Biochimica

AMMINOACIDI

Gli amminoacidi sono molecole organiche che recano sia un gruppo carbossilico che un gruppo amminico legati

catena laterale (gruppo R)

allo stesso atomo di carbonio (il carbonio alpha). Si differenziano tra loro per la che si

differenzia per struttura, dimensioni e carica e quindi influenza anche la solubilità dell’amminoacido nel’acqua.

Tutte le molecole amminoacidiche sono molecole chirali, il carbonio alpha infatti lega sempre quattro sostituenti

diversi (ad eccezione della glicina nella quale il gruppo R è rappresentato da un’altro H). A causa della

disposizione tetraedrica degli orbitali di legame, i quattro gruppi possono disporsi nello spazio in due modi

diversi e quindi per ogni amminoacido sono possibili due stereoisomeri che risultano essere enantiomeri perchè

sono immagini speculari non sovrapponibili.

E’ stato sviluppato un sistema di nomenclatura per speficare la configurazione assoluta dei quattro sostituenti

sistema D,L

degli atomi di carbonio asimmetrici, attraverso il basato sulla configurazione assoluta dello zucchero

gliceraldeide.

a tre atomi di carbonio più semplice: la Per tutti i composti chirali, gli stereoisomeri che hanno

configurazione correlata alla L-gliceraldeide sono designati con la lettera L e viceversa per la D. E quindi, nel

caso degli amminoacidi, per esempio per i gruppi funzionali della L-alanina avremo che il gruppo carbossilico

occupa la stessa posizione intorno all’atomo di carbonio del gruppo aldeidico della L-gliceraldeide in quanto il

gruppo aldeidico può essere facilmente ossidato a carbossilico. Non tutti gli L-amminoacidi sono levogiri quindi è

importante non fare confusione con le proprietà ottiche della molecola.

gruppo carbossilico uno amminico

Dal momento che gli a-a possiedono sia un che possono essere rappresentati

forma covalente, forma

attraverso la quindi con i gruppi amminco e carbossilico non ionizzati, e attraverso la

zwitterionica, a valori di pH intermedio, dove avremo NH3+ e COO- (uno ione dipolare, avviene una reazione

acido-base per formare un sale interno). residui

per si intende la perdita di una molecola di acqua quando

I residui amminoacidici nelle proteine (dove stereoisomeri L

avviene il legame tra due amminoacidi) sono tutti perchè le proteine sono sintetizzate da enzimi

stereospecifici che inseriscono solo L a-a nella catena polipeptidica.

AMMINOACIDI

5 classi pricipali

I gruppi amminici vengono raggruppati in in relazione alle proprietà dei loro gruppi, mettendo in

evidenza la loro polarità ovvero la tendenza ad interagire con l’acqua a pH fisiologico (intorno a 7). Abbiamo

quindi gruppi R con polarità molto variabile da quelli non polari e idrofobici (quindi insolubili in acqua) a quelli

altamente polari e idrofilici (solubili in acqua).

Abbiamo quindi:

- GRUPPI R ALIFATICI NON POLARI: glicina

rappresentati da la cui minuscola catena laterale tuttavia non

alanina, prolina

contribuisce alla formazione di interazioni idrofobiche, che presenta una caratteristica struttura

valina, leucina, isoleucina metionina

ciclica, la e che contiene zolfo.

- GRUPPI R AROMATICI fenilalanina tirosina

(relativamente non polari, idrofobici): meno polare, il cui gruppo

triptofano

ossidrilico può formare legami ad idrogeno, che risulta più polare per la presenza dell’atomo di azoto

nell’anello indolico.

- GRUPPI R POLARI NON CARICHI (idrofilici e quindi molto solubili in acqua): questo gruppo comprende la

serina, treonina, cisteina, glutammina.

la la l’asparagina e la

- GRUPPI R CARICHI POSITIVAMENTE (basici): sono i più idrofilici e presentano una carica netta positiva a pH

lisina,

7,0 e comprendono la l’arginina e l’istidina.

