METABOLISMO diPROTEINE ed AMMINOACIDI

METABOLISMO

PROTEINE ed AMMINOACIDI di

Università di Roma Tor Vergata - Facoltà di Medicina

Biochimica - Prof. Luciana Avigliano

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

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 viene quindi ossidato da altri batteri a nitrato NO₃^– .

II. Le piante sono in grado di utilizzare NO₃^– con produzione di NH₄⁺, che viene quindi incorporato nei composti organici azotati (punto d’ingresso Glu e Gln)

III. Gli animali assumono composti organici azotati (amminoacidi)

Fonte primaria di azoto:

amminoacidi forniti dalle proteine

alimentari

 Substrati per la sintesi proteica

20 a.a - con codone riconoscimento via tRNA

21 a.a. selenocisteina seril-tRNA + seleniofosfato  Se-cisteinil tRNA

più numerosi in seguito a modificazione post-sintetica esempi: amminoacidi fosforilati; acido carbossiglutammico

 Componenti di peptidi glutatione (GSH) Glu-Cys-Gly

 Intermedi metabolici ornitina

 Fonte energetica a.a. glucogenici, a.a. chetogenici

 Trasporto di azoto glutammina, alanina

 Precursori per la biosintesi degli altri composti contenti azoto

Funzioni degli L--amminoacidi

composti derivati amminoacidi precursori

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Eme glicina (+ succinil CoA)

Nucleotidi glutammina, glicina, acido aspartico

Carnitina lisina, metionina

Creatina arginina, glicina, metionina Ammine biogene , istidina ( istamina)

triptofano ( serotonina)

Tiroxina, adrenalina tirosina Taurina (nei sali biliari) cisteina

Niacina triptofano

Classificazione in base alla

struttura

CLASSIFICAZIONE NUTRIZIONALE

AMMINOACIDI ESSENZIALI :

devono necessariamente essere introdotti preformati con la dieta valina

leucina

isoleucina metionina

fenilalanina triptofano istidina

lisina treonina

AMMINOACIDI NON ESSENZIALI

semi-indispensabili risparmiano i precursori essenziali tirosina (sintetizzata da fenilalanina)

cisteina (sintetizzata da metionina)

non essenziali

glicina, serina, prolina, glutammina, arginina

possono non essere sufficienti in alcuni stati particolari quali infezioni, traumi, bambini prematuri,

alanina, aspartato, asparagina, glutammato

Le reazioni di transaminazione, reversibili, permettono di ridistribuire il gruppo NH₃ fra gli amminoacidi

Enzimi digestivi secreti come zimogeni inattivi - attivati tramite proteolisi

DIGESTIONE PROTEINE - STOMACO

PEPSINOGENO — pH acido, pepsina  PEPSINA + peptidi proteine alimentari — pepsina  grandi peptidi

INTESTINO (secreti dal pancreas esocrino)

TRIPSINOGENO — enterochinasi  TRIPSINA + esapeptidi

CHIMOTRIPSINOGENO — tripsina  CHIMOTRIPSINA +2 dipeptidi PROCARBOSSIPEPTIDASI — tripsina  CARBOSSIPEPTIDASI PROELASTASI — tripsina  ELASTASi

TRIPSINA - scinde legame COO^- di a.a. basici (arginina, lisina)

CHIMOTRIPSINA - scinde legame COO^- di a.a. aromatici (Phe, Tyr) ELASTASI - scinde legame COO^- di glicina

CARBOSSIPEPTIDASI A - a.a. aromatici CARBOSSIPEPTIDASI B - a.a basici

MUCOSA INTESTINALE AMINOPEPTIDASI

DIPEPTIDASI

K⁺ K⁺

SANGUE LUME

Cl^– Cl^– Cl^– Cl^–

HCO₃^–

CO₂ + H₂O

metabolismo

H⁺ H⁺

pompa H⁺/K⁺

ATPasi

membrana apicale membrana

baso-laterale

HCO₃^–

METABOLISMO DELLE PROTEINE

Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico

Amminoacidi N C Proteine

della dieta

Derivati non proteici

NH₃

 urea

intermedi del Ciclo di Krebs

glucosio, glicogeno

acidi grassi trigliceridi

CO₂ + energia

digestione

proteine corporee

sintesi degradazione Quota dei derivati non proteici minoritaria e non si calcola nel bilancio azotato;

