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Maria Assunta Bevilacqua » 16.Metabolismo degli amminoacidi. Il ciclo dell'urea


Metabolismo dei composti azotati


Metabolismo degli amminoacidi

Sono Molecole essenziali.

I carboidrati possono accumularsi sotto forma di glicogeno.

I lipidi si accumulano sotto forma di trigliceridi.

Nessun composto azotato può accumularsi.
La loro sintesi avviene quando è necessaria.
Esiste, in realtà, un Equilibrio tra azoto escreto (catabolismo) e azoto assunto con la dieta.

Gli amminoacidi derivano dalle proteine cellulari o da quelle alimentari

Gli amminoacidi derivano dalle proteine cellulari o da quelle alimentari

Equilibrio tra azoto esceto ed azoto assunto

Equilibrio tra azoto esceto ed azoto assunto


Digestione delle proteine alimentari

Nel tratto gastrointestinale

Sono presenti gli enzimi → peptidasi.

Le peptidasi determinano idrolisi del legame peptidico.

Esopeptidasi
Si distinguoni in:

  • Carbossipeptidasi → residui al COOH terminale
  • Amminopeptidasi → residui all’NH2 terminale

Endopeptidasi

  • Pepsina → AA aromatici, Leu, Glu, Gln (NH2)
  • Tripsina→ lisina, arginina
  • Chimotripsina → AA aromatici (COOH)

Digestione delle proteine alimentari


Degradazione delle proteine cellulari

La degradazione delle proteine cellulari serve a riciclare amminoacidi o a degradare le proteine difettose o non necessarie. Le proteine difettose sono quelle che vengono degradate più rapidamente.
Le proteine hanno una emivita variabile:

  • proteine a lunga vita > 200 h; sono le proteine strutturali, l’emoglobina, il citocromo c
  • proteine a breve vita < 2 h; come gli enzimi, gli ormoni, gli anticorpi

Negli eucarioti la degradazione delle proteine endogene avviene per:

1) azione di proteasi lisosomiali (nei lisosomi)

  • Proteine a vita lunga, proteine extracellulari, proteine di membrana che agiscono su proteine a lunga vita, proteine extracellulari, proteine di membrana;
  • contengono circa 50 enzimi idrolitici, incluse proteasi specifiche: le catepsine;
  • degradano le proteine intracellulari in modo non selettivo;
  • pH interno circa 4-5 (pompa protonica).

Degradazione delle proteine cellulari (segue)

Negli eucarioti la degradazione delle proteine endogene avviene per:

2) azione di proteasi citoplasmatiche (nel citosol) sono proteasi ATP dipendenti

  • Proteine cellulari a rapido turnover, proteine anomale o prodotte in quantità eccessive che agiscono su proteine cellulari a rapido turn over, proteine anomale o prodotte in quantità eccessive;
  • sistema di degradazione altamente selettivo.

L’azione di queste proteasi richiede l’ubiquitina, proteina monomerica; la proteina poliubiquitinata viene poi degradata nel proteasoma 26S.

Degradazione delle proteine cellulari


Degradazione delle proteine cellulari

L’ubiquitina etichetta le proteine destinate all’ubiquitinazione.
L’ubiquitina è una proteina (76 aa) ubiquitaria altamente conservata negli eucarioti.
La Gly C-terminale dell’ubiquitina si lega ai gruppi amminici di residui di Lys della proteina da degradare.
L’energia è fornita dall’idrolisi dell’ATP.

Il complesso di ubiquitinazione è costituito di tre enzimi:

  • E1 → l’enzima che attiva l’ubiquitina;
  • E2 → l’enzima di coniugazione, si lega all’ubiquitina;
  • E3 → la proteina ligasi con specificità di substrato,che lega l’ubiquitina alla proteina bersaglio.

Sono presenti molte molecole di ubiquitina sulla proteina che dovrà essere degradata.

Struttura dell’ubiquitina con l’estremità C-terminale

Struttura dell'ubiquitina con l'estremità C-terminale

Il complesso di ubiquitinazione

Il complesso di ubiquitinazione


Degradazione delle proteine cellulari (segue)

Negli eucarioti le proteine ubiquitinate vengono direzionate al proteosoma 26S per essere degradate.
Si tratta di un complesso , costituito da una gran numero di proteasi specifiche, che degrada il substrato in maniera ATP-dipendente in piccoli peptidi, mentre le Ub vengono rilasciate grazie all’azione di idrolasi.
Tale complesso é formato da una struttura di forma cilindrica centrale (20S) e due cappucci agli estremi (19S).
Tale unità è formata a sua volta da 4 rings, ciascuno costituito da 7 unità proteiche chiamate α nei 2 rings esterni e β negli altri 2 centrali. I cappucci sono formati da un’unità e da un lid.
I complessi 19S svolgono la funzione di riconoscimento della proteina ubiquitinata e di svolgimento della stessa. La proteina ubiquitinata penetra nella cavità del cilindro 20S dove verrà degradata.

