Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche. Modulo Prof. Prinetti

Carbamilmfosfatosintetasi (CPSI)

La Carbamilmfosfatosintetasi (CPSI) fa reagire una molecola di ione ammonio (siamo nel fegato, mitocondrio epatico, c'è la GLUTAMMICO DEIDROGENASI che fa ammonio) con una molecola di bicarbonato. La reazione usa 2 ATP formano 2 ADP e un P. L'energia che viene dalla rottura dei legami dell'ATP consente di fare un legame covalente tra azoto di ammonio e carbonio del bicarbonato, ma uno dei due P viene incorporato nella molecola prodotta dalla reazione, il carbamil fosfato. È una molecola molto semplice simile all'urea. La sintesi del carbamil fosfato è di fondamentale importanza perché è la tappa regolata nel ciclo dell'urea ed è soggetta ad un meccanismo di regolazione chiamato feedforward che ci consente di aumentare velocità del ciclo di urea, man mano che aumenta concentrazione di ammonio. Vuol dire che se gli enzimi del ciclo dell'urea funzionano, quanto più ammonio produco tanta più urea produco.

Sono quindi in grado di eliminare tutto l'ammonio che si forma.

L'enzima CPSI (carbamilfosfato sintetasi I) è nel mitocondrio. Un altro enzima CPSII fa carbamilfosfato con un meccanismo diverso nel citosol. Quest'ultima è coinvolta con la biosintesi delle basi azotate.

L'ammonio deriva, nel fegato principalmente dalla glutammico DH, ma anche da altri processi. Ad esempio, alcuni AA non subiscono transaminazione in modo efficiente e quindi non possono scaricare i loro gruppi amminici su glutammato e vengono deamminati direttamente (tra questi ci sono serina, treonina ed istidina).

L'ammonio può derivare da idrolisi della glutammina (processo significativo perché la glutammina deriva dai tessuti periferici come trasportatore di azoto e a livello epatico viene idrolizzata dalla glutamminasi, con formazione di glutammato che va verso la glutammicodeidrogenasi). Se si ha asparagina, anche questa può essere idrolizzata a dare del gruppo

L'Acidoglutammico può diventare glutammina nei tessuti periferici. È un aa che ha ruolo centrale nel metabolismo azotato. Si ottiene N ACETIL GLUTAMMATO (l'acetile è legato al gruppo amminico dell'acido glutammico). L'unica funzione nota dell'enzima NAG sintetasi è di essere effettore allosterico positivo della CPSI. Maggiore è la concentrazione di NAG e maggiore è l'attività di CPSI. Quando aumenta la concentrazione di NAG? Quando aumenta la concentrazione dell'arginina perché essa stimola l'enzima che sintetizza NAG. Vuol dire che più carbammilfosfato sintetizzo, più arginina, più NAG viene sintetizzato e maggiore è la stimolazione su CPSI. Man mano che l'azoto dell'ammonio va verso il ciclo di urea, quanto più ammonio porto verso il ciclo, tanto più velocemente il ciclo funziona. Gli intermedi del ciclo aumentano la propria concentrazione.

E l'arginina stimola la prima reazione del ciclo. È il contratto di un feedback. Il feedforword è tipico delle vie metaboliche che servono ad eliminare prodotti potenzialmente tossici. Perché? Quanto più è l'intermedio che si forma, quanta più è la quantità di prodotto iniziale che vogliamo eliminare.

L'enzima è regolato dai livelli di NAG e quindi è regolato indirettamente dai livelli di ammonio. NAG è strano, se stiamo usando AA per fare energia, probabilmente nel mitocondrio epatico c'è molto glutammato e probabilmente nel mitocondrio epatico c'è elevata concentrazione di acetilcoaperché da ossidazione di AA deriva AcetilCoA. Glutammato e AcetilCoA che si combinano insieme a dare NAG sono due spie del fatto che stiamo attivamente usando gli AA per fare energia.

L'enzima è importante: l'attività è regolata dal meccanismo che consente

di riuscire a mandare una quantità sempre maggiore di ammonio nel ciclo dell'urea man mano che l'ammonio si forma. Questo è uno dei motivi per cui è improbabile che in condizioni normali la reazione della glutammico DH funzioni al contrario. Perché, quando gli enzimi del ciclo dell'urea funzionano bene, man mano che l'ammonio aumenta la reazione aumenta velocità e si riporta verso il basso la concentrazione di ammonio, quindi la reazione della Glutammico deidrogenasi continua a ossidare glutammato ad alfa-chetoglutarato e ammonio; e non al contrario.

