Ossidazione degli amminoacidi Gli amminoacidi, derivanti dalle proteine, possono essere degradati, ossidati, contribuendo in maniera significativa alla generazione di energia metabolica della cellula. Le situazioni che portano ad una maggiore degradazione degli amminoacidi sono: Un eccesso di rispetto al fabbisogno per la sintesi delle proteine Una dieta ricca di proteine che apporta più amminoacidi del necessario e quindi questi vengono degradati Il digiuno o il diabete mellito portano ad una diminuzione degli zuccheri, le proteine diventano una fonte di energia

Ossidazione degli amminoacidi Il gruppo amminico viene staccato ed lo scheletro carbonioso, un chetoacido, viene ossidato a CO2 e acqua. Quando il chetoacido è a tre o quattro atomi di carbonio può essere utilizzato per la neosintesi di glucosio, necessario per il fabbisogno energetico cerebrale o muscolare. L’eliminazione del gruppo amminico distingue la via catabolica degli amminoacidi dalle altre viste fino ad ora. Le proteine introdotte con la dieta, raggiunto lo stomaco, vengono denaturate dalla sua elevata acidità e idrolizzate in peptidi corti dalla pepsina che a pH acido è attiva su residui di amminoacidi aromatici. Nel duodeno invece operano la tripsina, la chimotripsina, la carbossipeptidasi ed altre peptidasi che liberano gli amminoacidi che vengono poi assorbiti attraverso le pareti cellulari.

Digestione ed assunzione di proteine Digestione ed assunzione di proteine. Schema di una parte del tratto digestivo con evidenziate varie funzioni svolte nella digestione delle proteine.

Ossidazione degli amminoacidi Proteine intracellulari Ciclo dell’urea - Parte del metabolismo di alcuni organismi che conduce all’eliminazione dell’azoto ammoniacale in eccesso. L’azoto proviene dal metabolismo delle proteine e degli amminoacidi Dieta amminoacidi Glucosio a-chetoacidi NH4+ Ciclo dell’acido citrico Gluconeo- genesi escrezione Biosintesi AA. Nucleotidi ammine. respirazione CO2 + H2O

Forme di escrezione dell’ammonio Animali ammoniotelici: la maggior parte dei vertebrati acquatici pesci con scheletro osseo, larve di anfibi NH4+ Ammonio Urea H2N CONH2 Animali ureotelici: molti vertebrati terrestri (anche gli squali) Animali uricotelici: uccelli, rettili Acido urico

L’ammonio è tossico, la sua conversione in urea è confinata nel fegato Dalla dieta amminoacidi a-chetoacidi a-chetoglutarato glutammato Dai muscoli NH4+ Dal muscolo e altri tessuti piruvato alanina NH4+ glutammina NH4+ urea L’ammoniaca libera è molto tossica Altera il pH, reagisce con gli intermedi dei cicli energetici alterandoli, ha effetti neurotossici.

Interconversione tra amminoacidi: reazione di transamminazione piridossal fosfato COO- | C=O CH2 H3N+-C-H R + PLP amminotransferasi a-chetoglutarato L-amminoacido glutammato a-chetoacido PLP piridossammina fosfato PMP COO- | C=O CH2 H3N+-C-H CH3 + PLP Alanina amminotransferasi a-chetoglutarato L-alanina glutammato piruvato

Reazione catalizzata dalle amminitrasferasi (transaminasi) Aspartato amminotrasferasi Piridossal fosfato (PLP) Piridossalammina fosfato

L’ammonio dei tessuti viene legato nella glutammina COO- | H3N+-C-H CH2 + ATP Glutammina sintetasi glutammato O=C-OPO3= O=C-NH2 ADP NH4+ Pi g-glutammil fosfato glutammina L’ammonio viene liberato anche dal glutammato COO- | C=O CH2 H2O H3N+-C-H NH4+ + glutammato deidrogenasi a-chetoglutarato glutammato NAD(P)+ NAD(P)H + H+ GTP ADP -

Negli animali ureotelici l’azoto viene convogliato nei mitocondri degli epatociti e nel fegato viene convertito in urea. Hans Krebs, 1932 Sintesi dell’urea stimolata “cataliticamente” da: Ornitina Citrullina Arginina urea ornitina citrullina arginina ammoniaca + CO2 2NH3 + CO2 H2N-CO-NH2 + H2O ammoniaca

