5 - Metabolismo epatico delle proteine e processi di detossificazione

Metabolismo epatico delle proteine

Digestione e assorbimento delle proteine della dieta

Le proteine che ingeriamo con la dieta vengono a contatto con l'ambiente acido dello stomaco, in cui il pepsinogeno si attiva a pepsina, che andrà a tagliare i legami peptidici formando amminoacidi (aas) e polipeptidi. Il bolo alimentare passa quindi nell'intestino, nel quale gli enzimi pancreatici come elastasi, carbossipeptidasi, tripsina e chimotripsina degradano ulteriormente le catene polipeptidiche in oligopeptidi e aas. Gli oligopeptidi vengono infine attaccati dalle aminopeptidasi presenti nell'intestino tenue per dare singoli aas. Il pool di aas formatosi viene assorbito dagli enterociti e tramite la vena porta raggiunge il fegato.

Rappresentano un'eccezione alcune proteine che vengono assorbite intere, come ad esempio:

• Gli Ab materni che vengono assorbiti dal lattante
• Il fattore intrinseco per l'assorbimento della vitamina B12
• I peptidi generati dalla degradazione del glutine che possono scatenare reazioni autoimmuni responsabili della celiachia

L'assorbimento degli aas negli enterociti è mediato da trasportatori specifici per i diversi gruppi di aas; tali trasportatori mediano un cotrasporto con il sodio, che deve poi essere ripompato fuori dalla cellula (trasporto attivo secondario). In questo modo gli aas si concentrano all'interno dell'enterocita per cui il passaggio degli aas dal lato contra-luminale alla vena porta sarà mediato da un trasporto facilitato. Dalla vena porta gli aas raggiungono il fegato che ne capta il 50-60%. Il fegato mostra quindi un importante ruolo nella regolazione della concentrazione di aas in circolo (aminoacidemia) assumendo o rilasciando aa liberi o sottoponendoli a processi di trasformazione in relazione alle necessità dei tessuti periferici.

Origine del pool di aas di una cellula

• Parte deriva dal turnover delle proteine intracellulari
• Parte viene neosintetizzata
• Parte viene assunta dall'esterno (in particolare gli aas essenziali)

La degradazione delle proteine avviene attraverso la formazione del proteosoma (sistema proteolitico ATP-dipendente) e quindi ubiquitinazione delle proteine, oppure mediante autofagia, la proteina viene circondata da una membrana a formare un fagosoma che si fonde con un lisosoma. Di questo pool di aas, il 75% viene utilizzato per fare le proteine ed il 25% viene perso sotto forma di urea. Con la dieta dovremmo reintegrare questo 25%, che corrisponde a 0,8-1 gr/kg di peso corporeo. Tuttavia, la maggior parte delle persone ne assume molte di più. Il problema risiede nel fatto che, diversamente da glucidi e grassi, un eccesso di aas non può essere convertito in molecole di riserva. Gli aas in eccesso vengono catabolizzati mediante rimozione del gruppo amminico (che viene eliminato sotto forma di urea) e degradazione degli scheletri carboniosi (che seguono diverse vie).

Utilizzo del pool di aas nella cellula

Cosa se ne fa la cellula di questo pool di aas?

• Sintesi proteica
• Degradazione. Gli aas che non servono più vengono transaminati: il gruppo aminico viene trasferito ad un alpha-chetoacido (normalmente a-chetoglutarato che diventa glutammato). Il gruppo aminico viene quindi trasportato al fegato che lo convoglia nel ciclo dell'urea. Gli scheletri carboniosi seguono altre vie (esempio gluconeogenesi).