- GRUPPI R CARICHI NEGATIVAMENTE (acidi): con carica negativa netta a pH 7,0 come per esempio l’aspartato

glutammato.

e il amminoacidici non comuni,

Le proteine possono contenere residui formati per modificazione chimica di residui

4-idrossiprolina

già incorporati in un polipeptide, che tuttavia assumono funzioni importanti come: la che deriva

5-idrossilisina,

dalla prolina e si trova nelle proteine della parete cellulare delle cellule vegetali e poi, insieme alla 6-N-metillisina

che deriva dalla lisina, si trovano nel collagene, proteina fibrosa del tessuto connettivo. Oppure la gamma-

che si trova nella miosina, la proteina contrattile del muscolo. Un altro importante a-a non comune è il

carbossiglutammato presente nella prototrombina, proteina che partecipa al processo di coagulazione del

desmosina

sangue e in altre proteine che legano il calcio. O ancora la presente nella proteina fibrosa elastina e

così via… AMMINOACIDI

gli amminoacidi perdono il loro gruppo amminico

Durante l’ossidazione questi e gli a-chetoacidi che si formano

vengono ossidati ulteriormente ad CO2 e acqua. Il loro scheletro carbonioso può produrre unità di 3/4 atomi di

carbonio che verranno utilizzati per diversi scopi.

Il gruppo amminico non viene utilizzato solo per scopi energetici. Infatti solo in parte viene utilizzato nella sintesi

biosintetica delle basi azotate di nucleotidi, mentre la maggior parte viene eliminato sottoforma di ammoniaca,

acido urico o urea (nei mammiferi). rimozione del gruppo -NH2

La prima tappa dell’ossidazione degli amminoacidi è la che si verifica ad opera di

TRANSAMINASI AMMINOTRANSFERASI.

enzimi detti o In questa reazione il gruppo amminico viene trasferito

all’atomo di carbonio alfa dell’alfa-chetoglutarato generando un alfa-chetoacido. Mentre alfa chetoglutarato si è

trasformato in L-glutammato. Il risultato delle reazioni della transaminazione è quello di usare un unico composto,

L-glutammato per raccogliere gruppi amminici anche di diversi amminoacidi. Esso diventa poi il donatore del

gruppo amminico per le reazioni successive o di biosintesi o di eliminazione dei prodotti azotati di scarto.

piridossal-fosfato,

Tutte le amminotrasferasi hanno lo stesso gruppo prostetico, il la forma coenzimatica della

vitamina (B6) piridossina che si trova legato covalentemente ad un gruppo amminico di un residuo di lisina.

Questo agisce come un trasportatore di gruppi amminici.

***Le transaminasi sono un esempio di enzimi che catalizzano reazioni bimolecolari a ping-pong. Il primo

substrato (l’amminoacido) si lega al sito attivo dell’enzima, rilascia il gruppo amminico che si lega al piridossal-

fosfato e si allontana sottoforma di alfachetoacido. Il secondo substrato (l’alfa-chetoglutarato) si lega al sito attivo

e accetta il gruppo amminico separandosi dall’enzima sottoforma di amminoacido.

Successivamente i gruppi amminici devono essere rimossi dal glutammato per poter essere escreti. Questa

nei mitocondri degli epatociti

reazione avviene dove il glutammato va incontro a deamminazione ossidativa

L-glutammato-deidrogenasi

catalizzata dalla che provoca la rimozione di uno ione ammonio e la

NAD+

contemporanea ossidazione dell’atomo di carbonio a cui era legato. L’enzima richiede come accettore di

elettroni. TRANSDEAMINAZIONE.

L’azione combinata delle amminotrasferasi e della glutammato deidrogenasi viene detta

L’alfa-chetoglutarato che si ottiene dalla deaminazione può essere usato nel ciclo dell’acido citrico oppure per la

sintesi del glucosio. AMMINOACIDI

sono incorporati nelle proteine da cui possono essere

Gli amminoacidi non vengono accumulati nelle cellule ma

liberati e poi degradati per ottenere energia metabolica o trasformati in prodotti intermedi del metabolismo.

