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1

Digestione proteine della dieta

Ormoni polipeptidici prodotti da cellule endocrine dellapparato gastrointestinale: gastrina, secretina, colecistochinina (CCK)

La secrezione regolata da: nutrienti, fattori propri del lumen (pH, [ Ca++], ecc.), ormoni e neurotrasmettitori

ORMONI GASTROENTERICICoinvolti nella digestione delle proteine

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2

ORMONI GASTROENTERICI

Controllano importanti funzioni degli organi addettiallassorbimento e alla digestione dei nutrienti:

Secrezione di acqua, enzimi, elettroliti ed ormoni

Motilit delle pareti

Afflusso di sangue

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)

2. Secretina

Ormone formato da 27 residui aminoacidici

Prodotto dalla mucosa dellintestino tenue

Stimola la secrezione di HCO3- da parte del pancreas

al fine di neutralizzare lacidit

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3

ORMONI GASTROENTERICI

3. Colecistochinina (CCK) Ormone formato da 33 residui aminoacidici

Prodotto dal tratto iniziale dellintestino tenue

Stimola lo svuotamento della colecisti, la secrezione di enzimi pancreatici e di HCO3

-

La secrezione di colecistochinina stimolata da monogliceridi, acidi grassi e alcuni aminoacidi

DIGESTIONE DELLE PROTEINE

A causa delle dimensioni elevate,non vengono assorbite come tali: eccessivamente grandi per passare attraverso le membrane

Enzimi digestivi Rompono i legami peptidici

Secreti come pre-enzimi inattivi Prevengono lauto-digestione

H3N+ C

HC

R

O

NH

CH

C

O

RNH

CH

C

R

O

O

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4

Classi di enzimi coinvolti nella digestione delle proteine

Endopeptidasi: enzimi proteolitici appartenenti alla classe delle idrolasi che catalizzano lidrolisi dei legami peptidici interni alla catena delle proteine o dei peptidi- pepsina

- tripsina

- chimotripsina

- elastasi

Esopeptidasi: enzimi proteolitici appartenenti alla classe delle idrolasi che catalizzano lidrolisi dei legami peptidici in corrispondenza delle estremit delle catene proteiche- carbossipeptidasi

- amminopeptidasi

- dipeptidasi

Enzimi digestivi secreti come zimogeni inattivi

attivati tramite proteolisi

DIGESTIONE PROTEINE - STOMACO

PEPSINOGENO pH acido, pepsina PEPSINA + peptidiproteine 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

AMINOPEPTIDASIDIPEPTIDASI

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5

digestione enzimatica

delle proteine a livello

gastro-intestinale

Digestione gastrica delle proteine

Cellule parietali secernono HCl (stimolata da gastrina)

Stomaco: pH 1.6 - 3.2

Vengono denaturatele strutture 40, 30, e 20

le cellule adelomorfe (o zimogeniche) dello stomaco secernono pepsinogeno. Una volta attivato dall'acidit agisce come proteasi,

Taglia le proteine in corrispondenza di : fenilalanina, tirosina, triptofano

Le proteine lasciano lo stomaco come una miscela di proteineinsolubili, proteine solubili,l peptidi ed aminoacidi.

aminoacidi aromatici

PepsinogenoHCl

Pepsina

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6

K+K+

SANGUELUME

Cl Cl

Cl Cl

HCO3

CO2 + H2O

metabolismo

H+ H+

pompaH+/K+

ATPasi

membrana

apicale

membrana

baso-laterale

HCO3

La pepsina in grado di digerire il collagene,costituente principale del tessuto connettivointercellulare della carne. Quando il collagene digerito, gli enzimi proteolitici possonoattaccare pi agevolmente le proteinecellulari.

La pepsina garantisce solo il 10-20% delladigestione proteica

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7

Il rilascio di colecistochinina dalle cellule enteroendocrine stimolato da:

-aminoacidi ed acidi grassi

-CCK Releasing Peptide e Peptide monitor (rilasciati a seguito anche di input nervosi)

Attivazione per taglio proteolitico

il pH acido del succo gastrico induce la secrezione nel sangue da parte dellepitelio duodenale di secretina. Questa stimola il rilascio di bicarbonato per neutralizzare il pH. Lingresso di AA nel duodeno induce la secrezione di colecistochinina che stimola la secrezione di enzimi pancreatici , il rilascio di bile e diminuisce la motilit gastrica

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Digestione delle proteine nel piccolo intestino (1)

Tripsinogeno Tripsina Endopeptidasi

Taglia il legame peptidico in corrispondenza del carbonile di Lys & Arg

Enteropeptidasi/Tripsina

Conversione degli zimogeni nella loro forma attiva

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9

Digestione delle proteine piccolo intestino (2)Conversione degli zimogeni nella loro forma attiva

