METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI

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1 PRINCIPI NUTRITIVI

2 METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI Nel corso della digestione le proteine vengono degradate in amminoacidi. Contrariamente ai carboidrati, gli amminoacidi non vengono immagazzinati, ma vengono ossidati per produrre ATP oppure utilizzati per la sintesi di nuove proteine. Gli amminoacidi in eccesso introdotti con la dieta vengono convertiti in trigliceridi di riserva. Nel digiuno sono fondamentali per la gluconeogenesi.

3 METABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI Sintesi proteica pool di amminoacidi assorbimento 1. digestione proteine della dieta (fonte primaria) a. turnover proteine ( riciclaggio o ricambio ) sintesi endogena precursori metabolici (α-chetoacidi) 2. degradazione proteine cellulari endocellulare b. proteine danneggiate, difettose, etc fonte di azoto (come NH 4+ ) composti azotati (nucleotidi e altri a.a.) carburante metabolico (non possono essere accumulati o escreti) deamminazione necessaria scheletri carboniosi intermedi metabolici

4 AMMINOACIDI ESSENZIALI AMINOACIDI ESSENZIALI AMINOACIDI NON ESSENZIALI Valina Leucina Glicina Alanina β-ossidazione piruvato Isoleucina Serina Treonina Metionina Cisteina Tirosina ossalacetato corpi chetonici Fenilalanina Acido Aspartico Lisina Asparagina Triptofano Acido glutammico Istidina * Glutammina Arginina * Prolina * Essenziali solo nel corso dello sviluppo

5 TURNOVER DELLE PROTEINE estremamente variabile da proteina a proteina tempo di emivita Può essere influenzato da: i) danneggiamenti e/o alterazioni ii) difetti di sintesi rapido turnover detossificazione proteine regolatorie degradazione proteine Segnale biologico: ubiquitinazione etichettatura segnale di morte Ub (8.5 kda)

6 DIGESTIONE ED ASSORBIMENTO DELLE PROTEINE Proteolisi Enzimi gastrici e pancreatici un lavoro pericoloso Enzimi enterici (peptidasi) zimogeni (pro-enzimi) pancreatici stomaco pepsinogeno pepsina tripsina attivatore comune

7 PEPSINOGENO E PEPSINA Per molte ragioni gli enzimi digestivi sono degli ottimi candidati per la ricerca scientifica. Possono essere isolati facilmente e sono presenti in grande quantità nei succhi digestivi. Sono anche straordinariamente stabili perché sono adatti a lavorare nelle particolari condizioni presenti nel sistema digestivo.

8 PEPSINOGENO E PEPSINA

9 DIGESTIONE DELLE PROTEINE ALIMENTARI

10 DIGESTIONE DELLE PROTEINE ALIMENTARI

11 UPTAKE DEGLI AMMINOACIDI

12 IDROLASI GASTRICHE E PANCREATICHE endopeptidasi

13 DIGESTIONE DELLE PROTEINE

14 ENZIMI DIGESTIVI PROTEOLITICI metallo-proteasi (enteriche) esopeptidasi amminoacidi Idrolasi endopeptidasi oligopeptidi proteasi carbossiliche e serin-proteasi (gastriche e pancreatiche) Proteine peptidi amminoacidi uptake endopeptidasi esopeptidasi trasportatori

15 ENDOPEPTIDASI DIGESTIVE Enzima Origine ph ottimale Attivatore Pepsina stomaco 1,5 2,5 HCl - Pepsina Tripsina pancreas esocrino 7,5 8,5 Enteropeptidasi Tripsina Chimotripsina Elastasi pancreas esocrino pancreas esocrino 7,5 8,5 Tripsina 7,5 8,5 Tripsina

16 ESOPEPTIDASI DIGESTIVE Enzima Origine ph ottimale Attivatore Carbossipeptidasi A pancreas esocrino ph del succo intestinale Tripsina Carbossipeptidasi B pancreas esocrino ph del succo intestinale Tripsina Amminopeptidasi mucosa intestinale ph del succo intestinale sempre attive Dipeptidasi e Tripeptidasi mucosa intestinale ph del succo intestinale sempre attive Peptidasi intracellulari epitelio intestinale ph citosolico sempre attive

17 PROTEASI DIGESTIVE Enzima Proenzima Attivatore Reazione catalizzata Proteasi carbossiliche Pepsina A Pepsinogeno A ph acido, pepsina R R CO-NHCHCO-NHCHCO R = Tyr, Phe, Leu Serin-proteasi Tripsina Chimotripsina Elastasi Tripsinogeno Chimotripsinogeno Proelastasi Enteropeptidasi, Tripsina Tripsina Tripsina R R CO-NHCHCO-NHCHCO R = Arg, Lys R R CO-NHCHCO-NHCHCO R = Tyr, Trp, Phe, Met, Leu R R CO-NHCHCO-NHCHCO R = Ala, Gly, Ser Zn-peptidasi Carbossipeptidasi A Procarbossipeptidasi A Tripsina R CO-NHCHCO 2 R = Val, Leu, Ile, Ala Carbossipeptidasi B Procarbossipeptidasi B Tripsina R Amminopeptidasi CO-NHCHCO 2 R = Arg, Lys

18 BIOCHIMICA DELLA NUTRIZIONE L assorbimento degli amminoacidi è rapido nel duodeno e nel digiuno e lento nell ileo e richiede l intervento di un trasportatore. Sembra esistere un unico trasportatore per gli amminoacidi neutri (ala, ser), uno per quelli basici (arg, lys), uno per gli acidi (glu, asp) ed uno per glicina, prolina e idrossiprolina.

