metabolismo di proteine ed amminoacidi università di roma tor vergata - facoltà di medicina...
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METABOLISMO di
PROTEINE ed AMMINOACIDI
Università di Roma Tor Vergata -Facoltà di Medicina
Biochimica - Prof. Luciana Avigliano
AZOTO essenziale per la vita
amminoacidi proteinenucleotidi acidi nucleici
In natura- N2 atmosferico (N.B. NN 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 proteica20 a.a - con codone riconoscimento via tRNA21 a.a. selenocisteina seril-tRNA + seleniofosfato Se-cisteinil tRNA
più numerosi in seguito a modificazione post-sinteticaesempi: 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 NUTRIZIONALEAMMINOACIDI ESSENZIALI : devono necessariamente essere introdotti preformati con la dieta
valinaleucinaisoleucina metioninafenilalaninatriptofanoistidina lisina treonina
AMMINOACIDI NON ESSENZIALIsemi-indispensabili risparmiano i precursori essenziali tirosina (sintetizzata da fenilalanina)cisteina (sintetizzata da metionina)
non essenzialiglicina, serina, prolina, glutammina, argininapossono 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 - STOMACOPEPSINOGENO — pH acido, pepsina PEPSINA + peptidi
proteine alimentari — pepsina grandi peptidi
INTESTINO (secreti dal pancreas esocrino)TRIPSINOGENO — enterochinasi TRIPSINA + esapeptidiCHIMOTRIPSINOGENO — tripsina CHIMOTRIPSINA +2 dipeptidiPROCARBOSSIPEPTIDASI — tripsina CARBOSSIPEPTIDASIPROELASTASI — 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. aromaticiCARBOSSIPEPTIDASI B - a.a basici
MUCOSA INTESTINALEAMINOPEPTIDASIDIPEPTIDASI
K+K+
SANGUE LUME
Cl– Cl–Cl– Cl–
HCO3–
CO2 + H2O
metabolismo
H+ H+
pompaH+/K+
ATPasi
membranaapicale
membrana baso-laterale
HCO3–
METABOLISMO DELLE PROTEINE
Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico
AmminoacidiN C
Proteine della dieta
Derivati non proteici
NH3
urea
intermedi del Ciclo di Krebs
glucosio, glicogeno
acidi grassi trigliceridi
CO2 + energia
digestione
proteine corporee
sin
tesi
deg
rad
azio
ne 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 positivoaccrescimento; masse muscolari; gestazione
b + c > a + d bilancio negativoinsufficiente 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 actinaper 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 PROTEICOServe 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% riutilizzati20-30% metabolizzati
Proteine dalla dieta 70-80 grammi/giornoProteine metabolizzate 250 grammi/giorno
% ricambio
muscolo 30-50%fegato 25%leucocitiemoglobina
diversa emivita
pochi minuti: proteine regolatorie300 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 minIle Gln ~ 30 min
oppure stabilizzanteMet. 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. idrofobiciAttività tipo tripsina - a.a. basiciAttività per a.a. acidi
Proteine regolatorie per il riconoscimento e selezione di protine ubiquitilinate
subunità7
7
7
7
Proteine degradate dalle subunità catalitiche
L’attività del proteasoma è sotto controllo ormonale
INSULINA inibisce il proteasoma
GLUCOCORTICOIDI attivano il proteasomaazione coordinata per la mobilizzazione di amminoacidi muscolari e per la gluconeogenesi epatica
ORMONI TIROIDEI attivano il proteasoma
CITOCHINE attivano il proteasomasepsi, 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 OSSIDATIVAglutammato deidrogenasi
NAD+
glutammato -chetoglutarato
-amminoacidi O II C – O–
I
H – C – NH3+
I R
TRANSAMINAZIONEtransaminasi
piridossalfosfato
-chetoacidi
O II C – O–
IH – C = O I R
glutammato+ +
-chetoglutarato
AMMINOTRANSFERASI (prendono il nome dall’a.a. che cede il gruppo -NH2 all’-chetoglutarato)
1. Alanina amminotransferasi2. Aspartato amminotransferasi
Denominate anche •TRANSAMINASI
1. Glutammato piruvato transaminasi2. Glutammato ossalacetato transaminasi
ENZIMI A PIRIDOSSALFOSFATO
MECCANISMO PING-PONG
E–C=O + H–C–NH2 E-NH2 + C=OI I
I I
IH COO– COO–
R1 R1
E–NH2 + C=O E–C=O + H–C–NH2 II
I I
IHCOO– 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 istaminatriptofano 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 amminoacidibasi 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 OII II
I O–
2HN– C~O–P–O–
TRASPORTO DELL’ NH3 in forma non tossica
acidosi alcalosi
azotoammidico
azotoamminico
+ NH4+
glutammina
sintasi
glutamminasiH2O
COO–
IC=O
I
I
I
CH2
CH2
C=OO–
H –C–NH3+
COO–
I
I
I
I
CH2
CH2
C=O
O–
COO–
I
I
I
I
CH2
CH2
C=ONH2
RENE
CERVELLO
NH4+
+ NH4+
ATP ADP + Pi
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
IPERAMMONIEMIAdanno da alterazione del ciclo di Krebs e deplezione di ATP
Ciclo di Cori
Ciclo glucosio-alanina
sangue fegatomuscolo
glucosio
alaninaurea
piruvato
alanina
piruvato
NH4+
glicolisi
transaminazioneproteine muscolari
deaminazione
gluconeogenesiglucosio
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~Pi
3. ARGININOSUCCINATO SINTETASI
4. ARGININOSUCCINASI
1.CARBAMILFOSFATO SINTETASI
O OII II
I O–
NH4+ + HCO3
– + 2 ATP 2HN– C~O–P–O– + 2 ADP + Pi
ornitina + carbamilfosfato citrullina +Pi
MITOCONDRIO
2. ORNITINA TRANSCARBAMILASI
ciclo di Krebsurea + 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) glutamminaglutammato 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
fumaratomalato
-chetoglutatotriptofanoleucina
glicina, alanina, serina,
cisteina,triptofano
arginina, glutammina, istidina, prolina
valina metioninatreonina
glutammato
leucina lisina
fenilalaninatirosina
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