Chimotripsinogeno Chimotripsina

Endopeptidasi

Taglia il legame peptidico in corrispondenza di Phe, Tyr and Trp

Procarbossipeptidasi Carbossipeptidasi Esopeptidasi

Rimuove I residui carbossi-terminali

Carbossipeptidasi A: NON agisce in corrispondenza di Arg Lys

Carbossipeptidasi B: Arg-Lys

Enteropeptidasi/Tripsina

Tripsina

pH 7,5 8,5

pH succo intestinale

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Digestione delle proteine piccolo

intestino (3) (orlo a spazzola)

Lassorbimento intestinale avviene attraverso un trasporto attivo

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Assorbimento amminoacidi liberi

AA liberi

Sistemi di trasporto AA neutri

AA basici

AA acidi

Iminoacidi (prolina e idrossiprolina)

Lingresso di alcuni AA richiede trasporto attivo

Consumo di energia

Na+ Na+

Il trasporto a livello dellenterocita avviene in maniera analoga al trasporto del glucosio, si ha un simporto con Na+

Trasportatori di amminoacidi(orlo a spazzola membrana)

Sistema ditrasporto

Richiestaenergetica

Substrato trasportato

L

B

IMINO

y+

Bo,+

bo,+

No

Si

Si

No

Si

No

Leu, altri neutri

Phe, Tyr, Trp, Ile, Leu, Val

Pro, Gly

AA basici

AA neutri e basici

AA neutri e basici

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Assorbimento di peptidi Pi rapido

dellassorbimento diAA liberi

Trasporto attivo

Metabolizzati ad aminoacidi liberinellenterocita

Solo gli aminoacidiliberi vengonotrasportati a livelloematico

Famaci peptidomimeticiAntibiotici beta-lattamiciAngiotensin Converting Enzyme-inibitori

Negli enterociti

Rappresentano le primecellule che utilizzano gliamminoacidi assunti conla dieta

Trasferimento ematico a livello portale

Sintesi proteica

Fonte energetica

Stoll et al. (1998)

%

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Membrana Basolaterae

Trasporto solo di AA liberi I peptidi sono digeriti nellenterocita

trasporto principalmente per diffusione e attraverso trasportatori Na-indipendenti

Trasporto degli aminoacidi nel sangue

Gli AA diffondono attraverso la membrana basolaterale Enterociti vena portafegato tessuti

Trasportati principalmente come AA liberi

Fegato Gli aa vengono metabolizzati

Sintesi di AA non essenziali

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SERINA PROTEASI

Spesso attivano zimogeni e quindi partecipano a processi fisologici altemente controllati quali:

Coagulazione del sangueFibrinolisiAttivazione del complementoFecondazione Produzione di ormoniDigestione

NN

H

O HH

OH

H2O

Idrolizzato in condizioni non fisiologiche:

ambiente acido (HCl 6 M, 110C, 24-72 h) ambiente basico (KOH 1 M 100C 24 h)

Il legame peptidico particolarmente stabile in condizioni fisiologiche. Anche se termodinamicamente instabile, il t1/2 di circa 10

2 anni

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Sito catalitico:

Triade catalitica delle serina proteasi

chimotripsina

Il diisopropilfosfofluoruro (DIPF) tra le possibili 28 serine disponibili reagisce esclusivamente con la serina 195.Non reagisce con lenzima che ha perso il folding o con la serina libera.

Il DIPF tossico: inibisce lacetilcolinesterasi.

Identificazione dei residui aminoacidici

coinvolti nella catalisi: Ser195

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Identificazione dei residui aminoacidici

coinvolti nella catalisi: His57

Substrato normale della chimotripsina

Tosil-fenilalanina-clorometil chetone

evoluzione convergente

RELAZIONI EVOLUTIVE TRA SERINA PROTEASI

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Diversa struttura terziaria ma identico sito attivo

TripsinaSubtilisina

Sito di legame

per il substrato

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veloce

P-nitrofenolo

lento

Cinetica dello stato prestazionario

Formazione di un intermedio covalente acil-enzima

P-nitrofenil-acetato

Kcat/Km

Kcat

1/Km

Stato di ionizzazione dellHis57: protonata a pH bassi non pu accettare il protone dalla Ser195

Stato di ionizzazione del gruppo amminico dellIle16 (estremit N ter). Nellenzima attivo forma un ponte salino con lAsp194

A pH elevati perde il protone e rompe il ponte salino. Una modificazione conformazionale chiude la tasca idrofobica del sito attivo

CHIMOTRIPSINA:

DIPENDENZA DELLA REAZIONE DAL PH

kcatkM

=v0 [E]T[S] [S]

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Formazione di Legami idrogeno a bassa barriera

pKa troppo elevato per cedere il protone

Compressione del legame idrogeno

Formazione del legame idrogeno abassa barriera: il pKa dellistidinaaumenta da 7 a 12 e pu quindicomportarsi da base generale

chimotripsina

Sito riconoscimento Substrato

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20

Catalisi covalente

1 legame idrogeno

2 legami idrogeno

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21

TASCA OSSIANIONE

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Catalisi acido-base

Distacco 1P

Ingresso 2S

E modificato

Distacco 2 P

E torna libero

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Metabolismo degli amminoacidi

