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CATABOLISMO DELLE PROTEINE - Coggle Diagram
CATABOLISMO DELLE PROTEINE
Perché è necessario?
Gli amminoacidi non sono conservati nell’organismo perché un loro accumulo potrebbe provocare l’accumulo di azoto organico nell’organismo, che risulta essere tossico, soprattutto a livello cerebrale.
DEGRADAZIONE DEI POLIPEPTIDI ESOGENI
Chi la conduce?
LE PROTEASI
Le proteine introdotte con la dieta vengono degradate da una famiglia di enzimi digestivi: le Proteasi.
Meccanismo generale delle proteasi:
Le Proteasi digestive
attaccano il legame peptidico
della catena proteica
scindendo
il polipeptide in oligopeptidi più piccoli o in AA liberi.
Ve ne sono due tipologie in base a quali legami vanno a scindere:
Endopeptidas
i: attaccano i legami peptidici interni alla catena.
Tripsina,
Pepsina e
Chimotripsina.
Esopeptidasi
: attaccano i legami peptidici alle estremità N-terminale (Aminopeptidasi) o C-terminale (Carbossipeptidasi):
Carbossipeptidasi A e B,
Aminopeptidasi,
Dipeptidasi.
Sono distinte anche in base alla posizione rispetto alla cellula: a seconda che vengano secrete all’esterno della cellula o si trovino all’interno dei lisosomi.
Esocellulari:
tutte le Endopeptidasi
le Carbossipeptidasi.
Endocellulari:
Aminopeptidasi
Dipeptidasi.
PERCORSO DIGESTIVO:
La digestione delle proteine esogene (cioè quelle provengono dall’esterno dell’organismo e che assumiamo con la dieta) avviene a livello di tre organi, ossia lo stomaco, il pancreas e la parte iniziale dell’intestino, che hanno il compito di frammentare le nostre proteine negli amminoacidi che le compongono, perché sono gli amminoacidi che potranno essere assorbiti a livello intestinale.
STOMACO
SECREZIONE HCL:
I polipeptidi ingeriti raggiungono lo stomaco dove
inducono la secrezione dell’ormone peptidico Gastrina
(da parte delle cellule D) che stimola la produzione di
Acido Cloridrico e Pepsinogeno
.
--> La produzione dell’HCl avviene ad opera delle
cellule Adelomorfe
delle
ghiandole gastriche
:
l’ATPasi H+/K+, mediante il consumo di una molecola di ATP, quindi tramite trasporto attivo, pompa all’interno della cellula ioni K+ e all’esterno, nel lume gastrico, H+.
--> Questo, unito al trasporto di
Cl- dal sangue
(scambiato dalle cellule parietali con Bicarbonato prodotto dalla CO2 ad opera di un’Anidrasi Carbonica) al lume, provoca la secrezione di HCl.
AZIONE HCL:
L’HCl agisce da battericida ed agente denaturante rendendo
le proteine globulari meno ripiegate
e
inoltre abbassa il pH permettendo la
scissione autocatalitica del Pepsinogeno a Pepsina
.
Il Pepsinogeno infatti presenta 371 AA con un pI = 3,7 mentre con pH < 5 si scinde autocataliticamente in Pepsina (327 AA con pI = 1) e polipeptidi.
AZIONE PEPSINA:
La Pepsina è un'
endopeptidasi
carbossilica e agisce mediante
due residui di Asp (32 e 215)
nel sito attivo:
1) Mediante il carbossile della catena laterale dei residui di Asp la Pepsina rimuove un protone dall’acqua formando uno
ione OH- che va ad attaccare il carbonile del legame peptidico
da scindere inserendosi come gruppo idrossile.
2)
Il protone del carbossile sottratto all’acqua viene trasferito all’Azoto
del gruppo amminico del legame peptidico causando la scissione del legame.
Ha funzione di taglio specificatamente per i seguenti amminoacidi: tirosina, fenilalanina, triptofano e leucina.
