Catabolismo di proteine

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1 Catabolismo di proteine Digestione di proteine dalla dieta Turn-over di proteine endogene Digiuno prolungato

2 DIGESTIONE DI PROTEINE ESOGENE L organismo ricava la maggior parte degli aminoacidi di cui ha bisogno dalle proteine alimentari Per utilizzare questi aminoacidi, le proteine devono essere digerite, cioè idrolizzate negli aminoacidi costituenti Meno di 1/10 delle proteine ingerite con una dieta equilibrata viene eliminata senza essere stata digerita

3 ORMONI GASTROENTERICI Ormoni polipeptidici prodotti da cellule endocrine dell apparato gastrointestinale: gastrina, secretina, colecistochinina (CCK), peptide inibitore gastrico (GIP) La secrezione è regolata da: nutrienti, fattori propri del lumen (ph, [ Ca ++ ], ecc.), ormoni e neurotrasmettitori

4 ORMONI GASTROENTERICI Controllano importanti funzioni degli organi addetti all assorbimento e alla digestione dei nutrienti: Secrezione di acqua, enzimi, elettroliti ed ormoni Motilità delle pareti Afflusso di sangue

5 ORMONI GASTROENTERICI 1. Gastrina Ormone formato da 17 residui aminoacidici Prodotto dalla mucosa gastrica Stimola la secrezione di HCl (cellule parietali) e pepsinogeno (cellule adelomorfe) La secrezione di gastrina è stimolata da aminoacidi e proteine parzialmente digerite 2. Secretina Ormone formato da 27 residui aminoacidici Prodotto dalla mucosa dell intestino tenue Stimola la secrezione di HCO 3 - da parte del pancreas al fine di neutralizzare l acidità

6 ORMONI GASTROENTERICI 3. Colecistochinina (CCK) Ormone formato da 33 residui aminoacidici Prodotto dal tratto iniziale dell intestino tenue Stimola lo svuotamento della colecisti, la secrezione di enzimi pancreatici e di HCO 3-, aumentando quindi l effetto della secretina La secrezione di colecistochinina è stimolata da monogliceridi, acidi grassi e alcuni aminoacidi 4. Peptide inibitore gastrico (GIP) Ormone formato da 42 residui AA Prodotto nell intestino tenue Stimola la secrezione pancreatica di insulina La secrezione di GIP è stimolata da nutrienti

7 Proteine introdotte con la dieta Enzimi proteoli-ci: Proteasi gastriche Proteasi pancrea/che Amminopep/dasi intes/nali Pepsina Tripsina Chimotripsina Carbossipep/dasi

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9 Il pancreas esocrino secerne enzimi digestivi (amilasi, lipasi, fosfolipasi, tripsina, chimotripsina, carbossipeptidasi) e bicarbonato

10 Gli zimogeni pancreatici - Questi enzimi digestivi vengono secreti dal pancreas esocrino sotto forma di precursori inattivi, detti zimogeni. - La secrezione è stimolata dalla colecistochinina - Gli zimogeni attraverso il dotto pancreatico arrivano nell intestino tenue, dove vengono attivati. - L attivazione avviene mediante scissione proteolitica del precursore inattivo.

11 Attivazione di zimogeni pancreatici -LA TRIPSINA è l attivatore comune di tutti gli zimogeni pancreatici -Il tripsinogeno viene convertito in tripsina dall enteropeptidasi, enzima proteolitico secreto da cellule intestinali

12 Attivazione di zimogeni pancreatici

13 Proteasi pancreatiche TRIPSINA Endopeptidasi (ph 7-8) Idrolizza legami peptidici con il gruppo carbossilico di aminoacidi basici quali Lys, Arg È particolarmente attiva sui prodotti di degradazione della pepsina CHIMOTRIPSINA: Idrolizza legami peptidici con il gruppo carbossilico di Phe, Trp, Tyr CARBOSSIPEPTIDASI A e B: idrolizzano i legami peptidici tra gli amminoacidi all'altezza del residuo C terminale. Questi enzimi pancreatici digeriscono in frammenti più piccoli i peptidi generati nello stomaco dalla pepsina

14 Ingresso di una proteina nello stomaco: stimola la secrezione di GASTRINA (mucosa gastrica) ----> HCl e PEPSINOGENO ph > antisettico e denaturante pepsinogeno ----> pepsina PEPSINA : gruppo carbossilico Phe,Trp,Tyr Nell intestino tenue il ph basso induce la secrezione di SECRETINA che stimola il pancreas a rilasciare bicarbonato che neutralizza l HCl Dal duodeno (parte alta del tenue) viene rilasciata nel sangue la COLECISTOCHININA ----> enzimi pancreatici e bile dalla cistifellea