Metabolismo del gruppo amminico

Metabolismo dello scheletro carbonioso degli amminoacidi

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DESTINO METABOLICO DEI GRUPPI AMMINICI

Catabolismo degli aminoacidi

ureaurea

NHNH33

aminoacidoaminoacido

ScheletroScheletrocarboniosocarbonioso

COCO22 glucosioglucosioacetilCoAacetilCoA

CorpiCorpichetonicichetonici

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ESCREZIONE DELLAZOTO

Animali uricotelici

(rettili, uccelli)

Animali ammoniotelici

(pesci ossei), larve di anfibio

Animali ureotelici

vertebrati terrestri e squali

DEAMMINAZIONE DEGLI AMMINOACIDI

La maggior parte degli amminoacidi vengonodeamminati mediante transaminazione: trasferimento digruppi amminici ad un -chetoacido con formazionedell -chetoacido dellamminoacido di partenza e di unnuovo amminoacido.

Esistono transaminasi per quasi tutti gli aminoacidi.

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I principali accettori del gruppo amminico sono l-chetoglutarato e lossalacetato.

le transaminasi o aminotransferasi richiedono come cofattore piridossal-5-fosfato (vitamina B6 ).

piridossina (B6)

piridossal-5- fosfato

piridossina e piridossal fosfato

la forma biologicamente attiva della vitamina B6(piridossina) il piridossal fosfato (PLP)

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il piridossal fosfato esiste in due forme tautomeriche:

il PLP prende parte alla catalisi di unampia

variet di reazioni che coinvolgono aminoacidi:

transaminazioni- e -decarbossilazioni- e -eliminazioniracemizzazionireazioni aldoliche

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enzima

enzima

il PLP lega lenzima con formazione di una base di schiff

1

2

il PLP lega lAA con formazione di una base di schiff

aminoacido

Meccanismo di reazione delle transaminasi

N CH3

H

P

CH N

H

O

(CH2)4

EnzymeB:

R C

H

NH2

COO +

N CH3

H

P

CH N

H

O

R C

H

COO

EnzymeB:

-Amino Acid

Enzyme-PLP Schiff Base

Amino Acid-PLP Schiff Base (aldimine)

Lys

Il gruppo amminico nucleofilico dellamminoacidoattacca latomo di carbonio del legame enzima-PLPcon formazione di unaldimmina esterna

-amminoacido

enzima-PLP

base di Schiffenzima-PLP

base di Schiff

amminoacido-PLP

base di Schiff

(aldimmina esterna)

1) transimminazione

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2)Tautomerizzazione

N CH3

H

P

C

H N

H

O

R C

H

COO

EnzymeB:Lys

N CH3

H

P

C

H N

H

O

R C COO

EnzymeBH+Lys

la lisina agisce come un catalizzatore acido-base generale

Intermedio di reazione stabilizzato per risonanza

N CH3

H

P

C

H N

H

O

R C COO

EnzymeBH+Lys

N CH3

H

P

C

H N

H

O

R C COO

EnzymeBH+Lys

Intermedio chinonoide

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30

N CH3

H

P

C

H N

H

O

R C COO

EnzymeBH+Lys

N CH3

H

P

C

H N

H

O

R C COO

EnzymeB:Lys

H

Ketiminechetimmina

lamminoacido-PLP base di Schiff tautomerizza a un -chetoacido-PMP base di Schiff (chetimmina)

3) idrolisi

N CH3

H

P

C

H N

H

O

R C COO

EnzymeB:Lys

H

N CH3

H

P

C

O

H H

NH

CR COO

O

H

EnzymeB:Lys

OH

N CH3

H

P

C

O

H H

NH2

R C

O

COO

EnzymeB:Lys

Pyridoxamine Phosphate (PMP) Enzyme

-Keto Acid

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63

Reazione dell Aspartato Transaminasi

L-Asp OAA -KG L-Glu

meccanismo a ping-pong: reazione a 2 substrati a spiazzamento doppio

E-PLP PLP-Asp PLP-OAA PLP-a-KG PLP-GluE-PMP E-PLP

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tossicit dellammoniaca

NH3 + H2O NH4+ + OH-

- TRASPORTO EMATICO : GLUTAMMINA, ALANINA- ELIMINAZIONE: UREA

Incorporazione dellNH4+

-chetoglutarato + NH4+ glutammato

glutammato + NH4+ + ATP glutammina + ADP + Pi

NH4+ + HCO3

+ 2 ATP carbamilfosfato + 2ADP + Pi

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GLUTAMMATO DEIDROGENASI

(deamminazione ossidativa/

amminazione riduttiva)

importante nel metabolismo intracellulare dei gruppi amminici

GLUTAMMATO DEIDROGENASI

(Mitocondrio)

