Biosintesi e catabolismo
delle
selenoproteine
Assorbimento
Non vi è controllo omeostatico per l’assorbimento del Se
Alta biodisponibilità in ogni forma inorganica ed organica
SeMet ~ 90%
Limitante non l’assorbimento ma la trasformazione in forma
attiva
 Met (AA essenziale per gli animali) e Se-Met sintetizzati da
piante e lieviti
 Se-Met inserita in maniera non specifica nelle proteine
come analogo della Met sia nelle piante che negli animali
 la sostituzione è casuale e dipende dalla % dei due amino
acidi
Metionina
Se-Metionina
Negli animali: Se-Cisteina (SeC) presente nelle selenoproteine
ruolo specifico e controllo omeostatico
non esiste un pool di SeC libera
COO–

+H N
3
–C–H

CH2SeH
Metionina - precursore della cisteina
Se-Met NON è precursore della SeC presente nelle
selenoproteine
I) Indipendentemente dalla forma di assunzione il Se per essere utilizzato deve
essere ridotto a selenuro (SeH-)
1.
2.
Sale (selenato, selenito): riduzione GSH dipendente
SeC + SeC-liasi PLP-dipendente  SeH- + alanina
enzima specifico che non scinde la Cys
II) selenuro è trasformato in selenofosfato ad opera della selenofosfato
sintetasi (a sua volta selenoproteina)
SeH- + ATP + H2O  HPO3Se2- + Pi + AMP
O
-Se – P = O

OH
selenofosfato
III) biosintesi di SeC nel corso della traduzione
seril-tRNASeC

selenocisteina sintasi (enzima a PLP) + selenofosfato

selenocisteil-tRNASeC
Il livello di Se regola il livello di selenofosfato e quindi il livello SeC-tRNASeC
IV) inserzione della SeC nella proteina
mRNA: struttura a forcina denominata SECIS
(Seleno Cysteine Insertion Sequence)
a valle del codone UGA nella regione 3’ non tradotta
permette la distinzione tra UGA/SeC ed UGA/codone di stop
SECIS - Seleno Cysteine Insertion Sequence a valle del codone UGA nella regione 3’ non tradotta
permette la distinzione tra UGA/Sec ed UGA/codone di stop
Finora identificate 25 proteine a Se
sulla base dello screening del genoma contenente
- sequenza UGA
- elemento SECIS
(le 2 condizioni necessarie per la sintesi)
le proteine a Se potrebbero essere oltre 50
Proteine
Se-proteine
Selenito
(come Secisteina)



Selenometionina
selenofosfato
GS-Se-SG
(transulfurazione)