15 Il ph del lume gastrico: Denatura le proteine (distrugge la struttura terziaria rompendo ponti disulfuro e legami idrogeno) Uccide la maggior parte dei batteri e microrganismi Attiva il pepsinogeno in pepsina

16 Stomaco: gastrina Intestino: secretina colecistochinina

17 Turn- over di proteine endogene Emivita variabile Proteine a lunga vita > 200 h proteine strutturali, emoglobina, citocromo c Proteine a breve vita < 2 h enzimi, ormoni, anticorpi Le proteine difettose sono degradate più rapidamente

18 Turn- over di proteine endogene Svolge tre funzioni importan/: - fornisce aminoacidi - rimuove proteine anomale - rimuove enzimi e falori trascrizionali in eccesso (regolazione del metabolismo) Avviene ad opera di sistemi specializza/: A) MECCANISMO LISOSOMIALE (sistema di degradazione non seleevo. Proteine di membrana, extracellulari, emivita lunga) B) MECCANISMO CITOPLASMATICO ATP- DIPENDENTE (sistema di degradazione altamente seleevo)

19 L ubiquitina etichetta le proteine destinate alla degradazione Proteina (76 aa) ubiquitaria altamente conservata negli eucarioti Gly C-terminale dell ubiquitina si lega ai gruppi amminici di residui di Lys della proteina da degradare L energia è fornita dall idrolisi dell ATP

20 Sono necessari 3 enzimi (E1, E2, E3) per l azione dell ubiquitina E1 à attiva l ubiquitina E2 à si lega all ubiquitina E3 à lega l ubiquitina alla proteina bersaglio Molte molecole di ubiquitina sulla proteina da degradare

21 La degradazione della proteina avviene ad opera di proteasi specifiche in un complesso detto Proteasoma 26S, formato da una struttura di forma cilindrica -20se rivestita alle estremità da un cappuccio -19s I complessi 19S svolgono la funzione di riconoscimento della proteina ubiquitinata e di svolgimento della stessa, che penetra nella cavità del cilindro 20 S dove è degradata. La proteina viene degradata in aa L ubiquitina viene riciclata

22 DEGRADAZIONE OSSIDATIVA DEGLI AA Gli amminoacidi, derivati dalla degradazione delle proteine della dieta o delle proteine intracellulari rappresentano l ultima classe di biomolecole la cui ossidazione contribuisce alla generazione di energia metabolica nella cellula

23 DEGRADAZIONE OSSIDATIVA DEGLI AA Gli aminoacidi sono degradati se: Non sono necessari per la sintesi di nuove proteine Se la dieta è ricca di proteine e gli aminoacidi sono in eccesso rispetto alle richieste biosintetiche Durante il digiuno o nel diabete mellito quando non sono disponibili i carboidrati

24 SCHEMA GENERALE METABOLISMO PROTEINE PROTEINE aminoacidi - NH 2 Catene carboniose Acetoace-l- CoA (AA Chetogene/ci) piruvato Intermedi Ciclo Krebs (AA Glicogene/ci)

25 Importanza di NH 3 Sintesi glutammato Sintesi di amminoacidi Sintesi glutammina Sintesi carbamil fosfato Sintesi di nucleotidi purinici Sintesi di amminoacidi Sintesi di arginina Sintesi di nucleotidi pirimidinici Un eccesso di NH 3 è tossico

26 Tossicità dell ammoniaca variazioni del ph intracellulare (ph ) sottrazione degli intermedi del ciclo di Krebs (alfa-chetoglutarato) NH 4+ + a-chetoglutarato NAD(P)H NAD(P) + glutammato carenza di glutammato glutammato +NH ATP glutammina+ ADP Un eccesso di NH 3 consuma alfa-chetoglutarato ATP Glutammato eccesso di NH 3 à danno cerebrale

27 Destino del gruppo amminico REAZIONI DI DISTACCO DEL GRUPPO α-nh 2 A) TRANSAMINAZIONE (PLP) B) DEAMINAZIONE OSSIDATIVA

28 Reazione di transaminazione (trasferimento del gruppo aminico ad un a-chetoacido accettore) COOH HC-N H H + COOH C=O PLP COOH C=O COOH HC-N H H R 1 Aminotransferasi R 2 R 1 R 2 α-aminoacido 1 α-chetoacido 2 α-chetoacido 1 α-aminoacido 2 Aa donatore Chetoacido accettore reazione reversibile

