Università di Roma Tor Vergata - Scienze della Nutrizione Umana
Biochimica della Nutrizione
Prof.ssa Luciana Avigliano
2011
PROTEINE ed AMMINOACIDI:
RUOLO METABOLICO E
NUTRIZIONALE
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 è quindi ossidato da altri batteri a
nitrato NO3– .
II. Le piante sono in grado di utilizzare NO3– con produzione di
NH4+, che è quindi incorporato nei composti organici azotati
(punto d’ingresso glutammato e glutammina)
III. Gli animali assumono composti organici azotati (amminoacidi)
Fonte primaria di azoto:
amminoacidi forniti dalle proteine
alimentari
Funzioni degli L-α-amminoacidi
Substrati per la sintesi proteica
20 a.a - con codone - riconoscimento via tRNA
21 a.a. selenocisteina - seril-tRNA --> Se-cisteinil tRNA
più numerosi in seguito a modificazione post-sintetica
idrossiprolina
N-metil istidina
acido γcarbossiglutammico
Componenti di peptidi
glutatione (GSH) γGlu-Cys-Gly
Intermedi metabolici
ornitina
Fonte energetica
a.a. glucogenici, a.a. chetogenici
Regolatori del turnover proteico
Trasporto di azoto
leucina, glutammina
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, triptofano, tirosina, glutammato
ormoni, neurotrasmettitori, ammine di interesse farmacologico
Tiroxina, adrenalina
tirosina
Taurina
cisteina (sali biliari, neuromodulatore)
Glucosammina
glutammina (amminozuccheri)
Ossido nitrico (NO)
arginina (vasodilatatore, inibisce aggregazione piastrinica)
Niacina
triptofano (1mg vit equivale a 60 mg a.a.)
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
* possono essere ottenuti per transaminazione
dai rispettivi α-chetoacidi
gli altri tre vanno introdotti come tali
AMMINOACIDI NON ESSENZIALI
semi-indispensabili risparmiano i precursori essenziali
tirosina (sintetizzata da fenilalanina)
cisteina (sintetizzata da metionina)
condizionatamente essenziali
glicina, serina, prolina, glutammina, arginina
possono non essere sufficienti in alcuni stati particolari quali
infezioni, traumi, bambini prematuri, ..
non essenziali
alanina, aspartato, asparagina, glutammato
Le reazioni di transaminazione, reversibili, permettono
di ridistribuire il gruppo NH3 fra gli amminoacidi
Vanno comunque integrati con la dieta e l’apporto deve
essere bilanciato in quanto:
- Il pool di amminoacidi non è totalmente riutilizzabile
- NH3 principalmente prodotto di rifiuto, anche se vi è un
riutilizzo limitato a riformare amminoacidi
FLUSSO GENERALE
α-amminoacidi
α -chetoacidi
O
O
II
II
TRANSAMINAZIONE
–
C – O–
C
–
O
piridossalfosfato (vit B6)
I
I
H – C – NH3
H–C=O
I
I
R
R
α -chetoglutarato
glutammato
+ NADH
DEAMINAZIONE
+ NAD
OSSIDATIVA
NH2
C=O
NH2
NH3
CO2
UREA
BIOSINTESI DEGLI AMMINOACIDI NON ESSENZIALI
piruvato alanina
ossalacetato aspartato (+ glutammina) asparagina
α-chetoglutarato glutammato + (NH3) glutammina
glutammato prolina, arginina
3-fosfoglicerato serina glicina
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
metionina cisteina
La velocità di sintesi può non essere sufficiente
malati, stress, neonati a basso peso, ustionati,
Ammoniaca può essere in parte riutilizzata
α -chetoglutarato + NH4+ glutammato
glutammato + NH4+ + ATP glutammina + ADP + Pi
NH4+ + CO2 + folato glicina
Urea può essere ritrasformata in ammoniaca dalla microflora
intestinale: non è chiaro l’eventuale contributo
“perdita obbligatoria di azoto”
con le urine
Urea
10 - 30 g/die
NH3
0,4-1,2
dipende quantità proteine alimentari
g/die dipende equilibrio acido-base
Amminoacidi 0,3 -1,2
g/die
Acido urico
0,2-0,7
g/die dipende dalla dieta
Creatinina
0,3-0,8
g/die dipende dalla massa muscolare (indice
del turnover proteico del muscolo)
secrezioni intestinali, turnover enterociti, desquamazione pelle, …
NH3 deriva dal catabolismo degli
amminoacidi
basi puriniche (tramite deaminasi)
basi pirimidiniche
metabolismo della catena carboniosa degli amminoacidi
Lo scheletro carbonioso fornisce energia attraverso l’interazione
con la via glicolitica ed il ciclo di Krebs
In condizioni fisiologiche esiste una relazione tra il livello dei
carboidrati nella dieta ed il metabolismo degli amminoacidi
Aumenta quando l'apporto di energia è sufficiente ma viene
fornito da proteine a scapito dei carboidrati e dei lipidi
La sua efficienza (molecole di ATP prodotte) è inferiore rispetto alla
degradazione degli altri due substrati (carboidrati e lipidi):
- non tutto lo scheletro carbonioso degli amminoacidi è soggetto ad
ossidazione
