Appunti - Biochimica - Metabolismo degli amminoacidi - a.a. 2015/2016 PDF

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Metabolismo degli aminoacidi Quando gli aminoacidi provenienti dalla digestione gastrica e intestinale, non vengono utilizzati per la costruzione di nuove proteine vengono demoliti Transaminazione Per transaminazione si intende staccare il gruppo dall’aminoacido che dovrà, come sempre avere un accettore

amminico

Se gli aminoacidi non vengono utilizzati per formare proteine il loro gruppo amminico deve essere rimosso dallo scheletro carbonioso.  L’interconversione degli aminoacidi in chetoacidi rappresenta un tipo di reazione molto importante nel metabolismo.  Queste reazioni sono catalizzate da enzimi citoplasmatici o mitocondriali chiamati transaminasi o aminotransferasi. La reazione è rappresentata in prima figura  Il gruppo prostetico delle transaminasi è il piridossalfosfato, la forma coenzimatica della vitamina B6 

Reazione di transamminazione

Durante la reazione di transaminazione si ha una deamminazione dell’alfaamminoacido e amminazione dell’alfa-chetoglutarato. Il piridossalfosfato (PLP) è il cofattore dell’amminotransferasi. Glutammato deidrogenasi Il chetoacido accettore del gruppo amminico è molto spesso l’alfachetoglutarato e quindi l’aminoacido che si produce è il glutammato.  La reazione che permette di riottenere alfa-chetoglutarato dal glutammato è catalizzata dall’enzima glutammato deidrogenasi.  La glutammato deidrogenasi è un’enzima marker della matrice mitocondriale.  La glutammato deidrogenasi è inibito dal GTP ed attivato dall’ADP e Ammoniaca. 

La glutammina è un ottimo trasportatore di ammoniaca attraverso il sangue

L’ammoniaca può : 1.

2. 3.

Portare alla formazione dell’urea nel fegato Essere trasportata sotto forma di glutammina da diversi tessuti. In particolare è trasportata dal cervello al fegato per la formazione dell’urea Essere trasportata attraverso il ciclo glucosio-alanina nel muscolo.FIG. Nei pesci, la glutamminasi è presente nelle branchie. Attraverso queste viene escreta, direttamente nell’acqua, NH4+.

Metabolismo degli aminoacidi proteici I venti aminoacidi sono degradati e formano: o Intermedi del ciclo di Krebs (alfachetoglutarato, succinil-CoA, fumarato ed ossalacetato) o Acetoacetato, acetilCoA e piruvato  Gli aminoacidi possono essere utilizzati per la sintesi di glucosio e sono detti glucogenici. Leucina e lisina non possono dare glucosio ma corpi chetonici, pertato sono definiti chetogenici. Triptofano, fenilalanina, tirosina ed isoleucina sono sia chetogenici che glucogenici.  Uno schema generale della connessione del metabolismo aminoacidico con il ciclo di Krebs. 

Ingresso degli amminoacidi nel ciclo di Krebs In figura sono indicate le principali vie cataboliche degli amminoacidi.

Vie cataboliche degli aminoacidi Alanina, triptofano, cisteina, serina, glicina e treonina sono degradati ad acetil-CoA.  Lo scheletro carbonioso di prolina, glutammato, glutammina, arginina ed istidina entra nel ciclo dell’acido citrico attraverso l’alfachetoglutarato.  Metionina, isoleucina, treonina e valina sono degradati in vie cataboliche che producono succinil-CoA.  Asparagina e aspartato entrano nel ciclo dell’acido citrico come ossalacetato. 

Errori congeniti del metabolismo Sono stati identificati nell’uomo molti difetti genetici a carico del metabolismo degli aminoacidi.  La maggior parte di questi difetti porta all’accumulo di specifici intermedi che a sua volta determina uno sviluppo nervoso difettoso e ritardo mentale.  La tabella riporta i principali difetti del metabolismo degli aminoacidi. 

Eliminazione dell’azoto E’ possibile classificare le specie animali in base al prodotto di escrezione attraverso cui eliminano l’azoto: o Gli animali amminiotelici eliminano l’azoto sotto forma di ammoniaca o Gli animali ureotelici eliminano l’azoto sotto forma di urea o Gli animali uricotelici eliminano l’azoto sotto forma di acido urico  Le piante riciclano i gruppi amminici senza alcun tipo di escrezione.



