Catabolismo degli amminoacidi e regolazione del ciclo dell'urea

Università San Raffaele Roma

Docente Sara Baldelli

Lezione Catabolismo degli AAU Università San Raffaele Roma Sara Baldelli

AA

Gli amminoacidi derivano: - dalla degradazione (riciclaggio) delle proteine cellulari - dalla degradazione delle proteine alimentari - dalla degradazione delle proteine del corpo (massa muscolare) in mancanza di sostanze nutrienti (digiuno prolungato e diabete non controllato) Catabolismo degli AA 2 di 33U

Metabolismo degli amminoacidi

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Metabolismo AA Il fegato e' l'organo piu' attivo sia nella sintesi che nella degradazione degli amminoacidi · Metabolismo del gruppo amminico · Metabolismo dello scheletro carbonioso Catabolismo degli AA 3 di 33U

Schema del metabolismo degli amminoacidi

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Metabolismo AA Amino acid NH3 Carbon skeleton Deaminazione Catabolismo dello scheletro di carbonio CO2 Glucose Acetyl-CoA Ketone bodies Ciclo dell'urea Urea Catabolismo degli AA 4 di 33U

Transaminazione

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Transaminazione La prima tappa del catabolismo della maggior parte degli AA è il distacco del gruppo -NH2 promosso da enzimi chiamati AMMINOTRANSFERASI o TRANSAMMINASI Catabolismo degli AA 5 di 33U

Tappe della transaminazione

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Transaminazione: le tappe La reazione di transaminazione avviene grazie alla presenza del coenzima contenente un gruppo aldeidico, il piridossal-5'-fosfato (PLP), un derivato della piridossina (vitamina B6). La reazione catalizzata dalla transaminasi avviene in due step (meccanismo a "ping-pong"). Enzimi: transaminasi C=0 - CH2 CH2 COO «-Chetoglutarato COO- COO- + H3N -- C-H CH2 CH2 COO- L-Glutammato PLP ammino- transferasi COO - + H3N-C-H R L-Amminoacido COO C=0 - R «-Chetoacido Catabolismo degli AA 6 di 33U

Dettaglio delle tappe di transaminazione

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Transaminazione: le tappe COO- COO- I C=0 H3N-C-H J- CH2 I CH2 1 CH2 CH2 - COO coo- a-Ketoglutarate L-Glutamate PLP amino- transferase COO- COO- I H3N-C-H - C=0 I R R L-Amino acid a-Keto acid 1. Il gruppo a-amminico di un AA viene trasferito al Ca dell' a-chetoglutarato, generando l' achetoacido corrispondente e glutammato. Non c'è deamminazione netta, ma spostamento di -NH2 dall'AA ad un a-chetoacido, che generalmente è a- chetoglutarato. Lo scopo è quello di raccogliere gli -NH2 dei vari AA in un unico compasto, il glutammato, che poi incanala i gruppi -NH2 nelle vie biosintetiche o nelle sequenze finali di reazioni che formano i prodotti azotati da eliminare . La transamminazione avviene nel citosol Catabolismo degli AA 7 di 33U

Deamminazione ossidativa del glutammato

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Transaminazione: le tappe coo- 1 H3N-C-H NAD(P)+ 1 CH2 >NAD(P)H CH2 1 COO" COO Glutamate I H2N =C CH 2 I CH 2 1 coo- Coo- C=0 CH2 H20 NH CH2 COO- a-Ketoglutarate Il glutammato viene successivamente trasportato dal citosol nei mitocondri dove viene sottoposto a una deamminazione ossidativa catalizzata dalla L-glutammato deidrogenasi. Lo ione ammonio viene liberato dal glutammato e viene catturato dall'urogenesi, che lo trasforma in urea. NH4 + non può essere trasportato come tale perché tossico Catabolismo degli AA 8 di 33U

Destino dello ione ammonio (NH4+)

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli NH4+: qual è il suo destino? La forma principale di trasporto di è L-glutammina NH4 + è una molecola alquanto tossica per cui è necessario portarla altrove per la sua esplusione. COO- COO- coo- Il glutammato, in questo caso, - C=0 ATP ADP C=0 1 CH2 1 + NH4 CH2 1 Glutamina sintasi CH2 1 Glutamina sintasi CH2 + Pi 1 CH2 1 C coo- COOPO32- 0 NH2 a-cheto glutarato 6-fosfo-a-cheto glutarato Glutamina Il primo passaggio di questa reazione è la fosforilazione del carbossile terminale del glutammato seguito dalla sostituzione dello ione ammonio. Catabolismo degli AA 9 di 33 1 C=0 agisce in modo indiretto formando glutammina mediante l'azione dell'enzima glutamina sintasi. CH2 1U

