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

GLI ANIMALI DIPENDONO DA BATTERI E PIANTE PER L’AZOTO AZOTO essenziale per la vita amminoacidi  proteine nucleotidi  acidi nucleici In natura - N2 atmosferico (N.B. NN 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

Funzioni degli L--amminoacidi  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

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 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)

glicina, serina, prolina, glutammina, arginina 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 NH3 fra gli amminoacidi

DIGESTIONE PROTEINE - STOMACO 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

LUME SANGUE Cl– HCO3– H+ CO2 + H2O K+ metabolismo pompa H+/K+ ATPasi membrana apicale membrana baso-laterale

METABOLISMO DELLE PROTEINE

Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico Amminoacidi N C Proteine della dieta Derivati non proteici NH3  urea intermedi del Ciclo di Krebs glucosio, glicogeno acidi grassi trigliceridi CO2 + 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

a + b = c + d costante mantenimento nell’adulto bilancio di azoto o bilancio proteico: dipende dalla somma delle velocità di entrata ed uscita dal pool di amminoacidi liberi PROTEINE ALIMENTARI POOL AA PROTEINE CORPOREE c a b d POOL DI DERIVATI flusso in entrata = dieta + degradazione proteica (a + b) rimozione a.a. = sintesi proteica + ossidazione (c + d) 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

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 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 O2) costituiscono circa la metà di tutte le proteine

CONTINUO RICAMBIO PROTEICO Serve 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)

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

ATP-indipendente LISOSOMIALE 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)

Come si riconosce la proteina da eliminare? Premio Nobel 2004 Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose ATP 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

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

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

METABOLISMO del GRUPPO AMMINICO AMMINOACIDI METABOLISMO del GRUPPO AMMINICO

Flusso generale + NH2 C=O NH4+ glutammato -chetoglutarato UREA NH2 C=O DEAMINAZIONE OSSIDATIVA glutammato deidrogenasi NAD+ glutammato -chetoglutarato -amminoacidi O II C – O– I H – C – NH3+ R TRANSAMINAZIONE transaminasi piridossalfosfato  -chetoacidi H – C = O +

AMMINOTRANSFERASI (prendono il nome dall’a.a. che cede il gruppo -NH2 all’-chetoglutarato) 1. Alanina amminotransferasi 2. Aspartato amminotransferasi Denominate anche TRANSAMINASI 1. Glutammato piruvato transaminasi 2. Glutammato ossalacetato transaminasi

ENZIMI A PIRIDOSSALFOSFATO Intermedio di reazione: base di Schiff MECCANISMO PING-PONG E–C=O + H–C–NH2  E-NH2 + C=O I H COO– R1 E–NH2 + C=O  E–C=O + H–C–NH2 I H COO– 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  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)

- TRASPORTO EMATICO : GLUTAMMINA, ALANINA - ELIMINAZIONE: UREA NH3 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

DEAMINAZIONE OSSIDATIVA tramite glutammato deidrogenasi glutammato + NAD(P)+ + H2O  -chetoglutarato + NADH + H+ + NH4+ Intermedio di reazione: imminoacido COO– I CH2 COO – H –C–NH3+ COO– I CH2 COO – C=NH2+ + NAD+  + NADH + H+

Incorporazione dell’NH4+  -chetoglutarato + NH4+  glutammato glutammato + NH4+ + ATP  glutammina + ADP + Pi NH4+ + HCO3– + 2 ATP  carbamilfosfato O II I O– 2HN– C~O–P–O–

TRASPORTO DELL’ NH3 in forma non tossica glutammina CERVELLO ATP ADP + Pi sintasi COO– COO– I CH2 C=O O– COO– I CH2 C=O I C=O H –C–NH3+ H –C–NH3+ azoto amminico I CH2 + NH4+ + NH4+ I CH2 I C=O azoto ammidico O– NH2 RENE glutamminasi H2O  acidosi  alcalosi NH4+

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 IPERAMMONIEMIA danno da alterazione del ciclo di Krebs e deplezione di ATP

Ciclo di Cori Ciclo glucosio-alanina fegato muscolo glucosio alanina sangue fegato muscolo glucosio alanina urea piruvato NH4+ glicolisi transaminazione proteine muscolari deaminazione gluconeogenesi Ciclo di Cori

aspartato  amminoacidi UREA C=O NH2 aspartato  amminoacidi HCO3– NH4+  glutammato  amminoacidi UREA - 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)

MITOCONDRIO O O– CITOSOL SINTESI UREA - nel fegato 1.CARBAMILFOSFATO SINTETASI O II I O– NH4+ + HCO3– + 2 ATP  2HN– C~O–P–O– + 2 ADP + Pi 2. ORNITINA TRANSCARBAMILASI ornitina + carbamilfosfato  citrullina +Pi CITOSOL 3. ARGININOSUCCINATO SINTETASI citrullina + aspartato + ATP  argininsuccinato + AMP + P~Pi 4. ARGININOSUCCINASI argininsuccinato  arginina + fumarato 5. ARGINASI ciclo di Krebs urea + ornitina aspartato

AMMINOACIDI: metabolismo della catena carboniosa

BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI NON ESSENZIALI piruvato  alanina ossalacetato  aspartato (+ glutammina)  asparagina -chetoglutarato  glutammato + (NH3)  glutammina glutammato  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)

glicina, alanina, serina, cisteina,triptofano fenilalaninatirosina in giallo a.a  glucosio in rosa a.a.  glucosio e corpi chetonici in celeste a.a.  corpi chetonici piruvato acetil-CoA acetoacetil-CoA citrato succinil~CoA succinato fumarato malato a-chetoglutato triptofano leucina glicina, alanina, serina, cisteina,triptofano arginina, glutammina, istidina, prolina valina metionina treonina glutammato lisina fenilalaninatirosina aspartato, asparagina isoleucina fenilalanina tirosina propionil~CoA isocitrato biotina B12 ossalacetato