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Aminoacidi essenziali e non essenziali

Gli aminoacidi non essenziali sono quelli che vengono sintetizzati dai mammiferi, mentre gli aminoacidi essenziali devono essere ottenuti da fonti alimentari. Perché un organismo dovrebbe evolversi in modo tale da non poter esistere in assenza di certi aminoacidi? Molto probabilmente, la pronta disponibilità di questi aminoacidi negli organismi inferiori (piante e microrganismi) ha ovviato alla necessità dell’organismo superiore di continuare a produrli. I percorsi per la loro sintesi sono stati selezionati. Non dover sintetizzare unadditional dieci aminoacidi (e regolare la loro sintesi) rappresenta una grande economia, quindi.Tuttavia, rimane per noi di familiarizzare con le vie sintetiche per questi aminoacidi essenziali in piante e microrganismi, e si scopre che sono generalmente più complicate che le vie per la sintesi nonessentialaminoacidi e sono anche specie-specifiche.

I venti aminoacidi possono essere divisi in due gruppi di 10 aminoacidi. Dieci sono essenziali e 10 non essenziali. Tuttavia, questa non è davvero una dicotomia accurata, in quanto vi è una sovrapposizione tra i due gruppi, come è indicato nel testo che accompagna i due grafici seguenti:

Nota che la tirosina è davvero un aminoacido essenziale, poiché è sintetizzata dall’idrossilazione della fenilalanina, un aminoacido essenziale.Inoltre, negli animali, il gruppo sulfidrilico della cisteina deriva dalla metionina, che è un aminoacido essenziale, quindi anche la cisteina può essere considerata essenziale.

I dieci aminoacidi “essenziali” sono:

L’arginina viene sintetizzata dai mammiferi nel ciclo dell’urea, ma la maggior parte di essa viene idrolizzata in urea e ornitina:

(Link alla pagina web del dott. Diwan’s webpage on AminoAcid Catabolism for more information about thehydrolysis of urea, as well as for review of amino acid catabolism)

Because mammals cannot synthesize enough arginine to meet the metabolic needssof infants and children, it is classified as an essential amino acid.

Sintesi degli aminoacidi non essenziali

Salvo la tirosina (il suo precursore immediato è la fenilalanina, un aminoacido essenziale), tutti gli aminoacidi non essenziali (e qui includeremo l’arginina) sono sintetizzati da intermedi delle principali vie metaboliche. Inoltre, gli scheletri di carbonio di questi aminoacidi sono tracciabili ai loro corrispondenti a-chetoacidi. Pertanto, potrebbe essere possibile tosynthesize uno qualsiasi degli aminoacidi non essenziali direttamente transaminando il suo corrispondente a-chetoacido, se quel chetoacido esiste come un intermedio comune. Una “reazione di transaminazione”, in cui un gruppo amminico è trasferito da un aminoacido all’a-carbonio di un chetoacido, è catalizzata da un’aminotransferasi.

Tre a-chetoacidi molto comuni possono essere transaminati in una fase al loro corrispondente amminoacido:

Piruvato (prodotto finale glicolitico) –> alanina

Ossalacetato (intermedio del ciclo dell’acido citrico) –> aspartato

a-chetoglutarato (intermedio del ciclo dell’acido citrico) –> glutammato

Le singole reazioni sono:

Asparagina e glutammina sono i prodotti delle amidazioni di aspartato e glutammato, rispettivamente. Così, l’asparagina e la glutammina, e i restanti aminoacidi non essenziali non sono direttamente il risultato della transaminazione degli a-chetoacidi, perché questi non sono intermedi comuni alle altre vie. Tuttavia, saremo in grado di tracciare gli scheletri di carbonio di tutti questi indietro a un a-chetoacido. Faccio questo punto non a causa di qualsiasi implicazioni profonde inerenti, ma piuttosto come un modo per semplificare l’apprendimento delle vie sintetiche di aminoacidi non essenziali.

