Metabolismo degli Amminoacidi, Urea e Glutammina

Le proteine hanno una “scadenza”, cioè hanno una durata specifica misurata dalla vita media (tempo di dimezzamento della quantità di proteine studiate) espressa in giorni, o anche mesi (ad esempio per l’emoglobina). Quindi le proteine non durano per tutta la vita dell’organismo (a parte le proteine del cristallino, che si trovano in cellule prive di mitocondri, perché altrimenti non ci si potrebbe vedere attraverso). Quando una proteina viene degradata il 75 % degli amminoacidi viene riciclato per produrre nuove proteine. I motivi di questo ricambio sono 2: rimuovere le proteine danneggiate o invecchiate, mantenendo la cellula alla massima efficienza, oppure regolare dei processi come ad esempio le cicline (regolano il ciclo cellulare) che devono apparire e sparire nel giro di pochi minuti.

Vengono assunte in media 50-100 g di proteine al giorno con la dieta, mentre la quantità totale di proteine nel corpo è sui 10 Kg. Ogni giorno vengono degradati 300-400 g di proteine e sintetizzati 200-300 g di proteine, c’è un ricambio. Durante la digestione i polipeptidi vengono aggrediti da enzimi come tripsina (gastrica), chimotripsina, l’elastasi e la carbossipeptidasi (pancreatici), si liberano amminoacidi per il 40 % del totale e oligopeptidi per il 60 %. Su questi ultimi agiscono endopeptidasi, amminopeptidasi e dipeptidasi che sono nell’orletto a spazzola degli enterociti, formando dipeptidi, tripeptidi e amminoacidi liberi. Nel lume intestinale gli amminoacidi entrano singolarmente tramite simporto insieme a Na+ e come oligopeptidi tramite simporto insieme a H+. Ci sono almeno 7 trasportatori diversi, ognuno specifico per un amminoacido.

Gli amminoacidi che non entrano nel pool vanno nel fegato che li trasforma in acido piruvico o corpi chetonici. L’urea è un sottoprodotto del metabolismo degli amminoacidi che esce dal fegato per essere espulsa dai reni. Le proteine per essere degradate devono entrare in un proteasoma (una struttura tubolare composta da proteasi), per poter entrare nel proteasoma devono essere marcate con ubiquitina, o presentano una sequenza detta PEST (Prolina, Glutammato, Serina, Treonina).

Il proteasoma ha alle estremità del cilindro delle “braccia” a forma di W che riconoscono e poi portano dentro le proteine da degradare spendendo energia. L’ubiquitina è una proteina globulare di 76 amminoacidi, che è molto conservata (cambiata poco con l’evoluzione) che marca le proteine da degradare sui residui di lisina consumando energia. Essa stacca il pirofosfato per legarsi all’enzima 1 e poi si sposta all’enzima di trasporto sempre con un legame tioesterico, per poi passare sui residui di lisina della proteina bersaglio.

Esistono amminoacidi essenziali e non essenziali, 20 sono quelli proteici ma ce ne sono alcuni non proteici, sono tutti L-amminoacidi. Gli amminoacidi essenziali sono asparagina, glutammina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, tirosina, treonina, triptofano, valina.

L’arginina, l’istidina e la timina sono sintetizzati ma non a sufficienza per le fasi di crescita dell’organismo, la metionina può essere trasformata in cisteina quindi se viene assunta poca metionina si può compensare, lo stesso vale per la fenilalanina che può essere trasformata in tirosina.

Gli amminoacidi non si accumulano, quindi se ne vengono introdotti in eccesso essi devono essere smaltiti. Le vie del metabolismo degli amminoacidi iniziano con enzimi, che trasformano un amminoacido nel suo chetoacido corrispondente. Essi sono L-amminoacido-amminotrasferasi che usano come coenzima il PLP (piridossale-5-fosfato) che deriva dalla vitamina B6, la piridossina.

In questo schema si nota come avviene la reazione di transaminazione: il coenzima piridossale-5-fosfato diventa piridossammina-5-fosfato legando il gruppo amminico che riceve dall’amminoacido donatore e lo trasmette all’amminoacido accettore, facendo da trasportatore di gruppi. Questa reazione avviene principalmente a livello epatico, ma anche altri tessuti sono in grado di eseguirle.

In ogni reazione di questo tipo la coppia a-chetoglutarato/Glutammato è SEMPRE presente.

