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