ZIMOGENI
Una caratteristica di tutti gli enzimi digestivi è la loro produzione sotto forma di
precursori inattivi
, soprattutto per quanto riguarda le proteasi che sono prodotte sotto forma di zimogeni; la loro attivazione può avvenire in presenza di alcune condizioni ambientali che possono essere un pH basso oppure la presenza di enteropeptidasi specifiche che vanno a rimuovere la parte della proteina che la rende inattiva. Questa caratteristica è dovuta alla volontà delle cellule di
evitare che questi enzimi funzionino dove non devono funzionare
, cioè all’interno delle cellule che li producono.
ENZIMI CHE FANNO ECCEZIONE:
L’amilasi salivare e la lipasi linguale.
PROTEZIONE DELLA MUCOSA
Vi sono delle cellule mucose all’ingresso delle invaginazioni della parete dello stomaco, che producono muco e bicarbonato, con funzione principalmente protettiva; il muco forma una vera e propria barriera fisica tra il lume dello stomaco e l’epitelio gastrico, e il bicarbonato tende a frenare l’acidità gastrica, in modo da proteggere dai danni causati dal basso pH.
SOTTO IL CONTROLLO DEL SISTEMA NERVOSO:
Molte delle secrezioni da parte delle varie cellule sono sotto il controllo del sistema nervoso; uno degli stimoli prevalenti che attiva il rilascio di queste sostanze da parte della mucosa è l’
acetilcolina
.
DUODENO
SECREZIONE BICARBONATO e ZIMOGENI PANCREATICI:
--> Nel duodeno, il pH basso stimola la secrezione dell’ormone
Secretina
che
induce il pancreas esocrino
a
secernere Bicarbonato per elevare il pH
a circa 7/8.
--> Contemporaneamente viene secreto l’ormone proteico
Colecistochinina
che stimola lo
svuotamento della cistifellea
e la secrezione degli zimogeni pancreatici:
Chimotripsinogeno
Tripsinogeno
Proelastasi
Procarbossipeptidasi
ATTIVAZIONE TRIPSINA:
Il Tripsinogeno viene convertito in Tripsina dall'
Enteropeptidasi
prodotta dalle cellule epiteliali del duodeno.
ATTIVAZIONE DEGLI ALTRI ENZIMI PANCREATICI DA PARTE DELLA TRIPSINA:
La Tripsina
poi attraverso scissioni proteolitiche
va ad attivare tutti gli altri proenzimi
(compresi la Procolipasi e la Profosfolipasi A2).
Tripsina, Chimotripsina ed Elastasi sono delle
Serina-Proteasi
(presentano dunque un residuo di Ser195 il cui
Ossigeno agisce da nucleofilo
e fa parte della triade catalitica Ser195-His57-Asp102):
AZIONE ENZIMI PANCREATICI:
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INTERVENTO CARBOSSIPEPTIDASI A E B:
La cascata di attivazione degli zimogeni pancreatici da parte dell’enterochinasi porta anche alla formazione di
esapeptidasi
che catalizzano la rimozione di un amminoacido dalla parte carbossi-terminale di una catena polipeptidica.
Possono essere suddivise in base alla specificità di azione in:
Carbossipeptidasi A che si occupano della rottura dei legami peptidici che coinvolgono gli
amminoacidi aromatici
;
Carbossipeptidasi B che si occupano della rottura dei legami peptidici che coinvolgono gli
amminoacidi basici
.
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DEGRADAZIONE DEI POLIPEPTIDI ENDOGENI
Esistono 2 sistemi di proteolisi endogena:
"ATP dipendente citosolico"
il sistema Ubiquitina-Proteasoma, molto selettivo, che ha come bersaglio proteine citosoliche, regolatorie e difettose (invecchiate, con erroneo ripiegamento o di neo-sintesi con errori di traduzione);
PRESENTAZIONE:
Prevede due tappe:
la
marcatura
della proteina da degradare, tramite addizione covalente di una catena di poliubiquitina (Poli-Ub);
la
degradazione
da parte del complesso multimerico del Proteasoma 26S.
