Le proteine ingerite con gli alimenti vengono idrolizzate nello stomaco e nell'intestino tenue per produrre amminoacidi liberi ed oligopeptidi.
Il succo gastrico acido (pH 1-2,5) ha azione denaturante, ovvero rende le proteine più facilmente digeribili.
Le proteine non digerite e i peptidi giungono nell’intestino tenue, dove vengono attaccati da enzimi pancreatici (tripsina, chimotripsina e carbossipeptidasi A e B, elastasi) che formano amminoacidi liberi, di-tri peptidi e oligopeptidi (fino a 6 amminoacidi).
Nota bene: a livello intestinale giungono anche oligopeptidi e proteine di origine esogena e endogena non digeriti.
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.
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Catabolismo degli Amminoacidi
Il catabolismo degli amminoacidi produce intermedi utilizzabili nel metabolismo terminale e composti azotati di scarto che devono essere eliminati. Gli amminoacidi sono usati in modo ridotto come fonte di energia, sono coinvolti maggiormente in processi plastici di sintesi e di degradazione. Tutti questi processi sono il bilancio azotato, deve essere “in pari” in un uomo sano, ovvero i livelli intracellulari delle proteine sono costanti del tempo.
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.
Transaminazione
Per utilizzare un amminoacido per produrre intermedi o per il catabolismo a scopo energetico bisogna far perdere il gruppo amminico alla cellula. La transaminazione è il trasferimento reversibile del gruppo α-amminico da un amminoacido donatore a un α-chetoacido accettore. Dal processo si formano un nuovo amminoacido e un nuovo α-chetoacido. Il gruppo amminico non è eliminato ma si sposta da una molecola all’altra.
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 reazione 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 ).
Ritornando al trasferimento del gruppo α-amminico, specifichiamo che questo avviene tramite una reazione di transaminazione; gli enzimi che catalizzano tale reazione, si dicono, appunto, transaminasi (o ammino transferasi). Tali enzimi utilizzano un cofattore enzimatico chiamato piridossal fosfato, che interviene con il suo gruppo aldeidico.
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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.
La presenza di transaminasi nel sangue, può essere un sintomo di un danno epatico o cardiopatico (cioè di danni tissutali alle cellule epatiche o cardiache); le transaminasi, sono in concentrazione molto elevate sia nel fegato sia nel cuore.
Deamminazione Ossidativa
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.
La glutammato deidrogenasi è un enzima in grado di trasformare il glutammato in α-chetoglutarato e, quindi, di convertire i gruppi amminici degli amminoacidi che si trovano sotto forma di glutammato, in ammoniaca. Ciò che avviene è un processo ossidoriduttivo che passa attraverso l'intermedio α-ammino glutarato. Esistono due tipi di glutammato deidrogenasi: citoplasmatica e mitocondriale. Il cofattore, che è anche cosubstrato di questo enzima, è il NAD(P)+. La forma mitocondriale ha lo scopo di smaltire i gruppi amminici.
La glutammato deidrogenasi lavora quando bisogna smaltire i gruppi amminici degli amminoacidi come ammoniaca (via urine) oppure quando occorrono gli scheletri degli amminoacidi per produrre energia.
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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. La 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.
Il cervello e i muscoli utilizzano strategie particolari per eliminare i gruppi amminici. Il cervello sfrutta un metodo molto efficiente in cui vengono utilizzati un enzima glutammina sintetasi e un enzima glutammasi. Il primo è presente nei neuroni, mentre il secondo si trova nel fegato. Dal muscolo (scheletrico e cardiaco), i gruppi amminici, raggiungono il fegato tramite il ciclo glucosio-alanina; l'enzima coinvolto è la glutammina-piruvato transaminasi.
Ciclo dell'Urea
Nel fegato l'NH4 + viene incorporato nella molecola atossica 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).
Questa fase è catalizzata dalla carbamil fosfato sintetasi ed avviene nel mitocondrio. La citrullina prodotta, esce dal mitocondrio e, nel citoplasma, va sotto l'azione dell'arginino succinato sintetasi. L'enzima arginino succinato sintetasi richiede una molecola di ATP, perciò, si ha un accoppiamento energetico. L'enzima successivo è l'arginino succinasi. Il ciclo dell'urea è completato dall'enzima arginasi.
Il ciclo dell'urea è soggetto a modulazione indiretta da arginina, L'accumulo di arginina indica che occorre velocizzare il ciclo dell'urea; la modulazione dell'arginina è indiretta perché l'arginina modula positivamente l'enzima acetil glutammato sintetasi. Quest'ultimo è in grado di trasferire un gruppo acetile sull'azoto di un glutammato.
I pesci smaltiscono l'ammoniaca immettendola in acqua tramite le branchie; gli uccelli la convertono in acido urico (che è un prodotto di condensazione) e la eliminano con le feci. L'urea (NH2-CO-NH2) viene prodotta tramite il ciclo dell'urea.
Destino degli Scheletri Carboniosi
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.
Da quasi tutti gli amminoacidi si possono ottenere, attraverso vie specializzate, dei metaboliti che in piccola parte sono utilizzati per produrre energia (ad esempio, tramite la gluconeogenesi e la via dei corpi chetonici) ma che, soprattutto, portano alla formazione di molecole complesse, ad elevato numero di atomi di carbonio (ad esempio da fenilalanina e tirosina, nelle ghiandole surrenali che sono specializzate a questo scopo, si producono ormoni).
Da un individuo sano, giornalmenteg vengono degradati due o tre etti di amminoacidi. Gli altri possono essere gluconeogenetici, perché entrano nella gluconeogenesi epatica (generano glucosio), chetogenici, perché entrano nella chetogenesi epatica (generano corpi chetonici, che possono essere usati anch'essi come substrati energetici), o entrambi - a seconda delle proprietà chimiche dell'amminoacido.
Nota: la chetogenesi è un processo molto "inflazionato" dal punto di vista delle "convinzioni" e delle "informazioni di facile accesso" - sia in positivo che in negativo. Si tratta di una via importantissima, perché, in questo modo, gli amminoacidi possono rimediare ad una carenza di zuccheri nel digiuno a breve termine; se questo persiste, tuttavia, dopo due giorni interviene la chetogenesi da parte dei lipidi. Da un ulteriore digiuno, anche il cervello si adatta ad utilizzare i corpi chetonici.
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.
Vie cataboliche di alcuni 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 della Glicina
La glicina puo' essere metabolizzata attraverso tre percorsi metabolici distinti: transaminazione ad acido gliossalico (che viene ossidato ad ac.
Catabolismo di Alanina, Asparagina, Acido Aspartico, Glutamina ed Acido Glutamico
I chetoacidi derivanti da questi aminoacidi 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.
Catabolismo di Serina e Treonina
I chetoacidi che derivano dagli aminoacidi contenenti il gruppo OH 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.
Catabolismo della Cisteina
La cisteina puo' venire degradata per tre vie, due delle quali portano all'ac. piruvico con eliminazione di ac. solfidrico o di ac.
Catabolismo dell'Arginina
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.
Vitamine e Metabolismo
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.
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