Metabolismo Proteico - Riassunto Biochimica Cellulare PDF

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Riassunti sul metabolismo proteico, degradazione e sintesi....

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Il METABOLISMO PROTEICO L’azoto è presente in molte molecole, soprattutto nelle PROTEINE e nelle BASI AZOTATE dei NUCLEOTIDI, poi in quantità minori nei NEUROTRASMETTITORI, nell’EME, nelle TESTE IDROFILE dei lipidi complessi (tranne nell’inositolo) e nella SFINGOSINA. L’azoto è abbondante nell’atmosfera MA in forma inerte, non utilizzabile dal nostro organismo. Infatti solo pochi organismi (i BATTERI) sono in gradi di ridurlo ad AMMONIACA tramite nitrogenasi e quindi utilizzarlo. In questo modo l’ammoniaca può essere inserita negli amminoacidi delle piante. NOI dobbiamo introdurre azoto in forma combinata, soprattutto come aminoacidi. Dato che l’azoto è relativamente scarso nell’ambiente il suo metabolismo è improntato al RISPARMIO. L’azoto che introduciamo è contenuto soprattutto nelle PROTEINE della DIETA, che hanno un diverso valore nutritivo sulla base del loro contenuto in amminoacidi essenziali, ad esempio: -

LATTE E CEREALI: i cereali hanno un deficit di lisina e triptofano che sono invece abbondanti nel latte CARNE, PESCE e UOVA hanno tutti gli amminoacidi essenziali RISO e FAGIOLI contengono 6 amminoacidi essenziali ciascuno, ma alcuni sono diversi e quindi nell’insieme li contengono tutti.

Gli amminoacidi essenziali sono: Fenilalanina, Metionina, Leucina, Isoleucina, Valina, Triptofano, Treonina, Lisina. I semiessenziali sono Arginina e Istidina. La dieta dovrebbe fornire circa 70-100 grammi di proteine al giorno. Le proteine sono troppo grandi per essere assorbite dall’intestino così come sono, quindi bisogna IDROLIZZARLE per liberare gli amminoacidi che le costituiscono e che possono essere assorbiti. Gli ENZIMI PROTEOLITICI (proteasi) che intervengono sono prodotti da: -

STOMACO  Pepsina PANCREAS (esocrino)  Tripsina, Chimotripsina, Elastasi, Carbossi-Peptidasi INTESTINO TENUE  Aminopeptidasi, Di- e Tri- Peptidasi.

Queste PROTEASI sono di DUE FAMIGLIE e vengono prodotte dal pancreas e dallo stomaco come ZIMOGENI: -

ESO-PROTEASI  staccano un amminoacido per volta iniziando da una delle due estremità (amminoo carbossi- terminale) ENDO-PROTEASI  rompono la catena in tratti interni, formando estremità in più su cui le esoproteasi potranno andare a lavorare. Rompono la catena IDROLIZZANDO i legami carboamidici.

La COLLABORAZIONE tra queste due famiglie di enzimi fa in modo che la demolizione delle proteine sia RAPIDA ed EFFICACE. Gli ENZIMI PROTEOLITICI più importanti sono: -

PEPSINA  si trova nello STOMACO, ha pH ottimale 1,5-2,5 ed è un’ENDO-proteasi. TRIPSINA e CHIMOTRIPSINA  sono nell’INTESTINO, hanno pH ottimale 7,5-8,5 sono ENDO-proteasi CARBOSSIPEPTIDASI  si trovano nell’INTESTINO, hanno pH ottimale di 7,5-8,5 e sono ESO-proteasi che lavorano sull’estremità CARBOSSILICA. AMMINOPEPTIDASI  si trovano nella MUCOSA INTESTINALE, hanno pH ottimale di 7,2-8 e sono ESO-proteasi. Lavorano sull’estremità AMMINICA e NON hanno precursori inattvi.

Questi enzimi (tranne le amminopeptidasi) vengono prodotti come ZIMOGENI e poi vengono ATTIVATI: -

Il PEPSINOGENO viene attivato a PEPSINA nello STOMACO grazie al pH (che è circa 2). Poi la pepsina andrà ad idrolizzare le proteine della dieta inizialmente in peptidi di grandi dimensioni.

