Catabolismo degli amminoacidi La quantità di energia ricavata dalla ossidazione degli amminoacidi varia in funzione del tipo di organismo e dalla sua situazione metabolica. I carnivori, subito dopo il pasto possono soddisfare fino al 90% della loro richiesta energetica, mentre gli erbivori ne ricavano solo una frazione molto piccola . 1 Degradazione delle proteine della dieta Proteine ▼ H+ Inibitori della tripsina per evitare la pancreatite acuta Pepsinogeno (zimogeno) pH 1,5÷2,5 (antisettico & denaturante) ▼ Secretina ▼ Pancreas ▼ Gastrina ▼ HCO3(pH~7,0) ▼ Pepsina (Phe,Tyr,Trp) Peptidi ▼ ▼ Stomaco Duodeno Colecistochinina Enteropeptidasi Intestino tenue ▼ TripsinogenoTripsina (Lys, Arg) (Phe Tyr,Trp) ChimotripsinaChimotripsinogeno ▼ ProcarbossipeptidasiCarbossipeptidasi ▼ Amminopeptidasi Amminoacidi liberi 2 Metabolismo degli amminoacidi nei mammiferi (Glutammato) (a-chetoglutarato) Gli amminoacidi possono subire una degradazione ossidativa in tre diverse situazioni metaboliche Durante una dieta ricca in proteine (Il surplus viene degradato; non esistono forme di riserva degli amminoacidi) Durante il turnover proteico (soprattutto gli amminoacidi non essenziali) Durante il digiuno o nel diabete mellito (come fonte di energia in sostituzione dei carboidrati) 3 Catabolismo dei gruppi amminici negli animali girino Un esempio di adattamento metabolico Amminoacidi rana Composto poco solubile, eliminato come massa semisolida con le feci 4 Vie di escrezione dell’azoto dei nucleotidi Nucleotidi Pirimidinici Nucleotidi purinici NH4+ Immunodeficenza da carenza di ADA Urea inibitori competitivi 5 Catabolismo della timina Catabolismo dei gruppi amminici negli animali Deamminazione ossidativa Transamminazione Glutammato deidrogenasi ATP Mitocondri Transamminazione + Deamminazione = Transdeamminazione 7 Le reazioni di transamminazione (1) Il fine delle reazioni di transamminazione è quello di raccogliere i gruppi –NH3 dei 20 L-amminoacidi, provenienti dalla proteolisi, in un unico amminoacido “il glutammato” Reazione catalizzata dalle amminotransferasi o transamminasi che richiedono come gruppo prostetico il piridossal fosfato (PLP) la forma coenzimatica della piridossina o vitamina B6 8 Le reazioni di transamminazione (2) La valutazione dei livelli di alanina amminotransferasi (ALT o glutammato-piruvato transferasi, GPT) e aspartato amminotransferasi (AST o glutammato-ossalacetato transferasi , GOT) nel siero, è un test diagnostico per valutare danni cardiaci (infarto) o epatici (intossicazione da farmaci o da prodotti industriali come solventi organici epatotossici) Es: nell’infarto il primo enzima in eccesso presente nel sangue è la piruvato chinasi (PK), il secondo è la GOT e per ultimo il GTP ALT o GPT CH3 L-Alanina AST o GOT CH3 Piruvato CH2 CH2 COOH COOH L-aspartato Ossalacetato 9 Trasporto –NH4+ dai tessuti al fegato Tessuti (muscolo compreso) Negli animali ureotelici, l’ammoniaca, presente in forma solubile come –NH4+, è estremamente tossica (turbe mentali, ritardo nello sviluppo, fino al coma e alla morte ad alte concentrazioni). Quella prodotta nei tessuti extraepatici (catabolismo delle proteine e degli acidi nucleici) deve essere trasportata al fegato dove viene trasformata in urea e inviata ai reni per essere smaltita con le urine Principale forma di trasporto non tossico dell’ammoniaca grazie alla sua carica netta nulla che gli permette di attraversare la membrana plasmatica sangue Reni Urine Fegato 10 Ciclo della glucosio-alanina Un esempio di economia cellulare NAD+ Glutammato deidrogenasi NADH+H+ Nel muscolo in forte attività il trasporto dell’ammoniaca in eccesso prodotta dalla degradazione delle proteine avviene anche attraverso l’alanina, un altro amminoacido come la glutammina con carica netta nulla. Il vantaggio di questa via è che contemporaneamente vengono allontanati dal muscolo sia lo ione ammonio sia il piruvato prodotto dalla glicolisi anaerobica, molto attiva nel muscolo in forte attività. In queste condizioni, insieme al ciclo di Cori, si trasferisce il dispendio energetico per la gluconeogenesi al fegato e tutto l’ATP muscolare può essere utilizzato per la contrazione. 