ma quota significativa in condizioni di privazione di proteine

a + b = c + d costante mantenimento nell’adulto

a + d > b + c bilancio positivo

accrescimento; masse muscolari; gestazione

b + c > a + d bilancio negativo

insufficiente apporto energia e/o proteine; malattia

flusso in entrata = dieta + degradazione proteica (a + b) rimozione a.a. = sintesi proteica + ossidazione (c + d)

PROTEINE ALIMENTARI POOL AA PROTEINE CORPOREE

c

a b

d

POOL DI DERIVATI

bilancio di azoto o bilancio proteico: dipende dalla somma delle velocità di entrata ed uscita dal pool di amminoacidi liberi

In media le proteine contengono il 16% di azoto

Relativamente facile misurare l’azoto, per cui i cambiamenti nella quantità proteica corporea vengono misurati come

differenza fra azoto introdotto ed azoto escreto azoto x 6,25 (cioè 100/16) = proteina

UOMO ADULTO: proteine corporee circa 12 Kg

40% nel muscolo di cui 65% miosina ed actina

per locomozione e lavoro muscolare, ma anche come fonte di amminoacidi in condizioni di stress.

Ma proteine muscolari non sono forma di riserva come glicogeno e lipidi ed una loro perdita porta a perdita di proteine funzionali.

10% tessuti viscerali (fegato, intestino)

non mobilizzate rapidamente in condizioni di stress per le loro funzioni vitali

30% nelle pelle e nel sangue

lesioni delle pelle ed anemia sono presenti in deficit di proteine alimentari

4 proteine:

miosina, actina, collagene (strutturali) ed emoglobina (trasporto O₂) costituiscono circa la metà di tutte le proteine

CONTINUO RICAMBIO PROTEICO

Serve energia sia per la sintesi che per la degradazione:

15-20 % del bilancio energetico

La continua demolizione e sintesi è fondamentale per

 degradare e rimpiazzare proteine danneggiate

 modificare la quantità relativa di differenti proteine in base alle necessità nutrizionali e fisiologiche

 rapido adattamento metabolico

La regolazione del turnover proteico è influenzata da:

 stato nutrizionale (energetico e proteico)

 ormoni (insulina, glucocorticoidi, ormoni tiroidei, ormone della crescita, citochine)

ORGANISMO

Ricambio giornaliero 1-2% proteine totali Amminoacidi 70-80% riutilizzati

20-30% metabolizzati

Proteine dalla dieta 70-80 grammi/giorno Proteine metabolizzate 250 grammi/giorno

% ricambio

muscolo 30-50%

fegato 25%

leucociti

emoglobina

diversa emivita

pochi minuti: proteine regolatorie 300 giorni: collageno

SISTEMI DI PROTEOLISI ATP-indipendente LISOSOMIALE

contribuisce per il 15%

Enzimi attivi a pH 5

-proteine extracellulari (via endocitosi) -proteine di membrana

-organelli danneggiati (es mitocondri)

ATP-dipendente CITOSOLICO sistema ubiquitina-proteasoma

selettivo

- proteine citosoliche - proteine regolatorie

- proteine difettose (neo -sintetizzate per errori nella sintesi o per ripiegamento sbagliato; invecchiate)

L’ubiquitina come suggerisce il nome è una proteina presente in tutti gli eucarioti

L’ubiquitina si lega alla proteina da degradare in una via ATP dipendente che utilizza 3 enzimi

E1 + ATP  E1-Ubiquitina

E2 proteina di trasporto dell’ubiquitina

E3 lega l’ubiquitina attivata alla proteina da degradare

Come si riconosce la proteina da eliminare?

