Gli a.a. oltre ad essere i
costituenti delle proteine
giocano numerosi ruoli
metabolici: precursori di
ormoni, vitamine, coenzimi,
porfirine, pigmenti e
neurotrasmettitori
L’esistenza di 20 a.a.
nelle proteine comporta
l’esistenza di 20 vie
cataboliche e altrettante
vie biosintetiche
Fissazione
dell’azoto
Nella Biosfera viene
mantenuto un un
equilibrio tra l’azoto
totale inorganico e
quello organico
Poiché pochi
organismi
possono
utilizzare l’N2
presente
nell’aria, molti
suoli sono poveri
di nitrati, la
biodisponibilità
dell’azoto limita
la crescita della
maggior parte
degli organismi
Tutti gli organismi hanno in comune un numero
limitato di vie metaboliche che utilizzano l’azoto
inorganico come NH3. L’ammoniaca in
concentrazioni elevate è assai tossica ma a livelli
più bassi è un metabolita chiave perchè substrato
di 5 reazioni che lo convertono in prodotti organici.
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Tutti gli organismi assimilano ammoniaca che
porta alla sintesi di : GLUTAMMATO,
GLUTAMMINA, ASPARAGINA E CARBAMMILFOSFATO
Negli animali la
glutammina è la
principale fonte
di azoto per la
sintesi delle
pirimidine
GLI ORGANISMI SI DIFFERENZIANO AMPIAMENTE NELLA
LORO CAPACITÀ DI SINTETIZZARE A.A.
Molti batteri sintetizzano
tutti gli a.a. partendo da
una singola fonte
d’azoto come l’ NH3
anche se a volte
preferiscono adoperare
un a.a. preesistente
I mammiferi sono capaci di
sintetizzare circa metà dei 20 a.a.
Quelli non sintetizzabili, A.A.
ESSENZIALI, devono essere
assunti con l’alimentazione.
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Carboidrati e lipidi possono essere metabolizzati
completamente a CO2 e H2O, così non è per gli a.a. ed altri
composti azotati. Poiché la disponibilità di N è limitata e la
degradazione dei composti azotati da spesso origine a prodotti
tossici, per quanto riguarda il catabolismo degli amminoacidi
incontreremo alcuni NUOVI PRINCIPI METABOLICI
Mentre i carboidrati e i lipidi possono essere immagazzinati non
esiste NESSUN COMPOSTO AZOTATO POLIMERICO la cui
funzione sia quella di essere accumulato o rilasciato su richiesta
A causa della limitata quantità d’azoto
utilizzabile, gli animali devono ripristinare
le molecole mediante la dieta per
rimpiazzare quelle perdute con la catalisi.
Quando le proteine introdotte con
l’alimentazione risultano insufficienti,
proteine corporee, costruite per altri scopi,
vengono degradate senza essere rimpiazzate.
Un adulto ben nutrito è in EQUILIBRIO DI AZOTO o possiede
un NORMALE BILANCIO DELL’AZOTO
50-100 grammi
assunzione giornaliera
A.A.
essenziali
DIETA
V1 = V2
V1
AZOTO
V2
CATABOLISMO
catabolismo
A.A.
insufficienti
SINTESI
Proteine corporee
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Negli adulti sani la quantità di proteine
resta costante
V di formazione = V di di degradazione
VITA BREVE min. od ore, prot. regolatrici
o non correttamente ripiegate
VITA MEDIA alcuni giorni, la maggior
parte delle proteine
VITA LUNGA mesi o anni, proteine
strutturali come il collagene
Meccanismo
ubiquitina-proteosoma
proteine endogene
Enzimi degradativi
nei lisosomi
proteine
extracellulari
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Prima tappa del
catabolismo degli a.a. è
il trasferimento del
gruppo aminico
all’α-chetoglutarato
Nel citoplasma delle cellule animali esistono diverse
e specifiche transaminasi per il catabolismo degli
amminoacidi, eccetto la treonina e la lisina i cui
gruppi aminici sono staccati per deaminazione.
