (a-chetoglutarato). Tuttavia, la maggior parte del glutammato entra nelle reazioni di transamminazione necessarie per la biosintesi degli amminoacidi. CI CLO GLUCOSIO-ALANINA Il muscolo, quando si contrae vigorosamente, lo fa in condizioni anaerobiche, producendo piruvato e lattato dalla glicolisi e anche NH4+ dalla demolizione delle proteine. Questi prodotti devono raggiungere il fegato,

dove piruvato e lattato vengono trasformati in glucosio, che ritorna al muscolo, mentre lo ione ammonio viene convertito in urea, poi escreta. Per fare ciò, si può utilizzare l'alanina come trasportatore dello ione ammonio dal muscolo scheletrico al fegato. Nel muscolo e in altri tessuti che, in anaerobiosi, degradano gli amminoacidi per usarli come combustibili, i gruppi amminici degli aa diventano gruppi amminici del glutammato mediante transamminazione. Il glutammato può poi essere trasformato in glutammina, che verrà trasportata al fegato. In alternativa, il glutammato trasferisce il suo gruppo α-amminico al piruvato (un α-chetoacido), prodotto dalla glicolisi del muscolo, formando alanina, in una transamminazione catalizzata dall'alanina amminotrasferasi. L'alanina così formata passa nel sangue e giunge al fegato. Nel citosol epatico, l'alanina amminotrasferasi trasferisce il gruppo amminico dall'alanina all'αchetoglutarato, formando piruvato (dall'alanina) e glutammato (dal chetoglut). Il piruvato è utilizzato dal fegato per la sintesi di glucosio attraverso la gluconeogenesi; in questo modo, la gluconeogenesi non è a carico del muscolo, che può quindi usare per la contrazione tutto l'ATP disponibile. Il glutammato formato nel fegato può: o entrare nel mitocondrio, dove rilascia NH4+ per azione della glutammato deidrogenasi. NH4+ poi entra nel ciclo dell'urea. o Andare incontro a transamminazione con l'ossalacetato, formando aspartato, un altro donatore di azoto nella formazione dell'urea. NB: qualunque sia il trasportatore (alanina o glucosammina), nel fegato tutti i gruppi amminici convergono sul glutammato.

CICLO DELL’UREA I gruppi amminici NH3 che non vengono utilizzati per la sintesi di nuovi amminoacidi o di altri componenti azotati (nucleotidi), vengono convertiti nel fegato in un unico prodotto finale di escrezione non tossico. A seconda della natura di questo prodotto, si possono distinguere organismi: Ammoniotelici: eliminano l'azoto amminico così com'è, sotto forma di ammoniaca, che poi si diluisce nell'acqua dell'ambiente circostante; organismi acquatici. Urotelici: eliminano l'azoto amminico sotto forma di urea; animali terrestri vertebrati. Uricotelici: uccelli e rettili, che eliminano l'azoto amminico sotto forma di acido urico. Negli organismi urotelici, l'ammoniaca accumulata nei mitocondri degli epatociti viene convertita in urea mediante il ciclo dell'urea. L'urea passa guindi nel sangue e raggiunge i reni, dove viene escreta tramite le urine. REAZI ONI DEL CICLO Il ciclo dell'urea si svolge in quattro tappe enzimatiche, che utilizzano due compartimenti cellulari: la prima avviene nei mitocondri e le restanti 3 si svolgono nel citosol degli epatociti.