L’aspartato è transaminato ad asparagina in una reazione ATP-dipendente catalizzata dall’asparagina sintetasi, e la glutammina è il donatore del gruppo amminico:

La sintesi della glutammina è a due fasi in cui il glutammato è prima “attivato” ad un intermedio g-glutamilfosfato, seguito da una reazione in cui NH3 sposta il gruppo fosfato:

Quindi, la sintesi dell’asparagina è intrinsecamente legata a quella della glutammina, e si scopre che la glutammina è il donatore del gruppo amminico nella formazione di numerosi prodotti biosintetici, oltre ad essere una forma di stoccaggio di NH3. Pertanto, ci si aspetterebbe che la glutammina sintetasi, l’enzima responsabile dell’amidazione del glutammato, giochi un ruolo centrale nella regolazione del metabolismo dell’azoto. Ora esamineremo questo controllo in modo più dettagliato, prima di procedere alla biosintesi dei restanti aminoacidi non essenziali.

Hai studiato in precedenza la deaminazione ossidativa del glutammato da glutammato deidrogenasi, in cui vengono prodotti NH3 e a-chetoglutarato. L’a-chetoglutarato prodotto è poi disponibile per accettare gruppi amminici in altre reazioni di transaminazione, ma l’accumulo di ammoniaca come altro prodotto di questa reazione è un problema perché, in alte concentrazioni, è tossico. Per mantenere il livello di NH3 in un intervallo controllato, un livello crescente di a-chetoglutarato attiva la glutammina sintetasi, aumentando la produzione di glutammina, che dona il suo gruppo amminico in varie altre reazioni.

La regolazione della glutammina sintetasi è stata studiata in E.Coli e, sebbene complicata, vale la pena guardare alcune delle sue caratteristiche perché questo ci darà una maggiore comprensione della regolazione delle vie metaboliche intersecanti. La diffrazione a raggi X dei cristalli dell’enzima rivela una struttura a prisma esagonale (simmetria D6) composta da 12 subunità identiche. L’attività dell’enzima è controllata da 9 inibitori allosterici di feedback, 6 dei quali sono prodotti finali delle vie che coinvolgono la glutammina:

istidina

triptofano

carbamoil fosfato (sintetizzato dalla carbamoilfosfato sintetasi II)

glucosamina-6-fosfato

AMP (vedi prossima lezione)

CTP (vedi prossima lezione)

Gli altri tre effettori sono alanina, serina e glicina, che portano informazioni sul livello di azoto cellulare.

L’enzima è anche regolato da una modificazione covalente (adenililazione di un tirreside), che si traduce in un aumento della sensibilità all’inibizione di feedback cumulativa da parte dei nove effettori di cui sopra. L’adenililtransferasi è l’enzima che catalizza sia l’adenililazione che la deadenililazione della glutaminesintetasi di E. coli, e questo enzima è complessato con una proteina regolatrice tetramerica, PII. La regolazione dell’adenililazione e del suo inverso avviene a livello di PII, a seconda dell’uridililazione di un altro residuo Tyr, situato su PII.Quando PII è uridilato, la glutammina sintetasi è deadenylylated; l’inverso si verifica quando UMP è covalentemente attaccato al residuo Tyr di PII.Il livello di uridililazione è, a sua volta, regolato dalle attività dei due enzimi, uridililtransferasi ed enzima di rimozione di uridil, entrambi situati sulla stessa proteina. L’uridililtransferasi è attivata da a-chetoglutarato e ATP, mentre è inibita da glutammina e Pi.

