Metabolismo dei

composti azotati: aminoacidi e nucleotidi

Metabolismo degli aminoacidi

I composti azotati

•  L’azoto contenuto nella cellula è presente soprattutto negli AMINOACIDI delle proteine e nelle BASI AZOTATE degli acidi nucleici.

•  Queste sostanze sono sottoposte ad un continuo ricambio che vede un flusso costante in entrata attraverso gli alimenti e la sintesi endocellulare e in uscita attraverso il loro catabolismo in modo tale che il bilancio dell’azoto sia zero.

Metabolismo degli aminoacidi

•  A differenza dei carboidrati e dei lipidi, la cui principale funzione è quella di fornire energia, il ruolo principale degli aminoacidi è quello di partecipare a reazioni biosintetiche, in particolare la sintesi delle proteine.

•  Le proteine (gli aminoacidi) sono usate come fonte secondaria di energia. Infatti forniscono solo il 15% del fabbisogno energetico giornaliero complessivo nell’uomo adulto.

Pool di aminoacidi •  E’ di circa 100g, distribuito nell’organismo.

•  E’ piccolo a confronto con l’ammontare delle proteine dell’organismo (circa 18kg per un uomo di 70kg).

•  Il 75% degli aminoacidi attenuti dall’idrolisi delle proteine endogene (=dell’organismo) è riutilizzato nella biosintesi di nuove proteine.

•  L’azoto presente negli aminoacidi non viene utilizzato per scopi energetici e solo in piccola parte per la biosintesi delle basi azotate dei nucleotidi.

Turnover delle proteine •  Ammonta a circa 400g al giorno di proteine

dell’organismo che vengono costantemente degradate e risintetizzate.

•  La vita media (EMIVITA) varia molto da proteina a proteina.

•  Per es. le proteine che funzionano fuori dalle cellule (enzimi digestivi, proteine plasmatiche…) ed enzimi regolatori delle vie metaboliche hanno vite medie molto brevi (ore o giorni), mentre proteine strutturali (collagene, cheratina..) sono metabolicamente stabili ed hanno emivite lunghe (mesi o anni).

•  Proteine ricche in sequenze dette PEST (prolina, glutammato, serina e treonina) hanno vite medie brevi.

•  Proteine danneggiate per es. da ossidazioni o marcate con ubiquitina (piccola proteina intracellulare) sono preferenzialmente degradate.

Catabolismo delle proteine •  Gli aminoacidi derivano dalla demolizione delle

proteine cellulari, dalla degradazione delle proteine ingerite e dalla demolizione delle proteine del corpo in mancanza di sostanze nutrienti (come nel digiuno o nel diabete non controllato).

•  Le proteine assunte con la dieta sono digerite da parte degli ENZIMI PROTEOLITICI del tubo gastro-enterico. La maggior parte delle proteasi vengono sintetizzate sotto forma di zimogeni inattivi e successivamente attivati nello stomaco o nell’intestino mediante la rimozione proteolitica di parti della loro catena polipeptidica. Altre proteasi idrolizzano enzimi ed altre proteine presenti nella cellula.

Catabolismo degli aminoacidi •  Non esistono forme di deposito nell’organismo per gli

aminoacidi. •  Gli aminoacidi in eccesso rispetto alle necessità

biosintetiche delle cellule vengono immediatamente degradati.

•  Gli aminoacidi, oltre a C,H,O, contengono N che non può essere conservato nell’organismo e deve essere eliminato in forma non tossica. L’N viene eliminato dall’organismo attraverso le urine come:

•  UREA (86%) •  AMMONIACA (3%) •  CREATININA (5%) •  ALTRI PRODOTTI del metabolismo degli aminoacidi (6%)

•  L’N viene assunto dall’organismo in vari composti presenti nella dieta, ma i più importanti sono proprio gli aminoacidi contenuti nelle proteine della dieta.

•  Si distinguono 2 fasi nel catabolismo degli aa:

•  1a fase: RIMOZIONE DELL’α-AMINOGRUPPO mediante reazioni di transaminazione e di deaminazione ossidativa che trasformano l’aminoacido nel corrispondente α-chetoacido.

•  2a fase: TRASFORMAZIONE DELLO SCHELETRO CARBONIOSO dell’α-chetoacido in intermedi comuni delle vie metaboliche. Questi intermedi possono essere poi completamente degradati a CO2 e H2O con produzione di energia (ATP) oppure essere usati per produrre glucosio (→AMINOACIDI GLUCOGENETICI) o acidi grassi e corpi chetonici (da acetil-CoA: →AMINOACIDI CHETOGENETICI).

