Catabolismo degli amminoacidi La quantità di energia ricavata dalla ossidazione degli amminoacidi varia in funzione del tipo di organismo e dalla sua situazione metabolica. I carnivori, subito dopo il pasto possono soddisfare fino al 90% della loro richiesta energetica, mentre gli erbivori ne ricavano solo una frazione molto piccola .

Degradazione delle proteine della dieta  ▼  ▼ H+ Gastrina   ▼  Pepsinogeno (zimogeno)   pH 1,5÷2,5 (antisettico & denaturante) ▼  Pepsina (Phe,Tyr,Trp) Stomaco  ▼ Inibitori della tripsina per evitare la pancreatite acuta Secretina Peptidi  Duodeno  ▼  ▼ Colecistochinina Pancreas  ▼  Intestino tenue HCO3- (pH~7,0) Enteropeptidasi  ▼ TripsinogenoTripsina (Lys, Arg)  (Phe Tyr,Trp) ChimotripsinaChimotripsinogeno ProcarbossipeptidasiCarbossipeptidasi Amminopeptidasi ▼  ▼ Amminoacidi liberi

Metabolismo degli amminoacidi nei mammiferi Gli amminoacidi possono subire una degradazione ossidativa in tre diverse situazioni metaboliche  Durante una dieta ricca in proteine (Il surplus viene degradato; non esistono forme di riserva degli amminoacidi)  Durante il turnover proteico (soprattutto gli amminoacidi non essenziali) Durante il digiuno o nel diabete mellito (come fonte di energia in sostituzione dei carboidrati)   (Glutammato) (a-chetoglutarato)

Catabolismo dei gruppi amminici negli animali girino Un esempio di adattamento metabolico Amminoacidi rana Composto poco solubile, eliminato come massa semi-solida con le feci

Vie di escrezione dell’azoto dei nucleotidi Pirimidinici NH4+ Urea Nucleotidi purinici Immunodeficenza da carenza di ADA inibitori competitivi

Catabolismo della timina

Catabolismo dei gruppi amminici negli animali     ATP Deamminazione ossidativa Transamminazione Glutammato deidrogenasi Mitocondri Transamminazione + Deamminazione = Transdeamminazione

Le reazioni di transamminazione (1) Il fine delle reazioni di transamminazione è quello di raccogliere i gruppi –NH3 dei 20 L-amminoacidi, provenienti dalla proteolisi, in un unico amminoacido “il glutammato” Reazione catalizzata dalle amminotransferasi o transamminasi che richiedono come gruppo prostetico il piridossal fosfato (PLP) la forma coenzimatica della piridossina o vitamina B6

Le reazioni di transamminazione (2) La valutazione dei livelli di alanina amminotransferasi (ALT o glutammato-piruvato transferasi, GPT) e aspartato amminotransferasi (AST o glutammato-ossalacetato transferasi , GOT) nel siero, è un test diagnostico per valutare danni cardiaci (infarto) o epatici (intossicazione da farmaci o da prodotti industriali come solventi organici epatotossici) Es: nell’infarto il primo enzima in eccesso presente nel sangue è la piruvato chinasi (PK), il secondo è la GOT e per ultimo il GTP ALT o GPT AST o GOT CH3 CH3 CH2 COOH CH2 COOH L-Alanina Piruvato L-glutammato Ossalacetato

Trasporto –NH4+ dai tessuti al fegato Negli animali ureotelici, l’ammoniaca, presente in forma solubile come –NH4+, è estremamente tossica (turbe mentali, ritardo nello sviluppo, fino al coma e alla morte ad alte concentrazioni). Quella prodotta nei tessuti extraepatici (catabolismo delle proteine e degli acidi nucleici) deve essere trasportata al fegato dove viene trasformata in urea e inviata ai reni per essere smaltita con le urine Tessuti (muscolo compreso) Principale forma di trasporto non tossico dell’ammoniaca grazie alla sua carica netta nulla che gli permette di attraversare la membrana plasmatica sangue Reni Urine Fegato

Ciclo della glucosio-alanina Un esempio di economia cellulare Nel muscolo in forte attività il trasporto dell’ammoniaca in eccesso prodotta dalla degradazione delle proteine avviene anche attraverso l’alanina, un altro amminoacido come la glutammina con carica netta nulla. Il vantaggio di questa via è che contemporaneamente vengono allontanati dal muscolo sia lo ione ammonio sia il piruvato prodotto dalla glicolisi anaerobica, molto attiva nel muscolo in forte attività. In queste condizioni, insieme al ciclo di Cori, si trasferisce il dispendio energetico per la gluconeogenesi al fegato e tutto l’ATP muscolare può essere utilizzato per la contrazione. NAD+ Glutammato deidrogenasi NADH+H+

Matrice mitocondriale Ciclo dell’urea (1) ciclo dell’urea  Matrice mitocondriale epatica

Ornitina transcarbammilasi Ciclo dell’urea (2) Carbamil fosfato Ornitina transcarbammilasi arginosuccinato sintetasi arginasi arginosuccinasi

