PROTEINE. L-amminoacidi uniti tra loro da legame peptidico

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1 PROTEINE L-amminoacidi uniti tra loro da legame peptidico gruppo amminico (NH 2 ), gruppo carbossilico (COOH) e gruppo R caratterizzante i singoli amminoacidi. Il gruppo R influenza la solubilità dell amminoacido in acqua. Filomena Fezza

2 CLASSIFICAZIONE NUTRIZIONALE ESSENZIALI : lisina, metionina, treonina leucina, isoleucina, valina fenilalanina, triptofano, istidina (devono necessariamente essere introdotti preformati con la dieta) SEMI-INDISPENSABILI : tirosina (sintetizzata da fenilalanina) cisteina (sintetizzata da metionina) NON-ESSENZIALI: glicina*, alanina, serina, prolina* ac. glutammmico, glutammina, ac. aspartico, asparagina, arginina* * condizionatamente indispensabili Filomena Fezza

3 metil-istidina proteine muscolari fosfoserina caseina, enzimi idrossiprolina e idrossilisina collagene taurina gruppo solforico; in sali biliari ornitina citrullina Ciclo dell urea Filomena Fezza

4 Alcuni AA svolgono importanti funzioni biologiche come tali oppure danno origine a prodotti fisiologicamente importanti: PRECURSORE PRODOTTO FUNZIONE A.GLUTAMMICO+GLICINA+CISTEINA Glutatione Spazzino di radicali liberi CISTEINA Taurina Sali biliari e Neuromodulatore GLICINA E ARGININA Creatina Muscolo LISINA Carnitina Trasporto intracell. ac. grassi ACIDO GLUTAMMICO Ac. g-aminobutirrico Neurotrasmettitore GLUTAMMINA FENILALANINA ARGININA Catecolamine Tiroxina Ossido nitrico Trasporto gruppi amminici Neurotrasmettitore Ormone tiroideo Funzioni immunitarie, tono vasale, funzioni cognitive, motilità intestinale.. GLICINA - Neurotrasmettitore TRIPTOFANO Serotonina Niacina Sistema nervoso Vitamina Filomena Fezza

5 Gli amminoacidi si uniscono covalentemente mediante un legame ammidico chiamato legame peptidico. Filomena Fezza

6 Alcune proteine contengono anche gruppi chimici diversi dagli amminoacidi. Filomena Fezza

7 Filomena Fezza FUNZIONI BIOLOGICHE DELLE PROTEINE Strutturali Regolatorie Protettive Contrattili di Deposito di Trasporto Enzimi

8 Emoglobina e Mioglobina L evoluzione ha selezionato le proteine la cui struttura è ottimale per svolgere determinate funzioni. La mioglobina e l emoglobina sono disegnate in modo da trattenere o rilasciare l ossigeno in specifiche condizioni. ANOSSIA i tessuti non hanno O 2 IPOSSIA l O 2 utilizzabile è inferiore alla norma: -anemica (carenza di Hb) -istotossica (cianuro: blocca catena respiratoria) -stagnante (circolo: insufficienza cardiaca) -ipossica (bassa po 2 alta quota). Filomena Fezza

9 MIOGLOBINA tessuto muscolare dove mantiene l ossigeno legato a sè fino a che la quantità del gas nel suo ambiente non scende sotto una certa soglia critica; una singola catena polipeptidica ed un singolo sito di legame per l ossigeno (gruppo eme contenente ferro II). La curva di legame dell ossigeno è iperbolica Filomena Fezza

10 EMOGLOBINA nei globuli rossi (34% del loro peso) e circola continuamente, legando l ossigeno nei polmoni e trasportandolo ai tessuti. 2 subunità a e 2 subunità b con 4 gruppi eme Filomena Fezza

11 Filomena Fezza

12 Spostano la curva verso destra (cessione di ossigeno ai tessuti): Diminuzione ph Innalzamento temperatura Produzione anidride carbonica 2,3 bifosfoglicerato polmoni tessuti Filomena Fezza

13 La CO 2 prodotta dall'ossidazione dei nutrienti viene idratata grazie all'azione dell'enzima anidrasi carbonica (abbondante negli eritrociti) e forma: CO 2 + H 2 O H + + HCO 3 - L'emoglobina quando lega gli ioni H + viene detta protonata HbH + + O 2 HbO 2 + H + Filomena Fezza