selenocisteina  H2Se  GS + SeH
S-adenosilMetionina  derivati metilati
CH3SeH

CH3Se-GalN
(CH3)2Se  respiro
1-metilseleno-N-acetil-galattosamina

+
(CH
)
Se
 urine
3 3
escrezione
Alti livelli di Se o intossicazione da Se dimetilSelenuro - volatile –
Eliminato con la respirazione - odore simile all’aglio «garlic breath»
Fonti alimentari
SUOLO  PIANTE  ANIMALI UOMO
La quantità presente negli alimenti dipende dalla ricchezza in Se del terreno
bassa in Europa, Asia centrale - alta in Usa, Giappone
Cereali : può variare tra <10 e > 80 g/100 g
grano
riso
PIANTE: non usano Se ma lo metabolizzano come lo S
assorbono selenato (compete con il solfato),
quindi incorporato nella Se-Met e Se-Cys senza ruolo funzionale
per evitare l’eccesso nelle proteine con conseguente danno funzionale,
- piante accumulatrici trasformano in composti non tossici quali gli
AA non proteici metil-Se-cisteina e metil- Se-Met
- piante non accumulatrici nel composto volatile dimetil-selenuro
disperso nell’aria
Eccesso nel suolo
- suolo arido selenifero dopo abbondante irrigazione
- acqua di scarico industriale
piante non accumulatrici utili per disinquinare il terreno dal Se
Carenza nel suolo
Fertilizzazione del suolo (Finlandia, Cina)
tramite selenito
broccoli, aglio, leguminose accumulano fino a 10 mg/kg
Mangime (selenito, metodo a basso costo) per maiale più
biodisponibile che per ruminanti (selenito trasformato in selenuri
insolubili dai batteri del rumine)
Lievito selenizzato
supplementato in selenito che viene trasformato in Se-Met
lievito per il pane (Nord Ucraina)
ALIMENTI
g/100g
rognone, fegato
carni, pesce
cereali e derivati
latte e derivati
frutta e verdura
40-150
10-40
10-80
1-3
1-2
variazioni in base al
paese di provenienza
sotto forma di
sale inorganico: selenato. selenito
Se-Met, Se-Cys più abbondante in grano, legumi, soia
metil-Se-Cys
in piante che concentrano Se : aglio, cipolla, broccoli
Assunzione di Selenio (Br J Nutr 100: 254, 2008)
Paese
g Se/ per persona al giorno
—————————————————————————————
Canada
98-224
Giappone
104-199
USA
106
Australia
57-87
Nuova Zelanda
55-80
Svizzera
70
Austria
48
Gran bretagna
29-39
Belgio
28-61
Danimarca
38-47
Italia
43
Francia
29-43
Repubblica ceca
10-25
India
27-48
Egitto
29
Arabia Saudita
15
Non facile da stabilire, si basa su parametri biochimici
RDA 1989 (FAO, WHO)
30-40 g/die per la max attività GPx3 (+ 30% per sicurezza)
70 g/die M adulto - 55 g/die F adulta
RDA 2000 (al momento considerato valido)
altri studi con bassa o alta supplementazione in Se ed attività GPx3
55 g/die M e F adulto (60 gravidanza, 70 allattamento)
15 e 20 g/die infante fino a 6 e 12 mesi
World Health Organization (sulla base attività GPx3)
Iimite inferiore per mantenere buono stato di salute:
40 g/die M adulto, 30 g/die F
Cina (area di Keshan): livello protettivo 21 g/die M e 16 g/die F
Nuova Zelanda: livello protettivo 33 g/die M e 23 g/die F
UK 1 g Se/ kg peso corporeo
Livelli di assunzione per la popolazione Italiana (2013)
Bambini-Adolescenti
1-3 anni
4-6 anni
7-10 anni
fabbisogno medio
15 g/die
20
30
assunzione raccomandata
20 g/die
25
35
Maschi - femmine
11-14 anni
15-17 anni
40
45
50
55
Adulti
Maschi –femmine
18 > 75 anni
45
55
Gravidanza
50
60
Allattamento
60
70
Due livelli di gerarchia in carenza di Se
1. Cervello, sistema endocrino e sistema riproduttivo al top:
in carenza perdono poco Se
dopo somministrazione rapido accumulo
fegato e muscolo scheletrico ne perdono buona parte
2. gerarchia fra le proteine
attività GPx cala di più della Se-proteina P o della deiodinasi
attività GPx potrebbe non essere indice funzionale
non è nota la saturazione delle altre Se-proteine
UL = 300 g/die
TOSSICITA’
L’ambito di valori entro i quali l’introito di Se è adeguato e non tossico è molto
stretto con un rapporto di ~1/10 fra quantità richiesta e tossicità
