Università di Roma Tor Vergata Facoltà di Medicina
Biochimica - Prof. Luciana Avigliano
METABOLISMO
di
PROTEINE ed AMMINOACIDI
AZOTO essenziale per la vita
amminoacidi  proteine
nucleotidi  acidi nucleici
In natura
- N2 atmosferico (N.B. NN triplo legame, molta energia per metabolizzarlo)
- ione nitrato NO3– presente nel suolo
Nei sistemi biologici sono presenti le forme ridotte
- ione ammonio NH4+ libero
- gruppo amminico (-NH3+) e gruppo ammidico (-NH-C=O ) presenti in
composti organici
GLI ANIMALI DIPENDONO DA BATTERI E PIANTE PER L’AZOTO
I. Soltanto alcuni batteri anaerobi, simbionti nelle radici delle leguminose, sono
in grado di fissare (ridurre) l’N2 atmosferico con produzione di NH4+ , che
viene quindi ossidato da altri batteri a nitrato NO3– .
II. Le piante sono in grado di utilizzare NO3– con produzione di NH4+, che
viene quindi incorporato nei composti organici azotati (punto d’ingresso Glu e
Gln)
III. Gli animali assumono composti organici azotati (amminoacidi)
Fonte primaria di azoto:
amminoacidi forniti dalle proteine
alimentari
Funzioni degli L--amminoacidi
 Substrati per la sintesi proteica
20 a.a - con codone
21 a.a. selenocisteina
riconoscimento via tRNA
seril-tRNA + seleniofosfato  Se-cisteinil tRNA
più numerosi in seguito a modificazione post-sintetica
esempi: amminoacidi fosforilati; acido carbossiglutammico
 Componenti di peptidi
glutatione (GSH) Glu-Cys-Gly
 Intermedi metabolici
ornitina
 Fonte energetica
 Trasporto di azoto
a.a. glucogenici, a.a. chetogenici
glutammina, alanina
 Precursori per la biosintesi degli altri composti
contenti azoto
composti derivati
amminoacidi precursori
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Eme
glicina (+ succinil CoA)
Nucleotidi
glutammina, glicina, acido aspartico
Carnitina
lisina, metionina
Creatina
arginina, glicina, metionina
Ammine biogene
,
istidina ( istamina)
triptofano ( serotonina)
Tiroxina, adrenalina
tirosina
Taurina (nei sali biliari)
cisteina
Niacina
triptofano
Classificazione
in base alla
struttura
CLASSIFICAZIONE NUTRIZIONALE
AMMINOACIDI ESSENZIALI :
devono necessariamente essere introdotti preformati con la dieta
valina
leucina
isoleucina
metionina
fenilalanina
triptofano
istidina
lisina
treonina
AMMINOACIDI NON ESSENZIALI
semi-indispensabili risparmiano i precursori essenziali
tirosina (sintetizzata da fenilalanina)
cisteina (sintetizzata da metionina)
non essenziali
glicina, serina, prolina, glutammina, arginina
possono non essere sufficienti in alcuni stati particolari quali infezioni,
traumi, bambini prematuri,
alanina, aspartato, asparagina, glutammato
Le reazioni di transaminazione, reversibili, permettono
di ridistribuire il gruppo NH3 fra gli amminoacidi
Enzimi digestivi secreti come zimogeni inattivi - attivati tramite proteolisi
DIGESTIONE PROTEINE - STOMACO
PEPSINOGENO — pH acido, pepsina  PEPSINA + peptidi
proteine alimentari — pepsina  grandi peptidi
INTESTINO (secreti dal pancreas esocrino)
TRIPSINOGENO — enterochinasi  TRIPSINA + esapeptidi
CHIMOTRIPSINOGENO — tripsina  CHIMOTRIPSINA +2 dipeptidi
PROCARBOSSIPEPTIDASI — tripsina  CARBOSSIPEPTIDASI
PROELASTASI — tripsina  ELASTASi
TRIPSINA - scinde legame COO- di a.a. basici (arginina, lisina)
CHIMOTRIPSINA - scinde legame COO- di a.a. aromatici (Phe, Tyr)
ELASTASI - scinde legame COO- di glicina
CARBOSSIPEPTIDASI A - a.a. aromatici
CARBOSSIPEPTIDASI B - a.a basici
MUCOSA INTESTINALE
AMINOPEPTIDASI
DIPEPTIDASI
LUME
SANGUE
Cl–
HCO3–
Cl–
Cl–
HCO3–
H+
H+
CO2 + H2O
pompa
H+/K+
metabolismo
ATPasi
K+
membrana
baso-laterale
Cl–
K+
membrana
apicale