Nello STOMACO l’HCl, pur essendo un acido, non riesce ad idrolizzare le proteine perché è troppo diluito. La sua funzione è quindi quella di uccidere alcuni batteri e DENATURARE le proteine, rendendole più accessibili alle proteasi  HCl DENATURA ma NON IDROLIZZA. Le proteine digerite dalla PEPSINA nello stomaco contribuiscono a stimolare il rilascio di COLECISTOCHININA nel duodeno, con conseguente liberazione degli enzimi digestivi da parte del pancreas esocrino. -

Nell’INTESTINO l’ENTEROPEPTIDASI, secreta dalle cellule della mucosa intestinale, attivano il TRIPSINOGENO a tripsina (+ esapeptide). Una volta prodotta, la TRIPSINA continuerà ad attivare sé stessa ed andrà ad attivare anche gli altri enzimi digestivi: da CHIMOTRIPSINOGENO a chimotripsina, da PROCARBOSSIPEPTIDASI a carbossipeptidasi e da PROELASTASI ad elastasi.

Quindi la TRIPSINA, una volta prodotta dall’enteropeptidasi partendo dal tripsinogeno, attiva sé stessa e tutti gli altri enzimi pancreatici. Poi, sempre nell’INTESTINO: ENDOPEPTIDASI, DIPEPTIDASI e AMINOPEPTIDASI scompongono ulteriormente gli oligopeptidi prodotti in dipeptidi e tripeptidi, che vengono poi assorbiti a livello dell’ORLETTO a SPAZZOLA. QUINDI dopo l’introduzione delle proteine con la dieta abbiamo: -

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Una FASE GASTRICA  si ha la denaturazione delle proteine grazie all’ambiente acido, in modo da renderle più suscettibili all’attacco della pepsina, che nello stomaco inizia la degradazione. Una FASE PANCREATICA  vengono prodotti e secreti gli ZIMOGENI delle proteasi. Una FASE INTESTINALE  gli zimogeni pancreatici (tripsinogeno, chimotripsinogeno, procarbossipeptidasi e proelastasi) vengono attivati partendo dalla TRIPSINA grazie all’ENTEROPEPTIDASI. L’amminopeptidasi è già attiva. Queste proteasi producono oligopeptidi L’ASSORBIMENTO  endopeptidasi, amminopeptidasi e dipeptidasi degradano ulteriormente gli oligopeptidi a dipeptidi e tripepitidi, che vengono ASSORBITI.

Nei soggetti alimentati correttamente la maggior parte degli amminoacidi essenziali per la sintesi proteica vengono introdotti con la dieta, in questo modo non devono essere sintetizzati e si ha RISPARMIO. Ogni giorno circa il 1-2% delle proteine totali dell’organismo vanno incontro a TURN OVER! Il 75-80% degli a.a. liberati dalla degradazione delle proteine servono per la sintesi di nuove proteine. L’azoto dei restanti a.a. (20-25%) viene eliminato sottoforma di UREA (e NH4) e deve essere SOSTITUITO. La SINTESI PROTEICA può avvenire in modo efficace solo se si dispone di tutti gli a.a. necessari. La CARENZA di PROTEINE provoca: -

Una diminuzione degli ENZIMI e quindi una diminuzione dell’ATTIVITÀ METABOLICA Un rallentamento e in caso arresto dello SVILUPPO corporeo Lesioni EPATICHE e RENALI, dato che fegato e rene hanno un turn-over proteico rapido Diminuita RESISTENZA alle INFEZIONI IPOPROTEINEMIA e quindi EDEMI: se non ho proteine a disposizione uso quelle del mio corpo.

L’ECCESSO di proteine provoca la scissione del gruppo amminico dalla proteina, rimane lo scheletro carbonioso che viene trasformato in LIPIDI o ZUCCHERI.

