METABOLISMO delle PROTEINE AZOTO essenziale per la vita

METABOLISMO delle PROTEINE

AZOTO essenziale per la vita - Amminoacidi - Nucleotidi In natura -N 2 atmosferico (N. B. N N triplo legame, molta energia per metabolizzarlo) - ione nitrato NO 3– presente nel suolo Nei sistemi biologici sono presenti le forme ridotte - ione ammonio NH 4+ libero - gruppo amminico (-NH 3+) e gruppo ammidico (-NH-C=O ) presenti in composti organici

GLI ANIMALI DIPENDONO DA BATTERI E PIANTE PER L’AZOTO (ciclo dell’azoto) I. Soltanto alcuni batteri anaerobi, simbionti nelle radici delle leguminose, sono in grado di fissare (ridurre) l’N 2 atmosferico con produzione di ammoniaca II. altri batteri ossidano NH 3 a nitrito (NO 2– ) e quindi a nitrato III. Le piante sono in grado di utilizzare NO 3– con produzione di NH 4+, che viene quindi incorporato nei composti organici azotati (punto d’ingresso Glu e Gln) IV. III. Gli animali assumono composti organici azotati (amminoacidi)

Fonte primaria di azoto: amminoacidi forniti dalle proteine alimentari

Funzioni degli L- -amminoacidi Substrati per la sintesi proteica 20 a. a - con codone 21 a. a. selenocisteina riconoscimento via t. RNA seril-t. RNA + seleniofosfato Se-cisteinil t. RNA più numerosi in seguito a modificazione post-sintetica esempi: amminoacidi fosforilati; acido carbossiglutammico Componenti di peptidi glutatione (GSH) Glu-Cys-Gly Intermedi metabolici ornitina Fonte energetica v Trasporto di azoto a. a. glucogenici, a. a. chetogenici glutammina, alanina v Precursori per la biosintesi degli altri composti contenti azoto

composti derivati amminoacidi precursori ––––––––––––––––––––––––––––– Eme glicina (+ succinil Co. A) Nucleotidi glutammina, glicina, acido aspartico Carnitina lisina, metionina Creatina arginina, glicina, metionina Ammine biogene , Tiroxina, adrenalina tirosina istidina ( istamina) triptofano ( serotonina) Taurina (nei sali biliari) cisteina Niacina triptofano

Classificazione in base alla struttura

CLASSIFICAZIONE NUTRIZIONALE AMMINOACIDI ESSENZIALI : devono necessariamente essere introdotti preformati con la dieta valina leucina isoleucina metionina fenilalanina triptofano istidina lisina treonina AMMINOACIDI NON ESSENZIALI i. semi-indispensabili risparmiano i precursori essenziali tirosina (sintetizzata da fenilalanina) cisteina (sintetizzata da metionina)

condizionatamente non essenziali glicina, serina, prolina, glutammina, arginina possono non essere sufficienti in alcuni stati particolari quali infezioni, traumi, bambini prematuri, non essenziali alanina, aspartato, asparagina, glutammato Le reazioni di transaminazione, reversibili, permettono di ridistribuire il gruppo NH 3 fra gli amminoacidi Vanno comunque integrati con la dieta e l’apporto deve essere bilanciato in quanto: - Il pool di amminoacidi non è totalmente riutilizzabile - NH 3 principalmente prodotto di rifiuto, anche se vi è un riutilizzo limitato a riformare amminoacidi

digestione Enzimi digestivi secreti come zimogeni inattivi attivati tramite proteolisi nel lume intestinale

I. DIGESTIONE PROTEINE - STOMACO p. H acido: denatura le proteine alimentari p. H acido: autoattivazione del PEPSINOGENO PEPSINA + peptidi Il processo prosegue in modo autocatalitico Pepsina: endopeptidasi poco specifica ma preferisce rompere il legame che coinvolge il gruppo carbossilico di Tyr, Phe, Trp I. proteine alimentari + pepsina grandi peptidi