Questa reazione è reversibile quindi nel caso di amminoacidi in eccesso, specialmente a causa della dieta, l’equilibrio della reazione si sposta e l’eccesso viene trasformato in chetoacidi corrispondenti che poi possono entrare nel ciclo di Krebs o essere utilizzati per la gluco/liponeogenesi. Ora abbiamo che si accumula il glutammato, ma dato che è l’accettore di tutti i gruppi amminici questo sposta gli equilibri di tutte le reazioni di transaminasi in cui è coinvolto e quindi “ridistribuisce” i gruppi amminici ad amminoacidi che sono presenti in quantità insufficienti. Quindi in questo caso gli amminoacidi essenziali sono quelli dove non è possibile sintetizzare il chetoacido corrispondente. Comunque questo sistema spesso non basta per risolvere il problema del suo accumulo, e quindi interviene un nuovo meccanismo: un enzima mitocondriale chiamato L-glutammato deidrogenasi catalizza la terminazione ossidativa del glutammato. In pratica ossida il glutammato con l’aiuto di un NAD+ o un NADP+ e libera uno ione ammonio, che dovrà essere poi smaltito dal ciclo dell’urea. Se invece catalizza la reazione inversa, la glutammato deidrogenasi necessita di NADPH+H+.

 

Fissazione dell’ammoniaca (NH4)

La fissazione dell’ammoniaca è un processo che avviene nel fegato e che permette di eliminare l’ammoniaca dal circolo sanguigno, per il semplice fatto che è una sostanza tossica:

in particolare la pericolosità dell’ammoniaca consiste nel fatto che essa ha un effetto tossico sul cervello,

può provocare il coma (encefalopatia epatica): è un prodotto della GLUTAMMATO DEIDROGENASI, la quale, a partire da glutammato produce acido α-chetoglutarico e ammoniaca, se aumentano le concentrazioni di ammoniaca, questa va nel sangue e arriva al cervello, poiché la reazione catalizzata dalla glutammato-deidrogenasi è reversibile, un aumento di ammoniaca fa spostare la reazione verso la produzione di glutammato a partire da acido α-chetoglutarico: quest’ultimo viene, cioè, sottratto dalle attività metaboliche (è un intermedio del ciclo di Krebs) e viene così bloccata la respirazione cellulare (inoltre bisogna ricordare che il carburante del cervello è principalmente il glucosio, che viene completamente ossidato a acqua e anidride carbonica).

La fissazione dell’ammoniaca può avvenire con 2 processi diversi:

 

1) SINTESI DELL’UREA

Comincia nel mitocondrio (in cui è presente la glutammato deidrogenasi) ed avviene nel fegato: in particolare l’intera batteria di enzimi che servono per la sintesi dell’urea è presente solo nel fegato, ma i singoli enzimi si possono trovare anche in altri tessuti (ad esempio nel muscolo), qui possono svolgere compiti diversi. Fu scoperta dallo stesso Krebs.

  • Nella prima reazione dall’ammoniaca + acido carbonico si ottiene CARBAMIL FOSFATO 

NH4+ + HCO3- + 2 ATP    →      Carbamil Fosfato + 2 ADP + Pi + 2 H+

  • Questa reazione è catalizzata dall’enzima “carbamil fosfato sintetasi 1”, che è un enzima regolatore (in particolare la regolazione di tutti gli enzimi del ciclo dell’urea variano la loro espressione genica in base alla quantità di aminoacidi in eccesso ingeriti con l’alimentazione)
  • Utilizza 2 molecole di ATP, ma alla fine viene riliberato un solo gruppo fosfato, perché uno viene attaccato al prodotto
  • Avviene nella matrice mitocondriale
  • Il secondo processo necessita di un aminoacido non proteico, l’ORNITINA, che è un aminoacido di-amminico, la quale viene fatta passare dal citosol ed entra nella matrice mitocondriale, scambiata, tramite un sistema di trasporto ad antiporto, con la CITRULLINA, che invece esce dal mitocondrio nel citosol
    • La citrullina esce dai mitocondri ed il ciclo, da questo momento in poi, continua nel citosol
  • La citrullina interagisce con l’aminoacido portatore del secondo azoto che andrà a formare l’urea, cioè con l’ASPARTATO: aspartato + citrullina sono il substrato dell’enzima “arginin succinato sintetasi” , il quale utilizza ATP, liberando AMP + PP, per formare ARGININ SUCCINATO (che consiste in una molecola di arginina, con attaccata una molecola di succinato). Quindi la reazione completa è: citrullina + aspartato + ATP (in presenza di arginin succinato sintetasi) è AMP + PPi + argininsuccinato
    • In particolare l’aspartato che entra nel ciclo dell’urea in questo punto deriva dalla matrice mitocondriale ed in particolare dal ciclo di Krebs: infatti è l’aminoacido che deriva per transaminazione dall’ossalacetato, che è un       α-chetoacido intermedio del ciclo di Krebs
  • L’argininsuccinato viene poi scisso dall’enzima “argininsuccinico liasio argininsuccinasi in fumarato e arginina, i quali subiscono poi due destini diversi:
    • Il fumarato rientra nel mitocondrio, ed in particolare rientra nel ciclo di Krebs
  • L’ARGININA è substrato dell’enzima “arginasi”, il quale la scinde in ORNITINA ed UREA

