Metabolismo degli amminoacidi

Metabolismo degli amminoacidi

Gli amminoacidi derivanti dalle proteine sono le fonti di azoto principali del nostro organismo. Esistono:

• Amminoacidi essenziali: Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina, Fenilalanina, Triptofano, Istidina, Lisina e Treonina.
• Amminoacidi semi-essenziali: Cisteina (sintetizzata a partire da Metionina) e Tirosina (sintetizzata a partire da Fenilalanina).
• Amminoacidi non essenziali: i restanti.

Gli amminoacidi, al contrario delle altre molecole, non sono accumulati nell'organismo: quelli che eccedono sono subito degradati. Lo ione ammonio (NH₄⁺) ottenuto dalla degradazione degli amminoacidi viene:

• Utilizzato nelle vie biosintetiche di sintesi di amminoacidi, nucleotidi e ammine biologiche.
• Convertito in urea tramite il ciclo dell'urea.

Processo di digestione di proteine esogene

• Nello stomaco vengono secreti, sotto lo stimolo della gastrina, pepsinogeno e HCl, che attiva il pepsinogeno in pepsina. La pepsina idrolizza le proteine ingerite rompendo i legami peptidici e formando una miscela di peptidi più piccoli.
• La secretina stimola il pancreas a secernere bicarbonato che neutralizza l'HCl proveniente dallo stomaco.
• L'arrivo degli amminoacidi nel duodeno causa il rilascio dell'ormone colecistochinina, che stimola la secrezione di altri enzimi pancreatici in forma inattiva, detti zimogeni:
• Tripsinogeno, convertito in tripsina dall'enteropeptidasi secreta dalle cellule intestinali.
• Chimotripsinogeno, attivato dalla tripsina.
• Procarbossipeptidasi A e B, attivate dalla tripsina.

Le proteasi digestive si dividono in:

• Endopeptidasi, che scindono i legami peptidici all'interno delle catene. Sono la pepsina, la tripsina e la chimotripsina.
• Esopeptidasi, che idrolizzano il legame peptidico a partire dalle estremità. Possono essere amminopeptidasi o carbossipeptidasi.

Inoltre, si dividono in base alla localizzazione in:

• Esocellulari, se svolgono la loro azione a livello delle cellule che hanno prodotto gli enzimi stessi.
• Endocellulari, se svolgono la loro azione in altre sedi.

Pepsina

La pepsina viene secreta sotto forma di pepsinogeno dalle cellule principali dello stomaco e poi trasformata nella sua forma attiva dall'HCl. La secrezione di pepsinogeno è favorita dalla secrezione di gastrina da parte delle cellule G. L'acido cloridrico si forma tramite l'anidrasi carbonica (AC) che trasforma l'anidride carbonica (CO₂) diffusa nella cellula parietale dal circolo sanguigno in acido carbonico. Questo si dissocia in ione bicarbonato e protoni.

• Il bicarbonato subisce antiporto con lo ione cloruro e si riversa nel sangue. Lo ione cloruro viene poi trasportato nel lume gastrico.
• Il protone viene riversato nel lume ghiandolare tramite una pompa protonica gastrica che scambia il protone con potassio (K⁺).

Quando il pH del lume gastrico si abbassa sotto a 5 avviene la spontanea trasformazione in pepsina, che agisce nello stomaco con un pH ottimale di 2. La sua disattivazione avviene ad un pH superiore a 3.5, per cui può agire solo a livello gastrico. La trasformazione del pepsinogeno in pepsina determina:

• Perdita di 44 amminoacidi (da 371 del pepsinogeno a 327 della pepsina).
• Abbassamento del punto isoelettrico (da 3.7 del pepsinogeno a 1 della pepsina).

La pepsina è detta una proteasi carbossilica in quanto nel suo sito attivo sono presenti due gruppi carbossilici a livello di due residui di acido aspartico in posizione 32 e 215.

• Il residuo 215 fa un legame idrogeno con una molecola di acqua.
• Il residuo 32 rimuove da tale molecola un protone, determinando la formazione di -OH.
• L'-OH attacca il carbonio carbonilico del legame peptidico di un amminoacido, tramite attacco nucleofilo sul carbonio carbonilico.
• La rottura definitiva del legame avviene quando il protone trasferito precedentemente sul Asp 32 viene ceduto all'atomo di azoto del peptide, in modo tale che il legame peptidico si rompa.