La fonte principale degli amminoacidi è costituita dalle proteine ingerite dalla dieta o da quelle che non servono

pù alla loro funzione (enzimi, immunoglobuline ecc..). La quantità di energia ricavata dagli amminoacidi varia in

base all’organismo e alla situazione metabolica.

I carnivori possono soddisfare fino al 90% della loro richiesta energetica dopo un pasto mediante l’ossidazione

degli amminoacidi, mentre gli erbivori ricavano poco da questo processo. Quando si assimilano molte proteine,

gli amminoacidi sono in eccesso rispetto alla quantità necessaria all’organismo per la sintesi proteica e quindi

subiscono l’ossidazione visto che non possono formasi riserve di questi composti nel nostro organismo. Un’altra

situazione in cui gli amminoacidi vengono degradati è in caso di digiuno o in presenza di diabete, per esempio se

i carboidrati non sono disponibili o non vengono utilizzati in modo appropriato le proteine diventano fornte di

energia. amminoacidi liberi nel tratto gastrointestinale.

Nell’uomo le proteine ingerite con la dieta vengono degradate ad GASTRINA

La presenza di proteine nello stomaco stimola la mucosa gastrica a secernere l’ormone che a sua

acido cloridrico pepsinogeno

volta stimola la secrezione di e dalle ghiandole gastriche. L’acidità del succo

pepsinogeno pepsina

gastrico ha la capacità di denaturare le proteine. Il viene convertito in in seguito al legame

ha la funzione di ropere i legami peptidici formando una miscela di piccoli peptidi.

con l’acido cloridrico, la quale tenue, il pancreas rilascia il succo pancreatico che contiene

Quando il contenuto passa nell’intestino

bicarbonato neutralizzare l’acido cloridrico

che ha il compito di con conseguente aumento di pH. tripsina,

Nel succo pancreatico troviamo anche tre enzimi che continuano la degradazione delle proteine: la

chimotripsina carbossipeptidasi A e B.

e Tripsina e chimotripsina idrolizzano i peptidi generati nello stomaco in

frammenti ancora più piccoli. Una volta prodotti gli amminoacidi liberi questi vengono trasportati alle cellule

epiteliali dell’intestino tenue ed entrano nel sangue attraverso i capillari e vengono trasportati al fegato.

AMMINOACIDI

L’ammoniaca (ione ammonio) è una specie molto tossica e per questo non può essere trasportata nel circolo

sanguigno ma viene trasformata in altre molecole meno tossiche e più solubili.

degradazione di nucleotidi

L’ammoniaca prodotta nei tessuti da processi come viene legata al glutammato con

glutammina-sintasi.

formazione di glutammina per azione dell’enzima Tale reazione avviene in due tappe e

richiede ATP. glutammato gamma

1. Nella prima tappa il reagisce con l’ATP con produzione di ADP e l’intermedio di reazione:

glutammil-fosfato. l’ammoniaca

Questo reagisce con formando alla fine glutammina e fosfato.

2. La glutammina quindi passa nel circolo sanguigno arrivando al fegato dove viene ritrasformata in glutammato

glutamminasi. glutammato

e ione ammonio dall’enzima Il prodotto nel fegato viene trasformato dalla

glutammato-deidrogenasi, rilasciando altra ammoniaca e producendo scheletri carboniosi che verranno utilizzati

come combustibili. Ione ammonio, a-chetoglutarato e NADPH.

degradazione degli amminoacidi nel muscolo

L’ammoniaca prodotta invece dalla viene trasportata sottoforma

ciclo glucosio-alanina.