- la formazione di urea (il prodotto finale del catabolismo azotato)
richiede il consumo di 3 molecole di ATP
in giallo
a.a ⇒ glucosio
in celeste
a.a. ⇒ corpi chetonici
in rosa
a.a. ⇒ glucosio e corpi chetonici
arginina, glutammina,
istidina, prolina
glicina, alanina,
serina, cisteina,
isoleucina
glutammato
piruvato
propionil~CoA
isocitrato
triptofano
leucina
acetil-CoA
isoleucina
citrato
acetoacetil-CoA
ossalacetato
leucina
lisina
fenilalanina
tirosina
malato
asparagina, aspartato
α-chetoglutato
biotina
B12
succinil~CoA
succinato
fumarato
fenilalanina
tirosina
valina
metionina
treonina
formazione di acidi non volatili dal catabolismo di
a.a. solforati,
metionina, cisteina SO42fosfoproteine fosfati
fosfolipidi
acidi grassi e glucosio
acetoacetato, β-idrossibutirrato, lattato
acidi nucleici
basi puriniche urati
nutrienti con anioni inorganici (superiori alla quantità di cationi
inorganici)
Richiede l’escrezione di un catione NH4+ (fornito dalla
glutammina) per permettere all’organismo di conservare
cationi quali Na+, K+, Ca2+,
dieta ricca in proteine genera acidi non volatili
PROTEINE
Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico
Proteine
della dieta
digestione
Quota dei derivati non proteici
minoritaria e non si calcola nel
bilancio azotato;
ma quota significativa in
condizioni di privazione di
proteine
degradazione
sintesi
proteine corporee
Amminoacidi
N
C
Derivati non
proteici
glucosio,
glicogeno
NH3
urea
intermedi del
Ciclo di Krebs
CO2 + energia
acidi grassi
trigliceridi
bilancio di azoto o bilancio proteico: dipende dalla somma
delle velocità di entrata ed uscita dal pool di amminoacidi liberi
a
PROTEINE ALIMENTARI
POOL AA
b
d
PROTEINE CORPOREE
c
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
I sistemi enzimatici deputati al metabolismo di proteine ed
amminoacidi sono regolati da meccanismi adattativi
:
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 perdità 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), 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)
da alcuni ormoni (insulina, glucocorticoidi, ormoni tiroidei,
ormone della crescita, citochine)
ORGANISMO
Ricambio giornaliero
1-2% proteine totali
Amminoacidi
70-80% riutilizzati
20-30% metabolizzati
Proteine dalla dieta
Proteine metabolizzate
70 grammi/giorno
250 grammi/giorno
% ricambio
muscolo 30-50%
fegato 25%
leucociti
emoglobina
diversa emivita
pochi minuti: proteine regolatorie
300 giorni: collageno
SISTEMI DI PROTEOLISI
ATP-indipendente LISOSOMIALE contribuisce per il 15%
Enzimi: catepsine, attive a pH 5, non selettive
-proteine extracellulari (via endocitosi)
- proteine di membrana
- proteine intracellulari a lunga vita
-organelli danneggiati (es mitocondri)
autofagia - indotta nel digiuno
o in carenza di a.a.
(per bassi livelli di insulina)
ATP-dipendente CITOSOLICO- sistema ubiquitina proteasoma
selettivo
- proteine a vita breve
- proteine regolatorie
- proteine difettose (neo -sintetizzate - errori nella sintesi o ripiegamento
sbagliato; invecchiate)
Ca-dipendente CITOSOLICO
sistema calpaina (enzima)- calpastatina (inibitore)
idrolisi parziale di miofibrille - via regolatoria più che digestiva
coinvolto in processi cellulari quali proliferazione, motilità, ….
Premio Nobel 2004
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
- sequenze PEST
prolina (P)-glutammato (E)-serina (S)-treonina (T)
- amminoacido N-terminale destabilizzane qual
Met, Tyr, Trp, Leu Glu, Gli, Glu
- proteina danneggiate per ossidazione
(ROS, Fe+2)
La proteina marcata va al proteasoma
Proteine regolatorie per il
riconoscimento e selezione di
protine ubiquitilinate
subunità
7α
grossa struttura polimerica
Proteine degradate in
modo progressivo dalle
subunità catalitiche β
Attività tipo chimotripsina
a.a. idrofobici
Attività tipo tripsina
a.a. basici
Attività per a.a. acidi
7β
7β
7α
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-α, IL-1, IL-6
Degradazione delle proteine via proteasoma
Aumenta
digiuno a breve termine
diabete
ipertiroidismo
Iperfunzione ghiandole surrenali
immobilizzazione (nel muscolo attivo aumenta la sintesi di proteine
e cala la degradazione)
malattie neuromuscolari
trauma
cancro
infezioni
Diminuisce
assunzione di glucidi ed azione dell’insulina
digiuno prolungato
Adattamenti metabolici nelle condizioni di digiuno
L’adattamento dell’organismo al digiuno costituisce uno degli esempi
più tipici di adattamento metabolico.
