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 Inibitori della tripsina per evitare la pancreatite acuta H + ph 1,5 2,5 (antisettico & denaturante) Secretina Pancreas HCO 3 - (ph~7,0) Proteine Gastrina Pepsinogeno (zimogeno) Pepsina (Phe,Tyr,Trp) Peptidi Colecistochinina Enteropeptidasi Intestino tenue TripsinogenoTripsina (Lys, Arg) Stomaco Duodeno (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 NH 4 + Immunodeficenza da carenza di ADA Urea inibitori competitivi 5
Catabolismo della timina
Catabolismo dei gruppi amminici negli animali Deamminazione ossidativa Transamminazione ATP Glutammato deidrogenasi Mitocondri Transamminazione + Deamminazione = Transdeamminazione 7
Le reazioni di transamminazione (1) Il fine delle reazioni di transamminazione è quello di raccogliere i gruppi NH 3 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 B 6 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) ALT o GPT 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 AST o GOT L-Alanina Piruvato CH 2 CH 3 CH 3 COOH L-aspartato CH 2 COOH Ossalacetato 9
Trasporto NH 4+ dai tessuti al fegato Tessuti (muscolo compreso) Negli animali ureotelici, l ammoniaca, presente in forma solubile come NH 4+, 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 sangue Principale forma di trasporto non tossico dell ammoniaca grazie alla sua carica netta nulla che gli permette di attraversare la membrana plasmatica 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 Dieta Iperproteica Digiuno prolungato Ipoproteica Aumenta la sintesi della carbamil fosfato sintetasi e dei quattro enzimi del ciclo (più urea) 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 N 2 22
Ciclo dell azoto 10 11 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
= (+2) CH 3 -C-COO - O Complesso della nitrogenasi (1) (+4) CO 2 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) 400-500 C, p~ 700atm N 2 + 3H 2 2NH 3 ΔG =-33,5 kj/mole Sintesi biologica (fissazione) 16 ATP 16 ADP + 16 Pi N 2 + 10H + +8e - 2NH 4 + + H 2 t.a., p~ 0,8atm 10H + Funzione ATP più catalitica che termodinamica. Legame ATP alla reduttasi sposta E da -300mV a -420mV 24
Complesso della nitrogenasi (2) Il complesso della nitrogenasi si denatura rapidamente in presenza di ossigeno Sezione di un nodulo di leguminosa Nucleo I batteri risolvono questo inconveniente in 4 modi: Fissazione anerobica Regolazione del consumo di O 2 a livello della catena respiratoria Formazione di eterocisti (cianobatteri) Simbiosi con le radici di piante leguminose Nodulo N 2 Carboidrati Batteroide (in rosso) Membrana peribatteroide (in blu) NH 4 + ATP Catena respiratoria O 2 Leghemoglobina Lega tutto l O 2 impedendo l inattivazione del complesso della nitrogenasi 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 Alanina Glicina Prolina Serina Cisteina Asparagina Glutammina Aspartato Glutammato Tirosina * Essenziale 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 Bilirubina Diglucoronide (FegatoBile) Bilirubina (SangueBile) Trasporto con sieroalbumina Biliverdina Fe 3+ 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 (Diidrossifenilalanina) (Norepinefrina) (Epinefrina) Es 2: Neurotrasmettitori per decarbossilazione di alcuni aa GABA: Inibitore dell attività neuronale; in carenza si possono avere attacchi epilettici Istamina: Rilasciata in grandi quantità durante la risposta allergica; stimola la secrezione di HCl nello stomaco. Potente vasodilatatore Serotonina: importante nella regolazione dell umore, del sonno, della temperatura corporea, dell appetito. Un eccesso causa emicrania, depressione e ansia 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 Sintesi de novo dcmp dump dtmp H 2 O NH 3 H 2 O NH 3 CR UR CdR UdR TdR U T Membrana cellulare 40
Vie di riutilizzazione delle pirimidine (2) RNA DNA CTP UTP dctp dutp dttp CDP UDP dcdp dudp dtdp CMP UMP Sintesi de novo dcmp dump dtmp H 2 O NH 3 H 2 O NH 3 CR UR CdR UdR TdR U T U O N NH 2 N H H H Es: riutilizzazione dell uracile Membrana cellulare 41
Azione farmacologica del 5-fluorouracile RNA DNA CTP 5F-UTP dctp dutp dttp CDP 5F-UDP dcdp 5F-dUDP dtdp CMP 5F-UMP Sintesi de novo dcmp 5F-dUMP dtmp H 2 O NH 3 H 2 O NH 3 CR 5F-UR CdR UdR TdR 5F-U T 5F-U O N NH 2 N H F H 42