Il seguente diagramma riassume la regolazione della glutaminesintetasi batterica (vedi testo pagina 1035) :

Possiamo “percorrere” questa cascata di regolazione guardando un esempio specifico, cioè un aumento dei livelli di a-chetoglutarato (che riflette un corrispondente aumento dei livelli di NH3):

(1) L’attività dell’Uridililtransferasi è aumentata

(2) Il PII (in complesso con l’adenililtransferasi) è uridilato

(3) La glutamina sintetasi è deadenilata

(4) a-chetoglutarato e NH3 formano glutammina e Pi

Che il controllo della glutammina sintetasi batterica sia squisitamente sensibile al livello dei metaboliti azotati della cellula è illustrato dal fatto che la glutammina appena prodotta nella cascata di cui sopra è ora un inibitore della produzione di ulteriore glutammina.

Esercizio in classe: Usa il percorso di regolazione per spiegare l’effetto di un livello crescente di glutammina sull’attività della glutaminesintetasi batterica.

Prolina, ornitina e arginina derivano dal glutammato

Il primo passo comporta la fosforilazione del glutammato da parte dell’ATP con l’enzima g-glutamilchinasi, seguita dalla riduzione a glutammato-5-semialdeide che spontaneamente cede (nessun enzima richiesto) a una base di Schiff interna. La formazione della semialdeide richiede anche la presenza di NADP o NADPH.

La semialdeide è un punto di diramazione, tuttavia. Un ramo porta alla prolina mentre l’altro ramo porta all’ornitina e all’arginina. Il glutammato-5-semialdeide viene transaminato in ornitina e il glutammato è il donatore del gruppo amminico. L’ornitina, un intermedio del ciclo dell’urea, è convertita in arginina attraverso il ciclo dell’urea.

Per evidenziare ulteriormente l’importanza del glutammato, esso viene convertito all’ammina fisiologicamente attiva, l’acido g-aminobutirrico (GABA), il principale neurotrasmettitore inibitorio del cervello:

L’intermedio glicolitico, il 3-fosfoglicerato, viene convertito in serina, cisteina e glicina.

Nota la partecipazione del glutammato come donatore del gruppo amminico. La serina viene convertita in glicina nella seguente reazione:

serina + THF –> glicina + N5,N10 -metilene-THF (enzima: serina idrossimetiltransferasi)

La glicina si forma anche in una reazione di condensazione come segue:

N5,N10 -metilene-THF + CO2 + NH4+ –> glicina (enzima: glicina sintasi; richiede NADH)

La cisteina è sintetizzata da serina e omocisteina (prodotto di degradazione della metionina):

ser + omocisteina ->cistationina + H2O

cistationina + H2O –> a-chetobutirrato + cisteina + NH3

Sintesi degli aminoacidi essenziali

Le vie di sintesi degli aminoacidi essenziali sono:

(1) presenti solo nei microorgansimi

(2) considerevolmente più complesse che per gli aminoacidi non essenziali

(3) usano precursori metabolici familiari

(4) mostrano variazioni di specie

Ai fini della classificazione, consideriamo le seguenti 4 “famiglie” che sono basate su precursori comuni:

(1) Famiglia Aspartato: lisina, metionina, treonina

(2) Famiglia Piruvato: leucina, isoleucina, valina

(3) Famiglia Aromatica:fenilalanina, tirosina, triptofano

(4) Istidina

La Famiglia degli Aspartati

Il primo passo impegnato per la sintesi di Lys, Met e Thr è il firststep, in cui l’aspartato è fosforilato ad aspartil-b-fosfato, catalizzato da aspartochinasi:

E.coli ha 3 isozimi di aspartochinasi che rispondono in modo diverso a ciascuno dei 3 aminoacidi, per quanto riguarda l’inibizione dell’enzima e l’inibizione di ritorno. La biosintesi di lisina, metionina e treonina non sono, quindi, controllate come un gruppo.

Il percorso da aspartato a lisina ha 10 passi.

Il percorso da aspartato a treonina ha 5 passi

Il percorso da aspartato a metionina ha 7 passi

La regolazione dei tre percorsi avviene anche nei due punti di ramificazione:

b-Aspartato-semialdeide (omoserina e lisina)

Omoserina (treonina e metionina)

La regolazione risulta dall’inibizione di ritorno da parte dei prodotti aminoacidici dei rami, indicati tra parentesi.

