Le proteine ingerite con gli alimenti vengono idrolizzate nello stomaco e nell'intestino tenue per produrre amminoacidi liberi ed oligopeptidi.
Gli aminoacidi sono estremamente importanti per la biologia e la medicina: oltre ad essere i monomeri che costituiscono le proteine, essi sono importanti sorgenti di nutrimento (sotto forma di proteine) e precursori di metaboliti ed ormoni indispensabili alla vita.
Gli aminoacidi proteici sono 20 (piu' alcune varianti modificate come l'idrossiprolina e l'idrossilisina presenti nel collageno): presentano tutti una struttura comune formata da un carbonio (chiamato il carbonio alfa) cui sono legati un gruppo carbossilico, un gruppo aminico, un atomo di idrogeno ed un residuo, unica parte variabile: presentano pertanto la formula generale R-CHNH2-COOH.
La prima tappa del catabolismo degli amminoacidi prevede l'allontanamento del gruppo amminico.
Lo scheletro carbonioso viene così utilizzato nel ciclo di Krebs o nella gluconeogenesi.
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Transaminazione e Deamminazione Ossidativa
Le amminotransferasi o transaminasi rappresentano gli enzimi chiave nella rimozione del gruppo amminico degli amminoacidi.
Le reazioni di transaminazione consistono nel trasferimento di un gruppo amminico da un amminoacido donatore all'alfa-chetoglutarato per formare glutammato.
Durante questa reazioni il gruppo amminico donatore è convertito in α- chetoacido.
Il glutammato convoglia i gruppi amminici verso il ciclo dell'urea o verso le vie biosintetiche degli amminoacidi.
Coenzima delle transaminasi è il piridossalfosfato, un enzima prodotto a partire dalla piridossina (Vitamina B6 ).
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Le transaminazioni sono reversibili e possono funzionare nei due sensi, a seconda delle necessità della cellula.
Solitamente i gruppi amminici in eccesso vengono escreti oppure utilizzati per sintetizzare composti azotati.
Un importante processo a cui vanno incontro gli amminoacidi è la deamminazione ossidativa.
Essa avviene nei mitocondri ed è catalizzata dalla glutammato deidrogenasi, un enzima che allontana il gruppo amminico dal glutammato e lo sostituisce con l'ossigeno proveniente dall'acqua.
Lo ione ammonio che si viene a formare reagisce col glutammato per formare glutammina, che funge da trasportatore di gruppi amminici al fegato.
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L'enzima che permette questa reazione ATP-dipendente è la glutammina sintetasi.
La glutammina entra nel circolo sanguigno e raggiunge il fegato dove, all'interno dei mitocondri epatici, viene riconvertita a glutammato con liberazione dello ione ammonio NH4 + .
L'alanina rappresenta il principale trasportatore di gruppi amminici dal muscolo al fegato.
Essa viene formata per trasferimento del gruppo amminico dal glutammato all'acido piruvico o piruvato.
glutammina, una volta giunta all'interno dei mitocondri epatici, l'alanina libera il proprio ione ammonio generando glutammato e piruvato.
Il piruvato è necessario al fegato nel processo chiamato gluconeogenesi.
Lo ione ammonio NH4 + è tossico per le cellule del corpo ed in particolare per il cervello.
Come abbiamo visto, in sede extraepatica lo ione ammonio viene neutralizzato tramite il legame con il glutammato o con il piruvato.
Nel fegato l'NH4 + viene incorporato nella molecola atossica dell'urea.
Il Ciclo dell'Urea
Il ciclo dell'urea inizia con la formazione del carbamil fosfato ad opera dell'enzima carbamil-fosfato sintasi.
Durante questa reazione vengono spese due molecole di ATP.
Il ciclo dell'urea richiede un'elevata quantità di energia (4 ATP per ogni molecola di urea prodotta).
Destino dello Scheletro Carbonioso
Lo scheletro carbonioso degli amminoacidi viene utilizzato nel ciclo di Krebs per produrre energia.
Come riportato in figura gli scheletri carboniosi convergono in sette composti in grado di entrare direttamente o indirettamente nel ciclo di Krebs: piruvato, acetilCoA, acetoacetilCoA, α -chetoglutarato, succinilCoA, fumarato, ossalacetato.
Gli amminoacidi che vengono degradati ad acetilCoA o acetoacetilCoA sono detti chetogenetici e sono i precursori dei corpi chetonici.
Gli altri sono glucogenetici e possono, una volta convertiti in piruvato ed ossalacetato, formare glucosio attraverso la gluconeogenesi.