11 Ciclo dell’urea (1) Matrice mitocondriale epatica ciclo dell’urea 12 Ciclo dell’urea (2) Carbamil fosfato Ornitina transcarbammilasi arginosuccinato sintetasi arginasi arginosuccinasi 13 Meccanismo d’azione della carbamil fosfato sintetasi I mista Biciclo di Krebs ossalacetato 15 Bilancio energetico I collegamenti tra i due cicli riducono i costi energetici dello smaltimento dello ione ammonio attraverso l’urea Nel ciclo dell’urea si consumano 4 legami ad alta energia (4 ATP): • 2 nella sintesi del carbamil fosfato • 2 nella sintesi dell’arginino succinato Il consumo reale si riduce ad 1,5 ATP grazie al riciclo del malato in ossalacetato nel ciclo di Krebs che recupera 2,5 ATP dalla riossidazione del NADH nella catena respiratoria 16 Adattamento metabolico Nei ruminanti che vivono in ambienti siccitosi l’urea è riciclata in amminoacidi grazie ai microorganismi presenti nel rumine Il riciclaggio degli aminoacidi in proteine è presente anche negli animali in letargo (Es: l’orso bruno in letargo non urina) In entrambi i casi si tratta di un adattamento metabolico per: • evitare la perdita di acqua attraverso le urine (camelidi) • la formazione di urina • diminuire il consumo netto di energia chimica 17 Regolazione del ciclo dell’urea (1) Regolazione a lungo termine Iperproteica Aumenta la sintesi della carbamil fosfato sintetasi e dei quattro enzimi del ciclo (più urea) Digiuno prolungato Dieta Ipoproteica Diminuisce la sintesi della carbamil fosfato sintetasi e dei quattro enzimi del ciclo (meno urea) 18 Regolazione del ciclo dell’urea (2) Regolazione a corto termine L’arginina, attiva l’N-acetilglutammato sintasi che catalizza la formazione dell’Nacetilglutammato il quale, oltre a regolare allostericamente la carbamil fosfato sintetasi I (enzima di alimentazione del ciclo dell’urea) è il precursore della sintesi dell’arginina nelle piante e microorganismi. Nei mammiferi sono assenti gli altri enzimi necessari alla sintesi dell’arginina per cui questo amminoacido diventa essenziale. Nei felini, dove i livelli di l’arginosuccinasi sono bassi, la carenza di arginina nella dieta comporta un sensibile aumento di ammoniaca nel sangue, con conseguente vomito, spasmi muscolari, ipersensibilità sensitiva, fino al coma e morte (iperammoniemia felina) 19 Vie di degradazione dello scheletro carbonioso degli amminoacidi nei vertebrati Alcuni amminoacidi sono indicati più volte in quanto parti del loro scheletro carbonioso sono degradate in prodotti finali differenti. 20 Catabolismo degli amminoacidi a catena ramificata Sono gli unici amminoacidi ad essere utilizzati come fonte di energia direttamente nei tessuti extraepatici (soprattutto nel muscolo) Complesso multienzimatico analogo a quello della piruvato deidrogenasi 21 Biosintesi amminoacidi N2 22 Ciclo dell’azoto 1011 Kg di azoto fissata annualmente nella biosfera L’azoto viene fissato dal complesso della nitrogenasi, presente solo in alcuni procarioti che spesso vivono come simbionti nei noduli delle radici delle piante leguminose 23 Complesso della nitrogenasi (1) (+2) (+4) CH3-C-COOO = CO2 Il triplo legame N≡N è molto stabile e per ottenere ammoniaca occorrono condizioni di reazione molto drastiche. Il complesso della nitrogenasi abbassa notevolmente l’energia di attivazione rendendo possibile la reazione nelle condizioni biologiche. Sintesi chimica (processo Haber) N2 + 3H2 400-500°C, p~ 700atm ΔG°’=-33,5 kJ/mole 2NH3 Sintesi biologica (fissazione) 16 ATP N2 + 10H+ +8e- 10H+ 16 ADP + 16 Pi t.a., p~ 0,8atm 2NH4+ + H2 Funzione ATP più catalitica che termodinamica. Legame ATP alla reduttasi sposta E’° da 24 -300mV a -420mV Complesso della nitrogenasi (2) Il complesso della nitrogenasi si denatura rapidamente in presenza di ossigeno Sezione di un nodulo di leguminosa I batteri risolvono questo inconveniente in 4 modi: Fissazione anerobica Regolazione del consumo di O2 a livello della catena respiratoria Formazione di eterocisti (cianobatteri) Simbiosi con le radici di piante leguminose Nucleo Nodulo N2 Carboidrati Leghemoglobina ATP Catena respiratoria Batteroide Membrana peribatteroide (in rosso) (in blu) O2 Lega tutto l’O2 impedendo l’inattivazione del complesso della nitrogenasi NH4+ Questo