Sintesi di composti importanti per la funzionalità cellulare

Alcuni esempi di composti sintetizzati includono:

• GABA, neurotrasmettitore inibitorio (derivato dal glutammato)
• Basi azotate per la biosintesi de novo di nucleotidi
• Glutatione, antiossidante
• EME che si forma a partire dalla glicina + succinilCoA.
• Serotonina e melatonina (derivati dal triptofano), la serotonina determina buon umore/benessere/sazietà mentre la melatonina regola i ritmi sonno-veglia.
• Catecolammine adrenalina e noradrenalina (derivati dalla tirosina che a sua volta deriva da fenilalanina, un aa essenziale)
• Melanina (derivata dalla tirosina)
• Creatina (arginina + glicina + metionina)

Meccanismi di competizione e benessere

In che modo Serotonina e Noradrenalina determinano il senso di benessere, ad esempio dopo l'attività fisica o a seguito dell'ingestione di dolci? Triptofano (da cui deriva la Serotonina) e Fenilalanina (da cui derivano le catecolammine) sono grandi aas neutri che utilizzano lo stesso trasportatore cerebrale e muscolare degli aas ramificati (valina, leucina, isoleucina). Se più molecole utilizzano lo stesso trasportatore, si possono verificare fenomeni di competizione. Durante l'attività fisica, aumenta l'uptake di aas ramificati nel muscolo, diminuendone la concentrazione in circolo. In questa condizione, triptofano e fenilalanina saranno facilitati ad attraversare la barriera emato-encefalica per mancanza di competizione per il trasportatore. Anche il senso di benessere derivato dall'ingestione di zuccheri (bisogno di cioccolato) è mediato dallo stesso meccanismo: l'insulina facilita l'uptake di aas a livello muscolare con conseguente riduzione degli aas ramificati in circolo e minor competizione con il triptofano per i trasportatori nella barriera emato-encefalica.

Ruolo del fegato e degli aa nella dieta

In seguito ad un pasto, le proteine alimentari vengono degradate ad aas, che vengono assorbiti a livello intestinale. Gli enterociti utilizzano parte di questi aas (aspartato, glutammato, glutammina ed aas ramificati BCAA) per le loro esigenze biosintetiche ed energetiche. Il 70% degli aas viene captato dal fegato. Gli BCAA vengono invece captati da muscolo e cervello; solo pochi entrano negli enterociti, che non li utilizzano a scopi energetici ma solo a scopi biosintetici.

Cosa fa il fegato di questi aas? Ne trasforma alcuni in altri a seconda delle esigenze.

• Sintetizza proteine sia per sé (esempio transaminasi ed altri enzimi) che destinate alla secrezione (albumina, fattori della coagulazione ecc.).

Da un punto di vista citologico, l'epatocita è ricco di organuli che gli servono a scopi biosintetici (ribosomi, Golgi, RE, ecc.). L'eccesso di aas che non serve agli scopi precedenti viene transaminato (gruppo amminico eliminato sotto forma di urea) e gli scheletri carboniosi possono essere completamente ossidati nel ciclo di Krebs per dare energia oppure possono essere convertiti in:

• Glucosio (aas gluconeogenici) che viene immagazzinato sotto forma di glicogeno o va in circolo ad innalzare la glicemia
• Corpi chetonici (aas chetogenici) in determinate condizioni, ma soprattutto AcetilCoA utilizzato a scopi energetici o condensato con l'ossalacetato per dare citrato che viene utilizzato per la sintesi degli acidi grassi (aumento VLDL in seguito a dieta iperproteica).

La presenza di aas in circolo stimola il rilascio di glucagone, che facilita l'uptake di aa a livello epatico, ed insulina, che facilita l'uptake di aas ramificati nel muscolo. Gli aas arrivano al fegato in due modi diversi: quelli introdotti con la dieta arrivano attraverso la vena porta, quelli derivati dalla degradazione delle proteine muscolari (alanina e glutammina), in seguito a digiuno prolungato o esercizio fisico intenso, arrivano tramite l'arteria epatica. Gli aas derivati dalla degradazione delle proteine muscolari vengono utilizzati prevalentemente per fare la gluconeogenesi (ciclo del glucosio-alanina).

La maggior parte degli aas arriva al fegato tramite la vena porta (origine alimentare) ma arrivano anche tramite l'arteria epatica, che si porta ad esempio alanina, glutammina (digiuno prolungato, attività fisica prolungata ecc.), che il fegato usa per fare la gluconeogenesi, ciclo del glucosio-alanina.