 

La reazione che avviene per fissare l’ammoniaca con la sintesi dell’urea è nel complesso:

AMMONIACA + ACIDO CARBONICO + ASPARTATO à UREA + FUMARATO (utilizza 4 ATP)

Regolazione della sintesi dell’urea: regolazione della “Glutammato deidrogenasi”. Regolata sulla base dei livelli di ATP/GTP. Regolazione allosterica:in particolare è stimolata da segnali di basso carico energetico, mentre è inibita da segnali di alto carico energetico:

  • la carbamil fosfato sintetasi I è attivata allostericamente da N-ACETIL GLUTAMMATO, il quale rappresenta dunque un modulatore allosterico positivo
  • L’ N-acetil glutammato sintetasi è attivata dall’ARGININA: in particolare questa fa aumentare l’attività dell’N-acetil glutammato sintasi, che produce più N-acetil glutammato,che attiva poi la carbamil fosfato sintetasi 1

 

2) SINTESI della GLUTAMMINA

Nel fegato l’ammoniaca viene fissata con il ciclo dell’urea (trasformata in urea), ma in tutti gli altri tessuti extraepatici gli enzimi del ciclo dell’urea non sono presenti, almeno non in toto:

in questi tessuti l’ammoniaca subisce un destino diverso: si viene a formare GLUTAMMINA che è un aminoacido molto importante e molto diffuso negli aminoacidi dell’organismo (quasi il 50% degli aminoacidi è composto da glutammina). La glutammato deidrogenasi è infatti presente anche in altri tessuti oltre a quello epatico (ad esempio nel muscolo), ed è responsabile della formazione di ammoniaca, ma non è poi possibile trasformarla in urea perché mancano il resto degli enzimi del ciclo dell’urea, perciò viene fissata con la glutammina sintetasi (inoltre la glutammina è un ammide del glutammato).

  • La reazione è sostanzialmente questa:

GLUTAMMATO + AMMONIACA → GLUTAMMINA

⇒In questa reazione interviene l’enzima “glutammina sintetasi” , che è presente anche in altri tessuti come nel muscolo
⇒La reazione è endoergonica: richiede l’idrolisi di una molecola di ATP

  • La glutammina viene poi rilasciata dal muscolo e va attraverso il circolo sanguigno nel fegato: il fegato presenta un enzima importante, la “glutaminasi”, che ha il compito di scindere la glutammina in glutammato e AMMONIACA:

quest’ultima poi può entrare nel ciclo dell’urea (poiché nel fegato sono presenti tutti gli      enzimi necessari) e essere fissata sottoforma di urea. Quindi si osserva che nei tessuti extraepatici l’ammoniaca è inglobata nella glutammina e mandata al fegato, il quale quando la riceve riforma la ammoniaca e la fissa nel ciclo della urea per rilasciarla ai reni, i quali a loro volta la smaltiscono tramite l’urina.

Il cervello necessita del glucosio per funzionare, benché possa utilizzare, come carburante ausiliario, anche i corpi chetonici (prodotti tramite la beta-ossidazione degli acidi grassi), infatti senza la gluconeogenesi, in caso di ipoglicemia si ha un blocco delle funzioni cerebrali. La produzione di corpi chetonici è dovuta all’impossibilità, da parte degli acidi grassi, di attraversare direttamente la barriera emato-encefalica. Questo processo, chiamato β-ossidazione degli acidi grassi, crea, come intermedio di reazione, l’acetil-CoA che, se non utilizzato subito per motivi energetici, prosegue la sua via per diventare un corpo chetonico condensandosi con alcuni suoi simili, producendo quindi acetone, β-idrossibutirrato o acetoacetato (l’odore di acetone nell’alito del paziente è sintomo di una condizione patologica).

