Biochimica II

Biochimica II: Metabolismo proteico

Catabolismo degli amminoacidi

Il catabolismo degli amminoacidi è l’insieme di vie degradative degli amminoacidi volte ad ottenere energia ed una serie di molecole, poiché gli scheletri carboniosi residui degli amminoacidi sono un mattone fondamentale per la sintesi di altre molecole. Gli amminoacidi possiedono la stessa struttura di base: C centrale (detto C in α, per indicare la sua posizione rispetto al gruppo carbossilico che ha la priorità), gruppo carbossilico (COO-), gruppo amminico (NH₃⁺, che rappresenta una peculiarità degli amminoacidi, essendo assente in carboidrati e acidi grassi che non sono molecole azotate) e H. A pH di circa 7 il gruppo carbossilico è deprotonato e quindi carico negativamente, mentre il gruppo amminico è protonato e quindi carico positivamente. Variando il pH, però, varia anche lo stato di protonazione degli amminoacidi. Nonostante siano costituiti da una struttura base e invariabile, gli amminoacidi differiscono l’uno dall’altro per la catena laterale, anche detta gruppo R.

Quando un amminoacido va incontro ad un processo catabolico, subisce subito la rimozione del gruppo amminico, indirizzato nel ciclo dell’urea. Con la rimozione del gruppo amminico rimane lo scheletro carbonioso dell’amminoacido, pronto per essere sottoposto a varie trasformazioni cataboliche, che lo convertiranno in una nuova molecola utilizzata a fini energetici o per altri possibili scopi. I processi catabolici degli amminoacidi che costituiscono le proteine endogene (proprie di cellule, organi e tessuti dell’organismo) ed esogene (introdotte dall’esterno con la dieta) avvengono principalmente nel fegato (quindi le proteine possono avere duplice natura).

I 20 amminoacidi standard (o proteici)

Gli amminoacidi standard sono quelli che unendosi formano le proteine. In tutto sono 20 e si differenziano l’uno dall’altro per il gruppo R. Il gruppo R è fondamentale per determinare lo stato di polarità dell’amminoacido e quando la proteina si avvolge nella propria struttura tridimensionale, trovandosi solitamente in un mezzo acquoso, rivolge gli amminoacidi polari verso l’esterno e quelli apolari (che respingerebbero l’acqua) verso l’interno, in modo che la struttura sia stabile. In base alle caratteristiche dei gruppi R è possibile suddividere i 20 amminoacidi in 5 gruppi (via via con carattere idrofilico crescente).

• I gruppo: amminoacidi con gruppi R alifatici, non polari. È il gruppo più numeroso (7 aa) e contiene gli amminoacidi più idrofobici.
  • Glicina (il gruppo R è rappresentato solo da un H, per cui essendoci 2 sostituenti uguali, si tratta di una molecola achirale e ruotandola è possibile sovrapporla alla sua immagine speculare).
  • Alanina (il gruppo R è rappresentato da un gruppo metilico).
  • Valina
  • Leucina (gruppi R costituiti da catene carboniose ramificate, per la valina si tratta di un gruppo isopropilico a 3C, per la isoleucina di un gruppo sec-butilico a 4C e per la leucina di un gruppo isobutilico a 4C).
  • Isoleucina
  • Metionina (gruppo R formato da una catena alifatica solforata di tipo tioetere, ma poiché lo zolfo si trova nel mezzo della catena, non conferisce molta polarità alla molecola).
  • Prolina (amminoacido ciclico, con gruppo R ripiegato e chiuso sull’atomo di N, con conseguente passaggio dal gruppo NH₃⁺, cioè da un gruppo amminico primario, al gruppo NH₂⁺, cioè un gruppo amminico secondario, anche detto gruppo imminico).
• II gruppo: amminoacidi con gruppi R ciclici, aromatici.
  • Fenilalanina (gruppo R costituito da un benzile, cioè benzene + gruppo metilico).
  • Tirosina (gruppo R uguale a quello della fenilalanina, con l’aggiunta di un gruppo idrossilico, che conferisce maggiore polarità alla molecola).
  • Triptofano (gruppo R costituito da un biciclo aromatico detto indolo).
• III gruppo: amminoacidi con gruppi R polari, non carichi.
  • Serina (amminoacidi idrossilati, cioè con un gruppo idrossilico nella catena laterale).
  • Treonina
  • Cisteina (gruppo R terminante con un gruppo sulfidrilico, che conferisce polarità alla molecola).
  • Asparagina (amminoacidi con gruppi R contenenti gruppi ammidici; sono le ammidi di acido aspartico e glutammico, cioè derivano da essi).
  • Glutammina (omologo superiore dell’asparagina, avendo un CH₂ in più). Il gruppo ammidico è differente rispetto al gruppo amminico, poiché l’atomo di azoto è legato ad un C differente, cioè un C carbonilico che originariamente (cioè nell’acido aspartico o glutammico) era un carbonio carbossilico, poi convertito grazie alla sostituzione dell’ossigeno con il gruppo NH₂.
• IV gruppo: amminoacidi con gruppo R carico positivamente (amminoacidi basici).
  • Lisina (gruppo R lungo terminante con un gruppo amminico protonato).
  • Arginina (gruppo R più complesso, terminante con un gruppo guanidinico).
  • Istidina (gruppo R aromatico, contenente un anello imidazolico eterociclico, cioè non costituito solo da atomi di C, ma anche da atomi di N. Uno degli atomi di N dell’anello è protonato, ma solo ad un opportuno pH, poiché l’istidina, rispetto agli altri amminoacidi del suo gruppo, è più sensibile alle variazioni di pH dell’ambiente).
• V gruppo: amminoacidi con gruppo R carico negativamente (amminoacidi acidi).
  • Aspartato (gruppo R contenente un gruppo carbossilico; da essi si ottengono asparagina e glutammina, le quali possiedono caratteristiche differenti rispetto alle molecole di partenza).
  • Glutammato (omologo superiore dell’aspartato, poiché possiede un CH₂ in più).