Ciclo dell’urea Nell’uomo l’ammoniaca è tossica anche a concentrazioni piuttosto modeste. Essa viene incorporata nell’urea, così da essere eliminata senza danni.  Il ciclo dell’urea è stata la prima via metabolica di cui è stata riconosciuta la natura ciclica.  Il ciclo dell’urea si ha soltanto nel fegato.  Questa via ciclica utilizza due compartimenti cellulari: inizia nel mitocondrio e prosegue per tre tappe nel citoplasma.



Reazioni che riforniscono il ciclo dell’urea di gruppi amminici Il ciclo dell’urea inizia all’interno dei mitocondri degli epatociti. Tre tappe del ciclo avvengono nel citosol. Reazioni del ciclo dell’urea L’inizio del ciclo è rappresentato dalla reazione catalizzata dall’ornitina transcarbamilasi.  Il prodotto della prima reazione, la citrullina, esce dal mitocondrio in scambio con l’ornitina e dà luogo alla seconda reazione catalizzata dall’argininosuccinato sintetasi.  La terza reazione porta alla formazione del fumarato e dell’arginina ed è catalizzata dall’argininosuccinato liasi.  La quarta reazione della via ciclica prevede l’idrolisi dell’arginina ad urea e ornitina ed è catalizzata dall’ arginasi. 

Costo energetico del ciclo dell’urea La reazione complessiva del ciclo dell’urea è la seguente: o NH4+ + HCO3- + 4ATP + H2O → UREA + 4ADP + 4Pi  In realtà il costo della sintesi di una molecola di urea è inferiore perché dalla reazione della malato deidrogenasi a ossalacetato si forma un NADH che produce 3 ATP nella fosforilazione ossidativa. 

La biosintesi dell’urea La prima tappa del catabolismo degli amminoacidi consiste nel distacco del gruppo am-

noacidi perdono il gruppo amminico prevalentemente trasferendolo sull’acido a-chetoglutarico attraverso reazioni di transaminazione, producendo acido glutammico. Pertanto l’acido a-chetoglutarico rappresenta lo stelo dell’imbuto su cui convergono i

R H

C

COOH NH2 + CH2

C

CH2

COOH

C

COOH

R O

+

COOH

CH2 H

O

CH2

COOH

C

NH2

COOH

NH 3 + NADH2

NAD + H2O

La costante di equilibrio della reazione catalizzata dalla glutammico deidrogenasi è piuttosto bassa; ciò significa che la presenza anche di piccole quantità di ammoniaca libera fa decorrere la reazione in senso inverso generando acido glutammico da acido a-chetoglutarico. Ciò impoverirebbe la cellula (e in particolare i mitocondri) di questo fondamentale intermedio metabolico, in particolare del ciclo dell’acido citrico, riducendo grandemente la produzione di energia, una condizione cui sono particolarmente sensibili le cellule nervose. Questo è il motivo dell’elevata tossicità dell’ammoniaca per gli organismi superiori e quindi della necessità dell’evoluzione di sistemi efficienti per la sua pronta eliminazione o trasformazione in molecole meno tossiche (detossificazione) da eliminare successivamente. Dunque, gli organismi devono neutralizzare l’ammoniaca non appena questa è stata prodotta. A seconda della forma in cui eliminano l’azoto degli amminoacidi, gli animali vengono classificati come ammoniotelici, uricotelici o ureotelici . Gli organismi ammoniotelici (pesci e altri organismi acquatici), eliminano l’azoto direttamente come ammoniaca attraverso la pelle, le branchie o i reni; gli animali uricotelici (uccelli e molti insetti) trasformano l’ammoniaca liberata dagli amminoacidi in acido urico il quale, a causa della limitata solubilità, viene eliminato con le urine, che si presentano dense per la limitata quantità di acqua presente; infine, gli animali ureotelici (mammiferi e anfibi) eliminano l’ammoniaca sotto forma di urea, meno tossica. Negli animali ureotelici, tra cui l’uomo, l’ammoniaca prodotta viene inattivata in vari modi, per esempio attraverso la sintesi della glutammina per reazione con l’acido glutammico catalizzata dall’enzima glutammina sintetasi. Questa reazione è molto importante perché rifornisce l’organismo di glutammina, l’amminoacido maggiormente utilizzato a scopi biosintetici (basi puriniche e pirimidiniche, amminozuccheri, ecc.); inoltre nei reni e nella pelle e nel fegato la glutammina così formata libera nuovamente ammoniaca e acido glutammico per azione dell’enzima glutamminasi.