14 Sia la CO 2 che l'h + (EFFETTO BOHR) diminuiscono l'affinità dell'emoglobina per l'o 2. Il ph può essere diminuito anche dalla formazione di acido lattico. Attraverso questi meccanismi il muscolo in attività aumenta il suo supplemento di ossigeno. Filomena Fezza

15 La CO 2 si lega all'estremità ammmino-terminale di ciascuna catena globinica e si forma la carbamminoemoglobina Durante questa reazione vengono rilasciati H + che contribuiscono a generare l'effetto Bohr. L'emoglobina trasporta circa il 20% degli ioni H + totali e della CO 2 prodotta nei tessuti. Filomena Fezza

16 Quando l'emoglobina arriva ai polmoni l'elevata concentrazione di O 2 favorisce il distacco della CO 2 e la saturazione con O 2. Tra gli effettori in grado di modificare il legame dell ossigeno all emoglobina vi è anche il 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG), un metabolita intermedio della glicolisi, presente nei globuli rossi in concentrazione equimolare all emoglobina, cui si lega nel rapporto 1:1. Filomena Fezza

17 Questa molecola si lega all'emoglobina mediante un legame elettrostatico diminuendone l affinità per l ossigeno (stabilizza la forma T). L azione modificatrice del 2,3-DPG consente all organismo un importante meccanismo di compenso respiratorio. Nell ipossia, come ad esempio nell enfisema polmonare o in quote elevate, la concentrazione di 2,3-DPG negli eritrociti aumenta (~ da 5 a 8 mm), inducendo una diminuzione dell affinità dell emoglobina per l ossigeno e facilitandone quindi il rilascio ai tessuti. Filomena Fezza

18 Variazioni delle po 2 durante l esercizio: po 2 non cambia scende, ma mai < Dopo pochi min ritorna a valori di riposo Filomena Fezza

19 Negli esercizi aerobici: [Hb] diminuzione della resa Il rene secerne una sostanza capace di stimolare la produzione di globuli rossi? Eritropoietina Effetto compensatorio della mancanza di emoglobina Filomena Fezza

20 Negli esercizi aerobici: Muscolo consuma O 2 po 2 stimola rilascio di altro O 2 > gittata cardiaca > distribuzione del flusso ematico al muscolo Filomena Fezza

21 ph durante esercizio Esercizio aerobico ATP/CO 2 Esercizio anaerobico ATP/lattato Esercizio intenso (+) e moderato (-) cambiano ph in modo diverso acidosi metabolica inibisce fosfofruttochinasi ph muscolo: dopo dall esercizio grazie a tamponi Filomena Fezza

22 ph ematico Acidosi metabolica ( HCO 3- ) torna a valori basali dopo 30 (ph acido stimola iperventilazione). Supplementi di bicarbonato Non cambia ph muscolare Disturbi gastrici Inutile in fase di recupero Filomena Fezza

23 CATABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI Ossidazione degli amminoacidi entra in funzione quando: l'apporto globale è insufficiente; l'apporto di energia è sufficiente ma viene fornito da proteine a scapito dei carboidrati e dei lipidi. Filomena Fezza

24 DESTINO METABOLICO DEGLI AMMINOACIDI Proteine della dieta Amminoacidi Proteine corporee Deamminazione Ammoniaca Chetoacidi Piruvato o componenti del ciclo di Krebs Neurotrasmettitori Catecolamimne Eme Ecc.. Acetil-CoA Urea escrezione nelle urine Grassi CO 2 + H 2 O CO 2 + H 2 O Glucosio Filomena Fezza

25 CLASSIFICAZIONE METABOLICA DEGLI AMMINOACIDI CHETOGENICI ACETIL-CoA ACETOACETIL-CoA LEUCINA LISINA GLUCOGENICI PIRUVATO CHETOGLUTARATO SUCCINIL-CoA FUMARATO OSSALACETATO ISOLEUCINA FENILALANINA TIROSINA TRIPTOFANO VALINA TREONINA METIONINA Filomena Fezza

26 CLASSIFICAZIONE METABOLICA DEGLI AMMINOACIDI CHETOGENICI ACETIL-CoA ACETOACETIL-CoA LEUCINA LISINA GLUCOGENICI PIRUVATO CHETOGLUTARATO SUCCINIL-CoA FUMARATO OSSALACETATO ISOLEUCINA FENILALANINA TIROSINA TRIPTOFANO VALINA TREONINA METIONINA Filomena Fezza