Fino a 800 g/die non vi è tossicità apparente
Avvelenamento da Se (rari casi - ingestione di grammi) disturbi gastrointestinali, neurologici, respiratori, infarto del miocardio, danno renale.
Selenosi (acuta o cronica) (introito superiore a 1250 mg/die).
Acuta: lavoratori microelettronica per inalazione selenio volatile
difetti respiratori, edema polmonare, dermatite, irritazione occhio
Cronica: per introito eccessivo (alti livelli suolo ed acqua - Cina)
associata a caduta dei capelli (forse distruzione cheratine)
EFFETTI TOSSICI VANNO TENUTI PRESENTI PER
1. Alimenti arricchiti
2. Supplementi
Si considera che se
- l’alimento contiene più di 1 mg Se / kg può indurre tossicità
- l’alimento meno di 0,1 mg Se / kg può indurre carenza
Importante la misura del selenio presente
Amminoacidi e Proteine:
Ruolo Metabolico e Nutrizionale
Le proteine rappresentano gli elementi strutturali e funzionali
più importanti nei sistemi viventi
Qualsiasi processo vitale dipende da questa classe di molecole:
la catalisi delle reazioni metaboliche (enzimi)
le difese immunitarie (immunoglobuline)
il trasporto di ossigeno (emoglobina)
il trasporto di nutrienti (albumina)
il movimento (actina, miosina)
Il problema principale correlato a questa classe di biomolecole
riguarda il gruppo funzionale –NH2
Sintesi e degradazione
PROTEINE
• Sintesi Proteine – la sintesi di nuove proteine è importante durante
l’accrescimento.
• Adulto – la sintesi riguarda il ricambio di proteine
• Sintesi di una grande varietà di altri composti – es. Purine e Pirimidine
(nucleotidi), catecolammine (adrenalina e noradrenalina) e
neurotrasmettitori (serotonina)
 Come carburante biologico - circa 10% dell’energia prodotta
deriva dagli amminoacidi
AZOTO
essenziale per la vita
amminoacidi  proteine
nucleotidi  acidi nucleici
In natura
- N2 atmosferico ( 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
Metabolismo dell’azoto
• Le specie ossidate vengono convertite nella specie ridotte da due
diversi processi:
 Assimilazione del nitrato (avviene negli eucarioti fototrofi, piante
verdi)
NO3-  NH4+
 Fissazione dell’azoto (avviene nei procarioti sia autonomi che
simbionti di eucarioti)
N2  NH4+
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
è quindi ossidato da altri batteri a nitrato NO3–
II. Le piante sono in grado di utilizzare NO3– con produzione di NH4+, che è
quindi incorporato nei composti organici azotati (punto d’ingresso
glutammato e glutammina)
III. Gli animali assumono composti organici azotati (amminoacidi)
Fonte primaria di azoto: amminoacidi forniti dalle proteine
alimentari
Destino di NH4+
NH4+
Carbamilfosfato
sintasi I
EC 6.3.4.16
2ATP + HCO3-
O
2ADP + Pi + 2H+
O
H2N
O
O
P
O
O
O
Carbamilfosfato
Glutamato
deidrogenasi
EC 1.4.1.2
EC 1.4.1.3
EC 1.4.1.4
(GDH)
O
O
O
-chetoglutarato
NADH
NAD(P)H
NADPH
NAD+
NAD(P)+
NADP+
H2O
O
O
O
Glutamina
sintasi
EC 6.3.1.2
(GS)
ATP
O
NH3+
ADP + Pi
Glutamato
O
2
HN
O
O
NH3+
Glutamina
Tre enzimi
NH4+
Carbamilfosfato
sintasi I
EC 6.3.4.16
1
2ATP + HCO3O
2ADP + Pi + 2H+
O
H2N
O
O
P
O
O
O
Carbamilfosfato
Glutamato
deidrogenasi
EC 1.4.1.2
EC 1.4.1.3
EC 1.4.1.4
(GDH)
2
O
O
O
-chetoglutarato
NADH
NAD(P)H
NADPH
NAD+
NAD(P)+
NADP+
H2O
O
O
O
Glutamina
sintasi
EC 6.3.1.2
(GS)
3
ATP
O
NH3+
ADP + Pi
Glutamato
O
2
HN
O
O
NH3+
Glutamina
Biosintesi degli amminoacidi
• Non tutti gli organismi viventi riescono a sintetizzare gli amminoacidi
a partire dallo ione NH4+
• Piante, batteri e lieviti:
NO3-  NH4+  glutammato  Amminoacidi (tutti)
• Nei mammiferi:
• Amminoacidi essenziali:
– Arg, His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val.
• Amminoacidi non essenziali:
– Ala, Asp, Asn, Cys, Glu, Gln, Gly, Pro, Ser, Tyr.
CLASSIFICAZIONE NUTRIZIONALE
AMMINOACIDI ESSENZIALI :
devono necessariamente essere introdotti preformati con la dieta
valina*
leucina*
isoleucina*
metionina*
fenilalanina*