Varie ipotesi

-amminoacido N-terminale destabilizzane Arg ~2 min

Tyr, Glu, ~ 10 min Ile Gln ~ 30 min oppure stabilizzante

Met. Gly, Ala, Ser, Thr > 20 ore

-particolari sequenze di distruzione

ATP

Premio Nobel 2004 Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose

oligopeptidi di 3-25 a.a.

scissi da protesi citosoliche

La proteina marcata va al proteasoma

Attività tipo chimotripsina - a.a. idrofobici Attività tipo tripsina - a.a. basici

Attività per a.a. acidi

Proteine regolatorie per il riconoscimento e selezione di protine ubiquitilinate

subunità

7 

7  7  7  Proteine degradate dalle subunità

catalitiche 

L’attività del proteasoma è sotto controllo ormonale INSULINA inibisce il proteasoma

GLUCOCORTICOIDI attivano il proteasoma

azione coordinata per la mobilizzazione di amminoacidi muscolari e per la gluconeogenesi epatica

ORMONI TIROIDEI attivano il proteasoma CITOCHINE attivano il proteasoma

sepsi, febbre, ustioni, cancro,…

Aumento delle proteine della fase acuta ed aumento del catabolismo proteico delle miofibrille mediato da un

aumento delle citochine TNF-, IL-1, IL-6

AMMINOACIDI

METABOLISMO del GRUPPO AMMINICO

Flusso generale

NH₄⁺

UREA

NH₂ C=O NH₂

DEAMINAZIONE OSSIDATIVA

glutammato deidrogenasi NAD⁺

glutammato -chetoglutarato

-amminoacidi

^O

II

C – O^– I

H – C – NH₃⁺ I

R

TRANSAMINAZIONE

transaminasi piridossalfosfato

 -chetoacidi O

II

C – O^– I

H – C = O I

R

glutammato

+ +

-chetoglutarato

AMMINOTRANSFERASI

(prendono il nome dall’a.a. che cede il gruppo -NH₂ all’- chetoglutarato)

1. Alanina amminotransferasi 2. Aspartato amminotransferasi Denominate anche

•TRANSAMINASI

1. Glutammato piruvato transaminasi

2. Glutammato ossalacetato transaminasi

ENZIMI A PIRIDOSSALFOSFATO

MECCANISMO PING-PONG

E–C=O + H–C–NHI I ₂  E-NH₂ + C=O

I I

H COO^– COOI ^–

R₁ R₁

E–NH₂ + C=O  E–C=O + H–C–NHI I ₂

I I

H I

COO^– COO^–

R₂ R₂

Intermedio di reazione: base di Schiff

Vitamina B6 piridossina, piridossale, piridosammina

COFATTORI piridossalfosfato (PLP), piridossaminafosfato ENZIMI A PLP

-Glicogeno fosforilasi 80-90% del totale - Transaminasi

- Decarbossilasi (amminoacido  ammina )

glutammato (glutammato decarbossilasi)  -aminobutirrico (GABA) istidina  istamina

triptofano serotonina (5-idrossitriptamina) tirosina  noradrenalina

- Reazioni di addizione-eliminazione sulla catena laterale di a.a.

- -aminolevulinato sintasi (sintesi dell’eme)

- Metabolismo unità monocarboniosa (metionina  cisteina)

NH₃ deriva dal catabolismo degli amminoacidi

basi puriniche (tramite deaminasi) basi pirimidiniche

Animali ammoniotelici (pesci) Animali uricotelici (rettili, uccelli) Animali ureotelici

AMMONIACA TOSSICA:

Composto basico

- TRASPORTO EMATICO : GLUTAMMINA, ALANINA - ELIMINAZIONE: UREA

glutammato + NAD(P)⁺ + H₂O  -chetoglutarato + NADH + H⁺ + NH₄⁺

tramite

glutammato deidrogenasi DEAMINAZIONE OSSIDATIVA

Intermedio di reazione: imminoacido COO^–

I

I I

I CH₂

CH₂ COO^– H –C–NH₃⁺

+ NAD⁺ 

COO^– I

I I

I CH₂

CH₂ COO^– C=NH₂⁺

+ NADH + H⁺

Incorporazione dell’NH₄⁺

 -chetoglutarato + NH₄⁺  glutammato

glutammato + NH₄⁺ + ATP  glutammina + ADP + Pi NH₄⁺ + HCO₃^– + 2 ATP  carbamilfosfato

