Il ciclo dell'urea e glucosio-alanina: vie metaboliche essenziali, Appunti

Il Ciclo dell'Urea e Glucosio-Alanina

Il ciclo glucosio-alanina

La glutammina è l'amminoacido responsabile del trasporto dell'eccesso di ione ammonio nelle cellule extraepatiche e come tale arriva al fegato. È presente un altro amminoacido implicato nel trasporto dello ione ammonio che è l'alanina. A livello muscolare ci può essere un accumulo di piruvato legato ad una situazione di stress o di digiuno. Il piruvato presente in maggiori quantità può essere trasformato dalla sua transaminasi in alanina che è l'amminoacido corrispondente al piruvato inteso come a-chetoacido. La reazione vede come reagenti il piruvato e glutammato che produce a-chetoglutarato e alanina. L'alanina entra nel torrente circolatorio e arriva all'interno del fegato che ha necessità del piruvato, di conseguenza avviene la reazione opposta in cui l'alanina reagisce con l'a-chetoglutarato per produrre glutammato e piruvato. In questo modo il piruvato si trova nel compartimento giusto per essere inserito nel processo di gluconeogenesi che libera nuovo glucosio. Questa reazione ha un duplice vantaggio, da una parte sostiene l'organismo in una situazione di necessità come può essere una condizione di ipoglicemia e dall'altra aiuta il muscolo a liberarsi da un eccesso di piruvato dovuto ad una situazione di anaerobiosi determinata da stress o da attività muscolare intensa.

Il ciclo dell'urea

Il ciclo dell'urea consiste nella formazione dell'urea, una molecola particolare che viene prodotta negli epatociti per poter eliminare lo ione ammonio. Questo è un processo che non avviene solo nel mitocondrio ma anche nel citosol.

Tappa 1: Formazione del carbamil fosfato

Il carbamil fosfato deriva dall'interazione dello ione ammonio con una molecola di bicarbonato e il consumo di due molecole di ATP. Osserviamo gli step della reazione:

1. L'ossigeno dello ione bicarbonato fa l'attacco nucleofilo al fosfato dell'ATP, libera ADP e si viene a formare un carbossifosfato.
2. L'azoto dell'NH3 fa un attacco nucleofilo sul carbonio carbonilico che ha una parziale carica positiva, si forma l'intermedio carbammato con la liberazione di fosfato inorganico.
3. Entra la seconda molecola di ATP, esce ADP formando il carbamil fosfato.

Questa reazione è irreversibile, è l'innesco del ciclo dell'urea ed è la tappa di comando sui cui si basa il processo di regolazione del ciclo. Avviene nella matrice mitocondriale ed è catalizzata dall'enzima carbamil fosfato sintetasi 1 che si distingue dall'enzima fosfato sintetasi 2, coinvolto nel processo di sintesi dei nucleotidi a livello citoplasmatico.

Tappa 2: Legame del carbamil fosfato all'ornitina

Il carbamil fosfato si lega ad un amminoacido che ha la capacità di entrare ed uscire del mitocondrio, ossia l'ornitina. Questo amminoacido viene prodotto a livello del citosol ma viene impiegato a livello della matrice mitocondriale. L'enzima che catalizza questa reazione, l'ornitina transcarbamilasi, trasferisce il gruppo carbamilico all'ornitina proveniente dal citosol, generando citrullina. La citrullina esce dal mitocondrio e va nel citosol.

Tappa 3: Formazione dell'argininosuccinato

La citrullina cattura una molecola di ATP e diviene citrullil-AMP viene liberato pirofosfato, la pirofosfatasi agisce sul pirofosfato liberando due molecole di pirofosfato inorganico. L'aspartato si lega alla citrullil-AMP e porta su di sé il secondo ione ammonio da smaltire. A questo punto si libera l'AMP e attraverso l'enzima argininosuccinato sintetasi si forma argininosuccinato.

Tappa 4: Generazione di arginina e fumarato

L'argininosuccinato viene attaccato dall'enzima argininosuccinato che libera fumarato e genera arginina, il vero precursore dell'urea. Il fumarato può entrare nel ciclo di Krebs oppure essere convertito in aspartato sempre necessario per la formazione dell'urea.