Con questo meccanismo la pepsina taglia in frammenti più piccoli le catene amminoacidiche ma non le digerisce completamente. Ha una specificità di taglio verso quei legami peptidici che portano come residuo N-terminale una tirosina, una fenilalanina o un triptofano. Una volta superato lo stomaco, l'acidità gastrica viene neutralizzata dal bicarbonato e dalla bile che determinano un pH a livello del duodeno di circa 7-8. Questo rappresenta un valore ottimale per la secrezione (per azione della colecistochinina) e l'attivazione di enzimi pancreatici.

Peptidasi pancreatiche

Tripsina

La tripsina deriva dall'enzima pancreatico tripsinogeno. Viene attivata dall'enzima enterochinasi o enteropeptidasi prodotto dalle cellule epiteliali del duodeno. Questo enzima scinde 6 residui a livello della regione N-terminale del tripsinogeno, attivandolo. La tripsina attiva determina l'attivazione del chimotripsinogeno in chimotripsina, della procarbossipeptidasi in carbossipeptidasi e della proelastasi in elastasi. È una Serina-proteasi perché necessita di una Serina nel sito attivo per scindere i legami fra amminoacidi. In particolare, gli amminoacidi che si possono inserire nel sito attivo della tripsina sono Lisina e Arginina.

Chimotripsina

La chimotripsina è un enzima secreto dal pancreas sotto forma di chimotripsinogeno. Il chimotripsinogeno è formato da 245 amminoacidi con 5 ponti disolfuro che legano residui di cisteine equidistanti fra di loro. La sua attivazione avviene tramite la tripsina, che rompe la catena del chimotripsinogeno a livello dell'Arg 15, dando vita ad una forma già attiva detta chimotripsina π che può dare inizio ad un processo di autodigestione che avviene a livello:

• Leucina 13
• Tirosina 146
• Aspartato 148

La struttura dà vita alla α-chimotripsina sempre legata tramite ponti disolfuro. Agisce su amminoacidi quali Fenilalanina, Triptofano e Tirosina.

Carbossipeptidasi A e B

Infine, le carbossipeptidasi A e B determinano l'eliminazione dei residui C-terminali delle catene amminoacidiche formate.

• Carbossipeptidasi A: zinco proteasi, agisce su amminoacidi aromatici.
• Carbossipeptidasi B: agisce su amminoacidi basici (Lys, Arg).

Questi amminoacidi singoli o corte catene amminoacidiche (dipeptidi o tripeptidi) vengono poi assorbiti dallo strato di cellule epiteliali dei villi, dove subiscono ulteriori modificazioni da parte di enzimi endocellulari che sono:

• Amminopeptidasi: di membrana, determinano la perdita del gruppo amminico prima di penetrare nelle cellule.
• Dipeptidasi
• Tripeptidasi

Per quanto riguarda il trasporto attraverso la membrana, esso avviene tramite 4 sistemi che differiscono in base agli amminoacidi:

• Trasportatori per amminoacidi acidi (Aspartato e Glutammato).
• Trasportatori per amminoacidi basici + Cisteina.
• Trasportatori per amminoacidi neutri + Serina e Treonina.
• Trasportatori per Prolina, Idrossiprolina e Glicina.

Degradazione di proteine endogene

Per quanto riguarda le proteine endogene vi è un costante ricambio per:

• Degradare e rimpiazzare le proteine danneggiate.
• Modificarne le quantità in base alle esigenze dell'organismo.

L'1-2% di proteine endogene viene rimpiazzato giornalmente. Da queste:

• Il 70-80% degli amminoacidi viene riutilizzato.
• Il 20-30% viene metabolizzato.

Vi sono due modalità di degradazione delle proteine endogene:

• Sistema ATP dipendente: citosolico, comporta la formazione del complesso ubiquitina-proteasoma. Le proteine bersaglio sono citosoliche, regolatorie e difettose.
• Sistema ATP indipendente: lisosomiale, contribuisce alla distruzione del 15% delle proteine tramite idrolasi acide attive ad un pH di 5. Le proteine bersaglio sono extracellulari o transmembranali.