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ALT
Ciascuna transferasi è
specifica per il donatore
di gruppi aminici
AST
GPT
GOT
Tutte le aminotransferasi
richiedono come coenzima il
PIRIDOSSALFOSFATO
(derivato della vit.B6)
Uno o più
substrati vengono
rilasciati dal
complesso prima
che tutti i
substrati si siano
legati
Reazioni a ping-pong
In queste reazioni i reagenti non
si incontrano mai sulla superficie
dell’enzima
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Le reazioni di transaminazione hanno costanti di equilibrio
vicino all’unità. Quindi la transaminazione può essere
utilizzata non solo per la degradazione degli a.a. ma anche per
la sintesi degli a.a. che si accumulano in eccesso rispetto al
fabbisogno.
Questo processo è importante non solo
per rifornire intermedi del ciclo
dell’acido citrico ma soprattutto
costituisce una via di
RIDISTRIBUZIONE dell’azoto
aminoacidico. La transaminazione
utilizza l’azoto del glutammato per
sintetizzare gli aminoacidi non
essenziali
Nelle cellule animali esistono
specifiche tr ansaminasi per la
sintesi e il catabolismo di tutti gli
amminoacidi che si trovano nelle
proteine (eccetto la treonina e la
lisina) purché siano disponibili i
corrispondenti α-chetoacidi. Quindi
l’incapacità delle cellule animali di
sintetizzare la maggior parte delle
degli a.a. essenziali deriva
dall’incapacità di sintetizzare lo
scheletro carbonioso sottoforma dei
corrispondenti α-chetoacidi.
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Catabolismo
dello
scheletro
carbonioso
Catabolismo
dell’azoto
FEGATO
animali ammoniotelici
invertebrati acquatici
Animali ureotelici
vertebrati terrestri
Animali uricotelici: uccelli e rettili
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Comune sia al catabolismo dell’azoto che al catabolismo
dello scheletro carbonioso degli aminoacidi
transamminasi
Il risultato è quello di raccogliere i gruppi amminici che
derivano da diversi amminoacidi di tutte le cellule
dell’organismo in un unico composto: L-glutammato
Il glutammato è poi trasformato in glutammina
che trasporterà così due gruppi aminici
attraverso il sangue fino al fegato dove saranno
eliminati come UREA
Porta alla sintesi di glutammina
a partire da a. glutammico
attraverso un intermedio
fosforilato
Negli animali è un composto
chiave nella detossificazione
dell’ammoniaca che deriva dal
catabolismo degli aminoacidi,
soprattutto nel cervello
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IL MUSCOLO CHE RICAVA LA MAGGIOR
PARTE DELL’ENERGIA DAL GLUCOSIO ,
ADOPERA L’ALANINA COME
TRASPORTATORE DI GRUPPI AMINICI
MUSCOLO IN ATTIVITÀ ANAREOBIOTICA
trasforma il glucosio in lattato e
gli aminoacidi in alanina
Il ciclo del glucoso-alanina e il
ciclo di Cori realizzano una
economia energetica
La reazione funziona in entrambe le direzioni
anche se il ruolo catabolico è predominante.
La GLUTAMMATO DEIDROGENASI è presente
solo nella matrice mitocondriale ed è un
enzima allosterico costituito da 6 unità
identiche.
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NELLA DEGRADAZIONE LA TRANSAMMINASI
LAVORA IN CONCERTO CON LA GLUTAMMICO
DEIDROGENASI
E NON SOLO
Processo netto è la deaminazione di un
aminoacido e la formazione del chetoacido
corrispondente con produzione di ammoniaca.
Dopo che è stato rimosso l’azoto lo scheletro
carbonioso può procedere verso l’ossidazione
nel ciclo di Krebs oppure essere utilizzato per
la biosintesi dei carboidrati, in dipendenza
dallo stato fisiologico dell’organismo
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Le vie di sintesi degli
aminoacidi e dei nucleotidi
hanno in comune la necessità
di disporre di AZOTO
Poiché i composti azotati non
sono abbondanti in natura sia
gli a.a che i nucleotidi formati
durante il turnover
metabolico sono spesso
salvati e riutilizzati
L’ammoniaca generata per via biosintetica dall’azoto
molecolare o dagli ossidi di azoto viene successivamente
inserita in un grande numero di metaboliti a basso peso
molecolare.