Prendiamo in considerazione un passo importante nella sintesi di questo gruppo di 3 aminoacidi, cioè il passo in cui l’omocisteina viene convertita in metionina, catalizzata dall’enzima metionina sintasi:

In questa reazione, l’omocisteina viene metilata a metionina, e il C1donatore è N5-metil-THF. Si noti che l’enzima è chiamato “sintasi” piuttosto che sintetasi, perché la reazione è una reazione di condensazione in cui l’ATP (o un altro trifosfato nucleosidico) non è usato come fonte di energia; questo è da paragonare ad una “sintetasi” in cui un NTP è richiesto come fonte di energia.Questa reazione può anche essere vista come il trasferimento del gruppo ametile da N5-metil-THF all’omocisteina, così un altro nome per l’enzima che la catalizza è omocisteinemetiltransferasi.

È ragionevole rivedere le reazioni in cui un’unità C1 viene aggiunta a un precursore metabolico, poiché queste reazioni sono viste molto comunemente nel nostro studio delle vie biochimiche. Avete già visto il trasferimento del gruppo acarbossilico dal cofattore di biotina della piruvato carbossilasi al piruvato per formare ossalacetato (perché non si chiama “transferasi” o “sintasi”?). La maggior parte delle reazioni di carbossilazione usano la biotina come cofattore. Avete anche studiato la scomposizione della metionina, in cui il primo passo comporta il trasferimento dell’adenosina alla metionina per formare la S-Adenosylmethionine (SAM). Il gruppo metile sullo ione solfonio di SAM è altamente reattivo, quindi non è sorprendente scoprire che SAM è un agente metilante in alcune reazioni.Anche i tetraidrofolati sono agenti donatori di C1 e, a differenza delle carbossilazioni e delle metilazioni del SAM, i THF possono trasferire unità C1 in più di uno stato di ossidazione.

N5-metil-THF, come abbiamo appena visto, trasferisce il gruppo metile (-CH3), in cui il livello di ossidazione del C è quello del metanolo(-4). N5,N10-metilene-THF trasporta un gruppo metilene (-CH2-) e il livello di ossidazione è quello della formaldeide (0), mentre N5-formimino-THF trasferisce il gruppo formimino (-CH=NH), in cui il livello di ossidazione del Catom è quello del formiato. I gruppi formile (-CH=O) e metenile (-CH=) sono anche trasferiti dal THF ed entrambi hanno il C nel livello di ossidazione del formiato (+2). La struttura del THF è adatta a questi trasferimenti in virtù dei suoi gruppi N5 e N10 come mostrato nella seguente struttura chimica:

Vedremo ancora il THF quando studieremo la sintesi del timidilato dal dUMP, catalizzata dall’enzima timidilato sintasi in cui N5,N10-metilene-THF è il donatore del metile.

La famiglia del piruvato

Questi sono gli aminoacidi “a catena ramificata”, ed è utile ricordarli come un gruppo, non solo perché hanno tutti origine dal carbonskeleton del piruvato, ma anche perché la malattia “maple syrup urine disease” (MSUD) è il risultato della carenza di a-ketoaciddeidrogenasi a catena ramificata, con conseguente accumulo di a-ketoacidi a catena ramificata.

Guarderemo solo l’inizio e la fine delle vie:

Il primo passo è comune a tutti e 3 gli aminoacidi:

Piruvato + TPP –> Idrossietil-TPP (catalizzato dall’acetolattato sintasi)

Nota che il carbonatom centrale nell’idrossietil-TPP è un carbanione ed è stabilizzato da forme di risonanza.

L’idrossietil-TPP può reagire con un altro piruvato per formare a-acetolattato, nel qual caso la via si dirige verso la valina e l’isoleucina, oppure può reagire con l’a-chetobutirrato, nel qual caso la via porta all’isoleucina.

