Catabolismo, Biochimica

Esempio di catabolismo degli amminoacidi aromatici

Abbiamo visto come si compone una pirimidina. Vediamo il catabolismo degli amminoacidi aromatici, come la fenilalanina, il triptofano e la tirosina. Di questi, fenilalanina e triptofano sono essenziali; non abbiamo una via metabolica per costruire questi amminoacidi, ce l'hanno le piante. Noi siamo esseri auxotrofi per fenilalanina e triptofano. Tuttavia, la cosa sorprendente è che fenilalanina e triptofano sono amminoacidi che vengono riutilizzati nell'organismo non solo per la sintesi proteica, ma anche per diverse altre funzioni.

Assunzione e conversione della fenilalanina

Assumiamo fenilalanina dall'esterno; in parte viene utilizzata per la sintesi proteica, viene catturata dall'aminoacil-tRNA transferasi competente per la fenilalanina e viene impiegata nella sintesi proteica. Un'altra parte subisce una idrossilazione in posizione para, e questo ci dice che la tirosina non è un amminoacido essenziale; la tirosina nell'organismo viene fabbricata a partire dalla fenilalanina. È una reazione di idrossilazione, ossidazione su carbonio aromatico; è una reazione difficile dal punto di vista energetico, una idrossilazione su un anello benzenico richiede un'ossidazione forte. Le reazioni che avvengono sull'anello benzenico non hanno nulla a che vedere con il carbonio carbonilico, non sono attacchi nucleofili, il meccanismo è quello dell'attacco elettrofilo [che non svilupperemo]. È un'ossidazione a partire da ossigeno molecolare, l'enzima coinvolto sarà un'ossidasi, appartenente alla classificazione EC di classe I, una idrossilasi o monossigenasi; entra ossigeno ed esce acqua più un OH.

Enzimi e meccanismi di reazione

Quali enzimi riescono a fare una reazione così violenta? Non il NAD; alcune volte il FAD è in grado di ossidare legami carbonio-carbonio in condizioni stericamente favorite. Qui la reazione è dieci volte superiore a quella, ad esempio, della diidroorotato deidrogenasi; neanche il Fe dell'eme riesce a farcela. Queste reazioni sono fatte da enzimi che hanno come cofattore un metallo puro. I metalli più utilizzati sono Fe e Cu; alcune alghe utilizzano anche il vanadio, ma in generale ferro e rame coordinati ad alcuni amminoacidi particolari. Questo Fe sarà coordinato a un'istidina, a un carbossile e a un'altra istidina; il Fe è particolare, non ha coordinazione ottaedrica, qui ha una coordinazione tetraedrica, tre leganti più il quarto che sarà l'ossigeno.

Reazioni con ossidasi e biopterina

Le ossidasi che intervengono sugli aromatici, le idrossilasi, hanno bisogno di un metallo libero, un ossidante molto forte, altrimenti non riescono a fare la reazione. Il meccanismo di reazione è molto complesso e in parte non conosciuto. Si necessita di un Fe non eme che ha proprietà redox ancora più estreme rispetto a un Fe dell'eme. L'enzima, che si chiama fenilalanina idrossilasi, è capace di ossidare con l'ossigeno molecolare la fenilalanina per trasformarla in tirosina. Questo è in genere il primo passaggio metabolico a cui va incontro la fenilalanina. La tirosina prodotta in parte va per la sintesi proteica e in parte viene ossidata ancora una volta in posizione para e diventa una catecolammina. Qual è l'enzima che catalizza questa idrossilazione? La tirosina idrossilasi. La fenilalanina va quindi incontro a due passaggi successivi di ossidazioni sull'anello aromatico; queste due ossidasi sono molto simili, si deduce che derivino da una duplicazione genica dello stesso enzima, derivano dallo stesso gene, sono tutti e due enzimi a Fe, che si ossida durante la catalisi, poi viene ridotto da un cofattore particolare, entra a far parte della molecola dell'acido folico, la biopterina, è la pteridina dell'acido folico staccata dei componenti dell'acido e partecipa come cofattore riducente. A che serve la biopterina (BHT)? Serve solo a ridurre il Fe.

Vie biosintetiche e rilevanza clinica

Le catecolamine seguono poi due vie: la via biosintetica di neurotrasmettitori come la dopamina e l'adrenalina, oppure seguono la via biosintetica delle melanine. Questi sono percorsi biosintetici in cui dal catabolismo di un amminoacido si passa all'anabolismo di neurotrasmettitori e pigmenti. Melanine e neurotrasmettitori derivano da una tirosina idrossilata, quindi dalla fenilalanina. Queste vie sono importanti perché sono vie soggette a grossa pressione evolutiva; le patologie che originano da alterazioni di queste vie metaboliche sono molto più importanti di patologie che originano da alterazioni delle reazioni del ciclo di Krebs, ad esempio.

La patologia genetica più comune è dovuta a mutazioni della fenilalanina idrossilasi (circa 300 o 400 mutazioni, la fenilalanina idrossilasi ha 500 amminoacidi) che dà la cosiddetta fenilchetonuria, una malattia genetica grave che può essere controllata limitando l'apporto di fenilalanina nella dieta.