METABOLISMO DELLE PROTEINE
Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico
Proteine
della dieta
digestione
Quota dei derivati non proteici
minoritaria e non si calcola nel
bilancio azotato;
ma quota significativa in
condizioni di privazione di
proteine
degradazione
sintesi
proteine corporee
Amminoacidi
N
C
Derivati non
proteici
glucosio,
glicogeno
NH3

urea
intermedi del
Ciclo di Krebs
CO2 + energia
acidi grassi
trigliceridi
bilancio di azoto o bilancio proteico: dipende dalla somma
delle velocità di entrata ed uscita dal pool di amminoacidi liberi
a
PROTEINE ALIMENTARI
POOL AA
b
d
PROTEINE CORPOREE
c
POOL DI DERIVATI
flusso in entrata = dieta + degradazione proteica (a + b)
rimozione a.a. = sintesi proteica + ossidazione (c + d)
a+b=c+d
a+d>b+c
costante
mantenimento nell’adulto
bilancio positivo
accrescimento; masse muscolari; gestazione
b+c >a+d
bilancio negativo
insufficiente apporto energia e/o proteine; malattia
In media le proteine contengono il 16% di azoto
Relativamente facile misurare l’azoto, per cui i cambiamenti
nella quantità proteica corporea vengono misurati come
differenza fra azoto introdotto ed azoto escreto
azoto x 6,25 (cioè 100/16) = proteina
UOMO ADULTO: proteine corporee circa 12 Kg
40% nel muscolo di cui 65% miosina ed actina
per locomozione e lavoro muscolare, ma anche come fonte di amminoacidi
in condizioni di stress.
Ma proteine muscolari non sono forma di riserva come glicogeno e lipidi ed
una loro perdita porta a perdita di proteine funzionali.
10% tessuti viscerali (fegato, intestino)
non mobilizzate rapidamente in condizioni di stress per le loro funzioni vitali
30% nelle pelle e nel sangue
lesioni delle pelle ed anemia sono presenti in deficit di proteine alimentari
4 proteine:
miosina, actina, collagene (strutturali) ed emoglobina (trasporto O2)
costituiscono circa la metà di tutte le proteine
CONTINUO RICAMBIO PROTEICO
Serve energia sia per la sintesi che per la degradazione:
15-20 % del bilancio energetico
La continua demolizione e sintesi è fondamentale per
 degradare e rimpiazzare proteine danneggiate
 modificare la quantità relativa di differenti proteine in base alle
necessità nutrizionali e fisiologiche
 rapido adattamento metabolico
La regolazione del turnover proteico è influenzata da:
 stato nutrizionale (energetico e proteico)
 ormoni (insulina, glucocorticoidi, ormoni tiroidei, ormone della
crescita, citochine)
ORGANISMO
Ricambio giornaliero
Amminoacidi
70-80% riutilizzati
20-30% metabolizzati
Proteine dalla dieta
Proteine metabolizzate
% ricambio
muscolo 30-50%
fegato 25%
leucociti
emoglobina
1-2% proteine totali
70-80 grammi/giorno
250 grammi/giorno
diversa emivita
pochi minuti: proteine regolatorie
300 giorni: collageno
SISTEMI DI PROTEOLISI
ATP-indipendente LISOSOMIALE
contribuisce per il 15%
Enzimi attivi a pH 5
-proteine extracellulari (via endocitosi)
-proteine di membrana
-organelli danneggiati (es mitocondri)
ATP-dipendente CITOSOLICO
sistema ubiquitina-proteasoma
selettivo
- proteine citosoliche
- proteine regolatorie
- proteine difettose (neo -sintetizzate per errori nella sintesi o per
ripiegamento sbagliato; invecchiate)
Premio Nobel 2004 Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose
L’ubiquitina come suggerisce il nome è una
proteina presente in tutti gli eucarioti
L’ubiquitina si lega alla proteina da degradare in una via
ATP dipendente che utilizza 3 enzimi
E1
+ ATP  E1-Ubiquitina
E2
proteina di trasporto dell’ubiquitina
E3
lega l’ubiquitina attivata alla proteina da
degradare
Come si riconosce la proteina da eliminare?