COOH A CH 2 A CH 2  NH 3  2 ATP A H O C O NH2 A COOH

1 H 2O

CONH2 A CH 2 H2O A CH 2 2 A H O C O NH2 A COOH

COOH A CH2 A  NH 3 CH 2 A H O C O NH2 A COOH

L’ammoniaca presente nelle urine contribuisce a ridurne l’acidità (pH 5,5–6,0). Tuttavia la maggior parte dell’ammoniaca liberata nel catabolismo degli amminoacidi viene neutralizzata per trasformazione in urea, che rappresenta il principale prodotto finale del metabolismo azotato. Data la notevole tossicità dell’ammoniaca, la conversione di questa in urea, che avviene nel fegato, rappresenta un processo biochimico di estrema importanza e assai dispendioso in termini energetici, come si può notare dalla stechiometria della reazione complessiva: CO2 1 NH3 1 3 ATP 1 acido aspartico 1 2 H2O 8n urea 1 2 ADP 1 2 Pi 1 AMP 1 PPi 1 acido fumarico

La trasformazione dell’ammoniaca in urea avviene attraverso una serie ciclica di reazioni ( ciclo dell’urea) in cui il primo reagente e il prodotto ultimo sono rappresentati dalla stessa molecola. Queste reazioni, che avvengono in parte nei mitocondri e in parte nel citoplasma delle cellule epatiche, rappresentano una tappa importante per la biochimica, essendo stata questa la prima via metabolica completamente chiarita (1932). Per poter entrare nel ciclo dell’urea, l’ammoniaca deve essere attivata per trasformazione in un composto ad alta energia di idrolisi: il carbamilfosfato, un intermedio metabolico essenziale in quanto partecipa anche alla biosintesi delle basi azotate pirimidiniche. La biosintesi del carbamilfosfato utilizzato per la produzione dell’urea avviene nei mitocondri ed è catalizzata dall’enzima carbamilfosfato sintetasi I, la proteina mitocondriale più abbondante, il cui effettore allosterico positivo è l’acido N-acetilglutammico. Questa reazione è resa possibile dall’idrolisi di due molecole di ATP: – COO (CH2)2 H –

C

N H

O C

CH3

OOC

Acido N-acetilglutammico O B NH3  CO2  2 ATP 8n NH2OCOOO P  2 ADP  Pi

Le reazioni del ciclo dell’urea sono localizzate in parte nei mitocondri e in parte nel citosol. Il ciclo ha inizio dentro i mitocondri con la reazione tra carbamilfosfato e una molecola di ornitina, l’accettore che viene rigenerato al termine di ogni ciclo, per dare citrullina; questa, grazie a uno specifico sistema di trasporto presente nella membrana mitocondriale interna, passa nel citoplasma, dove va incontro alle ulteriori trasformazioni del ciclo. La figura 1 a pagina seguente mostra la sequenza delle reazioni catalizzate del ciclo. Si può notare in particolare che il secondo dei due atomi di azoto dell’urea è fornito da una molecola di acido aspartico, che può averla ricevuta da altri amminoacidi per transaminazione sull’acido ossalacetico, un altro importante accettore di gruppi amminici. Questa reazione richiede la rottura di due legami fosforici ad alta energia di una terza molecola di ATP. Riassumendo, la biosintesi dell’urea nei mammiferi è un processo di fondamentale importanza biochimica e fisiologica collegato al metabolismo degli amminoacidi che richiede la rottura di quattro legami ad alta energia di tre molecole di ATP e a cui non esistono vie alternative. Occorre tuttavia tenere presente che l’acido fumarico prodotto nel ciclo viene successivamente trasformato in acido malico e quindi in acido ossalacetico in una reazione che produce NADH 1 H1; questo, ossidato successivamente nella catena respiratoria, restituirà una parte dell’ATP consumato nel ciclo. Riassumendo, ogni molecola di urea contiene due atomi di azoto forniti direttamente da una molecola di acido glutammico e una di acido aspartico e, attraverso questi, da tutti gli amminoacidi per transaminazione sugli acidi a-chetoglutarico e ossalacetico.