29 TRANSAMINAZIONE

30 Il gruppo prostetico delle transaminasi è il piridossalfosfato PLP Derivato della vitamina B6 (PMP) Interconversione Piridossal fosfato PLP Piridossammina fosfato PMP

31 Meccanismo a ping-pong della reazione di transaminazione Prima metà della reazione AA 1 + E-PLP α-chetoacido 1 + E PMP Seconda metà della reazione E PMP + α-chetoacido 2 PLP AA 2 + E-PLP somma AA 1 + α-chetoacido 2 α-chetoacido 1 + AA 2 Meccanismo catalitico a ping-pong Il 1 substrato si lega all enzima Il 2 substrato si lega all enzima solo dopo che il 1 si è allontanato sotto forma di prodotto

32 Meccanismo catalitico della reazione di transaminazione

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34 Transaminazione La maggior parte delle transaminasi utilizza come chetoacido Alfa-chetoglutarato glutammato Biosintesi AA Via anabolica Deamminazione ossidativa NH 4 + urea Via catabolica

35 DEAMMINAZIONE OSSIDATIVA Glutammico deidrogenasi - Biosintesi AA - Ciclo urea La glutammico deidrogenasi (PM ; 6 subunità uguali) è presente nella matrice mitocondriale Glutammico deidrogenasi à enzima allosterico - Reazione di transaminazione - Ciclo acido citrico - gluconeogenesi Attivato à ADP GDP carica energetica bassa Inibito à ATP GTP carica energetica alta

36 La glutammina trasporta ammoniaca dai tessuti al fegato La L-glutamina rappresenta la principale forma di trasporto non tossica dell ammoniaca È normalmente presente in circolo ad una concentrazione superiore agli altri aminoacidi. L azoto aminico della glutamina viene rilasciato sotto forma di ammoniaca solo a livello dei mitocondri epatici e, in misura minore, renali. Nelle cellule Nel fegato

37 L alanina trasporta ammoniaca dal muscolo al fegato Il ciclo del glucosio-alanina L alanina serve come trasportatore dell ammoniaca e dello scheletro carbonioso del piruvato dal muscolo al fegato. L ammoniaca viene escreta e il piruvato è usato per produrre glucosio che ritorna al muscolo.

38 Riepilogando:

39 Riepilogando: muscolo tessuti extraepatici

40 Ciclo dell urea L urea viene sintetizzata nel fegato, secreta nel circolo sanguigno, sequestrata dal rene e quindi escreta Il ciclo è composto da 5 reazioni (2 mitocondriali e 3 citoplasmatiche)

41 Ciclo dell urea Nel fegato Il ciclo dell urea avviene in due compartimenti diversi L ornitina svolge un ruolo simile a quello dell ossalacetato nel ciclo di Krebs Vengono consumate 3 molecole di ATP Il ciclo dell urea è collegato al ciclo di Krebs 1 2 ATP + HCO NH 4 + à carbamilfosfato mitocondrio citosol urea ornitina 5 ornitina arginina 2 citrullina aspartato citrullina ATP argininsuccinato fumarato ciclo di Krebs

42 Sintesi di carbamil fosfato 2 ATP consumati Reazione regolata tappa limitante del ciclo Carbamil fosfato sintetasi I Enzima allosterico L enzima Carbamil fosfato sintetasi I, mitocondriale, è diversa dalla carbamil fosfato sintetasi II, citosolica che agisce nella biosintesi delle pirimidine

43 4 tappe 1= ornitina transcarbamilasi 2= argininsuccinato sintetasi 3= argininsuccinato liasi 4= arginasi

44 1= ornitina transcarbamilasi 2= argininsuccinato sintetasi 3= argininsuccinato liasi 4= arginasi

45 Il ciclo dell urea è collegato al ciclo dell acido citrico Il collegamento con il ciclo dell ac. citrico riduce il dispendio energetico La comunicazione è assicurata dal trasporto di intermedi chiave tra mitocondri e citosol

46 Il flusso di atomi di azoto attraverso il ciclo dell urea varia con la composizione della dieta. Regolazione a lungo termine: velocità di sintesi degli enzimi del ciclo Regolazione a breve termine: attivazione allosterica della carbamil fosfato sintetasi I