Sistema ubiquitina-proteasoma ATP dipendente

Ubiquitina

L'ubiquitina è una piccola proteina costituita da 76 amminoacidi che “marca” le proteine da degradare. Di questi amminoacidi hanno una particolare funzione:

• La glicina C-terminale
• La lisina 48

In quanto determinano la formazione di una molecola di poliubiquitina tramite la formazione di legami isopeptidici tra:

• Glicina C-terminale di un amminoacido.
• Epsilon ammino-gruppo di una Lisina di un altro amminoacido.

Anche il legame tra la catena di poliubiquitina e la proteina da degradare non è un legame peptidico ma isopeptidico. Esso avviene tramite tre enzimi E1, E2 ed E3 e ATP.

1. E1 si lega all'estremità C-terminale (glicina) dell'ubiquitina, tramite idrolisi dell'ATP in AMP + Ppi.
2. L'ubiquitina viene trasferita a E2
3. La ligasi E3 trasferisce l'ubiquitina da E2 alla proteina bersaglio. Si lega tramite legame isopeptidico con un residuo di lisina.

Proteasoma

Il proteasoma è una proteasi a treonina formato da una struttura a barile all'interno della quale viene degradata la proteina ubiquitinata. È formato da due parti:

• 2 cappucci: porzioni esterne che riconoscono la catena di poliubiquitina, la rimuovono e srotolano la proteina.
• Nucleo catalitico: costituito da:
• Subunità α, periferiche.
• Subunità β, centrali, con siti che hanno attività proteasica a treonina.

Controllo del sistema ubiquitina-proteasoma

Le proteine si possono dividere in:

• Proteine a vita lunga
• Proteine a vita breve

Per conoscere il tempo di vita di una proteina si può osservare il residuo N-terminale di esse: i residui N-terminali possono essere infatti classificati come:

• Stabilizzanti la struttura proteica: che contengono Met, Gly, Ala, Ser, Thr, Val
• Destabilizzanti la struttura proteica

In particolare, successioni di residui indicati con la sigla PEST (prolina, acido glutammico, serina, treonina), si possono ripetere numerose volte in proteine a vita breve e indirizzano la proteina verso la degradazione.

Sistema lisosomiale ATP indipendente

I lisosomi sono organelli cellulari in cui avviene la degradazione di diversi componenti cellulari tramite enzimi detti idrolasi acide. Il pH all'interno dei lisosomi si mantiene acido, di circa 4-5, tramite pompe protoniche lisosomiali. I lisosomi partecipano alla degradazione di proteine extracellulari e transmembrana.

Destino degli amminoacidi

Abbiamo visto come proteine assunte dalla dieta e proteine endogene vengono ridotte ad amminoacidi. Questi vengono:

• In parte utilizzati per la sintesi proteica.
• In parte degradati.

Le porzioni degli amminoacidi degradati sono:

• Gruppo amminico: andrà nel ciclo dell'urea o per la sintesi di amminoacidi e nucleotidi.
• Scheletro carbonioso: andrà a formare chetoacidi dopo la rimozione del gruppo amminico.

Rimozione del gruppo amminico

La rimozione del gruppo amminico da un amminoacido comporta la formazione di un chetoacido. Le reazioni che permettono la rimozione del gruppo amminico sono:

• Deamminazione: per cui il gruppo amminico è rimosso sotto forma di ammoniaca.
• Transaminazione: per cui il gruppo amminico rimosso viene spostato su un α-chetoacido.
• Transdeaminazione: accoppiamento delle prime due modalità.

Deamminazione

Nella deamminazione, il gruppo amminico viene rimosso dall'amminoacido sotto forma di ammoniaca. Può essere:

Deamminazione ossidativa

Avviene tramite L e D-Amminoacido Ossidasi e L-Glutamico Deidrogenasi.

Amminoacido Ossidasi

Le Amminoacido Ossidasi sono enzimi FAD/FMN-dipendenti. In base al substrato si dividono in:

• L-Amminoacido Ossidasi: flavoproteine FMN-dipendenti.
• D-Amminoacido Ossidasi: flavoproteine FAD-dipendenti.

Catalizzano l'ossidazione di un amminoacido in imminoacido che libera poi spontaneamente NH₃ e diventa un chetoacido.