La reazione complessiva del ciclo dell’urea bicarbonato NH3+ | NH4+ + HCO3- + -OOC-CH2-CH COO- ammonio aspartato 3 ATP 2ADP + AMP + 2Pi + PPi O || H2N-C-NH2 + -OOC-CH=CH-COO- + 2 H2O + H+ urea fumarato

NH4+ + HCO3- + 2ATP H2N-CO-O-PO3= La sintesi dell’urea consiste di 5 reazioni enzimatiche ATP PPi aspartato 3a citosol citrullina (Citrullil-AMP) mitocondrio citrullina 3b 2ADP + 2Pi AMP NH4+ + HCO3- + 2ATP H2N-CO-O-PO3= 1 2 ornitina argininosuccinato 4 ornitina 5 arginina fumarato H2O urea

Attivazione dell’ammonio prima che entri nel ciclo 1 NH4+ + HCO3- + 2ATP H2N-CO-O-PO3= + 2ADP + Pi Carbamilfosfato sintetasi I a) ATP + HCO3- [HOCO-O-PO3=] + ADP carbonilfosfato b) NH4+ + [HOCO-O-PO3=] [H2N-COO-] + Pi carbamato c) [H2N-COO-] + ATP H2N-CO-O-PO3= + ADP carbamilfosfato Condensazione con l’ornitina prima di uscire dal mitocondrio 2 H2N-CO-O-PO3= NH3+ | NH3+ | + +H3N-CH2-CH2-CH2-CH H2N-CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH + Pi ornitina | COO- citrullina | COO- Ornitina transcarbamilasi

Trasformazione della citrullina in argininosuccinato nel citosol dell’epatocita 3 AMP | O +H-N=C-NH-CH2-CH2-CH2-CH NH3+ COO - a) H2N-CO-NH-CH2-CH2-CH2-CH NH3+ | COO - + ATP + PPi citrullina b) Citrullil-AMP 2 Pi Argininosuccinato sintetasi Citrullil-AMP AMP | O +H-N=C-NH-CH2-CH2-CH2-CH NH3+ COO - +H-N=C-NH-CH2-CH2-CH2-CH NH3+ | COO - NH CH-CH2-COO - + AMP + CH-CH2-COO - NH3+ | COO - argininosuccinato aspartato

Liberazione di fumarato dall’argininosuccinato per dare arginina 4 argininosuccinato arginina NH3+ | NH3+ | +H-N=C-NH-CH2-CH2-CH2-CH +H-N=C-NH-CH2-CH2-CH2-CH | COO - | NH2 | COO - | NH Argininosuccinato liasi CH-CH2-COO - + | COO - - OOC-CH=CH-COO - fumarato Idrolisi dell’arginina per dare urea e rigenerare ornitina 5 arginina urea ornitina NH3+ | O || NH3+ | +H-N=C-NH-CH2-CH2-CH2-CH H2N-C-NH2 +H3N-CH2-CH2-CH2-CH | NH2 | COO - | COO - Arginasi + H2O

Organizzazione del ciclo dell’urea all’interno della cellula Gli enzimi del ciclo dell’urea sembrano essere “raggruppati” cosicché la citrullina, l’argininosuccinato, l’arginina e l’ornitina non sono rilasciati nel citosol ma incanalati da un enzima all’altro; solo l’urea viene rilasciata.

rifornisce di aspartato il ciclo dell’urea. Il recupero del fumarato grazie a 2 enzimi del ciclo dell’acido citrico rifornisce di aspartato il ciclo dell’urea. citrullina NH3+ | CH-CH2-COO - | COO - ATP aspartato NH3+ | AMP + PPi transaminasi CH-CH2-COO - a-chetoglutarato | COO - aspartato malato deidrogenasi Glutammato argininosuccinato - OOC-C-CH2-COO - dal ciclo dell’urea || O NAD+ NADH + H+ dal ciclo dell’acido citrico - OOC-CH-CH2-COO - | OH - OOC-CH=CH-COO - fumarato - OOC-CH=CH-COO - fumarato arginina H2O fumarasi

Bilancio energetico del ciclo dell’urea NH3+ | NH4+ + HCO3- + -OOC-CH2-CH COO- 3 ATP 2ADP + AMP + 2Pi + PPi O || H2N-C-NH2 + -OOC-CH=CH-COO- + 2 H2O + H+ 2Pi