LUME SANGUE Cl– HCO 3– H+ H+ CO 2 + H 2 O pompa H+/K+ metabolismo ATPasi K+ membrana baso-laterale Cl– K+ membrana apicale

II LUME INTESTINALE tramite ENZIMI PANCREATICI Zimogeni secreti dal pancreas esocrino Enterochinasi: legata alla membrana apicale degli enterociti TRIPSINOGENO + enterochinasi TRIPSINA + esapeptidi CHIMOTRIPSINOGENO + tripsina CHIMOTRIPSINA +2 dipeptidi PROELASTASI + tripsina ELASTASI PROCARBOSSIPEPTIDASI A e B + tripsina CARBOSSIPEPTIDASI endopeptidasi TRIPSINA - scinde legame COO- di a. a. basici (Arg, Lys) CHIMOTRIPSINA - scinde legame COO- di a. a. idrofobici (Phe, Tyr, Trp) ELASTASI - scinde legame COO- di piccoli aa neutri (Gly, Ala, Val) Esopeptidasi (rilasciano a. a. liberi e oligopeptidi di 2 -8 residui) CARBOSSIPEPTIDASI A - a. a. aromatici CARBOSSIPEPTIDASI B - a. a basici (Lys, Arg)

III. MUCOSA INTESTINALE enzimi ancorati alla membrana dell’enterocita - AMINOPEPTIDASI - DIPEPTIDASI PRODOTTI DELLA DIGESTIONE AMMINOACIDI LIBERI, DI- e TRi. PEPTIDI

IV. ENTEROCITA I peptidi possono entrare nell’enterocita dove sono scissi da amminopeptidasi citosoliche. ASSORBIMENTO: tramite numerosi trasportatori specifici per classi di a. a. (neutri, dibasici, . . ), in genere cotrasportatori con Na+ o H+ ENTEROCITI metabolizzano glutammina (loro principale fonte energetica), Glu, Asp, Arg per risparmiare glucosio ed acidi grassi per gli altri tessuti

Circa 1% delle proteine sono parzialmente idrolizzate e frammenti peptidici possono essere assorbiti come tali tramite ü Trasportatore (es H+/Pep. T 1 che importa anche antibiotici beta lattamici) ü Captazione transcellulare per endocitosi - e quindi esporto tramite esocitosi ü Captazione paracellulare tra le cellule, con una permeabilità non specifica (in particolare in presenza di una mucosa danneggiata)

Destino degli aminoacidi alimentari dopo un pasto MUSCOLO glucosio -NH 2 AA ramificati alanina proteine pool AA proteine AA ramificati -chetoacidi urea FEGATO alanina glutammina CO 2 pool AA SANGUE serina glutammina Interconversione di AA NH 4+ proteine -chetoglutarato AA alimentari INTESTINO RENE

METABOLISMO DELLE PROTEINE

Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico Proteine della dieta digestione Quota dei derivati non proteici minoritaria e non si calcola nel bilancio azotato; ma quota significativa in condizioni di privazione di proteine degradazione sintesi proteine corporee Amminoacidi N C Derivati non proteici glucosio, glicogeno NH 3 urea intermedi del Ciclo di Krebs CO 2 + energia acidi grassi trigliceridi

bilancio di azoto o bilancio proteico: dipende dalla somma delle velocità di entrata ed uscita dal pool di amminoacidi liberi a PROTEINE ALIMENTARI POOL AA b d PROTEINE CORPOREE c POOL DI DERIVATI flusso in entrata = dieta + degradazione proteica (a + b) rimozione a. a. = sintesi proteica + ossidazione (c + d) a+b=c+d a+d>b+c costante mantenimento nell’adulto bilancio positivo accrescimento; masse muscolari; gestazione b+c >a+d bilancio negativo insufficiente apporto energia e/o proteine; malattia

In media le proteine contengono il 16% di azoto Relativamente facile misurare l’azoto, per cui i cambiamenti nella quantità proteica corporea vengono misurati come differenza fra azoto introdotto ed azoto escreto azoto x 6, 25 (cioè 100/16) = proteina

