Ossidazione degli amminoacidi
Gli amminoacidi, derivanti dalle proteine, possono essere
degradati, ossidati, contribuendo in maniera significativa alla
generazione di energia metabolica della cellula.
Le situazioni che portano ad una maggiore degradazione degli
amminoacidi sono:
• Un eccesso di rispetto al fabbisogno per la sintesi delle proteine
• Una dieta ricca di proteine che apporta più amminoacidi del
necessario e quindi questi vengono degradati
• Il digiuno o il diabete mellito portano ad una diminuzione degli
zuccheri, le proteine diventano una fonte di energia
Ossidazione degli amminoacidi
Il gruppo amminico viene staccato ed lo scheletro carbonioso, un
chetoacido, viene ossidato a CO2 e acqua.
Quando il chetoacido è a tre o quattro atomi di carbonio può essere
utilizzato per la neosintesi di glucosio, necessario per il fabbisogno
energetico cerebrale o muscolare.
L’eliminazione del gruppo amminico distingue la via catabolica
degli amminoacidi dalle altre viste fino ad ora.
Le proteine introdotte con la dieta, raggiunto lo stomaco, vengono
denaturate dalla sua elevata acidità e idrolizzate in peptidi corti
dalla pepsina che a pH acido è attiva su residui di amminoacidi
aromatici. Nel duodeno invece operano la tripsina, la
chimotripsina, la carbossipeptidasi ed altre peptidasi che liberano
gli amminoacidi che vengono poi assorbiti attraverso le pareti
cellulari.
Digestione ed assunzione
di proteine.
Schema di una parte del tratto
digestivo con evidenziate varie
funzioni svolte nella digestione
delle proteine.
Ossidazione degli amminoacidi
Ciclo dell’urea - Parte del metabolismo di alcuni
organismi che conduce all’eliminazione dell’azoto
ammoniacale in eccesso.
L’azoto proviene dal metabolismo delle proteine
e degli amminoacidi
Dieta
amminoacidi
a-chetoacidi
Glucosio
Gluconeogenesi
Proteine
intracellulari
Ciclo
dell’acido
citrico
respirazione
CO2 + H2O
NH4+
escrezione
Biosintesi AA.
Nucleotidi
ammine.
Forme di escrezione dell’ammonio
NH4
Animali ammoniotelici:
la maggior parte dei vertebrati acquatici
pesci con scheletro osseo, larve di anfibi
+
Ammonio
H2N CONH2
Animali ureotelici:
molti vertebrati terrestri
(anche gli squali)
Urea
O
H
O
H
N
N
O
N
H
N
H
Acido urico
Animali uricotelici:
uccelli, rettili
L’ammonio è tossico, la sua conversione in urea è confinata
nel fegato
Dalla dieta
a-chetoacidi
amminoacidi
a-chetoglutarato
glutammato
Dai muscoli
NH4+
Dal muscolo e
altri tessuti
piruvato
alanina
NH4+
glutammina
urea
L’ammoniaca libera è molto tossica
Altera il pH, reagisce con gli intermedi dei cicli
energetici alterandoli, ha effetti neurotossici.
NH4+
Interconversione tra amminoacidi: reazione di
transamminazione
CHO
OH
P-O
COO|
C=O
|
CH2
|
CH2
|
COO-
COO|
H3N+-C-H
|
R
+
PLP
amminotransferasi
L-amminoacido
COO|
H3N+-C-H
|
CH2
|
CH2
|
COO-
+
+
COO|
C=O
|
R
N
CH2
OH
+
N
COO|
C=O
|
CH2
|
CH2
|
COO-
COO-
+
|
H3N+-C-H
|
CH3
L-alanina
H
COO-
PLP
Alanina
amminotransferasi
|
H3N+-C-H
|
CH2
|
CH2
|
COO-
+
COO|
C=O
|
CH3
piruvato
a-chetoglutarato
glutammato
PLP
NH2
P-O
glutammato
CH3
H
a-chetoacido
a-chetoglutarato
piridossal
fosfato
piridossammina
fosfato
CH3
PMP
L’ammonio dei tessuti viene legato nella glutammina
COO|
H3N+-C-H +
|
CH2
|
CH2
|
COO-
ATP
COO|
H3N+-C-H
|
CH2
|
CH2
|
O=C-OPO3=
ADP
Glutammina
sintetasi
glutammato
NH4+
Pi
Glutammina
sintetasi
COO|
H3N+-C-H
|
CH2
|
CH2
|
O=C-NH2
glutammina
g-glutammil fosfato
L’ammonio viene liberato anche dal glutammato
GTP
ADP
COO|
H3N+-C-H
|
CH2
|
CH2
|
COO-
NAD(P)+
NAD(P)H + H+
+
glutammato
+
H2O
glutammato deidrogenasi
COO|
C=O
|
CH2
|
CH2
|
COO-
+
a-chetoglutarato
NH4+
Negli animali ureotelici l’azoto viene convogliato nei mitocondri
degli epatociti e nel fegato viene convertito in urea.