-chetoglutaratoglutammato

Glutamatodeidrogenasi

I gruppi amminici di molti -amminoacidi vengono raccolti nel fegato sotto forma del gruppo amminico del glutammato

-imminoglutarato

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Transaminazione vs deaminazione

Trasferimento di NH2 da un aminoacido a un chetoacido

Glutammato transaminasi (GOT):

Aminoacido + -ketoglutarato-chetoacido + glutammato

Alanina transaminasi (ALT):

Aminoacido + piruvato

-chetoacido + alanina

Coenzima: piridossal fosfato (vitamina B)

Rimozione di NH2 da Glu:

glutammato + NAD(P)+

-chetoglutarato + NAD(P)H + NH3

glutammina sintetasi (nei tessuti extraepatici)

glutammato glutammina

glutammina: importante nel trasporto dei gruppi

amminici dai tessuti extraepatici al fegato e come

donatrice di azoto per le biosintesi

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Trasporto ematico

dellammoniaca: la glutammina

La glutammina la forma di trasporto

delleccesso di ammoniaca tissutale al

fegato.

Lammoniaca che deriva dal metabolismo

degradativo, viene legata covalentemente

al glutamato, grazie allenzima glutamina

sintetasi, originando glutamina.

La reazione richiede ATP ed avviene in

due tappe:

nella prima abbiamo la formazione del -glutamil fosfato (il P quello terminale

dellATP)

nella seconda il glutamil fosfatoreagisce con lammoniaca, originando

glutammina e Pi.

Glutammina sintetasi di E.Coli

-Regolata allostericamente mediante inibizione cumulativa a feedback da 9 inibitori specifici: prodotti finali metabolismo glutammina, e da molecole che indicano lo stato generale metabolismo aminoacidico.

-inibita mediante modificazione covalente: adenilazione di un residuo Tyr

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Regolazione allosterica della GS

O

O

NH3+

O

O

2HN

O

NH3+

O

O

NH2

O

N

N

O

H

NH2

O

O

HH

NH2

O

CH3

O

Nh2

O

N

O

H

NH3+

PO

O

O

O

P

O

OO

O

NO

N

N

OHOH

N

NH2

P

OO

O

O

OH

NH2

OH

OH

O

P

O

OO

P

O

OO

P

O

OO O

NO

OH

N

OOH

NH2

NH2

OH

O

O

ATP + NH4+

ADP + Pi

Glutamato

GlutaminaGlucosamina-6-fosfato

CTP

AMP

Carbamilfosfato

Triptofano

Istidina

Serina

Alanina

Glicina

Indicatori metabolismo generale aa

Regolazione covalente della GS

Ognuna delle dodici subunit della glutamina sintasi pu essere adenilata in Tyr397

La GS adenilata pi sensibile allinibizione cumulativa e al feeback.

un meccanismo finemente regolato, non on-off.

*

OH

12

NO

N

N

OHOH

N

NH2

O

*

OP

O

O

12

12 ATP 12 PPi

Tyr397

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glutammato glutammato

ATP

NH4+

H2O, ADP, Pi

glutammina glutammina

glutammina sintetasi

H2O

NH4+

glutamminasi

urea

LA MAGGIOR PARTE DEI TESSUTI FEGATO

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CICLO GLUCOSIO-ALANINA

Ciclo di Cori

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NEL CERVELLO

Alti livelli di glutammato e glutammina per detossificazione da NH3

la produzione di glutammato pu abbassare il livello di -chetoglutarato e quindi: ciclo di Krebs produzione di energia

glutammato e -amminobutirrato (GABA) sono neurotrasmettitori. La sintesi di glutammina a partire da glutammano causa una diminuzione di questi neurotrasmettitori.

La glutammina osmoticamente attiva e richiama acqua negli astrociticausando edema cerbrale.

Ingresso dellazoto nei mitocondri

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40

Sintesi del carbamil fosfato

carbamil fosfato sintetasi I

enzima mitocondriale attivato alloststericamente da N-acetilglutammato.

La reazione avviene in 3 tappe:

1. Attivazione del HCO3- da parte dellATP con

formazione di carbonil fosfato e ADP

2. Attacco dellNH4+ e produzione di

carbammato e Pi

3. Fosforilazione del carbammato ad opera dellATP con formazione del carbamilfosfato e di ADP

Sintesi di

N-acetilglutammato

Aumento del ritmo di demolizione degli AA

Sovrabbondanza di N

Aumento della concentrazione di glutammato

attivato da arginina

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CPS I (Mitocondriale) Usa NH3 Ciclo dellurea

CPS II (Citosolica) Usa Glutammina Biosintesi delle pirimidine

ornitina

citrullina

Il carbammil fosfato entra nel ciclo dellureacondensando con lornitina a formarecitrullina con rilascio di Pi

ornitina transcarbamilasi

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argininosuccinato sintetasi

Catalizza la reazione di condensazione tra il gruppoamminico dellaspartato e il gruppo ureidico dellacitrullina a formare argininosuccinato.