Rimozione dell’azoto dagli aminoacidi

•  Avviene mediante 2 tipi di reazione: •  TRANSAMINAZIONE •  DEAMINAZIONE OSSIDATIVA

Attraverso queste reazioni si ha la formazione di ammoniaca (NH3) e di aspartato che forniscono ciascuna un amino gruppo nella sintesi dell’urea (H2N-CO-NH2)

α-Transaminazione •  Consiste nel passaggio reversibile del gruppo amminico

legato al Cα da un aminoacido ad un chetoacido. L’aminoacido si trasforma nel chetoacido corrispondente e il chetoacido nell’aminoacido relativo.

•  Gli enzimi che catalizzano queste reazioni sono detti AMINOTRANSFERASI O TRANSAMINASI e usano come coenzima il piridossale-5’-fosfato (derivato della vitamina B6).

•  Queste reazioni sono usate anche per produrre aminoacidi dai corrispondenti chetoacidi.

•  La transaminazione avviene praticamente in tutti gli organi, nel citoplasma cellulare.

•  Le reazioni di transaminazione che portano alla sintesi di urea spostano il gruppo aminico degli aminoacidi da degradare all’α-chetoglutarato che così diventa glutammato:

•  Tra le transaminasi la più abbondante e importante è la GLUTAMMICO-PIRUVICO TRANSAMINASI detta anche ALANINA AMINOTRANSFERASI (GPT o ALT):

•  Parte del glutammato che si produce dalla reazione subisce un’altra reazione di transaminazione catalizzata dalla GLUTAMMICO-OSSALACETATO TRANSAMINASI o ASPARTATO AMMINOTRANSFERASI (GOT o AST) che sposta l’amino gruppo dal glutammato all’ossalacetato che diventa aspartato.

Valore diagnostico delle transaminasi

•  Le transaminasi sono enzimi intracellulari, la loro presenza a livelli elevati nel plasma indica un danno a carico di organi ricchi di questi enzimi (malattie del fegato come l’epatite, l’infarto del miocardio o malattie muscolari).

Deaminazione ossidativa •  Tramite questa reazione un aminoacido perde il gruppo

aminico (-NH2) sotto forma di ammoniaca (NH3) e si trasforma nel corrispondete α-chetoacido:

•  Importantissima è la deaminzione ossidativa reversibile del glutammato catalizzata dall’enzima glutammato deidrogenasi che utilizza NAD+ (→NADH) e avviene nei mitocondri:

Produzione e trasporto dell’ammoniaca

L’NH3 viene costantemente prodotto nei tessuti: •  Per deaminazione ossidativa degli aa •  Per degradazione di purine e pirimidine •  Per degradazione di neurotrasmettitori •  Per degradazione di altri composti azotati della dieta •  Per azione della flora batterica che degrada i composti

azotati presenti nel tubo gastroenterico liberando NH3

•  I livelli ematici di NH3 sono però bassi (NH3 è tossica, soprattutto per il cervello, perché aumenta il pH del plasma e consuma α-chetoglutarato e glutammato), grazie al fatto che l’NH3 viene convertita in un composto non tossico, la glutammina, e che il fegato la rimuove rapidamente trasformandola in urea.

•  Nei tessuti l’NH3 viene ceduta al glutammato che si converte in glutammina secondo la reazione catalizzata dalla glutammina sintetasi:

Glutammato + NH3 + ATP → glutammina + ADP + Pi

•  La glutammina rappresenta una forma non tossica di trasporto dall’NH3 verso il fegato (che la trasformerà in urea) o verso il rene (che la eliminerà nelle urine come NH3) dove avviene la reazione inversa catalizzata dalla glutamminasi, presente nei mitocondri.

•  Nel muscolo l’NH3 viene ceduta al piruvato per la sintesi di alanina, utilizzato come trasportatore di NH3 di piruvato al fegato. L’ NH3 viene escreta e il piruvato utilizzato per la sintesi di glucosio.

Produzione di ammoniaca

A. Di Giulio, A. Fiorilli, C. Stefanelli     Biochimica per le Scienze motorie    Copyright 2011 C.E.A. Casa Editrice Ambrosiana

Reazioni di assimilazione dell’ammoniaca e

principali destini dall’azoto.

CICLO DELL’UREA •  Poiché l’ammoniaca è molto tossica per i tessuti, gli

animali uretelici allontanano l’azoto aminico sotto forma di urea (H2N-CO-NH2).

•  L’UREA è prodotta solo nel fegato tramite il ciclo dell’urea che avviene in parte nella matrice mitocondriale e in parte nel citoplasma.

•  La reazione complessiva del ciclo è: 2NH+

4 + HCO-3 + 3ATP + H2O →

→ urea + 2ADP + 4Pi + AMP + 5H+

•  La sintesi di una molecola di urea consuma 4 legami fosforici ad alta energia ed è quindi un processo irreversibile .