Gli aminoacidi gluconeogenetici sono quelli che danno o intermedi del ciclo di Krebs o piruvato. Quelli che danno esclusivamente acetilCoA e acetoacetilCoA non sono gluconeogenetici.

 

Gli amminoacidi si dividono, in questo caso, in 3 categorie:

  • esclusivamente gluconeogenetici (arginina, glutammina, istidina, prolina, metionina, treolina, valina, asparagina, aspartato, alanina, cisteina, glicina, serina)
  • esclusivamente chetogenetici (lisina e leucina)
  • sia gluconeogenetici che chetogenetici (fenilalanina, triptofano, tirosina, isoleucina)

Il piruvato, nella via gluconeogenetica, viene trasformato in ossalacetato, un α-chetoacido con 4 atomi di carbonio, quindi, perché ciò avvenga, viene utilizzata una molecola di CO2 ad opera della piruvato carbossilasi nel fegato e nel rene. Dall’ossalacetato si può risalire la glicolisi aggirando l’ultima tappa arrivando alla formazione di fosfoenolpiruvato e aggirando la tappa del lattato. Quest’ultimo, assieme agli amminoacidi, è una molecola gluconeogenetica e viene captato da vari tessuti, soprattutto dal fegato, che lo avvia alla gluconeogenesi in caso di ipoglicemia. In situazione normoglicemica, invece, viene immagazzinato sotto forma di glicogeno grazie alla lattato deidrogenasi, anche se in questo caso funziona in direzione opposta: si riduce il NAD+ a NADH producendo piruvato che entra nel mitocondrio e viene trattato dalla piruvato deidrogenasi ottenendo acetilCoA, NADH e CO2. Il piruvato può fare da substrato per la piruvato carbossilasi in presenza di una molecola di ATP formando l’ossalacetato. La piruvato carbossilasi offre un’alternativa al destino ossidativo del piruvato, è un enzima strettamente regolato dall’acetil-CoA, di conseguenza, se c’è una produzione elevata di acetil-CoA, questo spinge la carbossilazione del piruvato a ossalacetato. In caso di ipoglicemia, l’acetil-CoA stimola la piruvato carbossilasi spendendo una molecola di ATP formando ossalacetato, dopo di che la fosfoenolpiruvato carbossicinasi, che catalizza una reazione irreversibile (ed è anche un punto di regolazione della gluconeogenesi) utilizzando GTP formando il fosfoenolpiruvato, un intermedio della glicolisi. Si tenga presente che l’obiettivo consiste nel portare fuori dal mitocondrio l’ossalacetato per permettergli di inserirsi nel ciclo di Krebs. Però il fosfoenolpiruvato è stato prodotto nella matrice mitocondriale, mentre la glicolisi avviene nel citosol, quindi deve uscire dal mitocondri in 3 differenti modi.

1° via

Visto che l’ossalacetato non può trapassare la membrana mitocondriale, può essere trasformato nel suo amminoacido, l’aspartato, grazie ad un glutammato dona il suo gruppo amminico. Si ha quindi uno spostamento antiporto, grazie ad una amminotransferasi, che permette ad un ossalacetato di uscire e prendere il gruppo amminico di un glutammato entrante: si formando così aspartato ed α-chetoglutarato. Nel citosol l’aspartato dona il suo gruppo amminico ad un α-chetoglutarato tornando così ossalacetato per entrare poi nel ciclo di Krebs per diventare glucosio neutro riversabile in ciclo con la traslocasi del reticolo endoplasmatico.

2° via

Nell’epatocita c’è anche una fosfoenolpiruvato carbossicinasi mitocondriale, che produce direttamente all’interno del mitocondrio il fosfoenolpiruvato, che può essere rilasciato attraverso la membrana interna del mitocondrio per completare l’aggiramento dell’ultima tappa irreversibile della glicolisi.

3° via

Consiste nella trasformazione in malato da parte di ossalacetato. La biotina ha una catena di acido valerianico che si lega con il residuo di lisina della piruvato carbossilasi. Il CO2 è attivato e trasferito al piruvato dalla piruvato carbossilasi, formando così l’ossalacetato, che non può attraversare la membrana e viene quindi ridotto a malato. Nel citosol il malato è riossidato a ossalacetato, il quale è convertito in fosfoenolpiruvato dalla fosfoenolpiruvato carbossicinasi con la spesa di un GTP (compensato con la sintesi di una molecola di ATP).