Proteolisi mediata da ubiquitina. Il proteosoma 26S

Proteolisi mediata da ubiquitina. Il proteosoma 26S


Destino degli amminoacidi


Ossidazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi, derivati dalla degradazione delle proteine della dieta o delle proteine intracellulari rappresentano l’ultima classe di biomolecole la cui ossidazione contribuisce alla generazione di energia metabolica nella cellula

La degradazione ossidativa degli amminoacidi viene attivata nelle seguenti condizioni:

  1. degradazione delle proteine cellulari (normale turnover delle proteine);
  2. eccessiva introduzione di proteine nella dieta;
  3. durante il digiuno;
  4. in caso di diabete.

Ossidazione degli amminoacidi (segue)

Degradazione ossidativa degli amminoacidi: destino dello scheletro carbonioso e del gruppo amminico

Degradazione ossidativa degli amminoacidi: destino dello scheletro carbonioso e del gruppo amminico


Ossidazione degli amminoacidi (segue)

Differente destino dello scheletro carbonioso degli amminoacidi

Differente destino dello scheletro carbonioso degli amminoacidi


Ossidazione degli amminoacidi (segue)

Destino del gruppo amminico

REAZIONI DI DISTACCO DEL GRUPPO α-NH2

A) TRANSAMINAZIONE (PLP);
B) DEAMINAZIONE OSSIDATIVA.


Reazione di transaminazione

Le Reazioni di transaminazione consistono nel trasferimento del gruppo aminico ad un a-chetoacido accettore.
Il gruppo prostetico delle transaminasi é il piridossalfosfato PLP un derivato della vitamina B6.

Meccanismo della reazione di transaminazione

L’ammminoacido (1° substrato) forma un legame con il PLP (aldimmina).
L’aldimmina perde un protone (intermedio chinonico).
Stabilizzazione dell’intermedio per delocalizzazione degli elettroni.
Si lega un protone all’atomo di C dell’intermedio chinonico (chetimmina).
La chetimmina viene idrolizzata in chetoacido (1° prodotto) e PMP.
Entra il chetoacido (2° substrato).
La reazione continua con un meccanismo inverso e si forma il 2°prodotto (aa).

Struttura del piridossalfosfato (PLP) e sua interconversione in piridossaminafosfato (PMP)

Struttura del piridossalfosfato (PLP) e sua interconversione in piridossaminafosfato (PMP)


Reazione di transaminazione (segue)

Le Reazioni di transaminazione consistono nel trasferimento del gruppo aminico ad un a-chetoacido accettore

Le Reazioni di transaminazione consistono nel trasferimento del gruppo aminico ad un a-chetoacido accettore


Reazione di transaminazione (segue)

Meccanismo catalitico a ping-pong

Meccanismo catalitico a ping-pong


Reazione di transaminazione (segue)

Le reazioni catalizzate dagli enzimi Alanina aminotransferasi i (GPT) e Aspartato aminotransferasi (GOT)

Le reazioni catalizzate dagli enzimi Alanina aminotransferasi i (GPT) e Aspartato aminotransferasi (GOT)


Reazione di transaminazione (segue)

Destino del glutammato

Destino del glutammato


Deaminazione ossidativa

La glutammico deidrogenasi (PM 330.000; 6 subunità uguali) è presente solo nella matrice mitocondriale delle cellule epatiche.

  • Glutammico deidrogenasi → enzima allosterico
  • Attivato → ADP – GDP carica energetica bassa
  • Inibito → ATP – GTP carica energetica alta

La reazione catalizzata dalla glutammico deidrogenasi

La reazione catalizzata dalla glutammico deidrogenasi


Deaminazione ossidativa (segue)

Importanza di NH3

Sintesi glutammato

  • Sintesi di amminoacidi

Sintesi glutammina

  • Sintesi di nucleotidi purinici
  • Sintesi di amminoacidi

Sintesi carbamil fosfato

  • Sintesi di arginina
  • Sintesi di nucleotidi pirimidinici

Un eccesso di NH3 è tossico poiché determina variazioni del pH intracellulare e sottrae intermedi al ciclo di Krebs dalla reazione con α–chetoglutarato per formare glutammato.
Concentrazione elevata di NH3 causa danno cerebrale.