Trasporto e conversione della glutammina

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli NH4+: qual è il suo destino? La glutammina viene trasportata dal muscolo al fegato o al rene dove viene convertita nuovamente in glutammato ed NH4+ mediante la reazione catalizzata dall'enzima glutaminasi. Nel fegato l'ammonio entra nel ciclo dell'urea mentre nel rene viene escreto attraverso le urine. NH 3 1 "OOC-CH2-CH2-CH-COO" L-Glutamate ATP glutamine synthetase ADP 0 O NH 3 1 "0-P-O-C-CH2-CH2-CH-COO" o- y-Glutamyl phosphate NH+ glutamine synthetase ·PI NH3 1 C-CH2-CH2-CH-COO" H2N L-Glutamine glutaminase · H20 (liver mitochondria) NHÀ->>Urea NH 3 1 __ CH2-CH2-CH-COO- L-Glutamate Catabolismo degli AA 10 di 33U

Ciclo glucosio-alanina

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo glucosio-alanina Nel tessuto muscolare, la via di trasporto dell'ammoniaca è particolare. A seguito della glicolisi si forma un quantitativo elevato di piruvato. Questo chetoacido accetta un gruppo amminico COO- - COO" + C=0 + H3N+-C-H CH3 Alanina aminotransferasi con la conseguente Glutammato Piruvato Alanina CH3 aminotransferasi Coo- a-cheto glutarato C=0 1 CH2 CH2 1 COO" 1 dal glutammato mediante l'intervento dell'enzima alanina H3N+-C-H - CH2 1 CH2 1 COO- I COO- sintesi dell'alanina. L'alanina così formata si dirige dal muscolo al fegato trasportando con sé il gruppo aminico. Catabolismo degli AA 11 di 33U

Processo di eliminazione dello ione ammonio

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo glucosio-alanina Nel fegato tale gruppo viene allontanato e si forma nuovamente piruvato che entra nella gluconeogenesi per formare il glucosio. Per questo motivo, il particolare processo di eliminazione dello ione ammonio, adesso analizzato, viene definito come ciclo glucosio-alanina. coo- H3N+-C-H I - COO- CH2 1 CH2 1 COO- C=0 COO" 1 - + c=0 CH2 CH2 1 + H3N+-C-H Alanina CH3 aminotransferasi coo- COO" I CH3 Alanina Glutammato Piruvato a-cheto glutarato -0- Catabolismo degli AA 12 di 33U

Schema del ciclo glucosio-alanina

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Muscolo proteine amminoacidi - a-chetoglutarato>alanina glutammato - piruvato a chetoacidi ~NH4+ energia glutammina Fegato piruvato NHA glutammato NH4 glutammato urea - a-chetoglutarato glutammina Rene NH4+ glutammato urea Catabolismo degli AA 13 di 33U

Ciclo dell'Urea

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo dell'Urea Negli organismi ureotelici NH4 + accumulato nei mitocondri degli epatociti viene convertito in urea mediante il CICLO dell'UREA Scoperto nel 1932 da Krebs La produzione di urea ha luogo quasi esclusivamente nel fegato Catabolismo degli AA 14 di 33U

Tappe del ciclo dell'urea: formazione del carbamil fosfato

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo dell'Urea: le tappe 1. Il ciclo dell'urea ha inizio nei mitocondri degli epatociti con la formazione di CARBAMIL FOSFATO. ADP O HO-C-0 + 0=P-O" O 0 1 + ADP 0 Pi ATP O O O O-C-OPO3 + :NH3 TO-C-NH2 -203P-O-C-NH2 2 3 Carbammato ADP Carbossifosfato Carbamil fosfato La reazione è catalizzata dall'enzima carbamil fosfato sintetasi I (forma mitocondriale diversa dalla citosolica II che serve per la sintesi delle pirimidine). Per formare una molecola di carbamil fosfato vengono utilizzati i gruppi fosforici terminali di due molecole di ATP (due tappe di attivazione) Catabolismo degli AA 15 di 33 ADP O=P-OU

Tappe del ciclo dell'urea: condensazione con ornitina

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo dell'Urea: le tappe 2. Il carbamilfosfato viene fatto condensare con una molecola di ornitina per dare citrullina; la reazione è catalizzata dalla ornitina transcarbamilasi. La citrullina formata esce dal mitocondrio per andare nel citosol. Glutammato 4 o NADOPP glutammato deidrogenasi H* + NADPH + a Chetoglutarato NHỜ Amminoacido carbamil fosfato 0 2 ATP + HCO2 + NH3 HIN-C-OPO] +2 ADP + P, Carbamil fosfato 0=C-NH ornitina transcur- bamilasi NH - P ICH2} Ornitina 2 HC-NH; NH Citrullina COO (CH,) Mitocondrio H-C-NHt COO" Citosol Citrullina CH Ornitina ATP - HC-NHI 0 3 HON-C-NH2 Aspartato Urea + 5 arginasi H,O Arginino- CH2 succinato NH Arginina HC- ·N-C HIN NH HN 4 NH argininosuccinsai (CH ) (CH) HC H-C-NHỊ COO CH Fumarato H2O - fumarasi NAD+ NADH + H* COO 1 CH2 Gluconeogenesi CH-OH C-o COO Malato Ossalacetato Catabolismo degli AA 16 di 33 Coo- Cick dell'urea argininosuccinato sintetasi AMP + PP; - HC-NHỊ CH2 malato deidrogenasi R-C-COO- @Chetoacido R-CH-COO 1U