NON esiste una RISERVA di amminoacidi come tale, il POOL di amminoacidi è la piccola quantità di a.a. liberi presenti nelle cellule o in circolo. Gli amminoacidi non rimangono liberi ma vengono usati per costruire proteine o per fini energetici. QUINDI le proteine hanno funzione PLASTICA o ENERGETICA. Se l’apporto proteico è SCARSO bisogna demolire le proteine tissutali che però in questo modo non possono più svolgere la loro funzione. La perdita di azoto come urea o NH4 indica che poi dovrà essere reintrodotto con la dieta. Il COMPITO del METABOLISMO degli amminoacidi è di MANTERE le PROPORZIONI tra gli aminoacidi disponibili, per garantire una sintesi proteica efficace: -

Se la dieta è CORRETTA bastano gli amminoacidi introdotti. Se la dieta è ECCESSIVA si elimina l’azoto del gruppo amminico e si utilizza lo scheletro carbonioso per fini energetici o per sintetizzare glucosio o lipidi. Se la dieta è SCARSA si demoliscono le proteine tissutali, soprattutto quelle muscolari e le albumine, per potere usare gli amminoacidi per la sintesi di proteine essenziali e per la gluconeogenesi.

La TRANSAMINAZIONE È un meccanismo fondamentale per il metabolismo degli amminoacidi, grazie al quale il gruppo amminico viene trasferito da uno scheletro carbonioso all’altro, facendo diventare un amminoacido il suo corrispondente alfa-chetoacido e l’alfa-chetoacido il suo corrispondente amminoacido. In tutto questo processo il gruppo amminico NON viene LIBERATO ma TRASFERITO. È fondamentale la VITAMINA B6 (PLP) che si carica il gruppo amminico e lo trasferisce. In questo modo si modificano i rapporti tra gli amminoacidi disponibili, in modo da avere sempre a disposizione quelli che mi servono. QUINDI vengono ADEGUATI i rapporti tra gli amminoacidi in base a quelli che servono in quel momento. Capiamo allora che gli amminoacidi essenziali lo sono perché non abbiamo il loro alfa-chetoacido dal quale partire per sintetizzarli. Gli enzimi che fanno queste reazioni sono le TRANSAMINASI. Due delle più importanti sono GOT e GPT: -

GPT (o ALT)  Transaminasi Glutammico-Piruvica o Alanina-Ammino-Transferasi.

La GPT catalizza il trasferimento del gruppo amminico dell’ALANINA sull’acido ALFA-CHETOGLUTARICO. Si formano in questo modo Acido PIRUVICO e Acido GLUTAMMICO. -

GOT (o AST)  Transaminasi Glutammico-Ossalacetico o Aspartato-Ammino-Transferasi

La GOT catalizza il trasferimento del gruppo amminico dall’ASPARTATO all’acido ALFACHETOGLUTARICO. Si formano Acido OSSALACETICO e Acido GLUTAMMICO. GOT e GPT non si trovano negli stessi ambienti: -

GPT è UNILOCULARE: presente solo nel CITOPLASMA. GOT è BILOCULARE: è presente sia nel CITOPLASMA sia nei MITOCONDRI.

Per questo GOT e GPT sono utilizzate come enzimi di SORTITA , per valutare eventuali danni enzimatici in termini di gravità: se c’è solo GPT il danno è leggero, se c’è anche GOT il danno è pesante.

Il sistema della TRANSAMINAZIONE è in pratica un sistema di RACCOLTA di gruppi amminici. È per questo che ci sono sempre acido alfa-chetoglutarico e acido glutammico: -

L’ACIDO ALFA-CHETOGLUTARICO fa da ACCETTORE generale di gruppi amminici L’ACIDO GLUTAMMICO fa da DISTRIBUTORE generale di gruppi amminici. Infatti parte di questi gruppi amminici devono essere resi poi disponibili durante i processi sintetici.

La SINTESI degli SCHELETRI CARBONIOSI La sintesi degli scheletri carboniosi deli amminoacidi non essenziali avviene soprattutto nel FEGATO ed è in generale BEN CONTROLLATA: -

Quasi sempre in modo ALLOSTERICO: la prima reazione della via è inibita dal prodotto finale. C’è anche un controllo tramite INDUZIONE e REPRESSIONE GENICA: il fegato fa aumentare o diminuire la disponibilità degli enzimi a seconda della richiesta di a.a. da quella via metabolica.

