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METABOLISMO di PROTEINE ed AMMINOACIDI Università di Roma Tor Vergata - Facoltà di Medicina Biochimica - Prof. Luciana Avigliano.

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1 METABOLISMO di PROTEINE ed AMMINOACIDI Università di Roma Tor Vergata - Facoltà di Medicina Biochimica - Prof. Luciana Avigliano

2 AZOTO essenziale per la vita amminoacidi  proteine nucleotidi  acidi nucleici In natura - N 2 atmosferico (N.B. N  N triplo legame, molta energia per metabolizzarlo) - ione nitrato NO 3 – presente nel suolo Nei sistemi biologici sono presenti le forme ridotte - ione ammonio NH 4 + libero - gruppo amminico (-NH 3 + ) 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’N 2 atmosferico con produzione di NH 4 +, che viene quindi ossidato da altri batteri a nitrato NO 3 –. II. Le piante sono in grado di utilizzare NO 3 – con produzione di NH 4 +, che viene quindi incorporato nei composti organici azotati (punto d’ingresso Glu e Gln) III. Gli animali assumono composti organici azotati (amminoacidi)

3 Fonte primaria di azoto: amminoacidi forniti dalle proteine alimentari

4  Substrati per la sintesi proteica 20 a.a - con codone riconoscimento via tRNA 21 a.a. selenocisteina seril-tRNA + seleniofosfato  Se-cisteinil tRNA più numerosi in seguito a modificazione post-sintetica esempi: 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

5 composti derivatiamminoacidi precursori –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Eme glicina (+ succinil CoA) Nucleotidi glutammina, glicina, acido aspartico Carnitina lisina, metionina Creatinaarginina, glicina, metionina Ammine biogene, i stidina (  istamina) triptofano (  serotonina ) Tiroxina, adrenalina tirosina Taurina (nei sali biliari) cisteina Niacina triptofano

6 Classificazione in base alla struttura

7 CLASSIFICAZIONE NUTRIZIONALE AMMINOACIDI ESSENZIALI : devono necessariamente essere introdotti preformati con la dieta valina leucina isoleucina metionina fenilalanina triptofano istidina lisina treonina AMMINOACIDI NON ESSENZIALI semi-indispensabili risparmiano i precursori essenziali tirosina (sintetizzata da fenilalanina) cisteina (sintetizzata da metionina)

8 non essenziali glicina, serina, prolina, glutammina, arginina possono 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 NH 3 fra gli amminoacidi

9 Enzimi digestivi secreti come zimogeni inattivi - attivati tramite proteolisi DIGESTIONE PROTEINE - STOMACO PEPSINOGENO — pH acido, pepsina  PEPSINA + peptidi proteine 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 AMINOPEPTIDASI DIPEPTIDASI

10 K+K+ K+K+ SANGUE LUME Cl – HCO 3 – CO 2 + H 2 O metabolismo H+H+ H+H+ pompa H + /K + ATPasi membrana apicale membrana baso-laterale HCO 3 –

11 METABOLISMO DELLE PROTEINE

12 Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico Amminoacidi N C Proteine della dieta Derivati non proteici NH 3  urea intermedi del Ciclo di Krebs glucosio, glicogeno acidi grassi trigliceridi CO 2 + energia digestione proteine corporee sintesi degradazione Quota dei derivati non proteici minoritaria e non si calcola nel bilancio azotato; ma quota significativa in condizioni di privazione di proteine

13 a + b = c + d costante mantenimento nell’adulto a + d > b + c bilancio positivo accrescimento; masse muscolari; gestazione b + c > a + d bilancio negativo insufficiente 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 ab d POOL DI DERIVATI bilancio di azoto o bilancio proteico: dipende dalla somma delle velocità di entrata ed uscita dal pool di amminoacidi liberi

14 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

15 UOMO ADULTO: proteine corporee circa 12 Kg 40% nel muscolo di cui 65% miosina ed actina per 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 O 2 ) costituiscono circa la metà di tutte le proteine

16 CONTINUO RICAMBIO PROTEICO Serve energia sia per la sintesi che per la degradazione: % 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)

17 ORGANISMO Ricambio giornaliero 1-2% proteine totali Amminoacidi 70-80% riutilizzati 20-30% metabolizzati Proteine dalla dieta grammi/giorno Proteine metabolizzate 250 grammi/giorno % ricambio muscolo 30-50% fegato 25% leucociti emoglobina diversa emivita pochi minuti: proteine regolatorie 300 giorni: collageno

18 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)

19 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 min Ile Gln ~ 30 min oppure stabilizzante Met. Gly, Ala, Ser, Thr > 20 ore -particolari sequenze di distruzione ATP Premio Nobel 2004 Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose

20 oligopeptidi di 3-25 a.a. scissi da protesi citosoliche La proteina marcata va al proteasoma Attività tipo chimotripsina -a.a. idrofobici Attività tipo tripsina - a.a. basici Attività per a.a. acidi Proteine regolatorie per il riconoscimento e selezione di protine ubiquitilinate subunità 7  7  7  Proteine degradate dalle subunità catalitiche 

21 L’attività del proteasoma è sotto controllo ormonale INSULINA inibisce il proteasoma GLUCOCORTICOIDI attivano il proteasoma azione coordinata per la mobilizzazione di amminoacidi muscolari e per la gluconeogenesi epatica ORMONI TIROIDEI attivano il proteasoma CITOCHINE attivano il proteasoma sepsi, 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