Catabolismo dei Residui degli Amminoacidi
Il chetoacido che risulta dalla deaminazione dell'aminoacido puo' essere convertito in uno zucchero o suo derivato (aminoacidi "glicogenici" o in un acido grasso o suo derivato (aminoacidi "lipogenici").
La maggioranza degli aminoacidi e' glicogenica: ad esempio la deaminazione dell'alanina produce acido piruvico (cfr. glicolisi), quella dell'acido glutammico acido ossalacetico (cfr. ciclo di Krebs); quella dell'acido aspartico acido ossalacetico (cfr. ciclo di Krebs); etc.
Pochi aminoacidi sono lipogenici: ad es. leucina e lisina.
In genere le vie cataboliche e le transaminazioni sono reversibili e quindi consentono non soltanto la degradazione ma anche la biosintesi degli aminoacidi, se necessaria all'organismo.
Esempi di Catabolismo di Amminoacidi
- Acido aspartico, asparagina acido ossalacetico (ciclo di Krebs)
- Acido glutamico, glutamina acido alfa chetoglutarico (ciclo di Krebs)
- Arginina, Prolina, Istidina acido glutamico -> alfa chetoglutarico (ciclo di Krebs)
- Lisina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac.
- Leucina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac.
- Fenilalanina, Tirosina acetil-CoA (ciclo di Krebs) + ac.
- Triptofano alanina + ac.
Catabolismo di Glicina, Alanina, Serina, Cisteina e Arginina
La glicina puo' essere metabolizzata attraverso tre percorsi metabolici distinti: transaminazione ad acido gliossalico (che viene ossidato ad ac.
I chetoacidi derivanti da alanina, asparagina, acido aspartico, glutamina ed acido glutamico sono metaboliti adatti per il ciclo di Krebs: infatti dall'alanina si ottiene ac. piruvico, da asparagina ed asprtico ac. ossalacetico, da glutamina e ac. glutamico ac.
I chetoacidi che derivano dagli aminoacidi contenenti il gruppo OH (serina e treonina) sono cheto- idrossi- acidi ed hanno un metabolismo particolare. Dalla serina si ottiene ac. 3-idrossi 2-cheto propanoico che viene ridotto ad ac. glicerico e fosforilato con consumo di ATP ad ac. 3 fosfoglicerico; di qui in poi si segue il percorso della glicolisi fino all'ac. piruvico.
La cisteina puo' venire degradata per tre vie, due delle quali portano all'ac. piruvico con eliminazione di ac. solfidrico o di ac.
L'arginina viene degradata dall'arginasi a urea e ornitina; l'ornitina, se non necessaria per il ciclo dell'urea puo' essere transaminata e ossidata fino ad ac. α - chetoglutarico.
Ruolo delle Vitamine
Le vitamine svolgono importanti funzioni nel metabolismo in quanto in genere sono i precursori di coenzimi, piccole molecole legate all'enzima e necessarie per l'azione catalitica.
Le vitamine liposolubili sono 4: A, D, E e K. La vitamina A e' il composto chiamato retinolo ed ha due funzioni: nella forma dell'isomero 11 cis del retinale (stato ossidato del retinolo) e' il cofattore della proteina chiamata opsina che si trova nella retina ed e' necessaria per i fenomeni della visione. La vitamina D e' il composto chimico chiamato calciferolo. Puo' essere prodotto per irraggiamento solare del diidroergosterolo contenuto nel sottocutaneo. Partecipa al metabolismo del calcio e favorisce l'assorbimento di questo ione e la sua deposizione nella matrice minerale dell'osso.
Enzimi e Metabolismo degli Amminoacidi
Gli enzimi sono proteine specializzate che accelerano le reazioni chimiche all'interno delle cellule.
Nel contesto del metabolismo degli amminoacidi, gli enzimi giocano un ruolo cruciale nel facilitare la conversione, la sintesi e la degradazione degli amminoacidi, che sono i mattoni fondamentali delle proteine.
Catabolismo: degradazione degli amminoacidi per produrre energia, glucosio, acidi grassi o corpi chetonici.
Il dosaggio degli enzimi del metabolismo degli amminoacidi permette la diagnosi di vari disturbi metabolici, malattie epatiche, e condizioni genetiche.
I campioni di sangue sono comunemente utilizzati per il dosaggio degli enzimi.
La concentrazione degli enzimi viene confrontata con i valori di riferimento normali per identificare eventuali anomalie.
Il dosaggio degli enzimi del metabolismo degli amminoacidi è un potentissimo strumento diagnostico e di monitoraggio che offre una vasta gamma di benefici, dall'identificazione precoce di malattie metaboliche alla gestione e trattamento continuo di condizioni esistenti.
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