La reazione richiede ATP e passa per la formazione diun intermedio adenilato: citrullil-AMP

Citrullil-AMP

citrullina

Citrullil-AMP

arginina

argininosuccinato liasi

Argininosuccinato

urea

arginasi

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Interconnessioni tra il ciclo

dellurea e il ciclo di Krebsqueste trasformazioni sono catalizzate da isoenzimi citosolici di analoghi enzimi del ciclo di Krebs (mitocondriali).

Il bilancio complessivo per la sintesi di una molecola di urea il

seguente:

2NH3 + CO2 + 3ATP + H2O UREA + 2ADP+ 4Pi +AMP

vengono inoltre prodotti collateralmente 2 NADH:

-Dalla glutammato deidrogenasi che libera il gruppo amminico iniziale dal glutammato per la sintesi di carbamil fosfato

-Dalla malato deidrogenasi citosolica.

FUMARATO MALATO OSSALACETATO

Le due molecole di NADH prodotte portano alla formazione di 4 ATP(il NADH citosolico, per mezzo dello shuttle glicerolo-3-P, trasferisce elettroni al FADH2 nel mitocondrio).

fumarasi Malato deidrogenasi

NADH + H+NAD+

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Difetti genetici del ciclo dellurea

NAGS Deficit di N-acetilglutammato sintetasi CPS1 Deficit di Carbamilfosfato sintetasi OTC Deficit di Ornitina transcarbamilasi ASS Deficit di Argininosuccinato sintetasi o Citrullinaemia ALL Deficit di Argininosuccinato liasi o Aciduria argininosuccinica Arginasi Deficit di Arginasi

iperammonemia

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Iperammonemiaterapia

Limitare lassunzione di proteine e laccumulo di ammoniaca

Rimuovere leccesso di ammoniaca

somministrazione di composti che legano covalentemente gli aminoacidi produzione di molecole azotate eliminate con le urine

Rimpiazzare i composti intermedi mancanti nel ciclo dellurea

Trapianto di fegato

Lattulosio (fruttosio-galattosio): metabolizzato dai batteri intestinali a prodotti acidi Ammoniaca escreta con le feci sotto forma di NH4

+

Trattamento delliperammonemia

Eliminati con le urine

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Destino dello scheletro carbonioso Scheletro carbonioso

I 20 aminoacidi standard vengono convertiti in uno dei seguenti setteintermbedi metabolici:

Piruvato-chetoglutaratoSuccinil-CoAFumaratoOssalacetato

Acetil-CoAacetoacetato

AMINOACIDI GLUCOGENICI

Gli scheletri carboniosi sono precursori del glucosio

AMINOACIDI CHETOGENICI

Gli scheletri carboniosi sono precursori di acidi grassi o corpi chetonici

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Gli scheletri cerboniosi degli AA glucogenici vengono convertiti in:

piruvato

Intermedi del ciclo di Krebs a 4-C o 5-C

Qiando i livelli di glucosio sono bassi, gli AA glucogenici sono la maggiore fonte di carbonio per la gluconeogenesi.

Possono anche essere catabolizzati per ricavare energia oppure possono essere convertiti in glicogeno o acidi grassi (riserve energetiche)

Gli scheletri cerboniosi degli AA chetogenici vengono convertiti in:

acetil-CoA

acetoacetato

Non portano a produzione netta di ossalacetato che un precursore della gluconeogenesi

Per ogni Ac-CoA (2-C)che entra nel ciclo di Krebs Cycle, 2 atomi C vengono eliminati sotto forma di CO2.

Gli aminoacidi chetogenici vengono quindi convertiti in acidi grassi o corpi chetonici ma non in glucosio

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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

Fenilalanina

tirosina

aspartato, asparagina

isoleucina

isoleucina

fenilalaninatirosina

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

Alcuni cofattori giocano un ruolo fondamentale nel catabolismo degli aminoacidi

Reazioni di trasferimento di unit monocarboniose

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49

Gli AA a 3 atomi di C vengono convertiti in piruvato

Serina deidratasi

Serina idrossimetil transferasi

Glicina sintasi

Serina deidratasi

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50

Il legame che deve essere rotto deve giacere nel piano perpendicolare a quello del sistema dellorbitale del PLP. Il taglio pu essere realizzato mediante rotazione del legame C-N

Lasparagina viene idrolizzata dallasparaginasi a NH4+ e

aspartato.