Hans Krebs, 1932
Sintesi dell’urea stimolata “cataliticamente” da:
Ornitina
Citrullina
urea
Arginina
ornitina
ammoniaca
+ CO2
arginina
citrullina
2NH3 + CO2
H2N-CO-NH2 + H2O
ammoniaca
La reazione complessiva del ciclo
dell’urea
bicarbonato
NH4+ +
HCO3-
NH3+
|
-OOC-CH -CH
2
|
COO-
+
ammonio
aspartato
3 ATP
2ADP + AMP + 2Pi + PPi
O
||
H2N-C-NH2 +
urea
-OOC-CH=CH-COO-
fumarato
+ 2 H2O + H+
La sintesi dell’urea consiste di 5 reazioni enzimatiche
ATP
PPi
aspartato
citosol
citrullina
3a
(Citrullil-AMP)
mitocondrio
citrullina
3b
2ADP + 2Pi
AMP
NH4+ + HCO3- + 2ATP
H2N-CO-O-PO3=
1
2
ornitina
argininosuccinato
4
ornitina
5
urea
arginina
H2O
fumarato
Attivazione dell’ammonio prima che entri nel ciclo
1
NH4+ + HCO3- + 2ATP
H2N-CO-O-PO3= + 2ADP + Pi
Carbamilfosfato
sintetasi I
a)
ATP + HCO3-
[HOCO-O-PO3=] + ADP
carbonilfosfato
b)
NH4+ + [HOCO-O-PO3=]
[H2N-COO-] + Pi
carbamato
c)
[H2N-COO-] + ATP
H2N-CO-O-PO3= + ADP
carbamilfosfato
Condensazione con l’ornitina prima di uscire dal mitocondrio
2
H2N-CO-O-PO3=
+
+H
NH3+
|
NH3+
|
3N-CH2-CH2-CH2-CH
ornitina
H2N-CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH
|
COO-
citrullina
Ornitina transcarbamilasi
|
COO-
+
Pi
Trasformazione della citrullina in argininosuccinato
nel citosol dell’epatocita
3
AMP
|
NH3+
O
|
|
+H-N=C-NH-CH -CH -CH -CH
2
2
2
NH3+
a)
|
H2N-CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH
+
ATP
|
COO -
citrullina
+ PPi
|
COO -
b)
2 Pi
Citrullil-AMP
Argininosuccinato
sintetasi
Citrullil-AMP
AMP
|
NH3+
O
|
|
+H-N=C-NH-CH -CH -CH -CH
2
2
2
|
COO -
+
NH3+
|
+H-N=C-NH-CH
2-CH2-CH2-CH
|
COO -
|
NH
|
CH-CH2-COO |
COO -
NH3+
|
CH-CH2-COO |
COO -
argininosuccinato
aspartato
+ AMP
Liberazione di fumarato dall’argininosuccinato per dare
arginina
4
arginina
argininosuccinato
NH3+
|
+H-N=C-NH-CH -CH -CH -CH
2
2
2
|
|
COO NH
|
CH-CH2-COO |
COO -
Argininosuccinato
liasi
NH3+
|
+H-N=C-NH-CH -CH -CH -CH
2
2
2
|
|
COO NH2
+
- OOC-CH=CH-COO -
fumarato
Idrolisi dell’arginina per dare urea e rigenerare ornitina
5
urea
arginina
NH3+
|
+H-N=C-NH-CH -CH -CH -CH
2
2
2
|
|
COO NH2
+
H2O
O
||
H2N-C-NH2
Arginasi
ornitina
NH3+
|
+H N-CH -CH -CH -CH
3
2
2
2
|
COO -
Organizzazione del ciclo dell’urea all’interno della cellula
Gli enzimi del ciclo dell’urea sembrano essere “raggruppati”
cosicché la citrullina, l’argininosuccinato, l’arginina e l’ornitina
non sono rilasciati nel citosol ma incanalati da un enzima all’altro;
solo l’urea viene rilasciata.
Il recupero del fumarato grazie a 2 enzimi del ciclo dell’acido citrico
rifornisce di aspartato il ciclo dell’urea.