Tappa 5: Idrolisi dell'arginina e formazione di urea

L'ultima tappa è rappresentata dall'attività dell'arginasi che consente l'idrolisi dell'arginina determinando la formazione di urea e ornitina. Quest'ultima rientrerà nella matrice mitocondriale e legandosi ad un'altra molecola di carbamil fosfato formerà una nuova molecola di citrullina andando ad alimentare nuovamente il ciclo.

Bilancio energetico del ciclo dell'urea

L'urea è una molecola che presenta: - Due gruppi amminici, il primo deriva dallo ione ammonio che si viene a fondere per generare carbamil fosfato e il secondo dall'aspartato che interviene nella formazione di argininosuccinato. - Un atomo di carbonio che deriva dallo ione bicarbonato L'urea deriva dal consumo di 4 legami fosfato ad alta energia, tre derivati dalle molecole di ATP e il quarto dal pirofosfato liberando AMP.

Regolazione del ciclo dell'urea

Il ruolo del ciclo consiste nel recupero dei gruppi amminici per la generazione di urea che deve essere eliminata tramite l'urina. Questo è un processo che non viene mai completamente inibito perché è la via mediante la quale viene escreta una sostanza tossica, l'ammoniaca. Il ciclo non viene regolato a livello ormonale come avviene invece per altre vie metaboliche ma è sottoposto a regolazione genomica, che si basa sul numero di copie degli enzimi coinvolti nel ciclo. La regolazione principale avviene a livello di una molecola non facente parte del ciclo, N-acetilglutammato che è prodotta per il solo scopo regolativo. Questa molecola funge da attivatore allosterico per la carboamil fosfato sintetasi 1 e deriva dalla fusione dell'acetil Co-A con il glutammato per mezzo dell'enzima N-acetilglutammato sintasi, attivata allostericamente dall'arginina. L'arginina viene sintetizzata a seguito della suddivisione e trasformazione dell'argininasuccinato dalla quale si forma non solo arginina ma anche fumarato. La presenza di arginina da indicazione dell'attività del ciclo dell'urea ed è responsabile di uno stimolo positivo sulla sintasi affinchè il ciclo possa continuare.

Esubero di arginina e regolazione

Quand'è che si ha un esubero di arginina? Quando il ritmo del ciclo dell'urea non è così sostenuto in quanto l'arginina è l'ultima molecola prima della formazione dell'urea. L'arginina grazie all'arginasi dà urea + ornitina. Se c'è un accumulo della concentrazione dell'arginina è perché non sta andando molto velocemente il sistema, vuol dire che c'è poco carbammilfosfato che si prende l'ornitina e fa funzionare tutto. L'arginina deve favorire l'attività della carbammilfosfato sintetasi 1 e non lo fa direttamente ma andando ad attivare l'enzima che sintetizza il regolatore allosterico di questo enzima ovvero N- acetilglutammato. E' un sistema che dev'essere molto regolato, perché se c'è qualcosa che non va qua è questione di vita o di morte. E' meglio quando ci sono delle situazioni particolarmente rischiose creare dei sistemi di regolazione molto fini Perché si rischia il collasso del sistema. Le mutazioni di enzimi che sono coinvolti nel ciclo dell'urea di solito sono letali, chi nasce con questi tipi di mutazioni non sopravvive. Per questo è quasi necessario che la modalità con cui avviene questa regolazione sia più complicata. Riassumendo: N-acetilglutammato è il regolatore allosterico della carbammilfosfato sintetasi 1, ha questa funzione di regolatore allosterico positivo. Viene sintetizzato da questo enzima che ha come attivatore l'arginina. L'arginina fa la segnalazione del fatto che non si sta procedendo con la sintesi e innesca un attivatore aumentando il ritmo.

Interconnessioni del ciclo dell'urea

Il ciclo dell'urea, così come altre vie metaboliche, non è fine a sé stesso ci sono alcune molecole che abbiamo già sentito da altre parti, in primis il fumarato ma vi è anche la problematica della necessità di ATP. E', dunque, indispensabile che questo fumarato che viene prodotto, venga riciclato perché esso in questo modo può reinserirsi nel ciclo di Krebs e tutto sommato fare una patta rispetto al consumo. Il fumarato come tale non può entrare nella matrice mitocondriale perché non esiste il trasportatore ma esiste il trasportatore del malato per cui una fumarasi trasforma il fumarato in malato e il malato si inserisce nel ciclo di Krebs portando alla formazione di NADH ed esso porta 3 ATP.