Il punto d’ingresso dell’azoto per la sintesi degli
aminoacidi è rappresentato dal GLUTAMMATO e dalla
GLUTAMMINA
Glutammato è mantenuto ad alte concentrazioni
attraverso le transaminasi
transamminasi
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Glutammico deidrogenasi
L’equilibrio della
r e a z i o n e
favorisce i
reagenti: la Km
per l’NH4 è
talmente elevata
(1mM) che la
reazione da solo
un modesto
c o n t r i b u t o
all’assimilazione
dell’ammoniaca.
È il donatore di azoto in molte reazioni biosintetiche.
L’azoto amidico della glutammina è il precursore diretto
di alcuni degli atomi di azoto dell’anello purinico e
pirimidinico.
I mammiferi sono in grado di
produrre solo metà dei venti
a.a. ( a.a. non essenziali) gli
altri devono essere
recuperati dal cibo (a.a.
essenziali).
Tutti gli a.a., non essenziali,
derivano da intermedi della
glicolisi, del ciclo di Krebs o
della via del pentoso fosfato.
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*
*
Possono
essere
suddivisi in
sei famiglie a
seconda del
loro
precursore
metabolico
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Qualunque
sia la fonte
di NH4+,
presente nei
mitocondri
del fegato,
viene
utilizzata
insieme alla
CO2 che si
forma dal
ciclo
dell’acido
citrico
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Il ciclo inizia
all’interno dei
mitocondri ma tre
Nella matrice dei mitocondri
tappe avvengono nel
citosol cellulare
Ciclo dell’acido citrico
Carbamil fosfato sintetasi 1
forma mitocondriale diversa da
quella citosolica che serve per
la sintesi delle pirimidine
CARBAMIL FOSFATO
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gli enzimi di
questa via tendono
ad essere
raggruppati in
complessi
multienzimatici
Argininosuccinato
sintetasi
Ornitina
transcarbamilasi
Argininosuccinato
liasi
arginasi
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Ciclo
dell’urea
Ciclo di Krebs
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Il flusso di azoto attraverso
il ciclo dell’urea varia con
la composizione della dieta
La sintesi degli enzimi del ciclo
aumenta con : DIETA RICCA DI
PROTEINE o DURANTE UN
DIGIUNO PROLUNGATO
Nelle piante e nei
microrganismi
catalizza la prima
tappa di sintesi de
novo di arginina dal
glutammato
REGOLAZIONE
A BREVE
Enzima
TERMINE
allosterico
2NH +4 + HCO3- + 3ATP + H2O
urea + 2ADP + 4Pi + AMP + 5H +
Ogni giro vengono consumate 4 molecole di ATP.
Una alimentazione estremamente ricca di proteine porta ad
uno spreco di energia
Conversione
di
ossalacetato Rigenerazione
di ossalacetato
in fumarato
(via
aspartato)
RIDUZIONE DEL
COSTO ENERGETICO
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10, 15% dell’Energia totale
20 processi
Catabolici
che
convergono
verso la
formazione di
5 prodotti
Metaboliti del
ciclo
dell’acido
citrico
a.a CHETOGENICI per la loro capacità di formare corpi
chetonici particolarmente evidente nel diabete mellito non
controllato
a.a.
GLUCOGENICI per
la loro capacità di
dare origine ai
precursori del
glucosio
Triptofano,
fenilalanina ,
tirosina ed
isoleucina
sono sia
glucogenici
che
chetogenici
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L’attività glutammina
sintetasica è
altamente regolata in
tutti gli organismi
INIBIZIONE ALLOSTERICA
Ogni inibitore
promuove una
inibizione parziale
dell’enzima, l’effetto
combinato è sempre
più attivo. Se tutti gli
8 inibitori agissero
insieme avremmo una
completa inibizione
dell’attività
enzimatica
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