27 TRANSAMMINAZIONE E CICLO DELL UREA Il gruppo amminico è trasferito all acido alfa-chetoglutarico (intermedio del ciclo di Krebs), formando un amminoacido, l'acido glutammico. La reazione è catalizzata dalle transaminasi che necessitano del piridossalfosfato (derivato della vitamina B6) come cofattore. L'acido glutammico lega un secondo gruppo amminico dando un altro ammminoacido, la glutammina. La glutammina va nel fegato ed il gruppo amminico viene rilasciato come ammoniaca NH 3 (REAZIONE DI DEAMMINAZIONE). L ammoniaca è tossica e, nel fegato, viene convertita in urea (CICLO DELL UREA). L'urea non è tossica e viene trasportata nel sangue fino ai reni e quindi escreta nelle urine. Regolazione trascrizionale da parte di dieta iperproteica Filomena Fezza

28 tessuti glutammina H 2 O ADP + P i Glutammina sintetasi NH 3 ATP glutammato Glutamminasi glutammina H 2 O glutammato acido piruvico NH 3 acido Glutammato a-chetoglutarico deidrogenasi GPT urea alanina fegato glucosio Glutamminasi è anche nel rene una parte di ammoniaca espulsa con le urine sotto forma di ione ammonio (NH 4+ ) elimina protoni e risparmia elettroliti (Na+, K+) acido piruvico GPT alanina muscolo acido glutammato Glutammato deidrogenasi a-chetoglutarico AA Filomena Fezza

29 SINTESI DI AMMINOACIDI Gli esseri umani possono sintetizzare solo 11 dei 20 amminoacidi comuni. Gli altri 9 sono nutrienti essenziali. Tutti gli AA non essenziali (eccetto la tirosina) si originano da uno dei 4 metaboliti (intermedi o prodotti di vie metaboliche centrali) elencati di seguito a-chetoglutarato ossalacetato 3-fosfoglicerato glutammato glutammina arginina prolina aspartato asparagina cisteina glicina serina piruvato fenilalanina alanina tirosina Filomena Fezza

30 METABOLISMO PROTEICO Amminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico a b PROTEINE ALIMENTARI POOL AA PROTEINE CORPOREE d c POOL DI ESCREZIONE Flusso in entrata = a + b Flusso in uscita = c + d a + b = c + d a + d > b + c b + c > a + d mantenimento accrescimento; masse muscolari; gestazione insufficiente apporto energia e/o proteine, malattia Filomena Fezza

31 Il bilancio viene calcolato in termini di azoto ed è uguale a: Azoto introdotto meno Azoto eliminato Le proteine corporee sono soggette ad un continuo processo di demolizione e di sintesi che è noto come: Turnover Proteico (circa 4 gr /kg peso corporeo /die) CONTINUO TRAFFICO INTER ED INTRA-CELLULARE DI AA Filomena Fezza

32 VELOCITA DI SINTESI PROTEICA NEI TESSUTI DI RATTO RINNOVAMENTO VELOCITA DI SINTESI ASSOLUTA Tessuto %/die g/die % organismo intero Muc. Intest. Tenue 36 0,41 9,8 Fegato (totale) 87 0,55 13,0 Fegato (prot. cellule) 67 0,42 10,0 Milza 76 0,056 1,3 Rene 48 0,069 1,6 Polmone 33 0,035 0,8 Cuore 17 0,012 0,3 Cervello 17 0,024 0,6 Muscolo 13 0,79 18,7 Organismo intero 4, Da: Waterlow J.C 1978 Filomena Fezza

33 La regolazione del turnover proteico è influenzata da: stato nutrizionale (energetico e proteico) da alcuni ormoni (insulina, ormone della crescita, fattori di crescita e glucocorticoidi) 2 siti di regolazione sintesi demolizione ad es: l aumento della massa proteica può essere ottenuto sia attraverso l incremento della sintesi sia mediante una diminuzione della demolizione La contemporanea regolazione della sintesi e demolizione delle proteine è fondamentale per: mantenimento della funzionalità cellulare regolazione della crescita e del mantenimento della massa proteica Filomena Fezza

34 CARATTERISTICHE DEL TURNOVER La velocità di tale processo è diversa: nelle diverse specie animali ESTESO ETEROGENEO INTRACELLULARE REGOLATO in base all'età (cala dalla nascita all'età adulta) nei vari tessuti (più veloce per gli organi interni più lento per i muscoli) richiede energia (10-25% del metabolismo basale) coinvolge 3-4 volte l'abituale introduzione di proteine con la dieta Filomena Fezza