Catabolismo dei gruppi amminici

Per essere metabolizzati, gli aas che arrivano al fegato vengono per prima cosa transaminati. L'accettore del gruppo amminico è l'alpha-chetoglutarato e diventa glutammato, mentre l'amminoacido privato del gruppo aminico diventa l'alpha-chetoacido corrispondente. La reazione è catalizzata dalle transaminasi, enzimi presenti nel citosol degli epatociti che catalizzano il trasferimento del gruppo aminico da un aa ad un alpha-chetoacido. Tutti i gruppi amminici provenienti dai diversi aas vengono in questo modo convogliati sul glutammato (sapere formula).

Le transaminasi sono enzimi che necessitano di un gruppo prostetico costituito dal piridossal fosfato (PLP), forma coenzimatica della vitamina B6. La reazione catalizzata dalle transaminasi è una reazione a ping-pong nella quale:

1. L'aa cede il gruppo aminico al PLP che diventa pirodossamina fosfato.
2. L'aa privato del gruppo amminico esce come alpha-chetoacido.
3. L'alpha-chetoglutarato entra nel sito attivo dell'enzima e viene amminato a glutammato.

Ricorda comunque che la principale fonte energetica degli epatociti sono gli acidi grassi.

Il glutammato entra nei mitocondri e diventa quindi substrato della Glutammato-DH per rilasciare ammonio libero che entra nel ciclo dell'urea e riformare alpha-chetoglutarato che torna ad essere substrato delle transaminasi. La glutammato-DH è un enzima mitocondriale. Esistono altre Glutammato-DH citosoliche che catalizzano la reazione inversa e sono NADPH dipendenti: alpha-chetoglutarato + ammonio + NADPH → glutammato + NADP +.

La somma delle due reazioni successive è definita transdeaminazione.

Quando andiamo a fare le analisi del sangue, la funzionalità epatica è monitorata attraverso il dosaggio delle transaminasi, delle quali le maggiormente considerate sono:

• Alanina-aminotransferasi (ALT), rimuovono il gruppo NH dall'alanina convertendola in piruvato.
• Aspartato-aminotransferasi (AST), rimuovono il gruppo NH dall'aspartato convertendolo in ossalacetato (OAA).

Al fegato gli aas arrivano prevalentemente sotto forma di Alanina e Glutammina.

Origine di Alanina e Glutammina

Gli aas (per la maggior parte ramificati) durante l'esercizio fisico vengono utilizzati a scopi energetici per cui il loro scheletro carbonioso entra in Krebs per fornire l'ATP necessario alla contrazione muscolare. Il gruppo amminico di questi aas è trasferito al glutammato, che a sua volta lo cede al piruvato per formare Alanina che va in circolo per raggiungere il fegato. In alternativa, il glutammato può assumere un ulteriore gruppo amminico per formare Glutammina, che anch'essa va in circolo per raggiungere il fegato. Molta glutammina viene prodotta anche a livello cerebrale.

Nel fegato, l'enzima glutaminasi rimuove un gruppo aminico alla glutammina, convertendola in glutammato che sarà substrato della glutammato-DH per la rimozione del secondo gruppo amminico. Ricorda che un po' di aas liberi e di alpha-chetoacidi possono andare in circolo come tali; infatti, non tutti i chetoacidi vengono ossidati dal muscolo, tramite il circolo possono raggiungere il fegato che li utilizza a scopi gluconeogenici. Il muscolo scheletrico contiene l'80% delle proteine del nostro organismo e rappresenta la via più importante di rifornimento di aas, ad esempio durante il digiuno notturno.

Trasportatori di gruppi amminici

• Glutammato = trasportatore intracellulare dei gruppi amminici.
• Glutammina = trasportatore di gruppi amminici nel sangue.
• Alanina = trasportatore di gruppi amminici e piruvato dal muscolo al fegato.