La reazione catalizzata dalla glutammico deidrogenasi

La reazione catalizzata dalla glutammico deidrogenasi


Escrezione dell’ammoniaca

La glutammina trasporta ammoniaca dai tessuti al fegato.
La L-glutamina rappresenta la principale forma di trasporto non tossica dell’ammoniaca.

È normalmente presente in circolo ad una concentrazione superiore agli altri aminoacidi.

L’azoto aminico della glutamina viene rilasciato sotto forma di ammoniaca solo a livello dei mitocondri epatici e, in misura minore, renali.

Escrezione dell’ammoniaca

Escrezione dell'ammoniaca

La glutammina trasporta ammoniaca dai tessuti al fegato

La glutammina trasporta ammoniaca dai tessuti al fegato


Escrezione dell’ammoniaca (segue)

L’alanina trasporta ammoniaca dal muscolo al fegato.

Il ciclo del glucosio-alanina.

L’alanina serve come trasportatore dell’ammoniaca e dello scheletro carbonioso del piruvato dal muscolo al fegato.

L’ammoniaca viene escreta e il piruvato è usato per produrre glucosio che ritorna al muscolo.

L’alanina trasporta ammoniaca dal muscolo al fegato

L'alanina trasporta ammoniaca dal muscolo al fegato

Uno schema riepilogativo dell’escrezione dell’ammoniaca

Uno schema riepilogativo dell'escrezione dell'ammoniaca


Il ciclo dell’urea

Le reazioni del ciclo dell’urea

Le reazioni del ciclo dell'urea


Il ciclo dell’urea (segue)

Il ciclo dell’urea avviene nel fegato in due compartimenti cellulari diversi tra citoplasma e nucleo.
L’ornitina svolge un ruolo simile a quello dell’ossalacetato nel ciclo di Krebs.
Vengono consumate 3 molecole di ATP.
Il ciclo dell’urea è collegato al ciclo di Krebs.

La prima reazione consiste nella sintesi del Carbamil-fosfato.
Vengono utilizzate due molecole di ATP; è una reazione regolata e rappresenta la tappa limitante del ciclo dell’urea.
L’enzima che la catalizza é: Carbamilfosfato sintetasi I un enzima allosterico.

L’ enzima Carbamil fosfato sintetasi I, mitocondriale, è diversa dalla carbamil fosfato sintetasi II, citosolica che agisce nella biosintesi delle pirimidine.
Il ciclo dell’urea consuma 3 ATP.
Il ciclo dell’urea è collegato al ciclo dell’acido citrico.
Il collegamento con il ciclo dell’ac. citrico riduce il dispendio energetico.
La comunicazione è assicurata dal trasporto di intermedi chiave tra mitocondri e citosol.

Sintesi del carbamil-fosfato

Sintesi del carbamil-fosfato


Il ciclo dell’urea (segue)

Le reazioni del ciclo dell’urea che lo collegano al ciclo di Krebs

Le reazioni del ciclo dell'urea che lo collegano al ciclo di Krebs


Il ciclo dell’urea (segue)

Il flusso di atomi di azoto attraverso il ciclo dell’urea varia con la composizione della dieta

Il flusso di atomi di azoto attraverso il ciclo dell'urea varia con la composizione della dieta


Biosintesi degli amminoacidi

Amminoacidi essenziali

  • Non possono essere sintetizzati.
  • Devono essere assunti con la dieta.
  • Leucina, isoleucina, valina, fenilalanina, triptofano, treonina, lisina, metionina, istidina, arginina (nel giovane).

Amminoacidi non essenziali

  • Possono essere sintetizzati a partire da intermedi delle vie metaboliche.
  • Glicolisi; ciclo acido citrico; via pentoso fosfato.
  • Arginina (nell’adulto), alanina, asparagina, aspartato, cisteina, glutammato, glutammina, glicina, prolina, serina, tirosina.

Le vie biosintetiche degli aa possono essere riunite in base a 6 precursori metabolici.

Regolazione nella biosintesi degli amminoacidi

  • La prima reazione è di solito una reazione irreversibile catalizzata da un enzima allosterico.
  • Il meccanismo di regolazione di solito è l’inibizione a feedback del primo enzima della via biosintetica.
  • Le varie vie di sintesi sono altamente coordinate mediante meccanismi di regolazione trasversali.
  • La regolazione della biosintesi risponde alle necessità della cellula.

Biosintesi degli amminoacidi (segue)

Le principali vie di biosintesi degli amminoacidi

Le principali vie di biosintesi degli amminoacidi


Molecole che derivano dagli amminoacidi


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