35 REGOLAZIONE (I) METABOLISMO PROTEICO SINTESI trascrizione traduzione DEGRADAZIONE autofagico lisosomiale calpaina-calpastatina ubiquitina-proteosoma sistema poco selettivo particolare importanza se proteolisi è estesa principale via di degradazione attivata dal calcio nel muscolo è regolato dallo stato nutrizionale Ubiquitario degradazione di proteine limitanti, regolatorie o abnormi perdita di peso del muscolo scheletrico Filomena Fezza

36 FATTORI CHE INTERVENGONO NELLA REGOLAZIONE DEL METABOLISMO PROTEICO FATTORE SINTESI DEGRADAZIONE Insulina Ormone della crescita - Glucocorticoidi - Glucosio - Corpi chetonici - Leucina Contrazione muscolare - Livelli normali di T3 Livelli alti di T3 Filomena Fezza

37 REGOLAZIONE-II somatotropina o ormone dell accrescimento (GH) (ormone dell ipofisi anteriore) stimola la sintesi proteica favorendo l assorbimento cellulare degli amminoacidi. I body-builder usano iniettarsi il GH in combinazione con l insulina, per stimolare l aumento delle masse muscolari. In realtà, questa strategia non fornisce grandi risultati perché il GH agisce prevalentemente sulla sintesi di collagene. Conseguenze negative: accrescimento delle ossa della faccia, delle mani e dei piedi così come una predisposizione al diabete; testosterone (ormone sessuale) svolge un ruolo anabolico sulle proteine di specifici tessuti bersaglio (organi sessuali) ma anche in altri distretti corporei come il tessuto muscolare. Un uso prolungato di questo ormone è associato a morte precoce per malattie cardiovascolari e al cancro del fegato. Filomena Fezza

38 FABBISOGNO PER IL MANTENIMENTO Nei precedenti LARN era stato proposto un valore medio di 0,63 g/kg di peso corporeo/giorno. Alcuni studi di bilancio a lungo termine forniscono valori di 0,58 g/kg, uniformemente alle raccomandazioni WHO/FAO/UNU 1985 (WHO, 1985), tale valore è stato portato a 0,6 g/kg peso corporeo/giorno (96 mg N/kg). Nella donna adulta i valori sono sostanzialmente uguali a quelli dell uomo adulto. Tenendo conto di una variabilità individuale del 12,5%, è stato aumentato del 25% per assicurare un margine di sicurezza. Il valore di 0,75 g/kg /giorno è quello che copre presumibilmente i bisogni del 97,5% di una popolazione. Filomena Fezza

39 LARN PER LE PROTEINE Peso corporeo AR Fabbisogno medio PRI Assunzione SDT Obiettivo raccomandata nutrizionale per per la la prevenzione popolazione (kg) (g/kg die) (g/die) (g/kg die) (g/die) (g/kg die) (g/die) LATTANTI 6-12 mesi 8,6 1,11 9 1,32 11 BAMBINI- ADOLESCENT I 1-3 anni 13,7 0, , anni 20,6 0, , anni 31,4 0, ,99 31 Maschi anni 49,7 0, , anni 66,6 0, ,93 62 Femmine anni 50,7 0, , anni 55,7 0, ,90 50 ADULTI Maschi anni 70,0 0, , anni 70,0 0, , anni 70,0 1, anni 70,0 1,1 77 Femmine anni 60,0 0, , anni 60,0 0, , anni 60,0 1, anni 60,0 1,1 66 GRAVIDANZA I trimestre +0,5 +1 ALLATTAMEN TO Società Italiana di Nutrizione Umana-SINU, 2014 II trimestre III trimestre I semestre II semestre +11 Filomena Fezza

40 Metabolismo delle proteine nell esercizio fisico Esercizi di potenza: incremento della massa muscolare (actina e miosina). Esercizi di resistenza: moderato effetto su massa muscolare, aumento dei sistemi enzimatici per la produzione di energia ed aumento di masse mitocondriali. Effetti acuti: aumenta captazione di amminoacidi aumenta secrezione di urea L uso di sorgenti proteiche durante l esercizio comunque sembra marginale (circa 5%) se l apporto in carboidrati è adeguato. Nello sforzo intenso e prolungato le proteine possono essere demolite per produrre glucosio. Normalmente, le proteine dell apparato contrattile non vengono utilizzate a scopo energetico a meno di un danno muscolare evidente. Filomena Fezza