MARCATURA
IDENTITA' DELL'UBIQUITINA:
L’Ubiquitina è una proteina
ubiquitaria
, vale a dire che è presente in tutti i citotipi, con una delle strutture più conservate costituita da 76 residui amminoacidici tra cui una Gly al C-terminale.
COME LAVORA:
Più molecole di Ubiquitina possono legarsi insieme a formare
complessi di Poli-Ub
mediante
legame Isopeptidico
tra il carbossile della Gly al C-terminale di un’Ubiquitina ed un ε-amminogruppo di un residuo di Lys48 di quella seguente.
MECCANSIMO:
L’Ubiquitina viene
attivata dall’ATP
con formazione di un
intermedio Ubiquitinil-Adenilato
con rilascio di PPi.
L’Ubiquitina si lega ad un residuo di Cys di E1 mediante un
legame tioestere
e
rilasciando AMP
.
L’Ubiquitina viene trasferita dall’enzima E1 ad un residuo di Cys dell’enzima E2, presente in molte forme ciascuna delle quali agisce su pochi tipi di proteine, a conferire
specificità di bersaglio
.
L’enzima E3,
specifico per ciascun substrato
, catalizza la reazione di
trasferimento
dell’Ubiquitina dall’enzima E2
alla proteina bersaglio
(ubiquitinazione).
Il ciclo viene ripetuto per l’aggiunta di nuove molecole di Poli-Ub.
ENZIMI DI CUI HA BISOGNO:
Il legame dell’Ubiquitina alla proteina da degradare richiede 3 tipi di enzimi indicati come
E1, E2 ed E3
che agiscono in successione (in particolare gli ultimi 2 sono fondamentali per la scelta della proteina target):
E1: Enzima attivatore dell’Ubiquitina;
E2: Enzima trasportatore dell’Ubiquitina;
E3: Ubiquitina-Proteina Ligasi.
Le proteine ubiquitinate sono indirizzate al Proteasoma per essere degradate mentre le
molecole di Ubiquitina vengono rilasciate per essere riciclate.
DEGRADAZIONE
IDENTITA' DEL PROTEASOMA:
Il Proteasoma 26S è formato da 3 porzioni:
2 cappucci 19S
un complesso centrale detto Proteasoma 20S.
-->Il complesso del
cappuccio 19S
è responsabile del
riconoscimento delle proteine poliubiquitinate
: permette l’ingresso solo a queste e agisce denaturandole.
--> Induce
cambiamenti conformazionali al Proteasoma 20S
in modo da far accedere la proteina al centro del complesso.
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"ATP-dipendente lisosomiale"
il sistema ATP-dipendente Lisosomiale che contribuisce circa per il 15% e degrada proteine extracellulari endocitiche, proteine di membrana e Organelli danneggiati.
PRESENTAZIONE
Il lisosoma è un organello con un doppio strato fosfolipidico di membrana che
agisce principalmente su proteine extracellulari
introdotte per endocitosi o mediante recettori e su
organelli danneggiati
(mediante il processo di
autofagia
). I lisosomi nascono come lisosomi primari per poi diventare
lisosomi secondari una volta fusi
con le vescicole contenenti prodotti da degradare.
IDROLASI LISOSOMIALI
Le Idrolasi acide lisosomiali sono circa 50 enzimi differenti tra cui diverse proteasi che degradano le proteine fino agli Amminoacidi, attivi ad un pH di circa 4-5.
--> Il pH dei lisosomi è dunque mantenuto acido intorno ai valori di 4-5 da una pompa protonica ATP- dipendente.
CONTESTO:
Nella cellula avviene un continuo ciclo di demolizione/sintesi di proteine fondamentale per un rapido adattamento biologico, per degradare e rimpiazzare le proteine danneggiate e per modificare la quantità relativa di differenti proteine in base alle necessità nutrizionali e fisiologiche.
