Sommario
La malattia legata al ciclo dell’urea sotto forma di iperammonemia è usata per illustrare una malattia del metabolismo, specificamente legata a un difetto nel ciclo dell’urea. Una deficienza di uno degli enzimi del ciclo dell’urea porta a una condizione specifica di malattia in cui l’ammoniaca, che è una tossina, può accumularsi nel sangue (iperammonemia). Quando la glutammina è prodotta in eccesso nel fegato, viene convertita in ammoniaca dalla glutaminasi. Il ciclo dell’urea del fegato converte l’ammoniaca in urea che viene escreta nelle urine. Le reazioni complessive del ciclo TCA e del ciclo dell’urea possono essere riassunte:
La glutammina sintasi e la glutaminasi utilizzano ione ammonio e producono ione ammonio nelle loro reazioni, rispettivamente:
La transaminazione è un processo in cui i gruppi amminici vengono rimossi dagli aminoacidi e trasferiti ai chetoacidi accettori per generare la versione chetoacida dell’aminoacido originale.
Le cellule muscolari possono usare gli aminoacidi come fonti di energia, e il fegato può disintossicare i gruppi amminici (come ioni di ammonio) attraverso il ciclo dell’urea. L’alanina è un aminoacido predominante nella maggior parte delle proteine. Può essere trasportata nel flusso sanguigno dai tessuti periferici al fegato dove può essere convertita in glucosio. L’alanina viene transaminata per formare piruvato, e il glucosio può essere formato dal piruvato attraverso la gluconeogenesi. Il glucosio può poi essere spedito al muscolo (per l’utilizzo dell’energia) attraverso il flusso sanguigno. Questo sistema che mette in relazione il metabolismo muscolare ed epatico è noto come ciclo dell’alanina.
La transamidazione è la formazione catalitica di un legame covalente tra un gruppo amminico libero e un gruppo gamma carbossilico. Le transamidinasi catalizzano la formazione di legami γ-glutamyl-ε-lysine coinvolti nella guarigione dei tessuti. Le transamidinasi sono coinvolte nella sintesi degli amino zuccheri (ad esempio, glucosamina-6-fosfato). Questi enzimi sono anche coinvolti nell’ancoraggio del glicosilfosfatidilinositolo delle proteine alle membrane cellulari.
La deaminazione degli aminoacidi è catalizzata dagli enzimi ammonio liasi. Esempi sono la serina deidratasi e la treonina deidratasi, che hanno entrambe il piridossal fosfato come coenzima. La serina deidratasi converte la serina in piruvato e ammoniaca, e la treonina deidratasi converte la treonina in α-chetobutirrato e ammoniaca. Un altro membro di questo gruppo di enzimi è l’istidasi (istidina ammoniaca liasi) che rimuove il gruppo amminico dall’istidina per formare acido transurocanico nel fegato e nella pelle. La deaminazione ossidativa avviene nel fegato tramite il glutammato deidrogenasi in cui il glutammato+acqua+NAD+ forma α-chetoglutarato+ammoniaca+NADH+H+.
Gli aminoacidi possono essere ossidati dalla d-aminoacido ossidasi situata nei perossisomi del fegato e del rene. I d-aminoacidi sono presenti nella dieta soprattutto negli alimenti vegetali, poiché le piante non contengono d-aminoacido ossidasi. I prodotti catalitici sono un iminoacido e H2O2. L’uomo ha anche l’enzima aminoacido racemasi che interconverte d- e l-aminoacidi. I perossisomi del fegato e del rene contengono piccole quantità di l-amminoacido ossidasi che sarebbe utile quando c’è un eccesso di l-amminoacidi per la biosintesi delle proteine e per altre vie.
l-Aminoacido racemasi converte gli l-amminoacidi (le forme naturali nelle proteine) in d-amminoacidi. Questo enzima è particolarmente importante nel cervello poiché la d-serina è presente in grandi quantità nel corpo calloso e nell’ippocampo.