Meccanismo d’azione della carbamil fosfato sintetasi I mista

Biciclo di Krebs ossalacetato

Bilancio energetico I collegamenti tra i due cicli riducono i costi energetici dello smaltimento dello ione ammonio attraverso l’urea Nel ciclo dell’urea si consumano 4 legami ad alta energia (4 ATP): 2 nella sintesi del carbamil fosfato 2 nella sintesi dell’arginino succinato ossalacetato 2ADP + Pi 2ATP 2AMP + PPi ATP NH4+ + HCO3- Il consumo reale si riduce ad 1,5 ATP grazie al riciclo del malato in ossalacetato nel ciclo di Krebs che recupera 2,5 ATP dalla riossidazione del NADH nella catena respiratoria

Adattamento metabolico Nei ruminanti che vivono in ambienti siccitosi l’urea è riciclata in amminoacidi grazie ai microorganismi presenti nel rumine In entrambi i casi si tratta di un adattamento metabolico per: evitare la perdita di acqua attraverso le urine (camelidi) la formazione di urina diminuire il consumo netto di energia chimica Il riciclaggio degli aminoacidi in proteine è presente anche negli animali in letargo (Es: l’orso bruno in letargo non urina)

Regolazione del ciclo dell’urea (1) Regolazione a lungo termine Dieta Iperproteica Digiuno prolungato Ipoproteica Aumenta la sintesi della carbamil fosfato sintetasi e dei quattro enzimi del ciclo (più urea) Diminuisce la sintesi della carbamil fosfato sintetasi e dei quattro enzimi del ciclo (meno urea)

Regolazione del ciclo dell’urea (2) Regolazione a corto termine L’arginina, attiva l’N-acetilglutammato sintasi che catalizza la formazione dell’N-acetilglutammato il quale, oltre a regolare allostericamente la carbamil fosfato sintetasi I (enzima di alimentazione del ciclo dell’urea) è il precursore della sintesi dell’arginina nelle piante e microorganismi. Nei mammiferi sono assenti gli altri enzimi necessari alla sintesi dell’arginina per cui questo amminoacido diventa essenziale. Nei felini, dove i livelli di l’arginosuccinasi sono bassi, la carenza di arginina nella dieta comporta un sensibile aumento di ammoniaca nel sangue, con conseguente vomito, spasmi muscolari, ipersensibilità sensitiva, fino al coma e morte (iperammoniemia felina)

Vie di degradazione dello scheletro carbonioso degli amminoacidi nei vertebrati Alcuni amminoacidi sono indicati più volte in quanto facenti parte dello scheletro carbonioso e sono, quindi, degradati in prodotti finali diversi.

Catabolismo degli amminoacidi a catena ramificata Sono gli unici amminoacidi ad essere utilizzati come fonte di energia direttamente nei tessuti extraepatici (soprattutto nel muscolo) Complesso multienzimatico analogo a quello della piruvato deidrogenasi

Biosintesi amminoacidi

L’azoto viene fissato dal complesso Ciclo dell’azoto  1011 Kg di azoto fissata annualmente nella biosfera L’azoto viene fissato dal complesso della nitrogenasi, presente solo in alcuni procarioti che spesso vivono come simbionti nei noduli delle radici delle piante leguminose     

Complesso della nitrogenasi (1) (+2) CO2 (+4) CH3-C-COO- O = Il triplo legame N≡N è molto stabile e per ottenere ammoniaca occorrono condizioni di reazione molto drastiche. Il complesso della deidrogenasi abbassa notevolmente l’energia di attivazione rendendo possibile la reazione nelle condizioni biologiche. Sintesi chimica (processo Haber) N2 + 3H2 2NH3 ΔG°’=-33,5 kJ/mole 400-500°C, p~ 700atm Sintesi biologica (fissazione) N2 + 10H+ +8e- 2NH4+ + H2 16 ATP 16 ADP + 16 Pi t.a., p~ 0,8atm Funzione ATP più catalitica che termodinamica. Legame ATP alla reduttasi sposta E’° da -300mV a -420mV 10H+

Complesso della nitrogenasi (2) Il complesso della nitrogenasi di denatura rapidamente in presenza di ossigeno Sezione di un nodulo di leguminosa I batteri risolvono questo inconveniente in 4 modi:  Fissazione anerobica Regolazione del consumo di O2 a livello della catena respiratoria  Formazione di eterocisti (cianobatteri)  Simbiosi con le radici di piante leguminose Nucleo Nodulo N2 Carboidrati Leghemoglobina Lega tutto l’O2 impedendo l’inattivazione del complesso della nitrogenasi ATP O2 Catena respiratoria Batteroide (in rosso) Membrana peribatteroide (in blu) NH4+ Questo fenomeno è alla base della rotazione delle coltivazioni dei cereali con le leguminose