47 AA glucogenici Destino dello scheletro carbonioso α-chetoglutarato Succinil CoA Fumarato Ossalacetato Piruvato Ciclo acido citrico AA chetogenici Acetoacetil CoA Acetil CoA Ciclo acido citrico Corpi chetonici Sintesi acidi grassi

48 Biosintesi amminoacidi Dopo C,H,O, l azoto è l elemento più abbondante: Presente in aminoacidi e nucleotidi Biosintesi aminoacidi e nucleotidi hanno varie condivisioni 1) entrambi contengono azoto 2) Aa interi (o parte della molecola) sono incorporati nei nuclei purinici o pirimidinici 3) Reazioni chimiche in comune (trasferimento unità monocarboniose e di gruppi amminici)

49 L ammoniaca viene incorporata nelle biomolecole attraverso il glutammato e la glutammina Funzione sia nel catabolismo che nelle biosintesi Glu e Gln : concentrazione di molto superiore rispetto agli altri aa Le vie di produzione di Gln e Glu sono simili in tutti gli organismi

50 GLUTAMMATO SINTASI (solo batteri e piante): amminazione riduttiva dell a -chetoglutarato a-chetoglutarato + Gln + NADPH + H + ---> 2 Glu + NADP+ N. B. negli animali il Glu viene formato dalle reazioni di transaminazione dell a-chetoglutarato che raccoglie i gruppi amminici nel catabolismo degli aa

51 Via alternativa e minore di formazione del Glu: L-glutammato deidrogenasi (catabolismo aa): a-chetoglutarato + NH NADPH + H + ---> Glu + NADP + + H 2 O K M per ione ammonio molto alta

52 BIOSINTESI GLUTAMMINA 1)Glu + ATP ---> γ-glutamil fosfato + ADP 2) γ-glutamil fosfato + NH4 + --> Gln + Pi + H + somma Glu + NH4 + + ATP ---> Gln + ADP + Pi + H + Enzima: GLUTAMMINA SINTETASI

53 GLUTAMMINA SINTETASI Presente in tutti gli organismi PRINCIPALE SITO DI REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DELL AZOTO -Ruolo chiave nel metabolismo aa: RIMOZIONE AMMONIACA LIBERA TOSSICA PER I TESSUTI CONVERSIONE IN Gln e TRASPORTO NEL SANGUE

54 Regolazione allosterica i principali modulatori allosterici (inibitori): -Alanina, Glicina, Serina e -6 prodotti finali di vie che dipendono dalla Gln Inibizione retroattiva cumulativa

55 Biosintesi amminoacidi Amminoacidi essenziali Nell uomo la metà dei 20 aminoacidi standard non può essere sintetizzata. Questi aminoacidi devono essere introdotti con la dieta Aminoacidi essenziali Isoleucina Leucina Lisina Me/onina Fenilalanina Treonina Triptofano Valina Arginina Amminoacidi non essenziali Possono essere sintetizzati a partire da intermedi delle vie metaboliche Glicolisi, ciclo acido citrico, via pentoso fosfato Arginina (nell adulto), alanina, asparagina, aspartato, cisteina, glutammato, glutammina, glicina, prolina, serina, tirosina

56 La formazione degli aa avviene a partire da precursori della: Glicolisi, Via dei pentoso fosfato Ciclo di Krebs

57 Amminoacidi non essenziali Precursore Alfa-chetoglutarato Ossalacetato Piruvato 3-fosfoglicerato transaminazione transaminazione transaminazione AA Glutammato à Glutammina Arginina Prolina Aspartato à Asparagina Alanina Serina à Glicina Cisteina Eritroso- 4-P Tirosina

58 Regolazione delle vie di sintesi di aminoacidi La prima reazione è di solito una reazione irreversibile catalizzata da un enzima allosterico Il meccanismo di regolazione di solito è l inibizione a feedback del primo enzima della via biosintetica Le varie vie di sintesi sono altamente coordinate mediante meccanismi di regolazione trasversali La regolazione della biosintesi risponde prontamente alle necessità della cellula

59 Molecole che derivano dagli aa Porfirine coenzimi nucleotidi ammine biologiche Eme vit. B12 *purinici (asp, gly, gln) *neurotrasmettitori (glicina) *pirimidinici (asp, gln) *ormoni *poliammine Neurotrasmettitori tirosina dopammina noradrenalina adrenalina glutammato GABA (acido γ-amminobutirrico) triptofano serotonina Ammine biologiche istidina istamina vasodilatazione reazione allergica