Ossidazione degli amminoacidi, produzione energia e digestione proteine

Ossidazione degli amminoacidi

Produzione di energia dalla degradazione degli aminoacidi:

• carnivori (fino al 90% delle necessità energetiche)
• erbivori (molto poco)
• piante (poco o nulla)

Quando:

• turnover proteico
• dieta ricca in proteine (non si formano riserve di proteine)
• digiuno protratto (carboidrati non disponibili)
• diabete mellito (carboidrati non utilizzati in modo adeguato)

Digestione delle proteine della dieta

(a) Gastric glands in stomach lining Parietal cells (secrete HCl) adelomorfe Chief cells (secrete pepsinogen) Gastric mucosa (secretes gastrin) HCl (pH 1-2.5) + pepsinogeno Pancreas Pepsinogen-> pepsin (b) Exocrine cells of pancreas Secretina (da intestino) 1 Bicarbonato (da pancreas) pH 7 Zymogen granules Collecting duct Zymogens- active proteases Amminoacidi (c) Villi of small intestine Villus Colecistochinina (da duodeno) Small intestine 1 Zimogeni (da pancreas) + Enteropeptidasi (da intestino) Intestinal mucosa (absorbs amino acids) Gastrina (da stomaco) 1 Low pH Stomach Pancreatic duct Rough ER pH 7 (intestino) Proteine 1Pepsinogen 1 Pepsin Enteropeptidase Trypsinogen Trypsin Proelastase Elastase Procarboxy- peptidase Carboxy- peptidase Chymotrypsinogen Chymotrypsin Prolipase LipaseLUMEN INTESTINAL CELL BLOOD Amino acids Amino acids Proteolytic enzymes Peptidases Proteins Tripeptides Dipeptides Oligopeptides AminopeptidaseDigestione delle Proteine Proteine Pepsina: Tripsina: Phe, Trp, Tyr (N) Lys, Arg Chimotripsina: Phe, Trp, Tyr ( C) Carbossipeptidasi Aminopeptidasi Residui C-terminali Residui N-terminali Amminoacidi Epitelio intestinale Fegato (epatociti)

Catabolismo degli amminoacidi

Intracellular protein 1 Dietary protein Amino acids NHÀ Carbon skeletons Biosynthesis of amino acids, nucleotides, and biological amines Carbamoyl phosphate a-Keto acids 1. NH4+ riciclato per biosintesi. 2. Eccesso escreto sottoforma di urea Urea cycle Aspartate- arginino- succinate shunt of citric acid cycle Citric acid cycle CO2 + H2O + ATP Produzione di Oxaloacetate energia o gluconeogenesi Urea (nitrogen excretion product) Glucose (synthesized in gluconeogenesis)OXALOACETATE a-keto acids COO- | C=O R | R | CH3 Pyruvate COO- COO- | C=O | C=O | CH2 | COO-a-amino acids Aspartic Acid COO- COO- COO- | C-NH2 | C-NH2 | | R CH3 Alanine | C-NH2 | CH2 | COO-COO- | CH-NH2 | CH3 Alanine COO- | C=O | CH3 Pyruvate

Catabolismo dell'NH3

Cellular protein Liver 1L COO- COO- transaminasi C=0 1 R a-Keto acids Amino acids COO - + C=0 H3N-C-H 1 CH2 CH2 - - CH2 2 1 COO- COO- a-Ketoglutarate Glutamate GDH COO- ++ 1 1 H3N-C-H NHÀ CH2 I COO- COO- CH2 - + H3N-C-H C=0 C - CH3 O NH2 Alanine Pyruvate Glutamine (a) NH4, urea, or uric acid Transaminazione Nel fegato Ala e Gln: trasportatori di -NH2 al fegato Trasportatore Glutamine from muscle and other tissue 3 CH3 Alanine from muscle I Amino acids from ingested protein + H3N-C-H R COO- I CH2 glutamminasıL'ammoniaca generata nei tessuti viene convogliata al fegato attraverso la glutamina o l'alanina (muscolo) Piruvato + NH4+ - Alanına Glutammato + NH4+ - Glutammina L'ammoniaca viene metabolizzata nel fegato ed escreta. Forme di escrezione dell'azoto NHÀ Ammonia (as ammonium ion) H2N-C-NH2 II Ö Urea 0 H C N HN C 1 1 II C=0 C. C N N H O H Uric acid Ammonotelic animals: most aquatic vertebrates, such as bony fishes and the larvae of amphibia pesci Ureotelic animals: many terrestrial vertebrates; also sharks mammiferi (b) Uricotelic animals: birds, reptiles Uccelli, rettili

Catabolismo degli amminoacidi: 1ª tappa

Transaminazione (nel citosol degli epatociti)