PREPARAZIONE: NH4+ ---> CARBAMIL-FOSFATO Il primo gruppo amminico ad entrare nel ciclo dell'urea deriva dall'ammoniaca presente all'interno dei mitocondri, prodotta attraverso le varie tappe del metabolismo dell'azoto: Glutammina dai tessuti extraepatici –(glutamminasi) glutammato –(glutammato deidrogenasi) liberazione NH4+ Glutammato derivato da degradazione amminoacidi --> NH4+ Glutammato derivato da alanina dal muscolo --> NH4+ Qualunque sia la sua fonte, l'NH4+ mitocondriale viene immediatamente utilizzato, insieme alla CO2 proveniente dalla respirazione mitocondriale (sotto forma di HCO3), per formare carbamil fosfato, che è un donatore di gruppi carbamilici attivati ed entra quindi nel ciclo dell'urea. Questa reazione, che richiede l'idrolisi di 2 ATP, ha luogo nella matrice dei mitocondri, ed è catalizzata dalla carbamil fosfato sintetasi I, un enzima regolatore. NB: la carbamil fosfato sintetasi II, citosolica, funziona invece nella biosintesi delle basi pirimidiniche.

1- ORNITINA ---> CITRULLINA Nella matrice mitocondriale, il carbamil fosfato dona il suo gruppo carbamilico (CONH2) all'ornitina per formare citrullina, con il contemporaneo rilascio di Pi. Questa reazione è catalizzata dall'ornitina transcarbamilasi, e rappresenta l'ingresso del primo gruppo amminico nel ciclo dell'urea. L'ornitina non è un amminoacido dei 20 presenti nelle proteine, ma è un intermedio chiave del ciclo dell'azoto, in quanto svolge un ruolo simile a quello dell'ossalacetato nel ciclo di Krebs, accettando un gruppo carbamilico ad ogni giro del ciclo dell'urea. Viene sintetizzata a partire dal glutammato in una via a cinque tappe. La citrullina è un amminoacido in grado di abbandonare la matrice mitocondriale, spostandosi nel citosol, dove, sempre nel sito dell'ornitina transcarbamilasi, viene attivata e preparata al passaggio successivo, con l'utilizzo di 1ATP: si forma l'intermedio citrullil-AMP (legame a livello del C carbamilico) e si libera un pirofosfato PiPi (-->2Pi). 2- CITRULLINA ---> ARGININOSUCCINATO In questa tappa, che avviene nel citosol, entra nel ciclo il secondo gruppo amminico. La fonte è l'aspartato, formatosi nei mitocondri per transamminazione tra glutammato e ossalacetato (aspartato amminotrasferasi, che produce aspartato e a-chetoglutarato), e trasportato poi nel citosol; perciò, indirettamente, anche il secondo gruppo amminico deriva dal glutammato. Nel citosol avviene una reazione di condensazione tra il gruppo ammidico dell'aspartato ed il gruppo ureidico del citrullil-AMP, generando l'argininosuccinato; questa reazione è catalizzata dall'argininosuccinato sintetasi, e libera l'AMP precedentemente associato al citrullile. L'attivazione dell'ossigeno ureidico della citrullina con aggiunta di AMP, nella fase precedente, favorisce l'aggiunta dell'aspartato in questa tappa. NB: i due azoti dell'urea vengono acquisiti in due reazioni, ed entrambe consumano ATP: quella catalizzata dalla carbamil fosfato sintetasi I, e quella catalizzata dall'argininosuccinato sintetasi.

3- ARGININOSUCCINATO ---> FUMARATO + ARGININA L'argininosuccinato viene scisso reversibilmente dall'argininosuccinasi, producendo arginina e fumarato. È l'unica reazione reversibile del ciclo dell'urea. L'arginina procede verso il prossimo step del ciclo dell'urea, mentre il fumarato viene rilasciato e, entrando nei mitocondri, si aggiunge agli altri intermedi del ciclo di Krebs.

4- ARGININA ---> UREA Nella reazione finale del ciclo dell'urea, l'enzima citosolico arginasi scinde l'arginina in ornitina ed urea. Urea viene immessa in circolo, arrivando fino ai reni da cui viene escreta. Ornitina: si è rigenerata, e tramite specifici trasportatori reintra nel mitocondrio, dove ricomincia il ciclo accettando un gruppo carbamilico.

BI CI CLO DI KREBS

Il fumarato prodotto nella reazione dell'argininosuccinasi è an...