Tappe del ciclo dell'urea: formazione dell'argininosuccinato

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo dell'Urea: le tappe 3. Nel citosol viene fatta condensare con una molecola di aspartato dalla argininosuccinato sintetasi formando argininosuccinato. Glutammato 4 o NADOPP glutammato deidrogenasi H* + NADPH + a Chetoglutarato NHỜ Amminoacido carbamil fosfato 0 1 2 ATP + HCO2 + NH3 HIN-C-OPO] +2 ADP + P, Carbamil fosfato 0=C-NH ornitina transcur- bamilasi NH - P ICH2} Ornitina 2 HC-NH; NH Citrullina COO (CH,) Mitocondrio H-C-NHt COO" Citosol Citrullina CH Ornitina ATP - HC-NHI 0 3 HON-C-NH2 Aspartato Urea + 5 arginasi H,O Arginino- CH2 succinato NH Arginina HC- ·N-C HIN NH HN 4 NH argininosuccinsai (CH ) (CH) HC H-C-NHỊ COO CH Fumarato H2O - fumarasi NAD+ NADH + H* COO 1 CH2 Gluconeogenesi CH-OH C-o COO Malato Ossalacetato Catabolismo degli AA 17 di 33 COO" Coo- Cick dell'urea argininosuccinato sintetasi AMP + PP; - HC-NHỊ COO CH2 malato deidrogenasi R-C-COO- @Chetoacido R-CH-COOU

Tappe del ciclo dell'urea: scissione dell'argininosuccinato

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo dell'Urea: le tappe 4. L'argininosuccinato viene scisso in arginina e fumarato dall'argininosuccinato liasi e il fumarato viene indirizzato verso il ciclo di Krebs R-C-COO- Glutammato 4 o NADOPP glutammato deidrogenasi H* + NADPH + a Chetoglutarato NHỜ Amminoacido carbamil fosfato 0 1 2 ATP + HCO2 + NH3 HIN-C-OPO] +2 ADP + P, Carbamil fosfato 0=C-NH ornitina transcur- bamilasi NH - P ICH2} Ornitina 2 HC-NH; NH Citrullina COO (CH,) Mitocondrio H-C-NHt COO" Citosol Citrullina CH Ornitina ATP - 0 dell'urea 3 HON-C-NH2 Aspartato Urea + 5 arginasi H,O Arginino- CH2 succinato NH Arginina HC- ·N-C HIN NH HN 4 NH argininosuccinsai (CH ) (CH) HC H-C-NHỊ COO CH Fumarato H2O - fumarasi NAD+ NADH + H* COO 1 CH2 Gluconeogenesi CH-OH C-o COO Malato Ossalacetato Catabolismo degli AA 18 di 33 CH2 malato deidrogenasi HC-NHỊ COO Coo- Cick HC-NHI argininosuccinato sintetasi AMP + PP; - @Chetoacido R-CH-COOU

Tappe del ciclo dell'urea: trasformazione dell'arginina

Università San Raffaele Roma Sara Baldelli Ciclo dell'Urea: le tappe 5. L'arginina è trasformata in ornitina e urea dall'arginasi, e quindi l'urea viene trasportata dal flusso ematico verso i reni e l'ornitina può essere utilizzata per un altro ciclo. Glutammato 4 o NADOPP glutammato deidrogenasi H* + NADPH + a Chetoglutarato NHỜ Amminoacido carbamil fosfato 0 2 ATP + HCO2 + NH3 HIN-C-OPO] +2 ADP + P, Carbamil fosfato 0=C-NH ornitina transcur- bamilasi NH - P ICH2} Ornitina 2 HC-NH; NH Citrullina COO (CH,) Mitocondrio H-C-NHt COO" Citosol Citrullina CH Ornitina ATP - HC-NHI 0 3 HON-C-NH2 Aspartato Urea + 5 arginasi H,O Arginino- CH2 succinato NH Arginina HC- ·N-C HIN NH HN 4 NH argininosuccinsai (CH ) (CH) HC H-C-NHỊ COO CH Fumarato H2O - fumarasi NAD+ NADH + H* COO 1 CH2 Gluconeogenesi CH-OH C-o COO Malato Ossalacetato Catabolismo degli AA 19 di 33 CH2 malato deidrogenasi HC-NHỊ Coo- Cick dell'urea argininosuccinato sintetasi AMP + PP; - 1 R-C-COO- @Chetoacido R-CH-COO