Laspartato pu anche essere convertito in fumarato nel ciclo dellurea

aspartato -chetoglu tarato ossalacetato glu tammato

Aminotransferasi

COO

CH2

CH2

C

COO

O

COO

CH2

HC

COO

NH3+

COO

CH2

CH2

HC

COO

NH3+

COO

CH2

C

COO

O + +

Gli AA a 4 atomi di C vengono convertiti in ossalacetato

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51

AA a 5 atomi di C: alcuni vengono

convertiti in -chetoglutarato attraverso il glutammato

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metionina degradata a Succinil-CoA (1)

S-adenosil-metionina uno degli agenti metilanti pi importanti

metionina degradata a Succinil-CoA (2)

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Aminoacidi Ramificati (1): isoleucina, leucina e valina

Sebbene il metabolismo della gran parte degli aminoacidi avvenga nel fegato, gli aminoacidi ramificati vengono ossidati prevalentemente nel muscolo, nelrene e nel cervello.

questi tessuti extraepatici contengono una transaminasi, assente nel fegato, che agisce su questi tre aminoacidi producendo i corrispettivi -cheto acidi.

Una deidrogenasi specifica per gli -cheto acidi ramificati catalizza la lorodecarbossilazione ossidativa rilasciando CO2 e producendo diversi acil-CoA

Aminoacidi Ramificati (1): isoleucina, leucina e valina

transaminazione

Decarbossilazione ossidativa

deidrogenazione

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Aminoacidi Ramificati (2)

isoleucina valina leucina

idratazione

ossidazione

tiolisi

Reaz. Standard nella formazione di corpi chetonici

Lisina

convertita ad

acetoacetato e

acetil-CoA

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Catabolismo di fenilalanina e tirosina

fenilpiruvato

fenillattato

Phe-idrossilasi= ossidasi a funzione mista poich utilizza un cofattore e lossigeno molecolare per compiere la reazione di idrossilazione.

Lossigeno necessario per la reazione di idrossilazione proviene dalla molecola biatomica dellO2.Laltro atomo di ossigeno si unisce ai due atomi di idrogeno portati dalla tetraidrobiopterina formando acqua.

Il ripristino della forma ridotta tetraidrobiopterina si ha con la reazione di riduzione catalizzata dalla diidrobiopterina reduttasi che usa NADH *

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Catabolismo della tirosina (a)

tirosina idrossilasitetraidrobiopterina

DOPA decarbossilasiPiridossalfosfato

(prodotto finale nellasubstantia nigra)

Nella porzione midollaredella ghiandola surrenale:

SAM

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Due vie di degradazione del triptofano:

1. formazione di acetoacetato

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2. Formazione di serotoninaimportante neurotrasmettitorenel cervello

Vie di degradazione del triptofano:

Morbo di Hartnup: alterato trasportotransmembrana del triptofano

melatonina: implicata nella regolazione dei ritmi circadiani. Inibisce la sintesi e la secrezione di altri neurotrasmettitori, quali DOPA e GABA

*

*

serotonina

melatonina

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Biosintesi delleme

85% cellule eritroidi emoglobinatrasporto dellossigeno (emoglobina e mioglobina)

15 % epatica cofattore di enzimi

trasporto di elettroni (citocromi)

ossidazioni a funzione mista (citocromo P450)

decomposizione del perossido didrogeno (perossidasi),

sintesi del GMP ciclico (guanilato ciclasi)

ossidazione del triptofano (triptofano pirrolasi), delle prostaglandine (prostaglandina endoperossido sintetasi) e dellindolammina (indolamina diossigenasi).

L'eme pu presentarsi sotto tre diverse forme: eme a, eme b ed eme c.

eme a: differisce dall' eme b in quanto ha un gruppo metile ossidato a un gruppo formile (CHO), e una delle catene viniliche rimpiazzata da una isoprenica. Tra gli enzimi contenenti questo tipo di eme vi la citocromo c ossidasi.

eme b: il pi comune dei tre, presente tra gli altri nell'emoglobina e nella mioglobina

eme c: simile all'eme b con la differenza che con le due catene viniliche covalentemente legata alla sua apoproteina. Tra le proteine che possiedono questa forma vi il citocromo c

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Uroporfirinogeno I Coproporfirinogeno I

Schema Schema generalegenerale delladella biosintesibiosintesi dellemedelleme

Succinil CoA + Glicina

Acido -aminolevulinico

Porfobilinogeno Uroporfirinogeno III Copropofirinogeno III

Coproporfirinogeno III

Protoporfirinogeno IX

Protoporfirina IX

eme

ALA sintasi

citoplasma

Matrice mitocondriale

Acido -aminolevulinico

Passaggio chiave della via biosintetica

Regolato a livello trascrizionale, lemivita dellenzima breve (t1/2 = 1 hr). Leme e lemina bloccano la trascrizione

Nelle cellule eritroidi, la sintesi delleme coordinata con quella delle catene globiniche ed entrambe sono stimolate da eritropoietina

Leme e lemina inibiscono allostericamente l ALA sintasi

Succinil CoA glicina-amminolevulinato

-amminolevulinato sintasi

1. Sintesi di -amminolevulinato (mitocondri)

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La reazione coinvolge nel sito attivo due residui di lisina ed un catione (Zn++).Il gruppi chetonici del -aminolevulinato (ALA) formano una base di Schiff con il gruppo amminico della lisina. Queste basi di Schiff promuovono le successive condensazioni C-C and C-N grazie allazione del catione che coordina I gruppi amminici delle molecole si ALA