di alanina al fegato attraverso il glutammato

La formazione di alanina avviene quando il trasferisce gruppo alfa-amminico dell’ammoniaca al

piruvato prodotto dalla glicolisi per azione dell’enzima alanina-amminotrasferasi. L’alanina passa quindi nel

sangue e arriva al fegato. Nel citosol degli epatociti un’altra alanina-amminotrasferasi trasferisce il gruppo

glutammato

amminico dell’alanina all’alfa-chetoglutarato formando e piruvato. Il glutammato nei mitocondri

glutammato-deidrogenasi

formerà ioni ammonio grazie all’enzima mentre il piruvato verrà convertito in glucosio

nella gluconeogenesi che ritorna poi ai tessuni attraverso il sangue.

AMMINOACIDI: CICLO DELL’UREA

I gruppi amminici che non vengono utilizzati per la sintesi di nuovi amminoacidi vengono convertiti in urea

mediante il ciclo dell’urea. L’urea attraverso il sangue giunge ai reni e poi viene eliminata tramite le urine. Il ciclo

consta di 5 reazioni, inizia all’interno dei mitocondri degli epatociti ma tre tappe avvengono nel citosol della

cellula.

IONE CARBONATO —> CARBAMMIL-FOSFATO:

1) La prima reazione consta di 3 fasi ed è ATP dipendente, ha

carbamil fosfato sintetasi-1.

luogo nella matrice mitocondriale, è catalizzata dall’enzima Con il consumo di

ione bicarbonato

ATP viene attivato lo che forma il carbonil-fosfato. Successivamente l’ammoniaca

sostituisce il fosfato con formazione di carbammato e liberazione del gruppo fosfato. Infine una seconda

carbammato carbammil-fosfato.

molecola di ATP fosforila il con formazione del

CARBAMMIL-FOSFATO —> CITRULLINA: carbammil-fosfato

2) A questo punto il entra nel ciclo vero e

proprio e dona il suo gruppo carbammilico all’ornitina, un amminoacido non proteico con formazione della

citrullina ornitina trans-carbamilasi.

e rilascio di un gruppo P. Questa reazione viene catalizzata dall’enzima la citrullina esce dai

L’ornitina svolge un ruolo simile all’ossalacetato nel ciclo di Krebs. A questo punto

mitocondri e il ciclo continua nel citosol.

CITRULLINA —> CITRULLIL-AMP(intermedio) —> ARGINILSUCCINATO:

3) Avviene quindi una reazione di

citrullina aspartato

condensazione tra il gruppo carbonilico della e il gruppo amminico di una molecola di con

argininosuccinato

formazione di e consumo di ATP che formera AMP+2Pi. Questa reazione viene catalizzata

argininosuccinato-sintetasi

dall’enzima e con essa viene acquisito il secondo atomo di azoto dell’urea. Tra il

primo e l’ultimo prodotto di reazione avviene la formazione dell’intermedio di reazione citrullil-AMP.

argininosuccinato-liasi, arginina

4) Attraverso la catalisi dell’enzima l’argininsuccinato viene scisso in e

fumarato. fumarato ciclo dell’acido citrico.

Il entra nel (Esso però non può essere trasportato così nei

fumarato idratasi

mitocondri ecco perchè viene prima trasformato in malato dall’enzima e trasportato quindi nei

malato deidrogenasi.

mitocondri dove viene trasformato ulteriormente in ossalacetato dalla L’ossalacetato

viene transamminato dal glutammato per generare aspartato). arginasi urea ornitina.

5) La reazione finale prevede che l’arginina sia idrolizzata dall’enzima in e Così l’ornitina

l’urea

rientrarà nel mitocondrio per iniziare un nuovo ciclo, invece, che risulta essere molto solubile in acqua

viene rilasciata nel circolo sanguigno che la trasporta al rene dove viene escreta tramite l’urina.