Il ciclo dell’urea parte dal mitocondrio con una molecola di ione ammonio che viene attivata mediante trasformazione in un composto ad alta energia di idrolisi: il CARBAMILFOSFATO.

Questa reazione è catalizzata dalla CARBAMILFOSFATO SINTETASI 1 e richiede l’idrolisi di 2 ATP.

Il carbamilfosfato si combina con l’ornitina per formare citrullina che reagisce con l’aspartato (il secondo donatore di un amino gruppo) per dare argininosuccinato che rilascia arginina e fumarato.

L’arginina si decompone in urea e ornitina.

ornitina

Carbamil fosfato

citrullina

arginina

Arginina succinato

La regolazione del ciclo dell’urea avviene proprio a livello della carbamilfosfato sintetasi 1. Questo enzima richiede la presenza di un attivatore allosterico, l’N-acetilglutammato, che è un derivato del glutammato che rappresenta un segnale di abbondanza di aminoacidi.

Alcuni degli intermedi e sottoprodotti del ciclo dell’urea sono anche intermedi del ciclo di Krebs, creando un collegamento tra le 2 vie metaboliche.

Trasformazione dello scheletro carbonioso •  Il catabolismo dello scheletro carbonioso degli aminoacidi converge

nella produzione di 7 composti:

•  Acetil-CoA e acetoacetato (→ da aa. chetogenetici: possono essere utilizzati per la sintesi di corpi chetonici, acidi grassi e colesterolo ma non per la sintesi del glucosio)

• Piruvato, α-chetoglutarato, succinil-CoA, fumarato, ossalacetato (→ da aa glucogenetici: sono precursori del glucosio attraverso la gluconeogenesi)

• Tutti e 7 i composti possono dare luogo alla produzione di energia (ATP) mediante la loro completa ossidazione a CO2 e H2O

•  Gli aminoacidi sono precursori nella sintesi di altri composti:

•  Porfirine (gruppo eme dell’emoglobina e della mioglobina)

•  Creatina (deposito di energia nel muscolo, fosfocreatina)

•  Purine e pirimidine (basi azotate dei nucleotidi)

•  Neurotrasmettitori (noradrenalina, serotonina..) e ormoni (adrenalina…)

Biosintesi degli aminoacidi •  Nell’uomo 8 aminoacidi sono considerati ESSENZIALI:

essi non possono essere sintetizzati dall’organismo o sono sintetizzati solo in quantità insufficienti. Quindi devono essere assunti con l’alimentazione. (fenilalanina, isoleucina, lisina, leucina, metionina, treonina, triptofano e valina)

•  Gli aminoacidi NON ESSENZIALI possono invece essere sintetizzati da intermedi del metabolismo o da aminoacidi essenziali (alanina, aspartato, asparagina, cisteina, glutammato, glutammina, glicina, prolina, serina, tirosina).

•  Esistono poi reazioni di interconversione attraverso le quali molti aminoacidi possono essere trasformati uno nell’altro assicurando che tutti siano presenti nei rapporti ottimali per essere usati nella biosintesi proteica.

Catabolismo dei

nucleotidi

Catabolismo degli acidi nucleici •  Gli acidi nucleici DNA ed RNA sono idrolizzati

nei loro nucleotidi da cui vengono rimossi successivamente il gruppo fosfato e il ribosio.

•  Le basi azotate sono sottoposte ad una serie di reazioni con lo scopo di renderle più idrofiliche e quindi facilmente eliminabile con le urine

•  Le pirimidine sono degradate ad ammoniaca (urea), anidride carbonica e β-alanina o altri composti idrosolubili.

•  Le basi puriniche sono trasformate attraverso una serie di reazioni di deaminazione in acido urico.

Quesiti

1)  In quali forme viene eliminato N (azoto) dall’organismo e attraverso quale mezzo? 2)  Catabolismo degli aminoacidi: indicare in quali fasi si articola e darne una breve descrizione. 3)  Che cosa sono le Transaminasi? Quale e’ la loro funzione? Quali sono le transaminasi di importanza ai fini diagnostici? 4)  Da quali substrati si produce NH3 (ammoniaca)? In che forma viene eliminata dall’organismo? 5)  Che cosa costituiscono Glutammina ed Alanina nel metabolismo dell’azoto? 6)  Dove avviene il ciclo dell’urea e quale e’ la sua funzione? 7)  Quali sono I prodotti del catabolismo dello scheletro carbonioso degli aminoacidi? 8)  Elencare gli aminoacidi essenziali 9)  Quale e’ il prodotto finale del catabolismo delle basi puriniche?