NH3+
|
CH-CH2-COO |
COO - aspartato
NH3+
|
CH-CH2-COO |
COO - aspartato
transaminasi
a-chetoglutarato
citrullina
ATP
AMP + PPi
malato deidrogenasi
Glutammato
- OOC-C-CH -COO 2
argininosuccinato
||
O
NAD+
dal ciclo
dell’acido
citrico
dal ciclo
dell’urea
NADH + H+
- OOC-CH-CH -COO 2
|
OH
- OOC-CH=CH-COO -
fumarato
- OOC-CH=CH-COO -
fumarato
H2O
fumarasi
arginina
Bilancio energetico del ciclo dell’urea
NH3+
|
NH4+ + HCO3- + -OOC-CH2-CH
|
COO3 ATP
2ADP + AMP + 2Pi + PPi
O
||
H2N-C-NH2 +
2Pi
-OOC-CH=CH-COO-
+ 2 H2O + H+
Regolazione del ciclo dell’urea
• Dieta
• Digiuno
• Regolazione a lungo termine
• Regolazione a breve termine
(arginina)
CoA-S-CO-CH3
CoA-SH
+
+
NH3+
|
-OOC-CH -CH -CH
2
2
|
COO -
acetilglutammato
sintetasi
+
NH-CO-CH3
|
-OOC-CH -CH -CH
2
2
|
COO -
+
NH4+ + HCO3- + 2ATP
H2N-CO-O-PO3= + 2ADP + Pi
Carbamilfosfato
sintetasi I
ATP
Quando il ciclo dell’urea
non funziona bene
PPi
aspartato
3a
citrullina
(Citrullil-AMP)
STOP
citrullina
3b
2ADP + 2Pi
AMP
STOP
NH4+ + HCO3- + 2ATP
STOP
H2N-CO-O-PO3=
1
2
ornitina
argininosuccinato
citosol
4
mitocondrio
ornitina
5
STOP
arginina
fumarato
STOP
H2O
urea
iperammoniemia
NOME
iperammoniemia tipo I
“
tipo II
citrullinemia
arg-succ. aciduria
argininuria
difetto enzimatico
carbamil-P sintetasi
orn. transcarbamilasi
arg-succ. sintetasi
arg-succ. liasi
arginasi
si
si
+ + -
citrullinemia
oroticoaciduria
no
si
+ si
argininuria
argininsuccinemia
si
si
no
si
si
Quando il ciclo dell’urea non funziona bene
Difetti genetici - ridotta capacità di convertire l’NH4+ in urea
Dieta selezionata, povera di proteine ed amminoacidi, ma arricchita
di a-chetoacidi precursori degli amminoacidi essenziali.
a-chetoacido
(di aa. essenziale)
transaminasi
amminoacido
(non essenziale)
amminoacido
(essenziale)
a-chetoacido
(di aa. non essenziale)
Riepilogo
• Il ciclo dell’urea è deputato alla trasformazione dell’azoto dalla forma
ammoniacale, tossica, all’urea, meno tossica.
• Il ciclo dell’urea è localizzato parte nel citosol e parte nei mitocondri
degli epatociti.
• L’urea si libera dall’arginina per idrolisi generando ornitina che
viene poi convertita nei mitocondri in citrullina; la citrullina viene
quindi addizionata di un azoto dall’acido aspartico per rigenerare
l’arginina: gli intermedi quindi non vengono consumati e il loro livello
ha un’influenza “catalitica”.
• Costi energetici
• Difetti genetici - dieta correttiva
Ciclo del glucosio-alanina.
L’alanina viene utilizzato come trasportatore
di ammoniaca dai muscoli al fegato. Il
piruvato, trasformato in glucosio attraverso
la gluconeogenesi, ritorna al muscolo.
Vie degradatorie degli amminoacidi
• La degradazione degli amminoacidi normalmente contribuisce per il
10%-15% del nostro fabbisogno energetico.
• I 20 processi catabolici portano alla formazione di 5 intermedi
metabolici del ciclo degli acidi tricarbossilici:
acetil-CoA
a-chetoglutarato
succinil-CoA
fumarato
ossalacetato
Leucina
Lisina
Fenilalanina
Triptofano
Tirosina
Isoleucina
Leucina
Triptofano
Alanina
Cisteina
Glicina
Serina
Triptofano
Piruvato
Arginina
Glutammina
Istidina
Prolina
Acetil-CoA
Acetoacetil-CoA
1
Citrato
2
Asparagina
Aspartato
Glutammato
Ossalacetato
Isocitrato
NADH
3
8
CO2
Malato
NADH
a-chetoglutarato
7
4
CO2
Fumarato
NADH
Fenilalanina
Tirosina
6
FADH2
5
Succinil-CoA
Succinato
GTP
(ATP)
Isoleucina
Metionina
Treonina
Valina
Fenilchetonuria PKU
dovuta a deficienza dell’enzima finilalanina idrossilasi con accumulo
di fenilalanina.
Fenilchetonuria PKU
dovuta a deficienza
dell’enzima finilalanina
idrossilasi
L’accumulo di fenilalanina
porta alla formazione di
fenilacetato e fenillattato che
vengono anche escreti nelle
urine.
Prolina, glutammato, glutammina, arginina, istidina
H2C
H2
C H
C
O
OH
C NH
H2
Prolina
O
HO
H2
O
C H
C
C
OH
H2
NH2
glutammato
O
HO
C
H2
H2
C
O
OH
O
a-chetoglutarato
glutammina
O
H2N
O
H2
C H
C
C
OH
H2
NH2
ornitina
NH
H2N
H2
O
H2
N C
C H
H
C
C
OH
H2
NH2
arginina
istidina
H2
O
C H
N
C
OH
HC
CH NH2
N
H
Amminoacidi convertiti
in succinil-CoA
Amminoacidi convertiti
in ossalacetato