Varie ipotesi
-amminoacido N-terminale destabilizzane
Arg ~2 min
Tyr, Glu, ~ 10 min
Ile Gln ~ 30 min
oppure stabilizzante
Met. Gly, Ala, Ser, Thr > 20 ore
-particolari sequenze di distruzione
ATP
La proteina marcata va al proteasoma
Proteine regolatorie per il
riconoscimento e selezione di
protine ubiquitilinate
subunità
7
Proteine degradate dalle subunità
catalitiche 
7
7
Attività tipo chimotripsina - a.a. idrofobici
Attività tipo tripsina - a.a. basici
Attività per a.a. acidi
7
oligopeptidi di 3-25 a.a.
scissi da protesi citosoliche
L’attività del proteasoma è sotto controllo ormonale
INSULINA inibisce il proteasoma
GLUCOCORTICOIDI attivano il proteasoma
azione coordinata per la mobilizzazione di amminoacidi
muscolari e per la gluconeogenesi epatica
ORMONI TIROIDEI attivano il proteasoma
CITOCHINE attivano il proteasoma
sepsi, febbre, ustioni, cancro,…
Aumento delle proteine della fase acuta ed aumento del
catabolismo proteico delle miofibrille mediato da un
aumento delle citochine TNF-, IL-1, IL-6
AMMINOACIDI
METABOLISMO del GRUPPO AMMINICO
Flusso generale
 -chetoacidi
-amminoacidi
O
II
C – O–
I
O
II
C – O–
I
H–C=O
I
R
TRANSAMINAZIONE
transaminasi
piridossalfosfato
H – C – NH3+
I
R
+
+
-chetoglutarato
glutammato
-chetoglutarato
glutammato
DEAMINAZIONE OSSIDATIVA
glutammato deidrogenasi
NAD+
NH2
NH4+
C=O
NH2
UREA
AMMINOTRANSFERASI
(prendono il nome dall’a.a. che cede il gruppo -NH2
all’-chetoglutarato)
1. Alanina amminotransferasi
2. Aspartato amminotransferasi
Denominate anche
•TRANSAMINASI
1. Glutammato piruvato transaminasi
2. Glutammato ossalacetato transaminasi
ENZIMI A PIRIDOSSALFOSFATO
MECCANISMO PING-PONG
H
I
E–C=O
COO–
I
+ H–C–NH2
I
R1
COO–
I
E–NH2 + C=O
I
R2


COO–
I
E-NH2 + C=O
I
R1
COO–
H
I
I
E–C=O + H–C–NH2
I
R2
Intermedio di reazione: base di Schiff
Vitamina B6
piridossina, piridossale, piridosammina
COFATTORI piridossalfosfato (PLP), piridossaminafosfato
ENZIMI A PLP
-Glicogeno fosforilasi 80-90% del totale
- Transaminasi
- Decarbossilasi (amminoacido  ammina )
glutammato (glutammato decarbossilasi)  -aminobutirrico (GABA)
istidina  istamina
triptofano serotonina (5-idrossitriptamina)
tirosina  noradrenalina
- Reazioni di addizione-eliminazione sulla catena laterale di a.a.