Gli adattamento metabolici al digiuno sono continui ma si possono
schematicamente suddividere in diversi periodi in base al tipo di
substrato energetico maggiormente usato
Digiuno fisiologico notturno
Digiuno prolungato
Prima fase inizia 10-12 ore dall’ultimo pasto ed occupa le due giornate
dall’ultimo pasto
Seconda fase dura circa 3 settimane
Terza fase che si protrae fino ad esaurimento delle scorte lipidiche
Fasi del digiuno in base alle modalità di approvvigionamento di glucosio
FASE DI
ADATTAMENTO
AL DIGIUNO
Digiuno breve
programma adattativo per favorire il risparmio di glucosio
a spese della degradazione di proteine
(sotto controllo di insulina e glucagone)
• mobilizzazione di proteine muscolari che vanno a fegato;
a.a. usati come fonte energia e gluconeogenesi (aumenta
l’escrezione di azoto urinario)
• il basso livello di insulina inibisce la captazione di glucosio
dal muscolo (glucosio risparmiato per il cervello)
• fegato: calo della attvità della piruvato deidrogenasi (piruvato
acetilCoA) per preservare i precursori della
gluconeogenesi
• inizio ossidazione acidi grassi e formazione corpi chetonici
Digiuno prolungato
Dopo giorni di digiuno si ha un programma adattativo per
conservare proteine muscolari e cellulari ed a.a essenziali che
altrimenti si esaurirebbero rapidamente.
Effetti mediati da ulteriore calo di insulina ed aumento di glucacone; inoltre
calo degli ormoni tiroidei con conseguente calo della degradazione proteica
da parte di lisosomi e proteasoma
• uso dei corpi chetonici che riducono la gluconeogenesi, necessaria per
obbligatoriamente glicolitici (globuli rossi, midollare del surrene)
• riduzione della sintesi proteica; inibizione del proteolisi cellulare e della
ossidazione degli a.a; si riflette in un calo drastico dell’ N urinario
• riduzione del consumo di ossigeno e del metabolismo basale per calo di
sintesi delle proteine mitocondriali coinvolte nella fosforilazione ossidativa
Fase finale esauriti i grassi di riserva, ricomincia l’utilizzo delle proteine
muscolari e delle proteine corporee, sostenibile per breve tempo; poi
sopraggiunge la morte
iponutrizione prolungata in energia e proteine
ha punti in comune con il digiuno, con ridotto turnover
di proteine e diminuita ossidazione degli a.a.
Diminiscono i livelli di albumina; il fegato utilizza gli
a.a. per proteine più vitali
Il livello ematico di albumina viene spesso usato
come indicatore dello stato nutrizionale
(anche se è influenzato da altri fattori)
Depressione del sistema immunitario
Calo di immunoglobuline e linfociti
(anch’essi indicatori dello stato nutrizionale)
Perdita di proteine in cancro, infezioni, traumi,
ustioni,..
A differenza del digiuno, dove diminuisce la richiesta
energetica, queste condizioni sono ipermetaboliche e non
vi è adattamento all’uso dei corpi chetonici:
Gli a.a. continuano ad essere usati come fonte energetica
per dare glucosio
RICERCA deve
- capire come il metabolismo proteico è alterato in una
particolare patologia
- capire come funzionano i geni che regolano il differenziamento
muscolare
- sapere come intervenire a livello nutrizionale
Fabbisogni
Determinati in base a studi sul bilancio azotato a breve
e lungo termine condotti in presenza di adeguato
importo calorico
LARN:
identificano il livello di sicurezza per una determinata
fascia di popolazione
LARN 1996
FABBISOGNO PER IL MANTENIMENTO
ADULTO(dai 19 anni) e ANZIANO: stesso fabbisogno per M e F
Calcolati 0,6 g /kg di peso/die
Applicando correzioni per variabilità individuale che tiene conto
- composizione corporea
- capacità funzionale
- introito energetico totale si arriva al valore di
0,75 g/kg di peso desiderabile/die
per proteine di elevata qualità biologica
forniscono 10-15% della quota calorica giornaliera
popolazione italiana alta quota di proteine vegetali, si stabilisce
0,95 g/kg di peso /die
Valore più alto nei vegetariani stretti: quota maggiore di proteine
vegetali per assicurare l’assunzione adeguata di a.a. essenziali
STESSO VALORE PER ADULTO ED ANZIANO
valore più elevato di quello del giovane adulto se riportato per unità di
massa corporea magra,
ma si deve tenere presente che di regola nell’anziano si verifica una
diminuzione nell’efficienza dei processi di assorbimento e metabolici.
FABBISOGNO PER IL “MANTENIMENTO e ACCRESCIMENTO”
GRAVIDANZA + 6 g proteine/die
anche se il ritmo di accumulo non è costante: medio = 3,3 g/die
ALLATTAMENTO +17 g/die
secrezione media giornaliera di latte 800 ml con 8-10g proteine /litro