gruppo amminico (dalla glutammico deidrogenasi mitocondriale)

2 ATP + CO2 + NH3 + H2O

2 ADP + Pi

Carbamil fosfato

Matrice Mitocondrio Pi

Ornitina Citrullina sistema di trasporto di membrana specifico per l’ornitina

Citrullina Acido aspartico

Ornitina

ATP

O Citosol H2N C NH 2 Urea

AMP + PP i

H 2O

ONH2 gruppo amminico (per transaminazione dell’acido glutammico)

Argininsuccinato

Arginina

Acido fumarico Figura 1 Le reazioni del ciclo dell’urea con la loro compartimentazione cellulare.

Il ciclo dell’urea è strettamente collegato al ciclo dell’acido citrico attraverso quello noto come shunt aspartato-argininsuccinato. Questo collegamento utilizza un intermedio del ciclo, il fumarato, per produrre ossalacetato le cui molecole, oltre a partecipare al ciclo dell’acido citrico, possono ricevere per transaminazione gruppi amminici generando aspartato che, a sua volta, può partecipare al ciclo dell’urea (figura 2 a pagina seguente). Data l’importanza fisiologica del ciclo dell’urea, il blocco a livello di una qualsiasi delle sue reazioni è incompatibile con la vita per i gravi danni al sistema nervoso che provoca il conseguente accumulo di ammoniaca. Una anomalia meno drastica del ciclo porta invariabilmente all’aumento della quantità di ammoniaca presente nel sangue (iperammoniemia), con danni più limitati al sistema nervoso e con la possibilità di un parziale miglioramento limitando al massimo l’apporto alimentare di proteine. Infatti il flusso degli atomi di azoto attraverso il ciclo dell’urea varia con la composizione della dieta, e un massiccio contenuto di proteine alimentari costringe le cellule a metabolizzare pesantemente queste ultime con una massiccia produzione di ammoniaca e quindi di urea. Una condizione simile si verifica nel digiuno protratto, quando l’organismo è costretto a degradare le proteine muscolari per fornire glucosio ed energia soprattutto al cervello. Una situazione opposta si verifica in individui sottoposti a diete povere di proteine. In tutte queste condizioni, l’aumentata o diminuita attività del ciclo dell’urea è assicurata da una regolazione a lungo termine che si traduce nell’aumento o nella riduzione della velocità di espressione dei geni che codificano gli enzimi del ciclo stesso e la carbamilfosfato sintetasi I. Esiste anche una regolazione a breve termine del ciclo; essa prevede la regolazione allosterica della carbamilfosfato sintetasi I ad opera del suo principale attivatore allosterico, l’acido N-acetilglutammico, sintetizzato a partire da acido glutammico e acetil CoA dall’enzima N-acetilglutammato sintasi (figura 3 a pagina seguente).

Fumarato

Arginina

Urea

Ciclo dell’urea

Ornitina

Malato Shunt dell’aspartatoargininosuccinato del ciclo dell’acido citrico

Argininosuccinato

Citosol

Aspartato Citrullina Citrullina Aspartato ␣-Chetoglutarato Glutammato NADH NAD ⫹ Ciclo Malato dell’acido citrico Fumarato

Ornitina Carbamil fosfato

Matrice mitocondriale

Figura 2 Collegamenti tra ciclo dell’urea e ciclo dell’acido citrico.

COO

O 

CH3

 H 3N C

C S-CoA

H

CH2

Acetil CoA

Acido glutammico

CH2 COO

N-acetilglutammato sintasi

Arginina CoA-SH

COO 

O CH3

C

NH

C

H

CH 2 CH 2 COO  Acido N-acetilglutammico

2ATP

HCO  3 

NH4

2ADP  Pi

carbamilfosfato sintetasi I

O

O

H2 N C

O P O

Carbamilfosfato

O

La La prima prima tappa tappa del del catabolismo catabolismo degli degli amminoacidi amminoacidi in in qualunque qualunque organismo organismo consiste normalmente nella rimozione del gruppo D- amminico. amminico. La rimozione del gruppo D-amminico (con la formazione di un D- chetoacido) è dovuta all all’’azione azione di di enzimi enzimi chiamati chiamatiamminotransferasi amminotransferasi o transaminasi. transaminasi.