- -aminolevulinato sintasi (sintesi dell’eme)
- Metabolismo unità monocarboniosa (metionina  cisteina)
NH3 deriva dal catabolismo degli
amminoacidi
basi puriniche (tramite deaminasi)
basi pirimidiniche
Animali ammoniotelici (pesci)
Animali uricotelici (rettili, uccelli)
Animali ureotelici
AMMONIACA TOSSICA:
Composto basico
- TRASPORTO EMATICO : GLUTAMMINA, ALANINA
- ELIMINAZIONE: UREA
DEAMINAZIONE OSSIDATIVA
tramite
glutammato deidrogenasi
glutammato + NAD(P)+ + H2O  -chetoglutarato + NADH + H+ + NH4+
Intermedio di reazione: imminoacido
COO–
I
H –C–NH3+
I
CH2
I
CH2
–
I
COO
+ NAD+

COO–
I
C=NH2+
I
CH2
I
CH2
–
I
COO
+ NADH + H+
Incorporazione dell’NH4+
 -chetoglutarato + NH4+  glutammato
glutammato + NH4+ + ATP  glutammina + ADP + Pi
NH4+ + HCO3– + 2 ATP  carbamilfosfato
O
2HN–
II
O
II
C~O–P–O–
I
O–
TRASPORTO DELL’ NH3 in forma non tossica
CERVELLO
COO–
I
C=O
I
CH2 + NH +
4
I
CH2
I
C=O
O–
glutammina
ATP
sintasi
COO–
I
H –C–NH3+
I
CH2
+ NH4+
I
CH2
I
C=O
O–
RENE
ADP + Pi
COO–
I
H –C–NH3+
I
CH2
I
CH2
I
C=O
NH2
glutamminasi
H2O
NH4
+
 acidosi
 alcalosi
azoto
amminico
azoto
ammidico
CERVELLO
Alti livelli di glutammato e glutammina per detossificazione
da NH3
altrimenti
si può abbassare il livello di -chetoglutarato e quindi
 ciclo di Krebs
 produzione di energia
IPERAMMONIEMIA
danno da alterazione del ciclo di Krebs e deplezione di ATP
Ciclo glucosio-alanina
muscolo
glicolisi
piruvato
glucosio
transaminazione
glucosio
deaminazione
proteine muscolari
alanina
Ciclo di Cori
fegato
sangue
alanina
gluconeogenesi
piruvato
NH4+
urea
NH4+  glutammato  amminoacidi
NH2
UREA
HCO3–
C=O
aspartato  amminoacidi
NH2
- Gruppi ammidici non dissociabili
- Estremamente solubile
- eliminata 10-30 grammi/die - dipende dalle proteine alimentari
NH4+
0,4-1,2
g/die
dipende equilibrio acido-base
Acido urico
0,2-0,7
g/die
(deriva dal catabolismo delle basi puriniche)
Amminoacidi
0,3 -1,2
g/die
Creatinina
0,3-0,8
g/die
dipende dalla massa muscolare (indice
del turnover proteico del muscolo)
SINTESI UREA - nel fegato
1.CARBAMILFOSFATO SINTETASI
MITOCONDRIO
O
II
O
II
NH4+ + HCO3– + 2 ATP  2HN– C~O–P–O– + 2 ADP + Pi
I
O–
2. ORNITINA TRANSCARBAMILASI
ornitina + carbamilfosfato  citrullina +Pi
CITOSOL
3. ARGININOSUCCINATO SINTETASI
citrullina + aspartato + ATP  argininsuccinato + AMP + P~Pi
4. ARGININOSUCCINASI
argininsuccinato
urea + ornitina

arginina
5. ARGINASI
+ fumarato
ciclo di Krebs
aspartato
AMMINOACIDI:
metabolismo della
catena carboniosa
BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI NON ESSENZIALI
piruvato  alanina
ossalacetato  aspartato (+ glutammina)  asparagina
-chetoglutarato  glutammato + (NH3)  glutammina
glutammato  prolina, arginina
3-fosfoglicerato  serina  glicina
metionina  cisteina (vedi 8° capitolo, vitamina B12)
fenilalanina  tirosina
carenza Phe idrossilasi causa fenilchetonuria: porta a ritardo mentale
1:10.000 - 2% popolazione portatori sani - screening di routine sui neonati (si formano fenilpiruvato, fenillattato, fenilacetato 1-2 g/die nelle urine)
Dieta povera in Phe e ricca in Tyr (aspartame Asp-Phe-metanolo)
in giallo
a.a  glucosio
in celeste
a.a.  corpi chetonici
in rosa
a.a.  glucosio e corpi chetonici
arginina, glutammina,
istidina, prolina
glicina, alanina,
serina,
cisteina,triptofano
isoleucina
glutammato
piruvato
propionil~CoA
isocitrato
triptofano
leucina
acetil-CoA
isoleucina
citrato
acetoacetil-CoA
ossalacetato
leucina
lisina
fenilalanina
tirosina
malato
aspartato, asparagina
-chetoglutato
biotina
B12
succinil~CoA
succinato
fumarato
fenilalanina
tirosina
valina
metionina
treonina