La decarbossilasi degli aminoacidi con il piridossal fosfato come coenzima rimuove la CO2 dagli aminoacidi per produrre le ammine corrispondenti. La decarbossilasi degli l-amminoacidi aromatici catalizza la decarbossilazione di triptofano, 5-idrossitriptofano, l-diidrossifenilalanina, 3,4-diidrossifenilserina, tirosina, fenilalanina e istidina.
Gli amminoacidi essenziali sono quelli che sono assenti nel corpo, o quelli che sono sintetizzati in misura insufficiente per la crescita e il mantenimento. Sono i seguenti: metionina, triptofano, lisina, fenilalanina, treonina, valina, leucina e isoleucina. Inoltre, l’istidina e l’arginina sono essenziali per i bambini. Gli aminoacidi non essenziali sono i seguenti: glutammato, glutammina, aspartato, asparagina, alanina, cisteina, tirosina, prolina, serina e glicina (e ornitina). La metionina e il triptofano hanno codoni singoli, ma gli altri aminoacidi hanno due o tre codoni. La maggior parte delle proteine inizia la traduzione con il codone di inizio, AUG. AUG codifica per la metionina che è l’amminoacido N-terminale di tutte le proteine eucariotiche; tuttavia, è possibile rimuovere la metionina N-terminale per modifica post-traslazionale. L’omocisteina, che deriva dalla S-adenosilmetionina, può generare cisteina. La taurina è sintetizzata come segue: metionina → cisteina → cisteina solfinato → ipotaurina → taurina. Anche se la taurina è un aminoacido, non è incorporata nelle proteine. Tuttavia, è un coniugato con gli acidi biliari ed è attivo come antiossidante, modulatore della segnalazione del calcio, stabilizzatore delle membrane e inibitore dell’apoptosi.
Il glutatione (GSH) è un tripeptide (glutamilcisteinilglicina) ma è sintetizzato senza mRNA. Con due molecole di GSH, le cisteine possono essere ossidate per formare un disolfuro (-S-S-), e questa interconversione (2GSH ←→ GSSG) rappresenta un agente redox critico nella cellula. La famiglia di enzimi glutatione S-transferasi protegge le cellule dai danni degli xenobiotici e di alcuni farmaci formando GSH che li solubilizza, compresi alcuni cancerogeni, e ne permette l’escrezione. Il GSH è coinvolto nel ciclo γ-glutamilico che migliora il trasporto degli aminoacidi dall’esterno della cellula all’interno della stessa. Il primo passo di questo ciclo è il trasferimento del gruppo γ-glutamilico del GSH a un amminoacido, un peptide o all’acqua da parte della γ-glutamiltranspeptidasi di membrana cellulare (γ-l-glutamilpeptide+amminoacido ←→ peptide+γ-l-glutamil-amminoacido). Questa via fa parte della sintesi e della degradazione del GSH che funziona nella disintossicazione dei farmaci e degli xenobiotici. Il leucotriene C4 (LTC4) contiene GSH, e questo leucotriene ha attività contrattile sui tessuti delle vie respiratorie.
La tirosina è il precursore delle catecolamine (epinefrina e noradrenalina) e del principale pigmento del corpo, la melanina. La tirosina può essere formata dalla fenilalanina dalla fenilalanina idrossilasi (IPA) nel fegato e nei reni. Questo enzima rimuove qualsiasi eccesso di fenilalanina. Le mutazioni (ci sono più di 400 mutazioni del gene che esprime l’IPA conosciute nei bambini) nel gene di questo enzima portano alla fenilchetonuria. Le catecolamine sono sintetizzate nel midollo surrenale: fenilalanina+PAH → tirosina+tirosina idrossilasi → DOPA+decarbossilasi degli l-amminoacidi aromatici → dopamina+dopamina β-idrossilasi → norepinefrina+S-adenosilmetionina (SAM, come donatore di metile)+feniletanolamina-N-metiltransferasi (PNMT) → epinefrina. In una reazione allo stress, il cortisolo viene prodotto nella corteccia surrenale. Sulla sua strada verso la circolazione generale, il cortisolo passa attraverso il midollo surrenale e lì induce la PNMT in modo da aumentare la produzione di catecolamine che sono anche elevate nello stress.