-aminolevulinato porfobilinogeno

Porfobilinogeno sintasi

Inibita da piombo

2.Sintesi di profobilinogeno (citosol)

Porfbilinogeno Deaminasi (o uroporfirinogeno sintasi): gruppo prostetico dipirrometano legato ad un residuo di cisteina

Le unit di porfobilinogeno sono aggiunte fino a formare un esapirrolo lineare

3a. Sintesi di uroporfirinogeno III (citosol)

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3b. Sintesi di uroporfirinogeno III (citosol)

Uroporfirinogeno III

cosintasi

Uroporfirinogeno IIIUroporfirinogeno I

4 porfobilinogeno

idrossimetilbilano

4. lUroporfirinogeno Decarbossilasi rimodella le catene laterali di

acetato (Citosol)

Coproporfirinogeno III(fisiologicamente utile)

Coproporfirinogeno I(non utile)

Uroporfirinogeno I Uroporfirinogeno III

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5. Coproporfirinogeno III Ossidasi catalizza la decarbossilazione ossidativa di specifiche

catene laterali di propionato ( mitocondri)

Coproporfirinogeno III protoporfirinogeno IX

6. Formazione della protoporfirina IX (mitocondri)

Lenzima ossida i ponti metilenici che collegano gli anelli pirrolici in

modo da estendere la coniugazione allintero tetrapirrolo

proto

Protoporfirinogeno ossidasi

Protoporfirinogeno IX Protoporfirina IX

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7. Inserzione di Fe2+ (mitocondri)

La reazione richiede ac. Ascorbico e cisteina come agenti riducenti

(Pb2+ agisce come inibitore competitivo rispetto al Fe2 ma non viene comunque inserito nella protoporfirina IX

La mancanza di ferro porta allinserzione di Zn2+ (zinco- protoporfirina) (ZnPP), un importante indicatore clinico di deficit di ferro

Ferrochelatasi

Protoporfirina IX eme

Regolazione della sintesi delleme

Fegato

Gli enzimi contenenti eme sono soggetti ad un rapido turnover per consentire gli adattamenti metabolici (inibizione a feedback)

Precursori globuli rossi

Biosintesi mantenuta a livelli altiSensibile alla concentrazione di ferro

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Disordini della sintesi di eme

Acquisiti: avvelenamento da piombo

Congeniti: Porfirie

-amminolevulinato

porfobilinogeno

preuroporfirinogeno

uroporfirinogeno III

coproporfirinogeno

protoporfirinogeno

protoporfirina

eme

PORFIRIA DI DOSS

PORFIRIA INTERMITTENTE ACUTA

PORFIRIA ERITROPOIETICA CONGENITA(deficit di uroporfirinogeno III cosintasi accumulo di uroporfirinogeno I)

PORFIRIA CUTANEA TARDA

COPROPORFIRIA EREDITARIA

PORFIRIA VARIEGATA

PROTOPORFIRIA ERITROPOIETICA

PORFIRIE

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PORFIRIE

gruppo di malattie metaboliche rare, ereditarie causate dalla ridotta attivit di uno degli enzimi della via biosintetica dell'eme

determinano livelli eccessivi di varie sostanze dette porfirine o dei loro precursori nella via metabolica

che si accumulano in sedi diverse

vengono escreti nelle urine e nelle feci

determinano manifestazioni patologiche per i loro effetti su sistema nervoso e cute

CATABOLISMO DELLEME E FORMAZIONE DELLA

BILIRUBINA

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Destino dei globuli rossi

Circolano mediamente per 60-120 giorni

RBC senescenti vengono fagocitati e/o lisati

Normalmente la lisi avviene extravascolarmente nei macrofagi della milza, fegato e midollo osseo,quello della emoglobina libera prevalentemente negli epatociti

la lisi pu avvenire intravascolarmente

emoglobina

Globina

Amminoacidi

Pool amminoacidi

eme Bilirubina

Fe2+

escrezione

fagocitosi & Lisi

Riciclo

Il catabolismo della emoglobina derivata dagli eritrociti avviene nei macrofagi della milza, fegato e midollo osseo,quello della emoglobina libera prevalentemente negli epatociti

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Citotossicit delleme libero

Capacit pro-ossidante dovuta alla presenza di ferro e alla capacit di generare radicali liberiPerossiredossina-1

ferritina

bilirubina

Meccanismi di protezione nei confronti di eme libero

emoglobina

aptoglobina

eme

Macrofagi epatociti

emopessina

Macrofagi

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Eme libero: induce la sintesi di apo-emoproteine in cui deve essere incorporato. Leccesso viene degradato a livello cellulare.