Biosintesi amminoacidi Le piante e i batteri sintetizzano tutti i 20 amminoacidi I mammiferi sono in grado di produrne solo metà Non essenziale Essenziale Alanina Glicina Prolina Serina Cisteina Asparagina Glutammina Aspartato Glutammato Tirosina * Valina Leucina Isoleucina Treonina Metionina Fenilalanina Triptofano Istidina Lisina Arginina * Essenziale se nella dieta non è presente fenilalanina

Molecole derivanti dagli amminoacidi (1) Oltre a formare proteine, gli amminoacidi sono precursori di molte importanti molecole biologiche quali: ormoni, coenzimi, nucleotidi, porfirine, antibiotici, pigmenti, neurotrasmettitori Es 1: Biosintesi gruppo eme & pigmenti biliari Glicina Porfirine Eme Biliverdina Bilirubina (SangueBile) Trasporto con sieroalbumina Diglucoronide (FegatoBile) Stercobilina (Feci) (Intestino tenue) Urobilinogeno (ReniUrine) Urobilina Emoglobina Fe3+ Il funzionamento anormale del fegato o un blocco della secrezione della bile portano all’accumulo di bilirubina nel sangue con conseguente colorazione giallastra della pelle e dei bulbi oculari (Itterizia)

Molecole derivanti dagli amminoacidi (2) Es 2: Neurotrasmettitori per decarbossilazione di alcuni aa Catecolammine (da catecolo:1,2 diidrossibenzene) Oltre ad essere ormoni secreti dalle ghiandole surrenali per regolare il metabolismo in condizioni di stress o calo glicemico, sono prodotte dal cervello e da altri tessuti nervosi per accelerare il battito cardiaco e la pressione del sangue. Un eccesso di Dopamina è spesso associato alla schizofrenia, mentre un difetto al morbo di Parkinson GABA: Inibitore dell’attività neuronale; in carenza si possono avere attacchi epilettici Serotonina: importante nella regolazione dell‘umore, del sonno, della temperatura corporea, dell‘appetito. Un eccesso causa emicrania , depressione e ansia (Diidrossi- fenilalanina) (Norepinefrina) Istamina: Rilasciata in grandi quantità durante la risposta allergica; stimola la secrezione di HCl nello stomaco. Potente vasodilatatore (Epinefrina)

Metabolismo degli amminoacidi nel fegato

Metabolismo degli amminoacidi nel fegato durante il digiuno o nel diabete tipo 1

Metabolismo dei nucleotidi

Biosintesi “de novo” dei nucleotidi purinici La sintesi “de novo” delle purine inizia dal 5-fosforibosil 1-pirofosfato (PRPP) Via del pentosio fosfato  R-5 P PRPP Origine degli atomi delle purine La biosintesi termina con l’inosinato (IMP)

Conversione di IMP in AMP e GMP Biosintesi “de novo”

Regolazione biosintesi nucleotidi purinici Inibizione retroattiva (feed-back)

Biosintesi “de novo” nucleotidi pirimidinici La biosintesi dei nucleotidi pirimidinici inizia con l’aspartato, carbamil fosfato e PRPP * * La formazione del carbamil fosfato è catalizzata dalla carbamil fosfato sintetasi II (citoplasmatica) diversa dalla carbamil fosfato sintetasi I vista nel ciclo dell’urea 2 ATP 2 ADP Gln Glu chinasi citidina sintetasi Uridina 5’-trifosfato (UTP) Citidina 5’-trifosfato (CTP)

I nucleotidi difosfato sono i precursori dei deossinucleotidi dADP, dGDP dCDP, dUDP ADP, GDP CDP, UDP

Biosintesi del timidilato (dTMP)   FdUMP Metotrexato Trimetoprin 

Meccanismo di azione della timidilato sintasi “Substrato suicida”

Chemioterapia con pro-farmaci analoghi di basi e nucleosidi Strategia chemioterapica che sfrutta le vie di riutilizzazione delle basi e nucleosidi purinici e pirimidinici Analogo

Vie di riutilizzazione delle pirimidine (1) RNA DNA CTP UTP dCTP dUTP dTTP CDP UDP dCDP dUDP dTDP CMP UMP Sintesi “de novo” dCMP dUMP dTMP H2O NH3 H2O NH3 CR UR CdR UdR TdR U T ● Membrana cellulare

Vie di riutilizzazione delle pirimidine (2) RNA DNA CTP UTP dCTP dUTP dTTP CDP UDP dCDP dUDP dTDP CMP UMP Sintesi “de novo” dCMP dUMP dTMP H2O NH3 H2O NH3 CR UR CdR UdR TdR U T ● H O NH2 N Membrana cellulare U Es: riutilizzazione dell’uracile

Azione farmacologica del 5-fluorouracile RNA DNA CTP 5F-UTP dCTP dUTP dTTP CDP 5F-UDP dCDP 5F-dUDP dTDP CMP 5F-UMP Sintesi “de novo” dCMP 5F-dUMP dTMP H2O NH3 H2O NH3 CR 5F-UR CdR UdR TdR 5F-U T NH2 F N 5F-U N H O H