C’è un punto di diramazione all’a-chetoisovalerato che, in una direzione, porta alla valina e, nell’altra, alla leucina.

Il passo finale nella formazione di ciascuno di questi aminoacidi comporta il trasferimento di un gruppo amminico dal glutammato al corrispondente a-chetoacido di ciascuno dei 3 aminoacidi a catena ramificata.Qui vediamo un altro esempio dell’importanza di un particolare aminoacido, cioè il glutammato, per le vie anaboliche degli aminoacidi.

Gli aminoacidi aromatici:

Fosfoenolpiruvato (PEP), un intermedio glicolitico, si condensa con eritrosio-4-fosfato, un intermedio della via del pentoso-fosfato, per formare2-keto-3-deossiarabino-eptulosonato-7-fosfato e fosfato inorganico. L’enzima coinvolto è una sintasi. Questo prodotto di condensazione alla fine ciclizza a corismato.

Da qui, il percorso si ramifica, finendo nella produzione di triptofano ad una estremità del ramo, e tirosina e fenilalanina all’altra estremità.

Alcuni punti salienti meritano di essere menzionati. In primo luogo, la glutammina gioca un ruolo come donatore di un gruppo amminico al corismato per formare l’antranilato al ramo del triptofano. Il precursore immediato del triptofano è l’indolo:

L'”anello indolico” è la caratteristica della struttura del triptofano. Si noti che la serina è il donatore del gruppo amminico all’indolo per formare il triptofano.

Il ramo che porta alla tirosina e alla fenilalanina ha un altro punto di diramazione al prefenato. L’unica differenza tra i 2 amminoacidi risultanti è che il para-carbonio dell’anello benzenico della tirosina è idrossilato. Infatti, nei mammiferi, la fenilalanina è direttamente idrossilata a tirosina, catalizzata dall’enzima fenilalanina idrossilasi.

Fenilchetonuria

Dalla tirosina derivano alcune ammine molto importanti e fisiologicamente attive,e queste sono L-DOPA, dopamina, norepinefrina ed epinefrina. Il percorso dalla tirosina alla norepinefrina è mostrato qui sotto:

La formazione di epinefrina dalla norepinefrina comporta il trasferimento del gruppo metile altamente reattivo della S-adenosilmetionina alla norepinefrina:

Struttura della S-adenosil metionina che mostra il suo gruppo metile reattivo:

Biosintesi dell’istidina:

Guarderemo questa via un po’ più in dettaglio, perché coinvolge la molecola 5-fosforibosil-a-pirofosfato (che d’ora in poi chiameremo “PRPP”). Il PRPP è anche coinvolto nella sintesi di purine e pirimidine, come vedremo presto. Nel primo passo della sintesi dell’istidina, PRPP si condensa con ATP per formare una purina, N1-5′-fosforibosylATP, in una reazione che è guidata dalla successiva idrolisi del pirofosfato che si condensa. La glutammina gioca di nuovo un ruolo come amminogruppodonatore, questa volta risultando nella formazione del 5-aminoamidazolo-4-carbossimideribonucleotide (ACAIR), che è un intermedio nella biosintesi delle purine.

L’istidina è speciale in quanto la sua biosintesi è intrinsecamente legata alle vie di formazione dei nucleotidi. I residui di istidina si trovano spesso in siti enzimatici attivi, dove la chimica dell’anello imidazolico dell’istidina la rende anucleofila e un buon catalizzatore acido/base. Ora sappiamo che l’RNA può avere proprietà catalitiche, e si è ipotizzato che la vita fosse originariamente basata sull’RNA. Forse la transizione alla catalisi delle proteine dalla catalisi dell’RNA è avvenuta all’origine della biosintesi dell’istidina.

L’ammina fisiologicamente attiva, l’istamina, si forma dall’istidina: