Le proteine introdotte con la dieta o derivanti dal fisiologico turnover cellulare rappresentano la fonte primaria di amminoacidi per l'organismo. A differenze dei carboidrati e dei lipidi, che vengono accumulati in grandi depositi di riserva, la cellula non possiede forme di stoccaggio dedicate per gli amminoacidi in eccesso. Quando l'apporto proteico supera i fabbisogni biosintetici, o durante il digiuno prolungato, gli amminoacidi vengono degradati per produrre energia. Il catabolismo degli amminoacidi presenta un problema chimico unico: la presenza del gruppo amminico, che contiene azoto. Poiché l'azoto non può essere ossidato direttamente per produrre ATP, la prima tappa obbligata del catabolismo consiste nella separazione del gruppo amminico dallo scheletro carbonioso. L'ammoniaca libera che ne deriva è un potente neurotossico cellulare e richiede un sistema di detossificazione ed eliminazione ad alta efficienza
Poiché l'ammoniaca libera è altamente tossica per il SNC, non può viaggiare indisturbata nel torrente sanguigno dai tessuti periferici verso il fegato. L'organismo adotta due strategie di trasporto sicuro
Il sistema della glutammina: Nei tessuti extraepatici, l'ammoniaca libera viene fissata sul glutammato ad opera dell'enzima glutammina sintetasi:
- Il glutammato viene attivato tramite fosforilazione a spese di 1ATP formando l'intermedio gamma-glutammil fosfato.
- L'ammoniaca compie un attacco nucleofilo sostituendo il fosfato e formando l'amminoacido L-glutammina
- La glutammina viaggia nel sangue fino al fegato, dove penetra nella matrice mitocondriale. L'enzima glutaminasi idrolizza il legame ammidico della catena laterale, rilasciando NH4+ e glutammato
Gli animali ureotelici convertono l'ammoniaca tossica in urea NH2-CO-NH2, una molecola neutra, altamente idrosolubile e non tossica eliminata per via renale. Il ciclo dell'urea ha sede esclusivamente negli epatociti del fegato ed è compartimentato tra la matrice mitocondriale e il citosol
Reazione preparatoria: prima di accedere al ciclo, l'ammoniaca mitocondriale viene attivata dall'enzima carbamil fosfato sintetasi I o CPS I.
NH4 + HCO3- + 2ATP ---> Carbamil Fosfato + 2ADP + 2Pi
Consuma 2 molecole di ATP, una per attivare il bicarbonato a carbossifosfato e l'altra per fosforilare il carbammato. La CPS I richiede la presenza dell'attivatore allosterico N-acetilglutammato, sintetizzato in presenza di elevati livelli di arginina ed acetil-CoA
Tappa 1: Formazione della citrullina mediata dalla ornitina transcramblasi, OTC. La reazione avviene nella Matrice mitocondriale, dove l'ornitina (amminoacido non proteinogenico) raccoglie il gruppo carbamile dal carbamil fosfato, rilasciando Pi e formando Citrullina. La citrullina viene esportata dalla matrice al citosol tramite un trasportatore antiporto
Tappa 2: Condensazone con Aspartato mediata dall'Argininosuccinato sintetasi. La reazione avviene nel citosol, dove interviene l'aspartato che fornisce il secondo atomo di azoto dell'urea e condensa con la citrullina consumando 1ATP (AMP + PPi) per formare Argininosuccinato. La successiva idrolisi del pirofosfato da parte della pirofosfatasi inorganica rende la reazione irreversibile
Tappa 3: Scissione ad Arginina e Fumarato mediata dall'argininosuccinasi nel citosol. L'argininosuccinato viene scisso irreversibilmente in L-Arginina e Fumarato. Il fumarato rilasciato nel citosol costituisce il punto di collegamento diretto con il ciclo di Krebs.
Tappa 4: Idrolisi dell'arginina e rilascio dell'urea mediata dall'arginasi nel citosol. L'enzima epatospecifico arginasi idrolizza il gruppo guanidinico dell'arginina consumando 1 H2O. Rilascia urea idrosolubile e rigenera Ornitina, che rientra nei mitocondri per iniziare un nuovo ciclo
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Il ciclo dell'urea e il ciclo dell'acido citrico non operano in modo isolato, ma sono interconnessi dal cosiddetto biciclo di Krebs:
- Il fumarato citosolico rilasciato dalla tappa 3 del ciclo dell'urea viene convertito in L-malato dalla fumarasi citosolica e penetra nei mitocondri.
- Nella matrice, la malato deidrogenasi ossida il malato ad ossalacetato, generando 1 NADH mitocondriale.
- L'ossalacetato viene transaminato ad aspartato dall'amminotransferasi e ri-esportato nel citosol per alimentare nuovamente il ciclo dell'urea
L'ossidazione del NADH mitocondriale generato da questo shunt produce circa 2,5 ATP nella fosforilazione ossidativa, abbattendo il costo netto della detossificazione dell'azoto a soli 1,5 ATP
Per sintetizzare una molecola di urea occorrono:
NH4+ + HCO3- + Aspartato + 3ATP + H2O -->
Urea + Fumarato + 2ADP + 1AMP + 4Pi
L'investimento energetico netto corrisponde alla scissione di 4 legami ad alta energia per ogni molecola di urea prodotta
Il ciclo alanina-glucosio: nel muscolo scheletrico in attiva contrazione, il piruvato prodotto dalla glicolisi raccoglie i gruppi amminici per transaminazione via alanina amminotrasferasi, trasformandosi in alanina. L'alanina viene rilasciata nel sangue, captata dal fegato e ritransaminata ad alfa-chetoglutarato: il piruvato liberato alimenta la gluconeogenesi e il glucosio neoformato torna al muscolo, mentre l'azoto entra nel ciclo dell'urea
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