Il destino metabolico degli amminoacidi

Gli scheletri carboniosi ottenuti nel processo catabolico degli amminoacidi in seguito alla rimozione del gruppo amminico, pur essendo differenti tra loro (derivanti da 20 possibili amminoacidi), subiscono modificazioni che alla fine li fanno convergere verso 7 prodotti principali. Ma il destino di questi scheletri carboniosi è influenzato dalle condizioni metaboliche dell’organismo, cioè dal suo stato di nutrizione (stato di digiuno, iperalimentazione, dieta equilibrata, dieta squilibrata). Esistono quattro possibili destini degli scheletri carboniosi derivanti dagli amminoacidi:

1. Destino catabolico completo. Gli scheletri carboniosi, subite le dovute modifiche, entrano nel Ciclo di Krebs per essere degradati completamente a CO₂, con produzione di equivalenti riducenti sotto forma di NADH₂ e FADH₂, poi convogliati alla catena respiratoria per essere ceduti all’O₂ per produrre H₂O, processo che comporta il rilascio di energia sotto forma di ATP. Il destino catabolico completo si verifica in presenza di una dieta equilibrata da un punto di vista quantitativo e qualitativo. L’equilibrio quantitativo si riferisce al giusto apporto di Kcal in relazione al fabbisogno energetico dell’organismo, che dipende da vari fattori come età, sedentarietà, pratica di attività sportive, ecc. Solitamente per un adulto con vita quasi sedentaria il giusto apporto giornaliero corrisponde a 2.000/2.500 Kcal. Per cui se l’organismo assimila giornalmente 2.500 Kcal, le spenderà e la dieta sarà equilibrata quantitativamente. L’equilibrio qualitativo, invece, si riferisce alla giusta ripartizione delle Kcal assimilate, le quali sono distribuite opportunamente tra carboidrati, lipidi e proteine, secondo le seguenti percentuali: carboidrati (da 55% a 60%), lipidi (da 20 a 25%), proteine (da 10 a 15%). Ovviamente i carboidrati introdotti non devono essere tutti zuccheri semplici o questo determinerebbe un’iperglicemia. È necessario infatti introdurre anche carboidrati complessi, come l’amido presente nel pane e nella pasta, che viene depolimerizzato in molecole di glucosio semplici in tempi piuttosto lunghi. Inoltre pane e pasta hanno l’ulteriore vantaggio di essere ricchi di fibre, le quali ritardano ulteriormente i tempi di metabolizzazione dell’amido. Tuttavia, in alcuni casi, il destino catabolico completo può verificarsi anche in presenza di una dieta normocalorica (Kcal relative al fabbisogno), iperproteica, con una percentuale di carboidrati inferiore al 20-30%, una percentuale di lipidi di circa il 10-15% e per il resto tutte proteine. In questo caso viene messa in atto la degradazione completa, ma il combustibile è rappresentato in misura minore da carboidrati e lipidi e in misura maggiore da proteine. Tuttavia le proteine, a differenza di carboidrati e lipidi, sono sostanze azotate, per cui la loro degradazione implica una grossa quantità di azoto da smaltire attraverso il ciclo dell’urea, che avviene nel fegato. Questo porta ad una iperfunzione del fegato che a lungo andare può determinare l’insorgere di patologie epatiche e renali, più probabili in presenza di fattori di rischio come obesità, sedentarietà, alcool, fumo, ecc.
2. Gluconeogenesi. La gluconeogenesi è un processo che permette di sintetizzare glucosio a partire da precursori non glucidici, in questo caso a partire dagli scheletri carboniosi degli amminoacidi. Si ha quindi una combinazione tra un processo catabolico (degradazione degli amminoacidi per ottenere gli scheletri carboniosi) ed un processo anabolico (sintesi del glucosio a partire dagli scheletri carboniosi). La gluconeogenesi viene messa in atto regolarmente dopo qualche ora dall’ultimo pasto (3-4 ore), quando il glucosio nel sangue scende a causa della non assimilazione di nutrienti. In queste circostanze le proteine endogene vengono