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Metabolismo delle proteine e
degli amminoacidi

Il metabolismo delle proteine e quello degli acidi nucleici differiscono
significativamente da quello dei carboidrati e dei lipidi: non esiste
alcun composto azotato polimerico con funzione di deposito (riserva)
e di rilascio su richiesta (per la produzione di energia).
La mancanza di una riserva di azoto determina l’esigenza di
ripristinare l’apporto di azoto tramite la dieta per rimpiazzare quello
perduto con il catabolismo.
Quando le proteine introdotte con la dieta risultano insufficienti,
proteine corporee, costruite per altri scopi (contrazione muscolare),
vengono degradate senza essere rimpiazzate.
Normale bilancio dell’azoto (equilibrio dell’azoto): assunzione
giornaliera di azoto attraverso la dieta = azoto perso attraverso
l’escrezione e altri processi.

Catabolismo degli aminoacidi
La funzione primaria degli aminoacidi è la loro utilizzazione per la
sintesi proteica.
Gli aminoacidi in eccesso rispetto alla richiesta della sintesi proteica
vengono catabolizzati a scopo energetico.
Un accentuato catabolismo degli aminoacidi (per incremento della
idrolisi delle proteine tissutali) si verifica quando l’organismo deve
ricavare glucosio da altra fonte (esaurite le riserve glucidiche).
Il catabolismo degli aminoacidi implica il distacco del gruppo aminico
ed utilizzo dello scheletro carbonioso nelle vie metaboliche dei
glucidi o lipidi.
Aminoacidi glucogenici: utilizzati nella gluconeogenesi.
Aminoacidi chetogenici: utilizzati nella chetogenesi.

Il distacco del gruppo aminico degli aminoacidi avviene per
transaminazione o deaminazione.
Transaminazione
Transaminazione = trasferimento
reversibile del gruppo aminico da un
aminoacido ad un α–chetoacido.
Il processo è catabolizzato dalle
transaminasi o aminotransferasi
(piridossal fosfato dipendenti).

Le aminotransferasi utilizzano un coenzima:
il piridossal fosfato (Vitamina B 6).
La parte del coenzima direttamente implicata
nella catalisi è il gruppo funzionale aldeidico
(-CHO), legato all’anello piridinico (in
posizione para).
Nelle cellule animali esistono specifiche aminotransferasi per la sintesi
di tutti gli aminoacidi che si trovano nelle proteine (eccetto la treonina
e la lisina), purché siano disponibili i corrispondenti chetoacidi.
NB: L’incapacità delle cellule animali di sintetizzare gli aminoacidi
essenziali deriva dall’incapacità di sintetizzare lo scheletro
carbonioso sotto forma dei corrispondenti α–chetoacidi.

Tutti gli enzimi che richiedono
il piridossal fosfato come
cofattore funzionano
formando una base di Schiff
tra l’amminoacido ed il
coenzima.
L’aldeide si condensa con il
gruppo aminico di un
aminoacido a dare un
intermedio costituito da una
base di Schiff, o aldimmina.
Si forma un legame tra il
coenzima ed il gruppo
aminico di un residuo di lisina
del sito attivo (parte reattiva).

Deaminazione
La deaminazione determina il definitivo distacco del gruppo aminico
degli aminoacidi, e può essere di tipo ossidativo e non ossidativo.
Deaminazione ossidativa
E’ catalizzata dalle aminoacido ossidasi: glutammato deidrogenasi; Laminoacido
ossidasi e D-aminoacido ossidasi.
Glutammato deidrogenasi: è presente esclusivamente nei mitocondri.
Le aminotransferasi citoplasmatiche sono più attive di quelle
mitocondriali e collezionano i gruppi aminici dei vari aminoacidi sull’
α-chetoglutarato formando glutammato.
Il glutammato viene trasportato nei mitocondri dove libera
ammoniaca nel processo di deaminazione ossidativa.