19 REGOLAZIONE DEL METABOLISMO PROTEICO Regolazione ormonale del metabolismo degli amminoacidi se introdotti in eccesso, stimola l utilizzo metabolico degli aa per sintetizzare lipidi e produrre energia INSULINA stimola la sintesi proteica GLUCAGONE stimola la degradazione delle proteine stimola la gluconeogenesi

20 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

21 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)

22 Tutte le macromolecole biologiche sono derivati (composti) del carbonio

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24 Gli atomi di carbonio uniti con legame covalente possono formare catene lineari, ramificate o anche strutture cicliche A questi scheletri carboniosi si possono unire gruppi di altri atomi chiamati gruppi funzionali Le reazioni delle molecole si basano sulle reazioni dei rispettivi gruppi funzionali

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27 Stereochimica In biochimica, oltre ai gruppi funzionali è anche importante la distribuzione spaziale degli atomi di una molecola nello spazio cioè la sua stereochimica

28 a)rappresentazione in prospettiva b) Modello a palle e bastoncino c) Modello spaziale

29 Isomeri configurazionali sono una conseguenza della presenza nella molecola o di un doppio legame o di un centro chilarico Isomeri configurazionali non si possono interconvertire l uno nell altro senza che si abbia una temporanea rottura di uno o più legami

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31 Una molecola con un solo centro chiralico darà origine a due steroisomeri con caratteristiche fisiche e sopprattutto biologiche molto diverse a) enantiomeri b) diasteroisomeri

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34 Conformazioni della molecola di etano

35 Reazioni biochimiche Nelle cellule avvengono migliaia di reazioni biochimiche tutte riconducibili a 4-5 tipi diversi di reazioni a) Estrazione dell energia dalle sostanze nutritive b) Trasformazioni di sostanze semplici come il glucosio in amminoacidi, nucleotidi, lipidi, etc ) Polimerizzazione di subunità monomeriche in macromolecole

36 1 Reazioni di ossido-riduzione 2 Scissione e formazione di legami carbonio-carbonio (reazioni di sostituzione nucleofila) 3 Reazione di ridistribuzione degli elettroni che porta ad isomerizzazione 4 Reazioni di trasferimento di gruppi per attivare intermedi metabolici 5. Reazioni di condensazione

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38 AMMINOACIDI

39 Asparagina: primo amminoacido identificato1806 Treonina: l ultimo amminoacido identificato 1938 Asparagina: asparagi Glutammato: glutine Tirosina: dal formaggio (greco tyros)

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41 GLI AMMINOACIDI PRESENTANO ALMENO UN ATOMO DI CARBONIO CHIRALICO, PRODUCONO DUE STEREOISOMERI: Stereoisomero L Stereoisomero D

42 Sistema di nomenclatura D-L, convenzione proposta da Fisher nel 1891

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44 Lo stato di ionizzazione di un amminoacido varia in funzione del ph

45 Uno zwitterone (ione ibrido) può agire sia come acido sia come base. Le sostanze con questa doppia natura sono dette anfoteriche

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47 Gruppo tioetere Secondo C chirale

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49 Gruppi ammidici Gruppo tiolico

50 Gruppo idrocarburico aromatico

51 Gli amminoacidi aromatici sono in grado di assorbire la luce ultravioletta ad una lunghezza d onda pari a 280 nm Proprietà utilizzata dai ricercatori per individuare e quantizzare le proteine Legge di Lambert-Beer Log Io/I = εcl Log Io/I è definito assorbanza c=moli per litro l= 1cm cammino ottico

52 Gruppo amminico primario Gruppo guanidinico Gruppo imidazolico

53 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 α-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)

54 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 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

55 perdita obbligatoria di azoto con le urine secrezioni intestinali, turnover enterociti, desquamazione pelle,... NH3 deriva dal catabolismo degli amminoacidi, dellebasi puriniche (tramite deaminasi) e delle basi pirimidiniche

56 Metabolismo della catena carboniosa degli amminoacidi Lo scheletro carbonioso fornisce energia attraverso l interazione con la via glicolitica ed il ciclo di Krebs In condizioni fisiologiche esiste una relazione tra il livello dei carboidrati nella dieta ed il metabolismo degli amminoacidi Aumenta quando l'apporto di energia è sufficiente ma viene fornito da proteine a scapito dei carboidrati e dei lipidi La sua efficienza (molecole di ATP prodotte) è inferiore rispetto alla degradazione degli altri due substrati (carboidrati e lipidi): - non tutto lo scheletro carbonioso degli amminoacidi è soggetto ad ossidazione - la formazione di urea (il prodotto finale del catabolismo azotato) richiede il consumo di 3 molecole di ATP

57 Formazione di acidi non volatili dal catabolismo di a.a. solforati: metionina, cisteina>so42- fosfoproteine > fosfati Fosfolipidi acidi grassi e glucosio acetoacetato, β-idrossibutirrato, lattato acidi nucleici basi puriniche>urati nutrienti con anioni inorganici (superiori alla quantita di cationi inorganici) Richiede l escrezione di un catione NH4+ (fornito dalla glutammina) per permettere all organismo di conservare cationi quali Na+, K+, Ca2+, dieta ricca in proteine genera acidi non volatili