QUANTITA':
Ogni giorno vengono:
rimpiazzate circa l’1-2% delle proteine totali.
l’80% degli amminoacidi sono riciclati
il 20-30% sono metabolizzati (infatti l’apporto giornaliero medio di proteine è circa 70- 80 gr/giorno mentre le proteine metabolizzate sono circa 250 gr/giorno).
DESTINO DEGLI AMMINOACIDI
Alcuni amminoacidi vengono degradati completamente in anidride carbonica ed acqua. In parte questa struttura carboniosa viene invece utilizzata per formare molecole coinvolte nel metabolismo dei lipidi, ad esempio l’
AcetilCoA
e i
corpi chetonici
.
Il 20-30%, prevede la trasformazione in
chetoacidi
(che fungono da
potenziali intermedi del Ciclo di Krebs
), per
rimozione del gruppo amminico
sotto forma di Ammoniaca (NH3).
L’Ammoniaca così prodotta, potenzialmente tossica, perché in ambiente acquoso forma ioni ammonio e alcalinizza la soluzione, in piccola parte viene riciclata per sintetizzare Amminoacidi e Nucleotidi ma principalmente
viene eliminata nella forma non tossica dell’Urea.
L'UOMO è UN ORGANISMO UROTELICO:
L’uomo è definito un organismo urotelico perché l’urea costituisce il prodotto finale del catabolismo dell’azoto proteico. Vi sono altri organismi che liberano l’ammoniaca in maniera diversa:
animali ammoniotelici: liberano direttamente lo ione ammonio e sono principalmente organismi acquatici;
animali uricotelici: liberano l’ammonio sotto forma di acido urico. Questo molecola nell’uomo è il prodotto terminale della degradazione delle basi puriniche.
PRODUZIONE DI AMMONIACA
DOVE?
In tutti i tessuti.
Come fa l’ammoniaca prodotta in tutti i tessuti del corpo ad essere convogliata nel fegato per formare urea?
Poiché l’Ammoniaca è prodotta in ogni tessuto ma l’Urea è generata solo nel fegato esistono meccanismi di trasporto per far giungere in forma non tossica l’Ammoniaca sino al fegato. Le principali molecole di trasporto sono:
la Glutammina (in quasi tutti i tessuti);
l’Alanina (nel muscolo).
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PRODUZIONE DI UREA
DOVE?
Solo nel
fegato
.
CICLO DELL'UREA...
Cosa succede a ciò che resta dell'amminoacido?
Dopo la rimozione del gruppo amminico come Ammoniaca che viene eliminata tramite il Ciclo dell’Urea, lo scheletro carbonioso di ogni amminoacido subisce una serie di reazioni degradative specifiche.
DESTINO DELLO SCHELETRO CARBONIOSO RESTANTE
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Perché l’ammoniaca è tossica?
E’ una base e quindi tende a far aumentare il pH dei liquidi biologici con conseguente alterazione di quelle funzioni che sono dipendenti dal pH (attività degli enzimi, trasporto O2)
Sposta l’equilibrio della glutammato deidrogenasi in direzione della sintesi del glutammato e quindi sottrae α-ketoglutarato al ciclo di Krebs
L’aumento del glutammato fa aumentare la sintesi di glutammina che porta alla diminuizione delle riserve di glutammato che serve, nel cervello, sia come neurotrasmettitore sia come precursore dell’acido γ-aminobutirrico, un altro neurotrasmettitore
Situazioni in cui gli amminoacidi negli animali subiscono una degradazione ossidativa:
Durante la sintesi e degradazione delle proteine cellulari (turnover delle proteine), alcuni amminoacidi, se non necessari per la sintesi di altre proteine possono essere ossidati.
Quando una dieta è ricca di proteine e gli amminoacidi sono in eccesso per la sintesi di proteine (non si possono formare riserve di amminoacidi!)
Durante il digiuno prolungato.
RIMOZIONE DEL GRUPPO AMMINICO
Il distacco del gruppo amminico da un Amminoacido può avvenire con varie modalità:
Deaminazione
ossia la rimozione del gruppo amminico con liberazione di Ammoniaca che può avvenire in maniera
ossidativ
a (mediante l’azione di una L-/D-Amminoacido Ossidasi o di una L- Glutammico Deidrogenasi)
oppure non ossidativa
(mediante l’enzima Serina-Treonina Deidratasi o Cisteina Desulfidrasi).