Glutammato
deidrogenasi
Distacco idrolitico
spontaneo
dell’ammoniaca.
La reazione è reversibile da
glutammato si forma α–chetoglutarato
distaccando ammoniaca (NAD +
dipendente), mentre la reazione inversa
è NADPH(H + ) dipendente.
La reazione dipende dal rapporto
[NAD + ]/[NADPH(H + )].
Quasi tutta l’ammoniaca che si
forma nell’organismo viene prodotta
in questa reazione.
Questo enzima è regolato
allostericamente:
Effettori positivi = ADP e GDP
Effettori negativi = ATP e GTP

Deaminazione non ossidativa
Serina e treonina
deidratasi (un unico
enzima); e cisteina
desulfidrasi: catalizzano la
deaminazione non ossidativa
della serina, treonina e
cisteina.
Sono piridossal fosfato dipendenti. In queste reazioni, la deidratazione
e la desulfidrilazione precedono la deaminazione idrolitica spontanea.

Transdeaminazione: accoppiamento della transaminazione con la
deaminazione.
Le aminoacido ossidasi flaviniche: catalizzano la deaminazione
ossidativa degli aminoacidi senza specificità per i singoli aminoacidi.
La deaminazione ossidativa produce ammoniaca e perossido di
idrogeno (H 2O 2) che viene decomposto dalla catalasi in H 2O ed
ossigeno.

Come può l’organismo incorporare
ammoniaca per toglierla dal circolo?
• Utilizza una forma di organicazione in
glutammina partendo da glutammato.
• L’ammoniaca arriva in circolo anche per
merito di ureasi batteriche sulle ammine
intestinali. Quando si accumula troppa
glutammina essa viene deaminata e perde
ammoniaca a favore della formazione di
Urea e la glutammina ridiventa glutammato.

Sintesi del glutammato
L’amminazione riduttiva dell’α-chetoglutarato in glutammato è
catalizzata dalla glutammato deidrogenasi.
Sintesi e demolizione della glutammina
La sintesi della glutammina è catalizzata dalla glutammina sintetasi
(ATP dipendente).
La glutammina ematica viene per la maggior parte utilizzata dai reni in
cui viene deaminata idroliticamente in ammoniaca ed acido
glutammico dalla glutamminasi.
L’ammoniaca (NH 3) si combina con i protoni (H + ) per formare ioni
ammonio (NH 4 + ) che vengono eliminati con le urine (è anche un
meccanismo renale per eliminare l’eccesso di H + ).

Visione globale del catabolismo degli amminoacidi

CI SONO ANCHE varie ammine provenienti dal metabolismo
Sia le monoamine che le diamine possono essere degradate per
deaminazione ossidativa da monoamine e diamine ossidasi.
Il meccanismo della deaminazione ossidativa è identico a quello degli
aminoacidi.
Due tipi di amine ossidasi:
1. amina ossidasi piridossal fosfato e rame dipendente
(citoplasmatica)
2. amina ossidasi FAD dipendente (membrana esterna dei mitocondri)

Destino metabolico dell’ammoniaca
L’ammoniaca liberata nella deaminazione degli aminoacidi e nel
catabolismo degli altri composti azotati è tossica allo stato libero.
L’organismo provvede ad incorporare l’ammoniaca, man mano che si
forma, in composti atossici (forma di trasporto e di preeliminazione).
Negli organismi ureotelici il prodotto terminale dell’ammoniaca è
l’urea. L’urea viene sintetizzata quasi esclusivamente nel fegato e
trasportata ai reni per l’escrezione.
La sintesi di urea parte dalla sintesi del
carbamilfosfato

Sintesi del carbamil fosfato
La reazione di sintesi si svolge nella matrice mitocondriale ed è
catalizzata dalla carbamil-fosfato sintetasi (dipendente da
ammoniaca; CPS-I).
Questa reazione utilizza la CO 2 prodotta nel ciclo di Krebs,
l’ammoniaca derivante dalla deaminazione ossidativa degli
aminoacidi e dal fosfato ceduto dall’ATP.
E’ una reazione complessa che si svolge in reazioni successive:

Ciclo dell’urea
Processo catalitico ciclico nel quale l’ammoniaca,
già attivata in forma di carbamil fosfato, viene
incorporata nell’urea.
L’ornitina serve da “trasportatore”, sul quale
vengono assemblati gli atomi di carbonio e azoto
che costituiranno l’urea.
L’ornitina viene sintetizzata a partire da
glutammato

Bianco: citoplasma
Arancione: mitocondrio
L’unica reazione del ciclo
dell’urea che avviene nei
mitocondri è quella
catalizzata dalla ornitina
transcarbamilasi: carbamil
fosfato + ornitina = citrullina.
La citrullina lascia il
mitocondrio e nel citoplasma
diventa il substrato del
successivo enzima del ciclo.
La sintesi di 1 molecola
di urea implica la spesa
di 4 P i derivanti da: 2
ATP trasformati in ADP
+ 1 ATP demolito in
AMP.

Il fumarato viene trasformato dalla fumarasi citoplasmatica in malato. Il
malato entra nella matrice mitocondriale e viene ossidato in
ossalacetato che viene transaminato in aspartato. Il fumarato fa da
“trait d’union” fra ciclo dell’urea e ciclo dell’acido citrico (Krebs).

Regolazione del ciclo dell’urea
Un fattore di regolazione è costituito
dall’attività della carbamil fosfato
sintetasi I (CPS-I), che è dipendente
dall’N-acetil-glutammato presente
nei mitocondri. La sua sintesi ad
opera di N-AcGlut sintasi è attivata
da Arginina

Un altro fattore è importante
per la regolazione del ciclo
dell’urea: la disponibilità di
quantità bilanciate di
carbamil fosfato nei
mitocondri e di aspartato nel
citoplasma.

Utilizzo degli amminoacidi per
altre vie biosintetiche
La traformazione o la interconversione dei
vari amminoacidi consente alla cellula di
produrre vari mediatori chimici e altre
molecole di importanza fondamentale. Gli
esempi che seguono ti servono per
consolidare la tua preparazione su questo
aspetto.

Nel citoplasma è presente una carbamilfosfato sintetasi dipendente
da glutammina (CPS-II) che catalizza la formazione del carbamil
fosfato a partire dalla glutammina (anziché dalla ammoniaca).
Il carbamil fosfato che si forma
nel citoplasma non viene
impiegato per la sintesi
dell’urea ma per quella dei
nucleotidi pirimidinici.

Il trasportatore dell’ammoniaca al fegato per l’urea è la
glutammina nella maggior parte dei tessuti, ma è l’alanina nel
muscolo.

Dopamina: intermedio
nella sintesi
dell’adrenalina
(neurotrasmettitore)
Serotonina:
vasocostrittore e
neurotrasmettitore
GABA:
neurotrasmettitore
Istamina: vasodilatatore
(partecipa ai processi
infiammatori)

Il metabolismo degli AA richiede nelle reazioni di
interconversione altri importanti cofattori:
BIOTINA
TETRAIDROFOLATO
S-ADENOSILMETIONINA
Tutti e tre sono coinvolti in reazioni di
trasferimento di Carbonio a diversi stati di
ossidazione:
BIOTINA per C +4 (Co2)
TETRAIDROFOLATO per C con numero di
ossidazione variabile da -2 a+2.
S-ADENOSILMETIONINA per C -3 (-CH3)

Cisteina
Formazione: gli
animali possono
ricavare la cisteina
dalla omocisteina e
dalla serina. Gli
enzimi che catalizzano
queste reazioni sono
piridossal fosfato
dipendenti, PLP).

Catabolismo: la principale via catabolica della cisteina consiste nella
sua ossidazione a piruvato.
Solfato