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Metabolismo delle proteine

Lezione della Prof. Franca Esposito

Degradazione ossidativa

Degradazione ossidativa degli aminoacidi (aa):

durante il turnover proteine cellulari
in una dieta ricca in proteine: aa in surplus non si accumulano
nel diabete- digiuno: carboidrati non disponibili quindi aa diventano una fonte di energia
magrezze patologiche stati denutrizione

Catabolismo delle proteine

La degradazione delle proteine endogene avviene ad opera di sistemi specializzati.

1. Meccanismo lisosomiale

I lisosomi sono organelli gemmati dal complesso di Golgi e degradano le proteine in maniera non selettiva
Contengono circa 50 enzimi idrolitici, incluse proteasi specifiche: le catepsine
pH interno dei lisosomi è pari circa a 4-5 – Ciò è dovuto alla presenza di una pompa protonica

2. Meccanismo citoplasmatico ATP dipendente

Tale processo fu scoperto nei reticolociti
Inibito in condizioni anaerobiche
Riguarda proteine a rapido turnover, prodotte in quantità eccessive, anomale
Meccanismo citoplasmatico ATP dipendente richiede la presenza di una proteina chiamata ubiquitina
Le proteine ubiquitinate sono destinate alla degradazione proteasoma dipendente

3. Autofagia

Meccanismo mediante il quale le cellule possono riciclare il proprio contenuto e rimuovere selettivamente i propri organelli “danneggiati”.

Ubiquitina

2. Meccanismo citoplasmatico ATP dipendente

Ubiquitina

Proteina altamente conservata.

Nell’uomo codificata da 3 geni, nel lievito sono 7.

Presente in tutti gli organismi eucariotici.

Presenta 76 aa e PM= 8.5kD.

E’ stato identificato un legame isopeptidico tra la Gly C-term e l’ ε della Lys NH₂-term della proteina bersaglio.

Il legame dell’ubiquitina è un processo ATP dipendente.

Rappresentazione dell'UBIQUITINA. Immagine creata con PyMol.

Ciclo dell’ubiquitina

L’ubiquitina viene attivata, tramite ATP, con un legame tioestere ad alta energia tra il carbossile della Gly terminale dell’ubiquitina ed un residuo di Cys presente sull’enzima E1.

Viene poi trasferita su un’altra Cys presente nel sito attivo di un enzima E2 con una reazione di trans(tio)esterificazione.

L’ultimo passaggio richiede l’intervento di un enzima ubiquitina-proteina ligasi (o E3), in grado di interagire con E2 e, specificamente, con il substrato da degradare ed E2.

Esistono centinaia di enzimi E3: la loro variabilità garantisce estrema specificità di substrato all’intero processo, il ciclo si ripete molte volte.

Reazione progressiva: le varie molecole di ubiquitina si legano tra di loro mediante legami tra ε-NH₂ Lys48 e il COO- dell’altra.

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

Il Proteasoma

Le proteine ubiquitinate sono degradate da un macrocomplesso :

Proteasoma 26S

PM 2.5X 106, formato da:

Core Proteasi 20S
- unità base centrale formata a sua volta da 4 anelli, ciascuno costituito da 7 subunità proteiche (per un totale di 28 proteine), forma a “barile” dove sono degradate le proteine.
Due cappucci, Regulatory Particle 19S, ciascuno costituito da:
anello di subunità aventi attività ATPasica (Base), favoriscono il dispiegamento della catena proteica all’interno del proteasoma;
struttura più esterna formata anch’essa da molte subunità (Lid o Coperchio) con funzione di riconoscimento e distacco dell’albero poliubiquitinico in modo da riciclare le molecole di Ub.

Immagine autoprodotta.

Schema generale del metabolismo delle proteine

A differenza delle altre macromolecole, per le proteine attraverso 2 sequenze indipendenti ma interconnesse, si procede alla degradazione di:

Gruppo NH₂
Scheletro carbonioso

Immagine autoprodotta.

Destino metabolico dell’azoto

Negli epatociti i gruppi NH₂ di tutti gli aminoacidi sono trasferiti al glutammato mediante: reazioni di trasformazione.

Alanina trasporta i gruppi NH₂ dal muscolo al fegato.

Glutammina è un trasportatore di NH₂ da altri tessuti extraepatici.

Successivamente con reazioni di: deaminazione ossidativa si ha il distacco del gruppo amminico sotto forma di NH₄⁺.

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

Reazioni di transaminazione

Reazioni di transaminazione sono reazioni bimolecolari a PING PONG tra:

aa₁ e chetoacido₂ per generare chetoacido₁ (corrispondente all’aminoacido 1) e aa₂ (corrispondente al chetoacido 2)
Piridossalfosfato (PLP) è il coenzima di tali reazioni e deriva dalla Piridossina (Vitamina B₆)

Reazioni di transaminazione (segue)

Reazioni catalizzate da enzimi transaminasi

Reazioni di transaminazione (segue)

La Transaminazione non è una deaminazione.

Non vi è perdita netta di NH₂, poiché si ha una contemporanea amminazione dell’ α-chetoglutarato e deamminazione dell’ α-aminoacido.

L’effetto finale è quello di raccogliere tutti gli NH₂ sul Glutammato.

Il glutammato smisterà gli NH2 sia in senso biosintetico (nuovi aminoacidi) che degradativo (urea) in base alle esigenze della cellula.

Deamminazione Ossidativa

Deamminazione ossidativa del glutammato

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

Glutammato Deidrogenasi

Glutammato Deidrogenasi (GD) localizzata nei mitocondri.

Costituita da sei subunità identiche che polimerizzano ulteriormente.

PM = 330 000 Da per esamero.

E’ regolata allostericamente da nucleotidi purinici:

GTP e ATP (inibitori della GD)
GDP e ADP (attivatori della GD)

I suoi livelli sono regolati dalle concentrazioni dei substrati.

Mutazioni nel sito allosterico per il GTP della glutammato deidrogenasi causano la sindrome iperinsulinemica ad iperammoniemica, caratterizzata da alti livelli di ammoniaca in circolo ed ipoglicemia.

Transdeaminazione

L'azione combinata delle aminotransferasi e della glutammato deidrogenasi è definita TRANSDEAMINAZIONE.

La tossicità dell’NH₃

La tossicità dell’NH₃ (segue)

In vari tessuti, tra cui il tessuto nervoso, l’ammoniaca derivata dal NH₂ degli aa viene combinata con il glutammato con formazione di glutammina, ad opera dell’enzima glutammina sintetasi.

Nel fegato la glutammina è deaminata e NH₄⁺ derivante viene trasformato in un prodotto non tossico: UREA.

Glutammina sintetasi continua ad usare ATP!

Interferenza da parte di NH₄⁺ sui livelli di ATP è soprattutto dannosa per il metabolismo cerebrale