L'enzima CPSI non è solo stimolato da NAG ma inoltre è un enzima inducibile. Significa che la sua sintesi può essere regolata e che la quantità di enzima può cambiare nel tempo. Enzimi del metabolismo dei carboidrati sono inducibili e indotti da insulina. La sintesi dell'enzima aumenta in due condizioni:

1. Dieta iperproteica: alto contenuto di proteine, tanti

Ain circolo, aumento della sintesidei livelli dell'enzima2. Digiuno prolungato: neldigiuno prolungato entrano ingioco ormoni come il cortisolo esi ha mobilizzazione delleproteine dei tessuti, quindistiamo usando tanti AA perprodurre energia per sostenere lagluconeogenesi, come per ladieta iperproteica.Le due situazioni sembrano molto distanti, ma vedono entrambe utilizzazione di AA per fare energia.Questo è un enzima chiave per i disordini metabolici del ciclo dell'urea.--non voglio che vi ricordiate cos'è il ciclo dell'urea--

Tappe del ciclo dell'urea:Il carbammilfosfato, per entrare nel ciclo dell'urea, condensa con ornitina ad opera dell'enzimaornitina carbammiltransferasi (che sta nel mitocondrio epatico) e forma la molecola citrullina.La citrullina porta il gruppo amminico da eliminare. La citrullina prende su di sé un altro gruppoamminico che deriva da una molecola di aspartato, si forma un intermedio,

azoto quindi derivano entrambi dall'acido glutammico!! L'acido glutammico è molto importante nella gestione del metabolismo azotato. Tutto azoto che scartiamo con urea deriva da acido glutammico. Per fare aspartato (che serve come donatore di gruppo amminico nel ciclo dell'urea) ci serve alfa chetoacido ossalacetato. Non è un problema perché quando l'aspartato cede il gruppo amminico, si condensa a formare arginilsuccinato che poi si rompe, dà arginina (che forma urea) e fumarato. Il fumarato è intermediodel ciclo di Krebs. Le ultime reazioni di krebs trasformano fumarato ad ossalacetato. Quindi l'ossalacetato che serve per fare aspartato deriva dal fumarato che a sua volta deriva da arginin-succinato. È un processo molto complicato che usa molta energia: per fare carbamil fosfato ci servono due legami ad alta energia dell'ATP. Per fare arginil succinato, quindi per condensare citrullina e aspartato ci serve un ATP

che si idrolizza a dare AMP. Per fare una molecola di urea noi usiamo 4 legami ad alta energia dell'ATP. La sintesi dell'urea costa molto! Ci sono anche dei trasportatori coinvolti perché alcune reazioni del ciclo dell'urea avvengono nel mitocondrio e altre nel citoplasma. L'ornitina carbammil transferasi (che condensa carbamil fosfato con ornitina a dare citrullina) è nel mitocondrio, ma la citrullina deve uscire dal mitocondrio perché è nel citoplasma che riceve il gruppo amminico dall'aspartato e diventa arginil succinato. Quando si rompe a dare arginina e fumarato (avviene nel citoplasma) e anche l'idrolisi dell'arginina è un processo citoplasmatico, ma il fumarato, per tornare ad essere ossalacetato (che serve per fare aspartato) deve rientrare nel mitocondrio. Per far funzionare bene il ciclo dell'urea ci vuole energia, enzimi e trasportatori proteici. Perciò il ciclo dell'urea è

ciclo urea: il carbamil fosfato condensa con ornitina ad opera di ornitina carbamil transferasi adare citrullina. La citrullina condensa con aspartato a dare arginil succinato ad opera dell'enzimaarginil succinato sintetasi, poi l'arginil succinato viene rotto a dare arginina e fumarato ad operadell'arginin succinato liasi. Iinfine l'arginina viene idrolizzata a dare ornitina e urea a dare ornitinae urea ad opera dell'enzima idrolitico arginasi.

Nel ciclo dell'urea ci sono 4 enzimi importanti e poi ci vuole l'enzima che fa il carbammilfosfatoovvero la carbammilfosfato sintetasi. Sono note forme di deficit ereditario di tutti questi enzimi. Tutti geni che codificano per questi enzimipossono essere caratterizzati da mutazioni: se la mutazione determina la completa perdita di attivitàenzimatica, il fenotipo è embrionico fetale (ho un portatore di un gene con attività enzimatica ridotta). Se la mutazione determina una riduzione parziale dell'attività enzimatica, il fenotipo può variare da lieve a grave, a seconda del grado di riduzione dell'attività enzimatica.