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Franca Esposito » 17.Escrezione dell'azoto e ciclo dell'urea. Molecole derivanti da aminoacidi


Tappa di comando ciclo dell’urea

L’ NH4+ prodotto mediante il processo di transdeaminazione entra nel ciclo dell’urea sotto forma di carbamil fosfato.

Lezione della Prof. Franca Esposito


Il ciclo dell’urea

Immagine autoprodotta.

Immagine autoprodotta.


Energetica del ciclo dell’Urea

Il ciclo dell’urea è molto dispendioso dal punto di vista energetico (ciclo di lusso).

Per produrre 1 molecola di UREA sono necessarie infatti 3 molecole di ATP e si idrolizzano 4 legami ad alto livello energetico.


Cicli collegati al ciclo dell’urea

Collegamento del ciclo dell’Urea (I) con altri cicli: Ciclo di Krebs (II) e reazioni di transaminazione (III).

Collegamento del ciclo dell'Urea (I) con altri cicli: Ciclo di Krebs (II) e reazioni di transaminazione (III).


Biciclo di KREBS e SHUNT Asp/Asa

L’interconnessione tra ciclo dell’urea e quello di Krebs è stata denominata biciclo di Krebs.

Le reazioni che collegano i 2 cicli sono note come SHUNT (deviazione) dell’aspartato-argininsuccinato.

Queste 2 vie collegano il destino dei gruppi -NH2 con quello degli scheletri carboniosi degli aminoacidi.

Alcuni enzimi del ciclo citrico (es. fumarasi e malato deidrogenasi) hanno isoenzimi citosolici e mitocondriali.

Il Fumarato citosolico è convertito in malato citosolico e trasportato nel mitocondrio dalla navetta malato-aspartato.

Deficit di enzimi coinvolti nel ciclo dell’Urea

Sono note alterazioni genetiche (alcune delle quali LETALI) a carico di vari enzimi coinvolti nel ciclo dell’Urea .

Sono note alterazioni genetiche (alcune delle quali LETALI) a carico di vari enzimi coinvolti nel ciclo dell'Urea .


Deficit di enzimi coinvolti nel ciclo dell’Urea (segue)


Deficit di enzimi coinvolti nel ciclo dell’Urea (segue)

In tutte queste malattie il sintomo principale è l’intossicazione da ammoniaca (+ grave se il blocco è a carico della reazione 1 e 2).

Infatti, la sintesi della citrullina rappresenta già una fissazione del NH3 (legame N-C)

Altri sintomi sono vomito, rifiuto cibi ricchi in proteine, ritardo mentale.

Terapia: pasti poveri in proteine, piccoli e ripetuti nella giornata per limitare l’aumento repentino di NH3 nel sangue.

Aminoacidi essenziali e non

Non essenziali
Amminoacidi che vengono prodotti dall’organismo.

Essenziali

L’organismo è incapace di produrli e quindi devono essere assunti con la dieta.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Destino scheletro carbonioso aminoacidi

Gli aminoacidi sono raggruppati in funzione del loro principale prodotto finale di degradazione.

Alcuni aminoacidi sono degradati ad acetilCoA o acetoacetilCoA (Chetogenici).

Altri a glucosio o suoi derivati (Glucogenici).

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Catabolismo degli aminoacidi

Nel catabolismo degli aminoacidi ci sono cofattori enzimatici importanti.

Trasportano tutti unità monocarboniose, ma con differente stato di ossidazione del carbonio.

  • Biotina: trasporta CO2 (max ossidazione)
  • Tetraidrofolato: trasporta unità monocarboniose (stati di ossidazione intermedi)
  • S-Adenosilmetionina: trasporta CH3 (min ossidazione)

Cenni sulla biosintesi degli aminoacidi

L’ammoniaca viene incorporata nelle biomolecole attraverso il glutammato e la glutammina.

Tali aminoacidi svolgono funzioni sia nel catabolismo che nelle biosintesi ed infatti Glu e Gln sono presenti in concentrazioni di molto superiore agli altri aa.

Gruppo amminico del glutammato (Reaz. transaminazione)
Gruppo ammidico della glutammina

Biosintesi Glutammina

  1. Glu + ATP —> γ-glutamilfosfato + ADP
  2. γ-glutamilfosfato + NH4+ —> Gln + Pi + H+

Somma: Glu + NH4+ + ATP —> Gln + ADP + Pi + H+

Enzima: Glutammina sinteasi

Glutammina sintetasi

La glutammina sintetasi e’ il principale sito di regolazione del metabolismo dell’azoto.

Ruolo chiave nel metabolismo aa:

  1. rimozione ammoniaca libera tossica per i tessuti
  2. conversione in gln e trasporto nel sangue

Glutammina sintetasi: enzima molto complesso.

E. coli 12 subunità identiche, PM 50.000:

  • è regolato mediante meccanismi allosterici e modificazioni covalenti
  • alanina, glicina e 6 prodotti finali del metabolismo della gln sono i principali modulatori allosterici
  • ciascun inibitore provoca un’inibizione parziale
  • la somma di tutti è più che additiva
  • il blocco totale si ottiene solo da tutti gli 8 inibitori

Regolazione allosterica della Glutammina sintetasi

L’enzima va incontro ad una regolazione cumulativa operata dai 6 prodotti finali del metabolismo della glutammina.