Il triptofano, nella ghiandola pineale, è il precursore dei neurotrasmettitori serotonina (alla luce del giorno) e melatonina (al buio). La N-acetiltransferasi converte la serotonina in N-acetilserotonina, e l’idrossindolo-O-metiltransferasi converte la N-acetilserotonina in melatonina. La ghiandola pineale ha un ruolo nel sonno, nell’attività locomotoria e influenza l’ipotalamo, la paratiroide e il pancreas. Il triptofano è convertito in acido chinolinico attraverso la via della kyurenina, e l’acido chinolinico può essere convertito in piccole quantità in niacina, un precursore dei coenzimi del nucleotide nicotinamide.
L’arginina può essere convertita in creatina. Il rene converte l’arginina in acido guanidoacetico che viene convertito in creatina nel fegato. La maggior parte della creatina nel corpo si trova nel muscolo scheletrico dove il fosfato di creatina è una riserva di energia. Quando le richieste di energia sono elevate (contrazione muscolare) la creatina fosfochinasi con ADP converte la creatina fosfato in creatina più ATP. La creatina fosfato si trasforma spontaneamente in creatinina nel muscolo, dove viene mantenuta a un livello costante. La creatinina è espulsa dal rene senza essere riassorbita, quindi la sua clearance nelle urine fornisce una misura della filtrazione glomerulare del rene. L’arginina è un precursore dell’ossido nitrico (NO) in una reazione catalizzata dall’ossido nitrico sintasi (NOS). Ci sono tre forme di NOS, iNOS, Enos e nNOS. NO è un segnale biologico che controlla la pressione sanguigna, la neurotrasmissione, l’apprendimento e la memoria.
L’istidina, attraverso l’azione della istidina decarbossilasi, viene convertita in istamina. La secrezione di acido gastrico è stimolata dall’istamina attraverso i recettori H2 dell’istamina. I mastociti rilasciano istamina per mediare la risposta allergica e generare vasodilatazione e broncocostrizione attraverso i recettori dell’istamina H1. Il gruppo imidazolo dell’istidina che può esistere in forme protonate o non protonate è un componente dei siti attivi di molti enzimi.
Il glutammato genera glutammina attraverso la reazione glutammato deidrogenasi. Prende anche parte a molte reazioni di transaminasi ed è un componente del glutatione. Il glutammato forma anche l’acido γ-aminobutirrico (GABA), un importante neurotrasmettitore inibitorio nel cervello. Attraverso le azioni della glutammato deidrogenasi e della glutammato transaminasi, il glutammato viene trasformato in α-chetoglutarato che può essere un precursore della prolina e dell’ornitina o può entrare nel ciclo TCA per la produzione di energia.
La serina può dare origine alla glicina attraverso la reazione della serina idrossimetiltransferasi che utilizza il coenzima tetraidrofolato.
Gli aminoacidi, quando le loro concentrazioni superano i requisiti della sintesi proteica, possono essere metabolizzati in composti che possono entrare nel ciclo TCA per la produzione di ATP. Gli aminoacidi che entrano nel ciclo TCA sono chetogenici o glucogenici, nel senso che i primi possono essere convertiti in acidi grassi, e i secondi possono essere convertiti in glucosio. Gli aminoacidi a catena ramificata non sono catabolizzati dal fegato, ma piuttosto da muscoli, adipe, reni e cervello. Sono convertiti nei corrispondenti chetoacidi dall’aminotransferasi degli aminoacidi a catena ramificata. L’α-chetoacido deidrogenasi a catena ramificata converte i chetoacidi in derivati del CoA. Se questo enzima non è funzionale a causa di una mutazione del suo gene, gli aminoacidi a catena ramificata si accumulano nel sangue e nelle urine e producono la “malattia dello sciroppo d’acero”.