Metabolismo della bilirubina

Il catabolismo dell'eme porta alla produzione dei pigmenti biliari; i suoi precursori sono l'Hb dei GR in disfacimento, i precursori dei GR nel midollo osseo, nonch le proteine contenenti questo gruppo prodotte nel fegato e in altri tessuti.

La bilirubina, un anione organico pigmentato un prodotto insolubile del catabolismo. Per essere escreta deve essere convertita in una formaidrosolubile; questa trasformazione rappresenta l'obiettivo finale del metabolismo della bilirubina, che si svolge attraverso 5 tappe fondamentali:

1. FORMAZIONE

2. TRASPORTO PLASMATICO

3. CAPTAZIONE EPATICA

4. CONIUGAZIONE

5. ESCREZIONE BILIARE

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1. Formazione: ogni giorno si formano circa 250-350 mg di bilirubina; il 70-80% deriva dalla distruzione dei GR invecchiati. Il restante 20-30% deriva dalle altre proteine contenenti l'eme, localizzate principalmente nel fegato e nel midollo osseo.

EME

biliverdina

Eme ossigenasi

Eme ossigenasi 2: espressa costitutivamente nella maggior parte delle cellule e catabolizza leme in condizioni omeostaticheEme ossigenasi 1: viene prodotta quando c eme in eccesso, quindi a seguito di stress metabolico

CO: modula lattivit delle emoproteine legando il ferro; impedisce lossidazione delle stesse proteinePreviene il rilascio delleme dallemoglobina

Ferro: pu catalizzare la formazione di ROS con meccanismo fenton;Viene legato dalla ferritina che possiede anche attivit ferrossidasica (Fe+2 Fe+3)

biliverdina

biliverdina

bilirubina

Biliverdina reduttasi

La biliverdina riduttasi, converte, poi, la biliverdina a bilirubina.

Questi passaggi avvengono principalmente nelle cellule del sistema reticoloendoteliale (fagociti mononucleati).

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2. Trasporto plasmatico: a causa dei legami idrogeno interni, la bilirubina non idrosolubile. La bilirubina non coniugata (a reazione indiretta) perci trasportata nel plasma legata all'albumina e non pu attraversare la membrana glomerulare e quindi non compare nelle urine. Il legame si indebolisce in alcune condizioni (p. es., l'acidosi), mentre alcune sostanze (p. es., certi antibiotici e i salicilati) competono con la bilirubina per i siti di legame dell'albumina.

3. Captazione epatica: sono ancora poco chiari i dettagli della captazione della bilirubina da parte del fegato e l'importanza delle proteine di legame (binding proteins) intracellulari (p. es., la ligandina o la proteina Y). La captazione della bilirubina avviene attraverso un trasporto attivo ed rapida.

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4. Coniugazione: la bilirubina libera concentrata nel fegato viene coniugata con l'acido glicuronico a formare la bilirubina diglicuronide o bilirubina coniugata (a reazione diretta). Questa reazione, catalizzata dall'enzima microsomiale glicuronil-transferasi, rende il pigmento idrosolubile.

5. Escrezione biliare:la bilirubina coniugata viene escreta nei canalicoli biliari insieme agli altri costituenti della bile. Nell'intestino, la flora batterica deconiuga e trasforma la bilirubina in urobilinogeno.

La maggior parte di questo viene convertito in stercobilina ed eliminato con le feci; una piccola quota viene riassorbita (circolazione enteroepatica), ed inviata al rene dove viene convertito in urobilina.

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rene-glucuronidasi battericheurobilina

Cir

cola

zio

ne

ente

roep

atic

a

Bilirubina totale: 0.1 1 mg/dl

Bilirubina indiretta o non coniugata: 0.1 1 mg/dl

Bilirubina diretta o coniugata: 0 0.20 mg/dl

Subittero:

bilirubinemia > 1,5 mg/dl

Ittero:

bilirubinemia > 2,5 mg/dl

GLI ITTERI

Ittero la colorazione giallastra della cute e delle mucose dovuta a concentrazioni di bilirubina superiori a 1,5-2 mg/dl. Classicamente si distingue tra ittero e subittero: questo termine indica la colorazione giallastra delle sclere e della mucosa sottolinguale che si ha quando la bilirubinemia compresa tra 1,5-2 mg/dl.

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Iperproduzione di Bilirubina

Emolisi

Eritropoiesi inefficace

Alterato Metabolismo

Epatico della Bilirubina

Difetto di Coniugazione:s.di Crigler-Najjar

Difetti di Captazione eConiugazione: s. di Gilbert

Difetto di Escrezione: s. diDubin-Johnson, s. di Rotor

Itteri Acquisiti

Difettosa captazione e trasporto(epatiti acute,croniche, da farmaci)

Difettosa coniugazine(latte materno, farmaci)

Itteri da Ostacolato Deflusso

Intraepatico colestasi gravidica IIItrimestre Cirrosi Biliare Primitiva Colangite sclerosante Extraepatico litiasi biliare tumori della v. biliare, tumori della testa del pancreas