Feed back cumulativo/ Concertato

Alanina e Glicina indicatori dello stato generale del metabolismo aa.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Visione generale della regolazione della Gln sintetasi

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Regolazione della Glutammina sintetasi: modificazioni covalenti

Adenilazione Tyr 367 rende l’enzima + sensibile all’inibizione allosterica.

Maggiore il N° delle subunità adenilate e minore attività catalitica.

Adenililtransferasi regolata dai livelli di Gln, ATP+Pi ed α-chetoglutarato.

PII è la proteina regolatrice dell’adenililtransferasi ed è a sua volta regolata da Uridilazione.


Regolazione attività Glutammina sintetasi

Il complesso Adenililtransferasi / PII uridilata —> deadenilazione

PII deuridilata—> adenilazione

Uridilazione/Deuridilazione —-> uridiltransferasi

α-chetoglutarato ed ATP legati a PII stimolano uridilazione

Gln e Pi la inibiscono

PII uridilata ed altri fattori trascrizionali —> attivazione gene Gln sintetasi

PII deuridilata —> inibizione

Tale regolazione consente di regolare finemente i livelli dell’ enzima in base ai livelli di Gln

Quando in circolo c’è poca Gln —> attivazione Gln sintetasi e viceversa

Cenni di biosintesi degli aa

Tutti gli aa derivano da intermedi della glicolisi, ciclo di Krebs, via Pentoso fosfato.

L’ azoto entra come Glu o Gln.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.

Tratto da DL. Nelson & MM. Cox “I principi di biochimica di Lehninger” Ed. Zanichelli.


Biosintesi Protoporfirina

La glicina è il precursore delle porfirine (importanza nucleo porfirinico nelle emoproteine) L’atomo di ferro viene poi incorporato mediante l’enzima transchetolasi.

Sono noti alcuni deficit genetici nella sintesi delle porfirine denominati porfirie.

La porfirina è degradata a Fe3+ libero e bilirubina (tocco di colore alla biochimica Umana!)

Monitoraggio reazione

  • Lividura: nero/violaceo–> Emoglobina (lisi eritrociti)
  • Verde—>biliverdina
  • Giallo—> Bilirubina

Catabolismo Bilirubina

La bilirubina (insolubile in soluzioni acquose) è trasportata al fegato dall’albumina, poi secreta nell’intestino con composti derivati solubili (bile) dove è convertita in urobilinogeno.

nel rene—->urobilina—urina gialla
stercobilina—> feci marroni

In anomalie di funzionamento epatico, la bilirubina si accumula e ne deriva l’ittero.

Tale manifestazione può essere presente in neonati prematuri dove si procede alla fototerapia per trasformare la bilirubina in prodotti
solubili e quindi eliminabili.

Molecole derivate da aminoacidi

La glicina e l’arginina sono i precursori della creatina, che ad opera dell’enzima creatina chinasi viene trasformata in fosfocreatina, un importante”tampone” di energia nel muscolo scheletrico.

In tale reazione la S-adenosilmetionina è il precursore di gruppi CH3.

Molecole derivate da aminoacidi (segue)

Glutammato, cisteina e glicina sono i precursori del glutatione , un tripeptide “scavenger“(spazzino) delle specie.

Reattive dell’ossigeno (ROS) che si accumulano in seguito a stress ossidativo.

Il glutatione è una delle molecole antiossidanti + efficienti.

Il Glutatione esiste prevalentemente in forma ridotta (GSH).
Quando le condizioni redox della cellula sono ossidate anche il glutatione si ossida e diventa un dimero (GSSG) per la formazione di un ponte disolfuro (S-S) tra 2 molecole di GSH.

Molecole derivate da aminoacidi (segue)

Il piridossalfosfato (PLP) partecipa come coenzima nella decarbossilazione ossidativa   per la sintesi di amine biogene.

Il piridossalfosfato (PLP) partecipa come coenzima nella decarbossilazione ossidativa per la sintesi di amine biogene.


Molecole derivate da aminoacidi (segue)

La tirosina produce una famiglia di catecolammine che include la dopammina, la noradrenalina e l’ adrenalina.

Il PLP è il coenzima della aminoacido aromatico decarbossilasi.

Il glutammato è il precursore del γ-aminobutirrato (GABA), un neurotrasmettitore con proprietà inibitorie.

E’ utilizzato anche in terapia come Antiepilettico ed Antiipertensivo.

Il PLP è in questa reazione coenzima della glutammato decarbossilasi.

Molecole derivate da aminoacidi (segue)

L’istidina è il precursore dell’istamina, un vasodilatatore spesso utilizzato come farmaco nelle risposte allergiche e per stimolare
la secrezione gastrica.

Il PLP è il coenzima della istidina decarbossilasi.

La cimetidina, un antagonista del recettore dell’istamina.

È utilizzato come farmaco nella prevenzione delle ulcere gastriche ipersecretive.


Molecole derivate da aminoacidi (segue)

Il triptofano è precursore della serotonina, un altro neurotrasmettitore.

La sintesi prevede prima una reazione di idrossilazione del triptofano ad idrossitriptofano e successivamente.

il PLP è il coenzima della aminoacido aromatico decarbossilasi.

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