COO- COO- + C=0 COO- H3N -- C-H COO- + PLP CH2 + H3N-C-H CH2 + C=0 aminotransferase - CH2 R CH2 R transaminasi I COO- COO- a-Ketoglutarate L-Amino acid L-Glutamate a-Keto acid AG 0 (reversibile) Scopo: raccogliere i gruppi aminici di aminoacidi diversi in un unico aminoacido (Glu)

Valore diagnostico delle transaminasi

Alanina aminotranferasi (glutammato-piruvato transaminasi, GPT) alanina + a-chetoglutarato = glutammato + piruvato Aspartato aminotranferasi (glutammato-ossalacetato transaminasi, GOT) aspartato + a-chetoglutarato = glutammato + ossalacetato I livelli serici delle transaminasi aumentano in seguito a danno epatico (GPT) o cardiaco (GOT) Altri enzimi importanti x diagnosi di danno cardiaco: creatina chinasi (CK), lattato deidrogenasi (LDH)

Catabolismo degli amminoacidi: 2ª tappa

Deamminazione ossidativa

Deamminazione del glutammato nei mitocondri del fegato e produzione di ammoniaca GTP ADP I I I COO- + NAD(P)+ V v NAD(P)H + H+ C=0 | CH2 I CH2 + H20 CH2 + NH 4 glutamate dehydrogenase CH2 COO COO Glutamate a-Ketoglutarate Ciclo di Krebs Gluconeogenesi COO I H3N-C-H·L'ammoniaca è tossica per i tessuti ·L'ammoniaca prodotta nel fegato entra direttamente nel ciclo dell'urea ·L'ammoniaca prodotta nei tessuti (es. degradazione dei nucleotidi) viene trasportata al fegato sottoforma di glutammina

Trasporto dell'ammoniaca dai tessuti al fegato

+ NH3 1 OOC-CH2-CH2-CH-COO L-Glutamate · glutamine synthetase ATP ADP NH3 1 Glutammina sintetasi O 0- O II 0-P-O-C-CH2-CH2-CH-COO y-Glutamyl phosphate NHÀ glutamine synthetase > Pi + NH3 C-CH2-CH2-CH-COO H2N L-Glutamine Glutamminasi glutaminase (liver mitochondria) NHÀ->- Urea O + NH3 C-CH2-CH2-CH-COO- 1 Nel fegato L-Glutamate Nei tessuti Glutammina (trasportatore) O H2O Glutammato + NH4+ L'ammoniaca prodotta nei tessuti (es. catab. basi azotate) viene legata al: Glutammato + NH4+Enzimi che generano ammoniaca nel fegato: ·Glutammato deidrogenasi ·Glutamminasi Gli stessi enzimi catalizzano la rimozione dell'ammoniaca dai tessuti. Un eccesso di ammoniaca può comportare una deplezione di a-chetoglutarato o di glutammato nel cervello Tossicità

Trasporto dell'ammoniaca dai tessuti che estraggono energia dagli aminoacidi

Ciclo del glucosio-alanina

Trasportatore nel sangue: alanina Vantaggio: il dispendio energetico della gluconeogenesi è a carico del fegato e non del muscolo. L'ammoniaca entra nel ciclo dell'urea Muscle protein Amino acids I NHÀ Glucose Pyruvate glycolysis Glutamate alanine aminotransferase a-Ketoglutarate Alanine Blood glucose Blood alanine Alanine a-Ketoglutarate alanine aminotransferase Glutamate Glucose Pyruvate gluconeo- genesis NHÀ urea cycle Urea

Escrezione dell'azoto

Organismi:

• ammoniotelici (NH4+, pesci)
• ureotelici (urea, mammiferi)
• uricotelici (acido urico, uccelli e rettili)

Organismi urotelici

NH + 4 Fegato (mitocondri degli epatociti) Urea Sangue Rene Urine

Ciclo dell'Urea

1 N entra CO2 + NH4+ «-Keto- acid 1 N entra Carbamoyl phosphate Citrulline Aspartate Q-Amino acid Ornithine Arginino- succinate Oxaloacetate Urea Arginine 2 N escono

Produzione di carbamil fosfato (carbamil fosfato sintetasi I)

CO2+H2O O Il "0-C-OH Bicarbonate ATP attivazione ADP O O II 0-P-O-C-OH I Carbonic-phosphoric acid anhydride NHỊ P: O H2N-C-OH Carbamate ATP ADP O ǁ O ǁ H2N-C-O-P-O- Carbamoyl I 0- phosphate Donatore di gruppi carbamilici Gruppo carbamilico attivazione1 COO + H3N-C-H COO H3N-C-H + CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 NH C=NH2 + NH2 arginina COO- + H3N-C-H COO I H3N-C-H + CH2 CH2 1 CH2 CH2 I CH2 CH2 NH C=O NH2 citrullina Gruppo ureidico NH2 ornitina 5C Gruppo guanidinico +NH3 lisina 6C CH2 1 CH2 I