Ciclo glucosio-alanina

Ci troviamo in una condizione ipoglicemica o in una condizione di intensa attività fisica. In queste condizioni viene prodotto cortisolo che promuove la poliubiquitinazione, quindi la degradazione delle proteine muscolari. Gli aas derivati vengono transaminati con l'alpha-chetoglutarato come accettore del gruppo aminico. L'alpha-chetoglutarato diventa glutammato che non va in circolo ma, attraverso l'enzima ALT, dona il suo gruppo amminico al piruvato, che diventa Alanina. Per formare Alanina è quindi necessario che vi sia Piruvato, proveniente dalla glicolisi muscolare, disponibile. L'alanina, che funge quindi da trasportatore dei gruppi amminici, entra in circolo per raggiungere il fegato. Nel fegato, ALT catalizza la reazione inversa nella quale l'Alanina cede il gruppo amminico all'alpha-chetoglutarato per formare glutammato e rigenerare Piruvato. Il Glutammato diventa substrato della glutammato-DH per convogliare i gruppi amminici nel ciclo dell'urea. Il Piruvato va in gluconeogenesi per produrre glucosio, che va in circolo e può essere captato dal muscolo che ne necessita per produrre ATP necessario alla contrazione muscolare e rigenerare Piruvato da convertire in Alanina per ricominciare il ciclo.

Se sono a digiuno, come faccio ad avere Piruvato disponibile? Il Piruvato è assicurato dalla presenza di AcetilCoA che blocca la Piruvato-DH; tale AcetilCoA deriva dall'utilizzo degli acidi grassi a scopo energetico (β-ossidazione) e dalla degradazione dello scheletro carbonioso della Leucina, che viene catabolizzato ad aceto-acetato quindi ad AcetilCoA.

Non confondere con il ciclo di Cori: il lattato prodotto nelle fibre muscolari bianche durante la glicolisi anaerobia va al fegato per entrare in gluconeogenesi ed essere convertito in glucosio che va in circolo e viene captato dal muscolo per ripristinare le riserve di glicogeno.

Formazione di Glutammina e ciclo dei nucleotidi purinici

La Glutammina è prodotta principalmente dal cervello e dal muscolo. Origina dal glutammato per addizione di un secondo gruppo amminico catalizzata dall'enzima glutammina-sintetasi. La glutammina è più solubile del glutammato e diffonde attraverso le membrane per entrare nel circolo ematico, attraverso il quale raggiunge il fegato.

Ma da dove derivano i gruppi amminici di cui si carica il glutammato per diventare Glutammina? Dal ciclo dei nucleotidi purinici, presente sia nel muscolo che nel cervello allo scopo di catabolizzare le basi azotate. Tale ciclo porta alla formazione di ammonio che verrà eliminato sotto forma di urea ed è spinto da un'elevata concentrazione di ioni H+ che corrispondono ad una elevata concentrazione di lattato, quindi ad un'intensa attività muscolare (e quindi molto ATP).

Il ciclo dei nucleotidi purinici

Il Glutammato che si forma dalla transaminazione degli BCAA può seguire due strade:

• Diventare substrato della glutammina sintetasi per diventare glutammina.
• Donare un gruppo amminico all'OAA per dare Aspartato che entra nel ciclo dei nt purinici.

L'Aspartato in questa via si lega all'inosina-monofosfato (IMP) per dare adenil-succinato, il quale si scinde in fumarato ed AMP (adenosina-monofosfato). L'AMP può perdere il suo gruppo amminico, per azione dell'enzima AMP-deaminasi, rigenerando IMP (la base adenosina deriva da aminazione della base inosina) e ammoniaca che si allontana. Sarà proprio questo il gruppo amminico che andrà a legarsi al glutammato per formare glutammina.

Origine dell'AMP nel ciclo

Da dove deriva l'AMP del ciclo?

1. L'esercizio fisico determina l'idrolisi dell'ATP in ADP.
2. Due ADP reagiscono tra loro mediante l'adenilato-chinasi per formare 1 ATP ed 1 AMP.
3. L'AMP entra nel ciclo dei nt purinici.

Produzione di Glutammina nel muscolo e nel cervello

Perché la Glutammina è prodotta nel muscolo e nel cervello? Perché questi tessuti presentano la glutammina-sintetasi che lega al glutammato l'ammoniaca prodotta dal ciclo dei nt purinici. Questo ciclo non è solo una via di recupero dei nt ma, liberando ammoniaca, tampona l'acidità generata dal lattato; inoltre, l'AMP che si forma è importante perché stimola la glicogeno-fosforilasi, che degrada il glicogeno per dare glucosio-1-fosfato che supporta l'attività muscolare.