NH4+ + HCO3- + 2ATP H2N-CO-O-PO3= + 2ADP + Pi Regolazione del ciclo dell’urea Dieta Digiuno Regolazione a lungo termine Regolazione a breve termine (arginina) CoA-SH CoA-S-CO-CH3 + + + NH3+ | NH-CO-CH3 | -OOC-CH2-CH2-CH -OOC-CH2-CH2-CH | COO - | COO - acetilglutammato sintetasi + NH4+ + HCO3- + 2ATP H2N-CO-O-PO3= + 2ADP + Pi Carbamilfosfato sintetasi I

NH4+ + HCO3- + 2ATP H2N-CO-O-PO3= PPi Quando il ciclo dell’urea non funziona bene aspartato 3a citrullina (Citrullil-AMP) STOP citrullina 3b 2ADP + 2Pi STOP AMP NH4+ + HCO3- + 2ATP H2N-CO-O-PO3= STOP 1 2 ornitina argininosuccinato 4 STOP mitocondrio citosol ornitina 5 arginina fumarato STOP H2O urea iperammoniemia citrullinemia argininuria NOME difetto enzimatico oroticoaciduria argininsuccinemia iperammoniemia tipo I carbamil-P sintetasi si no “ tipo II orn. transcarbamilasi si si citrullinemia arg-succ. sintetasi + - + - si no arg-succ. aciduria arg-succ. liasi si si argininuria arginasi + - si si

Quando il ciclo dell’urea non funziona bene Difetti genetici - ridotta capacità di convertire l’NH4+ in urea Dieta selezionata, povera di proteine ed amminoacidi, ma arricchita di a-chetoacidi precursori degli amminoacidi essenziali. a-chetoacido (di aa. essenziale) amminoacido (essenziale) transaminasi amminoacido (non essenziale) a-chetoacido (di aa. non essenziale)

Riepilogo Il ciclo dell’urea è deputato alla trasformazione dell’azoto dalla forma ammoniacale, tossica, all’urea, meno tossica. Il ciclo dell’urea è localizzato parte nel citosol e parte nei mitocondri degli epatociti. L’urea si libera dall’arginina per idrolisi generando ornitina che viene poi convertita nei mitocondri in citrullina; la citrullina viene quindi addizionata di un azoto dall’acido aspartico per rigenerare l’arginina: gli intermedi quindi non vengono consumati e il loro livello ha un’influenza “catalitica”. Costi energetici Difetti genetici - dieta correttiva

Ciclo del glucosio-alanina. L’alanina viene utilizzato come trasportatore di ammoniaca dai muscoli al fegato. Il piruvato, trasformato in glucosio attraverso la gluconeogenesi, ritorna al muscolo.

Vie degradatorie degli amminoacidi La degradazione degli amminoacidi normalmente contribuisce per il 10%-15% del nostro fabbisogno energetico. I 20 processi catabolici portano alla formazione di 5 intermedi metabolici del ciclo degli acidi tricarbossilici: acetil-CoA a-chetoglutarato succinil-CoA fumarato ossalacetato

Alanina Cisteina Glicina Serina Triptofano Leucina Lisina Fenilalanina Triptofano Tirosina Isoleucina Leucina Triptofano Piruvato Arginina Glutammina Istidina Prolina Acetil-CoA Acetoacetil-CoA 1 Citrato 2 Asparagina Aspartato Glutammato Ossalacetato Isocitrato NADH 3 8 CO2 NADH Malato a-chetoglutarato 7 4 CO2 Fumarato NADH Isoleucina Metionina Treonina Valina Fenilalanina Tirosina 6 Succinil-CoA 5 FADH2 Succinato GTP (ATP)

Fenilchetonuria PKU dovuta a deficienza dell’enzima finilalanina idrossilasi con accumulo di fenilalanina.

Fenilchetonuria PKU dovuta a deficienza dell’enzima finilalanina idrossilasi L’accumulo di fenilalanina porta alla formazione di fenilacetato e fenillattato che vengono anche escreti nelle urine.

Prolina, glutammato, glutammina, arginina, istidina a-chetoglutarato glutammina istidina ornitina arginina

Amminoacidi convertiti in succinil-CoA

Amminoacidi convertiti in ossalacetato

Ciclo dell’urea NH4+ Ammonio ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ YYYYYYYY Xxxxx