AMMINOACIDI: CICLO DELL’UREA

Variazioni nella velocità del ciclo dell’urea dipendono dalla regolazione della sintesi degli enzimi che catalizzano il

carbamil-fosfato-sistetasi.

ciclo, sia della

Durante i periodi di digiudo o di alimentazione ricca di proteine, gli enzimi vengono sintetizzazi a maggiori

velocità rispetto ad una dieta ricca di carbo e grassi.

La carbamil-fosfato sintetasi viene attivata dall’ N-acetilglutammato che viene sintetizzato dall’Acetil-CoA e dal

N-acetilglummato-sintasi.

glutammato grazie all’enzima

Durante il ciclo vengono consumate 3 molecole di ATP, due per produrre il carbamil-fosfato e una per produrre

l’argininosuccinato. Tuttavia durante la reazione catalizata dalla malato-deidrogenasi che porta alla formazione

dell’ossalacetato vengono prodotte molecole di NADH e di ATP.

AMMINOACIDI: DEGRADAZIONE SCHELETRO C

Gli scheletri carboniosi degli amminoacidi possono essere trasformati in 5 composti che possono entrare nel

ciclo dell’acido citrico per essere poi ossidati a CO2 e H2O, con successiva generazione di ATP mediante la

fosforilazione ossidativa. Gli atomi di C possono anche essere utilizzati per la gluconeogenesi o per la

chetogenesi.

Gli amminoacidi il cui scheletro carbonioso può dare origine a PIRUVATO, A-CHETOGLUTARATO, SUCCINIL-

CoA, FUMARATO E OSSALACETATO possono essere considerati precursori del glucosio e del glicogeno e sono

detti glucogenici.

Alcuni atomi di carbonio di 6 amminoacidi possono formare nel fegato corpi chetonici attraverso la conversione

CHETOGENICI

di Acetato-CoA in ACETATO E BETA-IDROSSIBUTIRRATO, questi sono detti e sono:

TRIPTOFANO, FENILALANINA, TIROSINA, ISOLEUCINA, [LEUCINA E LISINA (solo cheto)]

TRIPTOFANO, FENILALANINA, TIROSINA E ISOLEUCINA sono sia chetogenici che glucogenici.

Gli scheletri carboniosi di 11 amminoacidi possono produrre Acetil-CoA ed entrare quindi nel ciclo di Krebs

oppure essere usato per la sintesi di acidi grassi. Alcuni amminoacidi sono convertiti anche in Acetoacetil-coA

che poi viene scisso per produrre acetil-CoA. Alcuni vengono degradati ad acetil attraverso il piruvato che può

essere usato anche nella sintesi di glucosio.

- L’ALANINA produce direttamente piruvato per effetto della transaminazione della a-chetoglutarato. La catena

laterale del TRIPTOFANO viene scissa producendo alanina e quindi piruvato.

- La CISTEINA viene convertita in piruvato in due tappe: la prima in cui si rimuove l’atomo di zolfo, la seconda è

una transamminazione.

- La SERINA: viene trasformata ad opera della serina-deidratasi che usa pirodossal-fosfato come cofattore e

viene prima converita in AMMINOACRILATO per perdita di una molecola di H2O, poi si ha l’idratazione del

GLICINA serina

composto e la perdita dello ione ammonio. La viene convertita in mediante l’attacco nucleofilo

serina idrossimetil-transferasi N5-N10-

di una molecola d’acqua (catalizzata da che utilizza come cofattori

metilen-tetraidrofolato il quale trasferisce un’unità monocarboniosa alla glicina trasformandosi in

tetraidrofolato. Questo partecipa a reazioni di trasferimento di unità monocarboniose come gruppo metilico

folico (vitamina B9).

ecc.. Risulta essere la forma attiva dell’acido SAM

tetraidrofolato**

Il partecipa alle reazioni di trasferimento di unità monocarboniose, come: gruppo metilico,

folico B9)

metilenico, formilico, formimico. Ed esso è la forma attiva (cofattore) dell’acido (vitamina il quale è

presente in molti alimenti come verdure a foglia verde, legumi, uova. Il gruppo