Transaminazione
ossia il trasferimento di un gruppo amminico da un Amminoacido ad un α- Chetoacido senza liberazione di Ammoniaca.
Transdeaminazione
ossia l’accoppiamento, con liberazione di Ammoniaca, di una reazione di transaminazione con una deaminazione ossidativa.
DEAMINAZIONE
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TRANSAMINAZIONE
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TRANSDEAMINAZIONE
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AMMINE BIOGENE
DESTINO ALTERNATIVO ALLA TRANSAMINAZIONE
Sempre a partire da una aldimina esterna nel sito attivo, l’aminoacido può andare incontro, oltre che a transaminazione, anche a reazioni di
a-b eliminazione
a-g eliminazione
racemizzazione
-decarbossilazione
La reazione è analoga alla transaminazione, con legame al PLP mediante formazione di una Base di Schiff, tuttavia invece del gruppo amminico viene eliminato il Carbossile sotto forma di CO2 generando
un Ammina.
DIAMMINE.
Se la decarbossilazione interessa invece amminoacidi diammino-monocarbossilici (2 gruppi amminici e 1 gruppo carbossilico) il risultato sarà una Diammina.
Ad esempio l’Ornitina produce la diammina
Putrescina
(1,4-Diaminobutano);
la Lisina produce la diammina
Cadaverina
(1,5-Diaminopentano).
RUOLO BIOLOGICO:
Sono importanti
stabilizzanti degli acidi nucleici
: la carica positiva conferita dai due gruppi amminici stabilizza le
cariche negative dei gruppi fosfato
del dna.
--> Sono quindi importanti in caso di
proliferazione
.
Alterazioni di decarbossilasi che portano alla formazione di diamine sono spesso coinvolte in processi tumorali, dove l’alta sintesi di DNA porta la cellula a sovraesprimere geni deputati alla sintesi delle diamine che lo proteggano.
Le Ammine generate per decarbossilazione degli α-Amminoacidi vengono definite “Ammine biogene” e
svolgono importanti ruoli fisiologici:
Istidina → Istamina
Glutammato → GABA
5-Idrossitriptofano → 5-Idrossitriptamina (Serotonina)
3,4-Diidrossifenilalanina → Dopamina
Cisteina → Cisteamina
Aspartato → β-Alanina
Serina → Etanolammina
SECONDA DEAMINAZIONE OSSIDATIVA:
Le Ammine possono andare incontro ad una successiva deaminazione ossidativa producendo
aldeidi
mediante l’azione degli enzimi:
Monoammino Ossidasi (MAO)
Diammino Ossidasi (DAO)
che agiscono in presenza di Ossigeno molecolare con liberazione di ammoniaca.
Il FADH2 formatosi viene in seguito riossidato dall’Ossigeno molecolare formando Perossido di Idrogeno degradato poi dalla Catalasi.
Le aldeidi prodotte invece vengono metabolizzate generalmente ad
acidi carbossilici
e meno frequentemente a
gruppi alcolici primari.
La MAO è un
enzima flavinico FAD-dipendente
della
membrana mitocondriale
che catalizza l’ossidazione di
un’Ammina ad Immina
. In seguito la liberazione del gruppo amminico avviene spontaneamente in ambiente acquoso formando un’aldeide.
Hanno un ruolo importante nella
degradazione di neurotrasmettitori
, per cui sono bersaglio di farmaci.
CATEGORIE DI MAO:
Esistono due categorie di MAO:
MAO-A
MAO-B.
Entrambe sono localizzate nelle
terminazioni nervose
e nella maggior parte delle aree cerebrali, dove
inattivano i neurotrasmettitori
.
Le MAO-A sono presenti anche
nell’intestino e nel fegato
, dove inattivano le monoamine introdotte con l’alimentazione.
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