41 LIBERAZIONE (umol/min) RILASCIO DI AMMINOACIDI IN FUNZIONE DELL INTENSITA DELL ESERCIZIO Catabolismo proteico inizia con deplezione di glicogeno pari a 35-55% atleti di resistenza: dieta ricca di carboidrati (risparmio proteine perché glicogeno inibisce enzimi del catabolismo). 150 alanina glutammina glutammato Basale 30% 55% 80% Riposo Basale 30% 55% 80% Riposo Basale 30% 55% 80% Riposo %VO 2 max %VO 2 max %VO 2 max Filomena Fezza

42 Amminoacidi ramificati LEUCINA, ISOLEUCINA E VALINA (rappresentano circa il 35% degli aa essenziali) unici amminoacidi a non essere metabolizzati nel fegato, ma nel muscolo; utilizzati nella fase catabolica in corso di stress o di intensa attività fisica; per rifornire la gluconeogenesi. Filomena Fezza

43 inibitori della chinasi (in particolare il primo composto) fosforilazione/defosforilazione con P è inattivo interferisce con la protezione dai ROS nel mitocondrio può diventare tossico Filomena Fezza

44 Supplementazione in particolari condizioni cliniche: serve come aiuto nutrizionale in pazienti debilitati a causa di grossi traumi, infezioni generalizzate (sepsi) e dopo grossi interventi chirurgici; nello sport: per potenziare la performance fisica (grazie alla loro azione anticatabolica), per favorire la sintesi proteica nel muscolo e per neutralizzare i radicali ammonici derivanti dal catabolismo degli amminoacidi; supplementazione orale con 77 mg/kg p.c. prima dell esercizio riduce la proteolisi muscolare (non è noto il meccanismo). In realtà, la supplementazione è inutile se lo sforzo non è continuo ed è di breve durata (fino a 45 minuti); si rivela invece utile nella fase di recupero dopo lo sforzo fisico. Rischi: alte dosi di integratori interferiscono con le funzioni cerebrali e l aumento dell azotemia comporta un notevole sovraccarico renale. Filomena Fezza

45 GLUTAMMINA È il principale prodotto finale del metabolismo amminoacidico muscolare. Amminoacido più abbondante nel plasma ( mm) e nel pool di AA liberi nel muscolo (60%). Determinante per il sistema immunitario e per la mucosa intestinale. Bassi livelli nel muscolo o nel plasma in soggetti con sepsi. Filomena Fezza

46 ARGININA Stimola rilascio di GH e insulina. Effetto anabolico in atleti di potenza?? Supplementazione è troppo bassa, ma di più sarebbe tossica. TIROSINA Precursore di catecolammine > performance di esercizio esplosivo (sollevatore pesi)?? supplementazione è troppo bassa, ma di più sarebbe tossica. Filomena Fezza

47 FABBISOGNO NEGLI SPORTIVI Non sono necessarie maggiorazioni di proteine per gli sportivi infatti: atleti con intenso allenamento incrementano l apporto energetico dalle 3000 alle 5000 kcal/die con un apporto proteico del 15% dell energia totale pari a gr/die, quantità sicuramente sufficiente a soddisfare i fabbisogni della maggior parte degli atleti (ad es. 70 kg p.c = 1,6-2,7 gr /kg p.c. die). Un osservazione Un aumento di 3 kg massa muscolare = 857 gr proteine Realizzato in 6 mesi = aumento di 4,8 gr /die proteine Se 70 kg p.c. = 4,8/70 = 0,07 gr/kg p.c. die Tale incremento è facilmente realizzabile con la normale razione alimentare senza ricorrere a specifici prodotti dietetici (proteine, singoli amminoacidi). Filomena Fezza

48 CONSUMI ECCESSIVI E RISCHIO DI TOSSICITÀ Sistemi di eliminazione del surplus di proteine normalmente efficienti. Consumo non eccessivamente superiore alle raccomandazioni non è da considerare a rischio. Pazienti con sclerosi renale multipla accelerazione dei processi nel caso di un eccessivo consumo di proteine (Allen et al., 1979). Eccessivo consumo di proteine può indurre una mobilizzazione di calcio dalle ossa (Klahr 1989)???? Comitato per la Nutrizione e la Salute del Nutrition Board del NRC USA (1989), raccomanda che gli apporti in proteine non oltrepassino il doppio del livello raccomandato. Filomena Fezza