Ciclo dell'urea

epatocita + NH3 NH3 O C-CH-CH-CH-COO R-CH-COO Amino acids H2N transamination to a-ketoglutarate Glutamine (from extrahepatic tissues) PP: NH3 Glutamate Alanine (from muscle) ATP nucleofilo "00C-CH2-CH2 CH-COO 2a NH3 CH3-CH-COO Citrulline Aspartate + NH3 2b "OOC-CH2-CH-COO Glutamine O NH3 (CH2)3-CH-COO AMP glutaminase H2N-C-NH/ 2 ATP Citrulline Argininosuccinate COO + ŃH2 ŃH3 Glutamate NHÀ glutamate dehydrogenase carbamoyl phosphate synthetase I O 0 3 Fumarate 1 Ornithine OOC-CH=CH-COO 0 Urea cycle Arginine NH2 NH3 Ornithine H2N C-NH-(CH2)3-CH-COO NH3 H3N) (CH2)3 CH COO 4 H2O Urea O H2N-C-NH2 arginasi 2ADP + Pi P: HCO3 Carbamoyl phosphate 1 OOC-CH2-CH NH-C-NH-(CH2)3-CH-COO ǁ HON-C/O-P-O Mitochondrial matrix Cytosol

Ciclo dell'urea (enzimi)

H2O O Arginine arginası H2N NH2 liasi 3 4 Urea Argininosuccinate Ornithine sintetasi) 2 1 Citrulline Carbamoyl phosphate Aspartate R - NH2 R NH2 CYTOSOL MITOCHONDRIAL MATRIX C CO2 + (NH4+ Collega il ciclo dell'urea con il ciclo di Krebs Fumarate transcarbammilasi

Ciclo dell'urea

+ NH3 NH3 R-CH-COO Amino acids H2N transamination to a-ketoglutarate Glutamine (from extrahepatic tissues) PP: NH3 Glutamate Alanine (from muscle) "00C-CH2 CH2 CH-COO NH3 CH3-CH-COO Cytosol Citrulline Aspartate + NH3 2b OOC-CH2-CH-COO Glutamine NH3 AMP glutaminase HON-C-NH-(CH2)3-CH-COO 2 ATP Citrulline 0 2ADP + Pi Pi COO + ŃH2 NH3 Oxaloacetate Glutamate NHÀ OOC-CH2-CH- NH C-NH-(CH2)3 CH-COO aspartate aminotransferase glutamate dehydrogenase 3 Fumarate Aspartate @-Keto- glutarate 1 HON CO-P-O 1 Ornithine OOC-CH=CH-COO + NH3 Mitochondrial matrix Urea cycle 00C-CH2-CH-COO Arginine 2 ŃH2 NH3 Ornithine H2N C-NH-(CH2)3-CH-COO + NH3 H3N-(CH2)3-CH-COO 4 H2O Urea O = H2N) C NH2 arginasi 2 1 Argininosuccinate HCO3 OOC-CH2-C-COO Carbamoyl phosphate 1 1 carbamoyl phosphate synthetase I 0 To step (2b) of the urea cycle 0= C-CH2-CH2-CH-COO ATP 2a

Shunt aspartato-argininosuccinato

1 N entra CO2 + NH4+ a-Keto- acid 1 N entra Carbamoyl phosphate Citrulline Aspartate Q-Amino acid (Glu) Ornithine Arginino- succinate Oxaloacetate Urea Malate Arginine Fumarate 2 N escono

Shunt aspartato-arginino succinato

Fumarate Arginine Urea L Fumarasi citosolica Malate NAD+ Malato DH citosolica NADH Oxaloacetate Arginino- succinate Urea cycle Ornithine Aspartate- arginino- succinate shunt of citric acid cycle ATP Aspartate Citrulline Cytosol Citrulline Ornithine Aspartate a-Ketoglutarate Glutamate Carbamoyl phosphate ATP Oxaloacetate Malato DH mit. 1 NADH NAD+ Malate Citric acid cycle Fumarate Vantaggio: Il NADH riduce i costi energetici del ciclo dell'urea Fumarasi mitocondriale Il fumarato e gli isozimi mitocondriali e citosolici collegano i due cicli

Regolazione

La produzione di urea aumenta con: 1. Dieta ricca di proteine 2. Digiuno protratto (amminoacidi fonte di energia)

Regolazione del ciclo dell'urea

CH3-C O S-CoA COO- I ++ + H3N-C-H Acetyl-CoA CH2 - CH2 COO- Glutamate N-acetylglutamate synthase CoA-SH O COO I CH3-C-NH-C-H Segnala abbondanza di gruppi aminici CH2 1 CH2 COO- N-Acetylglutamate - 2ATP 2ADP + Pi O O HCO3 + NH4 H2N-C-O-P-O carbamoyl phosphate synthetase I I Carbamoyl phosphate Enzima allosterico (1° enzima della via metabolica)