fenomeno è alla base della rotazione delle coltivazioni dei cereali con le leguminose 25 Biosintesi amminoacidi Le piante e i batteri sintetizzano tutti i 20 amminoacidi I mammiferi sono in grado di produrne solo metà Non essenziale Essenziale Alanina Glicina Prolina Serina Cisteina Asparagina Glutammina Aspartato Glutammato Tirosina * Valina Leucina Isoleucina Treonina Metionina Fenilalanina Triptofano Istidina Lisina Arginina * Essenziale se nella dieta non è presente fenilalanina 26 Molecole derivanti dagli amminoacidi (1) Oltre a formare proteine, gli amminoacidi sono precursori di molte importanti molecole biologiche quali: ormoni, coenzimi, nucleotidi, porfirine, antibiotici, pigmenti, neurotrasmettitori Es 1: Biosintesi gruppo eme & pigmenti biliari Glicina Porfirine Eme Emoglobina Fe3+ Bilirubina Diglucoronide (FegatoBile) Bilirubina (SangueBile) Trasporto con sieroalbumina Biliverdina Il funzionamento anormale del fegato o un blocco della secrezione della bile portano all’accumulo di bilirubina nel sangue con conseguente colorazione giallastra della pelle e dei bulbi oculari (Itterizia) Stercobilina (Feci) Urobilinogeno (Intestino tenue) Urobilina (ReniUrine) 27 Molecole derivanti dagli amminoacidi (2) Catecolammine (da catecolo:1,2 diidrossibenzene) Oltre ad essere ormoni secreti dalle ghiandole surrenali per regolare il metabolismo in condizioni di stress o calo glicemico, sono prodotte dal cervello e da altri tessuti nervosi per accelerare il battito cardiaco e la pressione del sangue. Un eccesso di Dopamina è spesso associato alla schizofrenia, mentre un difetto al morbo di Parkinson Es 2: Neurotrasmettitori per decarbossilazione di alcuni aa GABA: Inibitore dell’attività neuronale; in carenza si possono avere attacchi epilettici (Diidrossifenilalanina) Serotonina: importante nella regolazione dell‘umore, del sonno, della temperatura corporea, dell‘appetito. Un eccesso causa emicrania , depressione e ansia (Norepinefrina) (Epinefrina) Istamina: Rilasciata in grandi quantità durante la risposta allergica; stimola la secrezione di HCl nello stomaco. Potente vasodilatatore 28 Metabolismo degli amminoacidi nel fegato 29 Metabolismo degli amminoacidi nel fegato durante il digiuno o nel diabete tipo 1 30 Metabolismo dei nucleotidi 31 Biosintesi “de novo” dei nucleotidi purinici La sintesi “de novo” delle purine inizia dal 5-fosforibosil 1-pirofosfato (PRPP) Via del pentosio fosfato R-5 P PRPP Origine degli atomi delle purine La biosintesi termina con l’inosinato (IMP) 32 Conversione di IMP in AMP e GMP Biosintesi “de novo” 33 Regolazione biosintesi nucleotidi purinici Inibizione retroattiva (feed-back) 34 Biosintesi “de novo” nucleotidi pirimidinici * La biosintesi dei nucleotidi pirimidinici inizia con l’aspartato, carbamil fosfato e PRPP * La formazione del carbamil fosfato è catalizzata dalla carbamil fosfato sintetasi II (citoplasmatica) diversa dalla carbamil fosfato sintetasi I vista nel ciclo dell’urea. 2 ATP 2 ADP Gln Glu chinasi citidina sintetasi Uridina 5’-trifosfato (UTP) Citidina 5’-trifosfato (CTP) 35 I nucleotidi difosfato sono i precursori dei deossinucleotidi dADP, dGDP dCDP, dUDP ADP, GDP CDP, UDP 36 Biosintesi del timidilato (dTMP) FdUMP Metotrexato Trimetoprin 37 Meccanismo di azione della timidilato sintasi “Substrato suicida” 38 Chemioterapia con pro-farmaci analoghi di basi e nucleosidi Strategia chemioterapica che sfrutta le vie di riutilizzazione delle basi e nucleosidi purinici e pirimidinici Analogo 39 Vie di riutilizzazione delle pirimidine (1) RNA DNA CTP UTP dCTP dUTP dTTP CDP UDP dCDP dUDP dTDP CMP UMP dCMP dUMP dTMP CR H2 O NH3 UR U Sintesi “de novo” CdR H2 O NH3 UdR TdR T ● Membrana cellulare 40 Vie di riutilizzazione delle pirimidine (2) RNA DNA CTP UTP dCTP dUTP dTTP CDP UDP dCDP dUDP dTDP CMP UMP dCMP dUMP dTMP CR H2 O NH3 Sintesi “de novo” UR CdR H2 O NH3 UdR U TdR T NH2 N U O N H ● H Es: riutilizzazione dell’uracile Membrana cellulare H 41 Azione farmacologica del 5-fluorouracile RNA DNA CTP 5F-UTP dCTP dUTP dTTP CDP 5F-UDP dCDP 5F-dUDP dTDP CMP 5F-UMP dCMP 5F-dUMP dTMP CR H2 O NH3 Sintesi “de novo” CdR 5F-UR 5F-U H2 O NH3 UdR TdR T NH2 N 5F-U O N H F H 42
Scarica