1. Ossidazione tramite rimozione di 2H dell'amminoacido, uno legato al C-α e uno legato all'N, con formazione dell'imminoacido.
2. Trasferimento dei due protoni al FMN/FAD e riduzione di questi.
3. Idrolisi spontanea in ambiente acquoso dell'imminoacido in α-chetoacido con perdita di ammoniaca.

Amminoacido + FAD → Imminoacido + H₂O → Alfa-chetoacido + NH₃⁺

Si genera quindi la forma ridotta del FADH₂ che viene subito ossidata, in presenza di ossigeno, producendo H₂O₂. L'acqua ossigenata viene subito degradata dalle catalasi perché dannosa. Il FAD è quindi disponibile nuovamente per la reazione di ossidazione.

Gli enzimi D-Amminoacido Ossidasi sono presenti nel fegato e nei reni e demoliscono i D-amminoacidi che:

• Vengono prodotti dalla fermentazione batterica nell'intestino.
• Sono presenti in peptidi introdotti con l'alimentazione.

Questi enzimi costituiscono quindi una sorta di difesa contro le forme D degli amminoacidi che non possono formare le nostre proteine. Gli enzimi L-amminoacido Ossidasi sono invece più presenti nel mondo vegetale e in organismi inferiori, poco negli organismi superiori.

L-Glutammico Deidrogenasi (GDH)

Enzima più efficiente nell'ossidazione degli amminoacidi, NAD-dipendente o NADP-dipendente, si trova a livello della matrice mitocondriale ed è regolato da GTP (negativamente) e ADP (positivamente).

1. Ossidazione dell'acido glutammico tramite rimozione di due H⁺, uno dal carbonio-α e uno dall'N, con formazione dell'imino-glutammico.
2. Riduzione del NAD a NADH + H⁺.
3. Idrolisi spontanea in ambiente acquoso dell'imino-glutammico in α-chetoglutarato, intermedio di reazione del ciclo di Krebs.

Acido glutammico + NAD → Imino-glutamico + H₂O → alfa-chetoglutarato + NH₃

Deamminazione non ossidativa

La deamminazione non ossidativa può avvenire tramite Serina-Treonina Deidratasi o Cisteina Desulfidrasi.

Serina-Treonina Deidratasi

Ha come coenzima il Piridossal Fosfato (PLP o vitamina B₆) e catalizza reazioni di α e β eliminazione:

Serina → Piruvato + NH₃

• Rimozione del gruppo -OH dal carbonio β e un idrogeno dal carbonio α, per cui si forma un doppio legame fra questi.
• La struttura dell'aminoacrilico è in equilibrio con l'imminoacido corrispondente.
• In ambiente acquoso l'imminoacido va incontro a idrolisi spontanea liberando piruvato e NH₃.

Treonina → α-chetobutirrato + NH₃

Cisteina Desulfidrasi

La Cisteina Desulfidrasi determina una reazione di α e β eliminazione, in particolare:

• Eliminazione in α di un idrogeno.
• Eliminazione in β del gruppo -SH tiolico.

Per cui quello che viene eliminato è un acido solfidrico (SH₂).

A seguito della rimozione abbiamo:

• Formazione dell'amminoacrilico in equilibrio con l'imminoacido.
• Idrolisi spontanea in ambiente acquoso dell'imminoacido con formazione di piruvato e di NH₃.

Transaminazione

La transaminazione è mediata da transaminasi o aminotransferasi che catalizzano il trasferimento reversibile del gruppo amminico da un amminoacido all'α-chetoglutarato.

• L'amminoacido di partenza forma il corrispettivo α-chetoacido.
• L'α-chetoglutarato forma il glutammato.

Essendo una reazione reversibile, può funzionare in entrambe le direzioni in base alle esigenze fisiologiche. Il coenzima dell'aminotransferasi è il PLP (piridossal fosfato).

Esempi:

Aspartato → Aspartato + α-chetoglutarato → ossalacetato + glutammato. La transaminasi che catalizza la reazione di transaminazione a partire dall'Aspartato è detta GOT (Glutammico Ossalacetico Transaminasi), adesso detta AST (Aspartato Aminotransferasi).

Alanina: Al...