La sintesi degli scheletri carboniosi parte soprattutto da intermedi del CICLO di KREBS o della GLICOLISI: 1) Dall’ACIDO GLUTAMMICO (intermedio di KREBS) si sintetizzano GLUTAMMINA e PROLINA

GLUTAMMINA A partire dall’acido glutammico interviene la GLUTAMMINA-SINTETASI che introduce una molecola di AMMONIACA (NH3) nel glutammato, usa l’ATP e produce GLUTAMMINA. -

Le cellule EXTRAEPATICA utilizzano questa reazione per BLOCCARE, organicare l’ammoniaca, in modo da non far esprimere la sua tossicità. La glutammina poi viene messa in circolo e catturata dal FEGATO. Nel FEGATO c’è una GLUTAMMINASI che IDROLIZZA il legame con il gruppo amminico, liberando Acido OSSALACETICO e AMMONIACA che viene utilizzata per fare l’UREA. Questa glutamminasi è presente anche nel rene dove la glutammina viene usata per eliminare protoni sottoforma di NH4+

QUINDI la glutammina è un SISTEMA di TRASPORTO dell’AMMONIACA in modo non tossico, diventa inoltre DONATORE di AZOTO nel fegato, per la sintesi di basi azotate, è un modo di conservare ed utilizzare azoto. QUindi i RUOLI METABOLICI della GLUTAMMINA sono: - Nei tessuti EXTRAEPATICI: organicazione dell’ammoniaca e blocco della sua tossicità - TRASPORTO di AMMONIACA in modo non tossico dai tessuti al fegato che elimina NH3 come UREA dopo averla staccata dalla glutammina grazie alla glutamminasi - Nel FEGATO DONATORE di AZOTO per la sintesi di basi azotate - Nel RENE serve per eliminare protoni com NH4+ grazie alla glutamminasi.

PROLINA A partire dall’acido glutammico avvengono le seguenti reazioni: - Una RIDUZIONE dell’acido glutammico con uso di NADPH-H+ e formazione di un ALDEIDE. - Il gruppo aldeidico reagisce subito con il gruppo amminico, si libera una molecola di acqua e si forma una STRUTTURA CHIUSA. - Avviene un’altra riduzione con NADPH-H+ e si forma la PROLINA. 2) Dall’ACIDO OSSALACETICO (intermedio di KREBS) si sintetizza ASPARAGINA Il processo è lo stesso di quello per la formazione della GLUTAMMINA MA con un atomo di carbonio in meno, dato che parto dall’aspartato e non dal glutammato. Interviene l’ASPARAGINA SINTETASI che usa NH3 e ATP.

3) Dall’ACIDO 3P GLICERICO (intermedio della GLICOLISI) si sintetizza la SERINA dalla quale si sintetizzeranno GLICINA e CISTEINA

SERINA Dall’ACIDO 3P GLICERICO si hanno le seguenti reazioni: -

Un’OSSIDAZIONE con NAD, che forma un ALFA-CHETO-ACIDO Una TRANSAMINAZIONE in cui l’acido glutammico dona il gruppo amminico e diventa acido alfachetoglutarico. Si forma la FOSFORILSERINA Interviene un’IDROLASI che con una molecola di acqua stacca il fosfato e produce SERINA.

GLICINA Dalla SERINA per ottenere la glicina si usa un processo reversibile, una reazione VIT. B6 DIPENDENTE che fa parte del ciclo degli ACIDI FOLICI ed avviene tramite la DISIDRATAZIONE della serina.

CISTEINA Viene sintetizzata a partire dall’OMOCISTEINA anche grazie alla SERINA: -

Avviene una CONDENSAZIONE tra omocisteina e serina, con intervengo dalla CISTATIONINA SINTETASI che usa PLP ed elimina una molecola di acqua. Si forma CISTATIONINA. Interviene la CISTATIONINA IDROLASI che inserendo una molecola di acqua e usando PLP idrolizza il legame tra lo zolfo e il carbonio di quella che era l’omocisteina. Si formano OMOSERINA e CISTEINA.