UOMO ADULTO: proteine corporee circa 12 Kg 40% nel muscolo di cui 65% miosina ed actina per locomozione e lavoro muscolare, ma anche come fonte di amminoacidi in condizioni di stress. Ma proteine muscolari non sono forma di riserva come glicogeno e lipidi ed una loro perdita porta a perdita di proteine funzionali. 10% tessuti viscerali (fegato, intestino) non mobilizzate rapidamente in condizioni di stress per le loro funzioni vitali 30% nelle pelle e nel sangue lesioni delle pelle ed anemia sono presenti in deficit di proteine alimentari 4 proteine: miosina, actina, collagene (strutturali) ed emoglobina (trasporto O 2) costituiscono circa la metà di tutte le proteine

CONTINUO RICAMBIO PROTEICO Serve energia sia per la sintesi che per la degradazione: 15 -20 % del bilancio energetico La continua demolizione e sintesi è fondamentale per Ø degradare e rimpiazzare proteine danneggiate Ø modificare la quantità relativa di differenti proteine in base alle necessità nutrizionali e fisiologiche Ø rapido adattamento metabolico La regolazione del turnover proteico è influenzata da: Ø stato nutrizionale (energetico e proteico) Ø ormoni (insulina, glucocorticoidi, ormoni tiroidei, ormone della crescita, citochine)

ORGANISMO Ricambio giornaliero Amminoacidi 70 -80% riutilizzati 20 -30% metabolizzati Proteine dalla dieta Proteine metabolizzate % ricambio muscolo 30 -50% fegato 25% leucociti emoglobina 1 -2% proteine totali 70 -80 grammi/giorno 250 grammi/giorno diversa emivita pochi minuti: proteine regolatorie 300 giorni: collageno

SISTEMI DI PROTEOLISI ATP-indipendente LISOSOMIALE contribuisce per il 15% Enzimi attivi a p. H 5 -proteine extracellulari (via endocitosi) -proteine di membrana -organelli danneggiati (es mitocondri) ATP-dipendente CITOSOLICO sistema ubiquitina-proteasoma selettivo - proteine citosoliche - proteine regolatorie - proteine difettose (neo -sintetizzate per errori nella sintesi o per ripiegamento sbagliato; invecchiate)

Premio Nobel 2004 Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose L’ubiquitina come suggerisce il nome è una proteina presente in tutti gli eucarioti L’ubiquitina si lega alla proteina da degradare in una via ATP dipendente che utilizza 3 enzimi E 1 + ATP E 1 -Ubiquitina E 2 E 3 proteina di trasporto dell’ubiquitina lega l’ubiquitina attivata alla proteina da degradare Come si riconosce la proteina da eliminare? Varie ipotesi -amminoacido N-terminale destabilizzane Arg ~2 min Tyr, Glu, ~ 10 min Ile Gln ~ 30 min oppure stabilizzante Met. Gly, Ala, Ser, Thr > 20 ore -particolari sequenze di distruzione ATP

La proteina marcata va al proteasoma Proteine regolatorie per il riconoscimento e selezione di protine ubiquitilinate subunità 7 Proteine degradate dalle subunità catalitiche 7 7 Attività tipo chimotripsina - a. a. idrofobici Attività tipo tripsina - a. a. basici Attività per a. a. acidi 7 oligopeptidi di 3 -25 a. a. scissi da protesi citosoliche

L’attività del proteasoma è sotto controllo ormonale INSULINA inibisce il proteasoma GLUCOCORTICOIDI attivano il proteasoma azione coordinata per la mobilizzazione di amminoacidi muscolari e per la gluconeogenesi epatica ORMONI TIROIDEI attivano il proteasoma CITOCHINE attivano il proteasoma sepsi, febbre, ustioni, cancro, … Aumento delle proteine della fase acuta ed aumento del catabolismo proteico delle miofibrille mediato da un aumento delle citochine TNF- , IL-1, IL-6