Nel loro insieme le amminotransferasi convogliano il gruppo DD- amminico della maggior parte degli amminoacidi all’ all’D-chetoglutarato chetoglutarato formando glutammato. . glutammato

Il glutammato viene trasportato dal citosol nei mitocondri dove viene sottoposto a deaminazione ossidativa catalizzata dalla LL-glutammato glutammato deidrogenasi.. deidrogenasi

deidrogenasi nasi è -chetoglutarato prodotto dalla reazione della glutammato deidroge L’ D-chetoglutarato un intermedio del ciclo dell’ acido citrico. citrico. dell ’acido La glutammato deidrogenasi è un enzima allosterico molto complesso. succinil--CoA CoA sintetasi nel ciclo dell’ - Il GTP, un prodotto della succinil dell’acido citrico, ne è un modulatore negativo

La glutammina trasporta ammoniaca attraverso il sangue. Composto con carica negativa

Nei tessuti extraepatici lo ione NH NH4+ per l’escrezione prodotto dalla reazione catalizzata dalla glutammato deidrogenasi, reagisce col glutammato per formare glutammina, un trasportatore non tossico di gruppi amminici che può attraversare le membrane cellulari. Durante questa reazione, catalizzata dalla glutammina sintetasi viene idrolizzato ATP. ATP. Composto neutro

La glutammina entra nel circolo sanguigno e raggiunge il fegato. fegato. Nei mitocondri epatici il gruppo amminico è nuovamente convertito in NH4+ , con l’intervento della glutamminasi. glutamminasi.

Il principale trasportatore di ammoniaca dal muscolo al fegato èè l’ alanina.. l’ alanina L’ alanina viene prodotta quando i gruppi amminici, raccolti dal glutammato, glutammato, sono trasferiti al piruvato. piruvato. Questa Questa reazione reazione è catalizzata dalla alanina transaminasi.. transaminasi

Nel fegato il gruppo amminico trasportato èè trasferito dall dall’’alanina nuovamente all’ all ’D-chetoglutarato generando glutammato piruvato.. glutammato e piruvato Il piruvato può può essere essere utilizzato utilizzato dal dal fegato fegato per per la la gluconeogenesi. gluconeogenesi.

Il ciclo del glucosioglucosio-alanina alanina

L’ammoniaca ’ammoniaca libera è molto tossica e non può essere accumulata nell’ nell’organismo. I gruppi amminici se non vengono riutilizzati per la sintesi di altri altri amminoacidi amminoacidi oo altri prodotti azotati devono essere eliminati Molti organismi organismi acquatici acquatici rilasciano l’ l’ammoniaca semplicemente sotto forma di + ioni NH NH4 . Gli organismi che eliminano ammoniaca non possono vivere in ambienti in cui ambienti in l’acqua è limitata. L’evoluzione ’evoluzione delle specie terrestri èè sostanzialmente dipesa dallo sviluppo delle capacità capacit à di convertire l’ l’ammoniaca ammoniaca in in composti composti non tossici da eliminare in un piccolo volume di acqua. La maggior parte dei vertebrati terrestri converte l’ l’ammoniaca ammoniaca in urea (uomo, altri mammiferi, anfibi adulti) o in acido acido urico urico (uccelli e rettili) Negli uccelli e nei rettili, la disponibilità disponibilità di acqua è un elemento fondamentale nello scegliere l’ acido urico come via di eliminazione dell’ azoto dell’azoto l’acido l’ urea viene escreta con le urine (+ acqua) -l’ -l’ forma a di l’ acido urico, poco solubile, viene escreto con le feci sotto form di cristalli cristalli di di acido urico.

La prima tappa nella produzione dell’ dell’ urea consiste nella formazione del carmamil carmamil fosfato catalizzata dalla dalla car...