22 AMMINOACIDI METABOLISMO del GRUPPO AMMINICO

23 Flusso generale NH 4 + UREA NH 2 C=O NH 2 DEAMINAZIONE OSSIDATIVA glutammato deidrogenasi NAD + glutammato  -chetoglutarato  -amminoacidi O II C – O – I H – C – NH 3 + I R TRANSAMINAZIONE transaminasi piridossalfosfato  -chetoacidi O II C – O – I H – C = O I R glutammato + +  -chetoglutarato

24 AMMINOTRANSFERASI (prendono il nome dall’a.a. che cede il gruppo -NH 2 all’  -chetoglutarato) 1. Alanina amminotransferasi 2. Aspartato amminotransferasi Denominate anche TRANSAMINASI 1. Glutammato piruvato transaminasi 2. Glutammato ossalacetato transaminasi

25 ENZIMI A PIRIDOSSALFOSFATO MECCANISMO PING-PONG E–C=O + H–C–NH 2  E-NH 2 + C=O I I I I I H COO – R1R1 R1R1 E–NH 2 + C=O  E–C=O + H–C–NH 2 I I I I I H COO – R2R2 R2R2 Intermedio di reazione: base di Schiff

26 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  istamina triptofano  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)

27 NH 3 deriva dal catabolismo degli amminoacidi basi puriniche (tramite deaminasi) basi pirimidiniche Animali ammoniotelici (pesci) Animali uricotelici (rettili, uccelli) Animali ureotelici AMMONIACA TOSSICA: Composto basico - TRASPORTO EMATICO : GLUTAMMINA, ALANINA - ELIMINAZIONE: UREA

28 glutammato + NAD(P) + + H 2 O   -chetoglutarato + NADH + H + + NH 4 + tramite glutammato deidrogenasi DEAMINAZIONE OSSIDATIVA Intermedio di reazione: imminoacido COO – I I I I CH 2 COO – H –C–NH NAD +  COO – I I I I CH 2 COO – C=NH NADH + H +

29 Incorporazione dell’NH 4 +  -chetoglutarato + NH 4 +  glutammato glutammato + NH ATP  glutammina + ADP + Pi NH HCO 3 – + 2 ATP  carbamilfosfato O O II I O – 2 HN– C ~ O–P–O –

30 TRASPORTO DELL’ NH 3 in forma non tossica  acidosi  alcalosi azoto ammidico azoto amminico + NH 4 + glutammina sintasi glutamminasi H 2 O COO – I C=O I I I CH 2 C=O O–O– H –C–NH 3 + COO – I I I I CH 2 C=O O–O– COO – I I I I CH 2 C=O NH 2 RENE CERVELLO NH NH 4 + ATP ADP + P i H –C–NH 3 +

31 CERVELLO Alti livelli di glutammato e glutammina per detossificazione da NH 3 altrimenti si può abbassare il livello di  -chetoglutarato e quindi  ciclo di Krebs  produzione di energia IPERAMMONIEMIA danno da alterazione del ciclo di Krebs e deplezione di ATP

32 Ciclo di Cori Ciclo glucosio-alanina sangue fegato muscolo glucosio alanina urea piruvato alanina piruvato NH 4 + glicolisi transaminazione proteine muscolari deaminazione gluconeogenesi glucosio

33 UREA NH 4 +  glutammato  amminoacidi - Gruppi ammidici non dissociabili - Estremamente solubile - eliminata grammi/die - dipende dalle proteine alimentari NH 4 + 0,4-1,2 g/die dipende equilibrio acido-base Acido urico 0,2-0,7 g/die (deriva dal catabolismo delle basi puriniche) Amminoacidi0,3 -1,2 g/die Creatinina 0,3-0,8 g/diedipende dalla massa muscolare (indice del turnover proteico del muscolo) C=O NH 2 aspartato  amminoacidi HCO 3 –

34 SINTESI UREA - nel fegato CITOSOL citrullina + aspartato + ATP  argininsuccinato + AMP + P~P i 3. ARGININOSUCCINATO SINTETASI 4. ARGININOSUCCINASI 1.CARBAMILFOSFATO SINTETASI O O II I O– O– NH HCO 3 – + 2 ATP  2 HN– C~O–P–O – + 2 ADP + P i ornitina + carbamilfosfato  citrullina + P i MITOCONDRIO 2. ORNITINA TRANSCARBAMILASI ciclo di Krebs urea + ornitina argininsuccinato  arginina + fumarato 5. ARGINASI aspartato

35 AMMINOACIDI: metabolismo della catena carboniosa

36 BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI NON ESSENZIALI piruvato  alanina ossalacetato  aspartato (+ glutammina)  asparagina  -chetoglutarato  glutammato + (NH 3 )  glutammina glutammato  prolina, arginina 3-fosfoglicerato  serina  glicina metionina  cisteina ( vedi 8° capitolo, vitamina B 12 ) fenilalanina  tirosina carenza Phe idrossilasi causa fenilchetonuria: porta a ritardo mentale 1: % 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)

37 piruvato acetil-CoA acetoacetil-CoA citrato succinil~CoA succinato fumarato malato  -chetoglutato triptofano leucina glicina, alanina, serina, cisteina,triptofano arginina, glutammina, istidina, prolina valina metionina treonina glutammato leucina lisina fenilalanina tirosina aspartato, asparagina 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


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