triptofano*
istidina
lisina
treonina
* possono essere ottenuti per transaminazione
dai rispettivi -chetoacidi
gli altri tre vanno introdotti come tali
AMMINOACIDI NON ESSENZIALI
semi-indispensabili risparmiano i precursori essenziali
tirosina (sintetizzata da fenilalanina)
cisteina (sintetizzata da metionina)
condizionatamente essenziali
glicina, serina, prolina, glutammina, arginina
possono non essere sufficienti in alcuni stati particolari quali infezioni,
traumi, bambini prematuri, ..
non essenziali
alanina, aspartato, asparagina, glutammato
Biosintesi degli amminoacidi
• Gli amminoacidi vengono, nella maggior parte dei casi, sintetizzati a
partire dall’-chetoacido corrispondente attraverso una specifica
amminotransferasi (transaminasi):
AA1 + -chetoacido2  -chetoacido1 + AA2
• Le transaminasi trasferiscono un gruppo amminico da un AA ad un chetoacido
Le reazioni di transaminazione, reversibili, permettono di ridistribuire il gruppo NH3
fra gli amminoacidi
Vanno comunque integrati con la dieta e l’apporto deve essere bilanciato in quanto:
- Il pool di amminoacidi non è totalmente riutilizzabile
- NH3 principalmente prodotto di rifiuto, anche se vi è un riutilizzo limitato a
riformare amminoacidi
Biosintesi degli amminoacidi
• Gli amminoacidi possono essere raggruppati in base agli intermedi dai
quali provengono:
– Famiglia dell’-chetoglutarato:
• Glu, Gln, Pro, Arg
– Famiglia dell’aspartato:
• Asp, Asn, Met, Thr, Lys
– Famiglia del fosfoenolpiruvato e dell’eritrosio-4-fosfato:
• Phe, Tyr, Trp
– Famiglia del piruvato:
• Ala, Val, Leu, Ile
– Famiglia del 3-fosfoglicerato:
• Ser, Gly, Cys
– Dal fosforibosilpirofosfato:
• His
BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI NON ESSENZIALI
piruvato  alanina
ossalacetato  aspartato (+ glutammina)  asparagina
-chetoglutarato  glutammato + (NH3)  glutammina
glutammato  prolina, arginina
3-fosfoglicerato  serina  glicina
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
metionina  cisteina
La velocità di sintesi può non essere sufficiente
malati, stress, neonati a basso peso, ustionati,
Classificazione in
base alla struttura
Funzioni degli L--amminoacidi
• Substrati per la sintesi proteica
20 AA - con codone - riconoscimento via tRNA
21 AA selenocisteina - seril-tRNA
Se-cisteinil tRNA
più numerosi in seguito a modificazione post-sintetica
idrossiprolina
N-metil istidina
acido carbossiglutammico
 Componenti di peptidi
glutatione (GSH) Glu-Cys-Gly
 Intermedi metabolici
ornitina
 Fonte energetica
a.a. glucogenici, a.a. chetogenici
 Regolatori del turnover proteico
 Trasporto di azoto
leucina, glutammina
glutammina, alanina
Precursori per la biosintesi di altri composti contenenti azoto
composti derivati amminoacidi precursori
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Eme
glicina (+ succinil CoA)
Nucleotidi
glutammina, glicina, acido aspartico
Carnitina
lisina, metionina
Creatina
arginina, glicina, metionina
Ammine biogene
istidina, triptofano, tirosina, glutammato
(ormoni, neurotrasmettitori, ammine di interesse farmacologico)
Tiroxina, adrenalina
tirosina
Taurina
cisteina (sali biliari, neuromodulatore)
Glucosammina
glutammina (amminozuccheri)
Ossido nitrico (NO)
arginina (vasodilatatore, inibisce aggregazione piastrinica,
neurotrasmettitore)
Niacina
triptofano (1mg vit equivale a 60 mg a.a.)
Degradazione degli amminoacidi
• A differenza degli acidi grassi e dei glucidi gli amminoacidi in eccesso
non possono né essere immagazzinati in macromolecole di deposito né
essere escreti come tali, vengono quindi demoliti.
Proteine
Proteolisi
Amminoacidi
Catena
carboniosa
•
•
•
•
Acetil-CoA
Acetoacetil-CoA
Piruvato
Intermedi ciclo di
Krebs
Liasi
(deaminasi)
Acidi grassi
Corpi chetonici
Glucosio
…
NH4+
• Urea
• NH3
• Altri composti
azotati
semplici
Overview del catabolismo degli amminoacidi nei mammiferi