Quindi dall’omocisteina del ciclo degli ACIDI FOLICI posso ottenere la cisteina. Ci sono patologie legate alla sintesi della cisteina a causa del difetto degli enzimi coinvolti che ci sono ma hanno poca affinità per la vitamina B6: -

Un difetto della CISTATIONINA SINTETASI provoca accumulo di omocisteina e OMOCISTINURIA Un difetto della CISTATIONINA IDROLASI provoca accumulo di cistationina e CISTATIONURIA

La concentrazione di OMOCISTEINA nel plasma è un indicatore non lipidico di RISCHIO CARDIOVASCOLARE, probabilmente perché causa danni all’endotelio e OSSIDA le LDL che sono quindi modificate e vengono riconosciute dai famosi RECETTORI SPAZZINO. La causa dell’IPEROMOCISTINEMIA è la mancanza di acidi folici o una mutazione per il gene che codifica per la MTHFR (MetilenThetraHydroFolatoReduttasi). L’acido folico aiuta ad abbassare i livelli di omocisteina nel sanuge. 4) Dall’ACIDO PIRUVICO (intermedio della GLICOLISI) si sintetizza ALANINA Si ha una TRANSAMINAZIONE con intervento di GPT e si passa da acido piruvico (CH3-CO-COOH) ad alanina (CH3-CH-NH2-COOH) mentre l’acido glutammico diventa acido alfa-chetoglutarico.

Oltre alle sintesi di scheletri carboniosi che abbiamo visto ci sono delle MODIFICHE POST-TRADUZIONALI di alcuni amminoacidi che possono essere IDROSSILATI: a) la PROLINA viene idrossilata ad IDROSSIPROLINA in un processo VITAMINA C dipendente. b) la LISINA viene idrossilata ad IDROSSILISINA in un processo VITAMINA C dipendente.

c) La FENILALANINA viene idrossilata a TIROSINA nel FEGATO: Interviene la FENILALANINA IDROSSILASI che usa: un donatore di idrogeno e una molecola di ossigeno e produce il donatore libero e una molecola di acqua, idrossilando la fenilalanina a TIROSINA. Il DONATORE di IDROGENO di solito è la TETRAIDROBIOPTERINA, un analogo degli acidi folici che sappiamo sintetizzare. Questo donatore dona due idrogeni. QUANDO si ha un BLOCCO di questa reazione, per mancanza o per malfunzionamento dell’enzima fenilalanina idrossilasi, si ha FENILCHETONURIA: -

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la fenilalanina si accumula e, invece di essere convertita in tirosina viene in parte smaltita con le urine e in parte prende la strada della TRANSAMINAZIONE che produce FENILCHETONE (o fenilpiruvato), che dà FENILLATTATO o FENILACETATO L’acido FENILPIRUVICO causa gravi danni al SNC, provocando ritardo mentale, ritardo dello sviluppo, morte precoce. Come TERAPIA si fa una dieta particolare in cui le proteine sono sostituite da una mistura artificiale povera di fenilalanina. Questa dieta però deve essere somministrata entro la prima settimana di vita! La FENILCHETONURIA è la prima malattia ereditaria metabolica in cui è stato dimostrato che la prevenzione dell’accumulo del metabolita nocivo previene le gravi conseguenze cliniche. Questa patologia è molto diffusa, colpisce 1 su 10000 nati vivi, ed è causata come abbiamo detto da un DEFICIT di FENILALANINA IDROSSILASI.

Il CATABOLISMO degli aminoacidi Prevede la RIMOZIONE del gruppo amminico. Ciò avviene in condizioni diverse: -

ECCESSO di INTRODUZIONE di amminoacidi rispetto alle esigenze  dopo aver rimosso il gruppo amminico lo scheletro carbonioso viene usato come FONTE ENERGETICA o per sintetizzare glucosio e lipidi a seconda dello scheletro a disposizione (gluco o cheto genetico)

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SCARSO APPORTO CALORICO della dieta  le proteine dell’ORGANISMO vengono degradate e, dopo aver tolto il gruppo amminico, si utilizzano gli scheletri carboniosi come energia.