O O

II II

OI ^–

2HN– C^~O–P–O^–

TRASPORTO

 acidosi

 alcalosi

azoto ammidico

azoto amminico

+ NH₄⁺

glutammina sintasi

glutamminasi

H₂O

COO^– C=OI

I I

I CH₂

CH₂ C=O

O^–

H –C–NH₃⁺ COO^– I

I I

I CH₂

CH₂ C=O

O^–

COO^– I

I I

I CH₂

CH₂ C=O

NH₂ RENE

CERVELLO

NH₄⁺

+ NH₄⁺

ATP ADP + P_i

H –C–NH₃⁺

CERVELLO

Alti livelli di glutammato e glutammina per detossificazione da NH₃

altrimenti

si può abbassare il livello di -chetoglutarato e quindi

 ciclo di Krebs

 produzione di energia

IPERAMMONIEMIA

danno da alterazione del ciclo di Krebs e deplezione di ATP

Ciclo di Cori

Ciclo glucosio-alanina

sangue fegato

muscolo

glucosio

alanina

urea piruvato

alanina

piruvato

NH₄⁺ glicolisi

transaminazione

proteine muscolari deaminazione

gluconeogenesi glucosio

UREA

NH₄⁺  glutammato  amminoacidi

- Gruppi ammidici non dissociabili - Estremamente solubile

- eliminata 10-30 grammi/die - dipende dalle proteine alimentari

NH₄⁺ 0,4-1,2 g/die dipende equilibrio acido-base

Acido urico 0,2-0,7 g/die (deriva dal catabolismo delle basi puriniche) Amminoacidi 0,3 -1,2 g/die

Creatinina 0,3-0,8 g/die dipende dalla massa muscolare (indice del turnover proteico del muscolo)

C=O NH₂ NH₂

aspartato  amminoacidi HCO₃^–

SINTESI UREA - nel fegato

CITOSOL

citrullina + aspartato + ATP  argininsuccinato + AMP + P~P_i 3. ARGININOSUCCINATO SINTETASI

4. ARGININOSUCCINASI

1.CARBAMILFOSFATO SINTETASI

O O

II II

OI ^–

NH₄⁺ + HCO₃^– + 2 ATP  ₂HN– C~O–P–O^– + 2 ADP + P_i

ornitina + carbamilfosfato  citrullina +P_i MITOCONDRIO

2. ORNITINA TRANSCARBAMILASI

ciclo di Krebs urea + ornitina

argininsuccinato  arginina + fumarato 5. ARGINASI

aspartato

AMMINOACIDI:

metabolismo della

catena carboniosa

BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI NON ESSENZIALI

piruvato  alanina

ossalacetato  aspartato (+ glutammina)  asparagina

-chetoglutarato  glutammato + (NH₃)  glutammina glutammato  prolina, arginina 3-fosfoglicerato  serina  glicina

metionina  cisteina (vedi 8° capitolo, vitamina B₁₂)

fenilalanina  tirosina

carenza Phe idrossilasi causa fenilchetonuria: porta a ritardo mentale 1:10.000 - 2% popolazione portatori sani - screening di routine sui neonati - (si formano fenilpiruvato, fenillattato, fenilacetato 1-2 g/die nelle urine)

Dieta povera in Phe e ricca in Tyr (aspartame Asp-Phe-metanolo)

piruvato

acetil-CoA acetoacetil-CoA

citrato succinil~CoA

succinato fumarato malato

-chetoglutato triptofano

leucina

glicina, alanina, serina,

cisteina,triptofano

arginina, glutammina, istidina, prolina

valina metionina

treonina glutammato

leucina lisina

fenilalanina tirosina aspartato, asparagina

isoleucina

isoleucina

fenilalanina tirosina

propionil~CoA biotina B12 isocitrato

ossalacetato

in giallo

a.a  glucosio ^{in rosa} a.a.  glucosio e corpi chetonici

in celeste

a.a.  corpi chetonici