utilizzate come fonte di amminoacidi da catabolizzare per poi ottenere glucosio ed innalzare il livello di glicemia nel sangue (le proteine esogene non possono essere utilizzate perché non si assimilano con l’alimentazione). In questi modo organi e tessuti possono ricevere il giusto apporto di glucosio per poter funzionare adeguatamente e non subire danni. Tuttavia nelle condizioni di digiuno prolungato la gluconeogenesi risulta essere dannosa per l’organismo poiché si innesca un processo di autofagia, cioè l’organismo mangia se stesso per fornire glucosio al cervello e agli altri organi. In particolare il danno maggiore si riscontra a livello dei muscoli, che essendo carichi di proteine e perdendole, subiscono uno sgonfiamento della massa muscolare, mentre la pelle diventa flaccida.
3. Chetogenesi. È un processo che porta alla sintesi dei corpi chetonici (acetone, acetoacetato, β-idrossibutirrato) a partire dagli scheletri carboniosi degli amminoacidi e degli acidi grassi. La chetogenesi, a differenza della gluconeogenesi, si verifica solo in condizioni di digiuno prolungato (dopo 1-2 giorni di digiuno) ed è fondamentale poiché i corpi chetonici sono molecole energetiche che possono essere utilizzate da alcuni tessuti in stato di emergenza. Quindi anche in questo caso si tratta di un processo di autofagia ed oltre al tessuto muscolare viene colpito il tessuto adiposo, che libera i trigliceridi destinati ad essere trasformati in corpi chetonici.
4. Sintesi di acidi grassi. Dagli scheletri carboniosi degli amminoacidi si ricavano molecole utilizzate per la sintesi di acidi grassi, i quali vengono immagazzinati come trigliceridi nel tessuto adiposo e questo porta ad ingrassare. La sintesi di acidi grassi a partire da amminoacidi si verifica in presenza di un’alimentazione ipercalorica (Kcal introdotte eccedono rispetto al fabbisogno energetico) e iperproteica (alimentazione più ricca in proteine rispetto che in carboidrati e lipidi). Questo dimostra che in queste condizioni anche una dieta proteica può portare ad ingrassare.

Quindi il destino degli scheletri carboniosi degli amminoacidi dipende dallo stato nutrizionale dell’organismo ed è solo una la via intrapresa, cioè non è possibile la contemporanea attivazione di più vie metaboliche. Le uniche due vie che in condizioni di digiuno prolungato si combinano sono la gluconeogenesi e la chetogenesi.

I 7 prodotti principali

• Acetil-CoA (molecola a 2 atomi di C con un ruolo centrale nel metabolismo dell’organismo).
• Acetoacetil-CoA (molecola a 4 atomi di C, costituita da due acetili uniti).
• Piruvato (molecola a 3 atomi di C prodotta alla fine della glicolisi).
• Ossalacetato (molecola a 4 atomi di C ed intermedio del ciclo di Krebs).
• α-chetoglutarato (molecola a 5 atomi di C ed intermedio del ciclo di Krebs).
• Succinil-CoA (molecola a 4 atomi di C ed intermedio del ciclo di Krebs).
• Fumarato (molecola a 4 atomi di C ed intermedio del ciclo di Krebs).

In base ai tipi di prodotti ottenuti a partire da essi, i 20 amminoacidi standard sono suddivisi in due categorie: amminoacidi chetogenici e gluconeogenici.

1. Amminoacidi chetogenici. Così chiamati poiché dalla loro degradazione si ottengono l’acetil-CoA e l’acetoacetil-CoA, i quali rappresentano i precursori dei corpi chetonici. Gli amminoacidi chetogenici comprendono:
   • Leucina e isoleucina (I gruppo)
   • Fenilalanina, tirosina e triptofano (II gruppo)
   • Treonina (III gruppo)
   • Lisina (IV gruppo)

   Leucina e lisina sono amminoacidi esclusivamente chetogenici, poiché dalla loro degradazione si ottengono solo unità acetiliche; isoleucina, fenilalanina, tirosina, triptofano e treonina sono, invece, amminoacidi sia chetogenici che gluconeogenici, poiché dalla loro degradazione si ottiene un’unità acetilica ed un’altra unità che potrà essere indirizzata verso la gluconeogenesi.