In ogni caso il GRUPPO AMMINICO deve essere RIMOSSO e non solo sostituito, quindi NON BASTA la TRANSAMINAZIONE, serve la TRANSDESAMINAZIONE, ovvero una transaminazione e una desaminazione. La TRANSDESAMINAZIONE avviene in questo modo: 1) TRANSAMINAZIONE -

L’amminoacido da degradare subisce la transaminazione, con la quale il suo GRUPPO AMMINICO viene trasferito sull’ACIDO ALFA-CHETOGLUTARICO, ottenendo l’alfa-chetoacido dell’amminoacido in questione e ACIDO GLUTAMMICO.

Quindi la transaminazione nella transdesaminazione non è altro che una transaminazione normale che usa come alfa-chetoacido l’acido alfa-chetoglutarico che diventa acido glutammico, che accetta quindi il gruppo amminico dell’amminoacido da degradare. 2) DESAMINAZIONE OSSIDATIVA -

L’ACIDO GLUTAMMICO ottenuto dalla transaminazione subisce un’OSSIDAZIONE ad opera della GLUTAMMICO DEIDROGENASI presente nel MITOCONDRIO, che usa NAD e produce NADH-H+. Questa ossidazione è REVERSIBILE e produce acido IMMINO-GLUTARICO L’acido immino-glutarico subisce ora un’IDROLISI grazie alla quale viene STACCATO il GRUPPO AMMINICO e liberato come AMMONIACA. Si forma così acido ALFA-CHETOGLUTARICO che è pronto per accettare nuovi gruppi amminici.

QUINDI viene associata la desaminazione alla transaminazione, in modo da semplificare il tutto: il gruppo amminico viene trasferito temporaneamente sull’acido alfa-chetoglutarico, ottenendo glutammato che subirà poi la desaminazione. QUINDI: -

La TRANSAMINAZIONE serve per trasferire il gruppo amminico fra i diversi scheletri carboniosi disponibili, NON LIBERANDO il gruppo amminico. La DESAMINAZIONE serve per STACCARE il gruppo amminico, che viene LIBERATO come NH3.

Associando i processi viene fuori la TRANSDESAMINAZIONE, che serve a staccare i gruppi amminici dei diversi amminoacidi da degradare, parcheggiandoli temporaneamente sull’acido glutammico. La TRANSDESAMINAZIONE è una reazione REVERSIBILE e si svolge nel MITOCONDRIO. Serve UN ENZIMA SOLO, la glutammico deidrogenasi, per desaminare QUASI tutti gli amminoacidi  questo SEMPLIFICA di molto le cose MA è anche un RISCHIO: un deficit di questo enzima infatti è MORTALE. La GLUTAMMICO DEIDROGENASI viene CONTROLLATA in questo modo: -

È STIMOLATA dalla BASSA C.E. (AMP, ADP) dato che è in una via che libera energia. È INBITA dall’ALTA C.E. e dal NADH-H+.

L’ammoniaca eliminata verrà usata poi per formare UREA o GLUTAMMINA. Se ciò non avviene si ha un suo ACCUMULO che provoca l’AMMINAZIONE riduttiva dell’acido alfa-chetoglutarico che viene quindi TOLTO DAL CICLO DI KREBS, che SI BLOCCA! ALCUNI amminoacidi non fanno la transdesaminazione perché PERDONO DIRETTAMENTE AMMONIACA:  Acido GLUTAMMICO  grazie alla GLUTAMMICO DEIDROGENASI  GLUTAMMINA  grazie alla GLUTAMMINASI  Amminoacidi con il GRUPPO OSSIDRILICO: SERINA e TREONINA -

La SERINA viene DISIDRATATA formando un intermedio che viene IDROLIZZATO, liberando AMMONIACA e formando ACIDO PIRUVICO che poi andrà in gluconeogenesi.