2. Amminoacidi gluconeogenici. Così chiamati poiché dalla loro degradazione si ottengono gli altri 5 prodotti principali (piruvato, ossalacetato, α-chetoglutarato, succinil-CoA e fumarato), tutti precursori del glucosio, dal quale è possibile ottenere glicogeno. Gli amminoacidi gluconeogenici sono più numerosi dei chetogenici e comprendono:
   • Glicina, alanina, valina, isoleucina, metionina e prolina (I gruppo)
   • Fenilalanina, tirosina e triptofano (II gruppo)
   • Treonina, serina, cisteina, asparagina, glutammina (III gruppo)
   • Arginina e istidina (IV gruppo)
   • Glutammato e aspartato (V gruppo)

   Nel primo gruppo l’isoleucina può essere sia cheotogenica che gluconeogenica, mentre tutti gli altri amminoacidi sono esclusivamente gluconeogenici, ad eccezione della leucina che è esclusivamente chetogenica. Nel secondo gruppo tutti e 3 gli amminoacidi sono sia gluconeogenici che chetogenici. Nel terzo gruppo tutti gli amminoacidi sono esclusivamente gluconeogenici, ad eccezione della treonina che può essere sia gluconeogenica che chetogenica. Nel quarto gruppo 2 amminoacidi sono esclusivamente gluconeogenici (arginina e istidina), mentre la lisina è esclusivamente chetogenica. Nel quinto gruppo sia glutammato che aspartato sono esclusivamente gluconeogenici.

Quindi complessivamente dei venti amminoacidi: 2 sono esclusivamente chetogenici (leucina e lisina), 5 sono sia chetogenici che gluconeogenici (isoleucina, fenilalanina, tirosina, triptofano e treonina) e i 13 rimanenti sono esclusivamente gluconeogenici. Per cui in totale gli amminoacidi chetogenici sono 7, mentre quelli gluconeogenici sono 18. Ovviamente non per forza dagli amminoacidi chetogenici si otterranno corpi chetonici, così come non è detto che dagli amminoacidi gluconeogenici si ottenga glucosio, poiché è sempre tutto correlato allo stato nutrizionale dell’organismo. Infatti il glucosio viene prodotto in condizioni di digiuno breve o prolungato ed i corpi chetonici sono prodotti in condizioni di digiuno prolungato. In condizioni alimentari normali, invece, tutti i prodotti derivanti dal catabolismo degli amminoacidi sono degradati completamente a CO₂, H₂O e ATP. In ogni caso, qualunque sia il destino metabolico dei 7 prodotti principali, essi vengono tutti incanalati verso il ciclo di Krebs. A questo punto, a seconda dello stato nutrizionale dell’organismo, il ciclo potrà ruotare completamente per ottenere CO₂, H₂O e ATP, o permettere l’uscita di alcuni intermedi che potranno intraprendere gli altri 3 possibili destini (quindi la sintesi di glucosio, corpi chetonici o acidi grassi). Quindi a seconda delle circostanze il ciclo di Krebs può essere una via anabolica o una via catabolica.

Prima tappa del catabolismo degli amminoacidi: distacco del gruppo amminico

Quando gli L-amminoacidi raggiungono il fegato, vanno incontro alla prima tappa catabolica, ovvero il distacco del gruppo amminico. Questa reazione può avvenire attraverso 3 modalità: transamminazione (la più diffusa), deamminazione ossidativa e deamminazione non ossidativa.

Transamminazione

La transamminazione è una reazione che avviene tra un generico L-amminoacido (poiché tutti gli amminoacidi proteici sono di serie L) detto amminoacido donatore ed un α-chetoacido accettore, cioè l’α-chetoglutarato. La reazione consiste nel trasferimento del gruppo α-amminico dell’amminoacido generico (legato al C α dell’amminoacido) sul carbonio α (carbonio chetonico) dell’ α-chetoglutarato. Questo comporta la formazione dell’α-chetoacido corrispondente all’amminoacido che ha subito la deamminazione (formazione di un carbonio chetonico in α) e dell’ L-glutammato a partire dall’ α-chetoglutarato. L’L-glutammato fungerà poi da donatore del gruppo amminico per le reazioni delle vie biosintetiche di molecole azotate o per il ciclo dell’urea a livello epatico.