4.2. Cai particulare de degradare a aminoacizilor (degradarea scheletului de carbon )

Degradarea scheletului atomilor de carbon

Scheletul atomilor de carbon reprezinta ceea ce ramane dupa indepartarea gruparii NH2. Degradarea scheletului atomilor de carbon este strans legata de ciclul Krebs deoarece in urma acestui proces se formeaza intermediari apartinand ciclului acizilor tricarboxilici. In procesul degradarii se mai pot forma produsi cu functie biologica precum si precursori ai glucozei si ai corpilor cetonici. Cu alte cuvinte prin degradarea proteinelor, respectiv a aminoacizilor nu se genereaza in mod direct energie ci sunt generati produsi cu potential energetic si anume: glucoza, corpii cetonici sau intermediari ai Ciclului Krebs.

Fig 20Aminoacizii care in decursul degradarii genereaza intermediari ai ciclului Krebs (fig 21)sau piruvat duc in final la sinteza de glucoza pe calea oxalacetatului (fig 20). Aminoacizii care in decursul degradarii genereaza genereaza acetoacetil- CoA duc in final la sinteza de corpi cetonici.

Fig 21

Astfel in functie de produsii finali generati in urma degradarii, aminoacizii se impart in :1. aminoacizi glucoformatori: sunt acei aminoacizi care in urma degradarii dau nastere unor

precursori care pot genera glucoza2. aminoacizi cetoformatori care in urma degradarii dau nastere unor precursori care pot genera corpi

cetonici3. aminoacizi gluco/cetoformatori

Doar doi aminoacizi sunt considerati strict cetoformatori si anume: lizina (Lys) si leucina (Leu), restul aminoacizilor pot genera glucoza ( fig 22)

Fig 22

In metabolizarea aminoacizilor (atat in procesele de sinteza cat si in cele de degradare) urmatorii cofactori si cosubstrate joaca un rol esential:

a. vitamina B6b. acidul folicc. vitamina B12

d. sulf-adenozil metionina (SAM - cosubstrat)e. Biopterina

Vitamina B6

Exista in sub forma a trei vitamere: piridoxal, piridoxina si piridoxamina (fig.23)

.Fig 23

In organism sufera o serie de transformari in urma carora se formeaza piridoxal fosfat-ul (PLP) care reprezinta forma activa a vitaminei/vitamerelor (fig.24)

Fig 24

Vitamina B6 intervine in diferite procese ce se desfasoara la carbonii , , ai aminoacizilor. Procesele ce pot avea loc carbonul sunt: decarboxilare, transaminare, eliminare (fig 25).

fig 25Se poate spune ca dintre toate reactiile in care vitamina B6 este implicata cea mai “popularizata” este transaminarea. Faptul ca aceasta reactie este una reversibila face posibila utilizarea ei atat in procesele anabolice cat si in cele catabolice functie de necesitatile de moment ale celulei.Mecanismul prin care vitamina B6 intervine este urmatorul: forma coenzimatica a vitaminei B6 functioneaza ca un transportor intermediar al gruparii amino si sufera o serie de transformari reversibile in timpul acestui proces. Forma aldehidica, (piridoxal fosfat) care poate accepta gruparea amino de la un aminoacid, sufera o modificare reversibila la forma amininica (piridoxamin fosfat) care poate ceda aceasta grupare catre un alfa cetoacid, procesul desfasurandu-se asemanator in sens invers (fig 26) In cursul transferului gruparii amino se formeaza o serie de compusi intermediari cu structura iminica numiti baze Schiff prin eliminarea apei urmata de readitia ei.

Fig 26

Acidul folicAcidul pteroilglutamic (vit.M, factorul U, factorul R, coenzima C), derivaţii înrudiţi şi formele

conjugate constituie grupul acidul folic [..], este constituit dintr-un heterociclu numit pteridină, acid p-amino-benzoic (PABA) şi acid glutamic.In organism acidul folic este adus prin aport alimentar din spanac si alte vegetale si in urma reactiei de reducere in prezenta dihidrofolat reductazei devine tetrahidrofolat poliglutamat (FH4) sau forma activa a acidului folic (fig 27)[marks]. Jumatate din cantitatea de acid folic din organism este stocata le nivelul ficatului.

(fig 27).

Tetrahidrofolatul indeplineste rolul de transportor al unitatilor de un atom de carbon pe care le cedeaza diferitelor substrate. Unitatile de un atom de carbon ce pot fi transferate in diferite reactii sunt: metil, metilen, metenil, formil, formimino (fig 28). Forma cea mai oxidata o reprezinta formil-ul (-HC=O) iar cea mai redusa metil-ul (-CH3). Unitatea de un atom de carbon ce urmeaza a fi transferata este atasata la N5 sau la N10 sau simultan la ambii atomi N5, N10 sub forma unei punti, de atomi. Sursa principala a unitatilor de un atom de carbon este serina care genereaza N5, N10-metilen FH4. Sub aceasta forma gruparea metilen poate suferi in continuare reactii de oxidare sau de reducere in urma carora sunt generate oricare din cele 5 forme enumerate mai sus toate celelate forme ale unitatii de un atom de carbon [Leninger] si care alcatuiesc asa numitul fond comun de unitati de un atom de carbon. Gruparea N5, N10-metilen FH4 sufera o reactie de reducere la metil (N5- metil FH4 ) (fig ...SAM). Desi tetrahidrofolatul poate transporta gruparea metil potentialul de transfer al acestei grupari este insuficient pentru procesele de biosinteza [leninger]. De aceea tetrahidrofolatul cedeaza gruparea metil unui cofactor numit S-Adenozil-metionine (SAM sau adoMet) care este principalul donor de grupari CH3 in sintezele biologice (fig..SAM.). Acest transfer nu se face direct ci presupune interventia vitaminei B12.

Fig 28

Vitamina B12.

Vitamina B12 (cobalamina, ciancobalamina, factor antipernicios, factor extrinsec Castle) este un complex organo-metalic, similar nucleului porfirinic din hem, numit inel corinic la care este atasat prin legaturi coordinative ionul de cobalt. Vitamina B12 este adusa in organism prin alimentatie din carne, oua, peste, fructe de mare. In organism sufera o serie de modificari generand doua forme active si anume: metil cobalamina atunci cand ionul de cobalt formeaza o legatura cu radicalul metil si 5’- deoxiadenozil cobalamina atunci cand ionul de cobalt formeaza o legatura cu 5’- deoxiadenozina. Cele două forme active ale vitaminei B12 sunt implicate în două reactii ce se desfasoara in metabolizarea aminoacizilor: transferul gruparii CH3 la homocisteina cu formarea metioninei si rearanjarea gruparii CH3

din L-metilmalonil CoA cu formarea succinil–CoA.Gruparea metil din N5- metil FH4 este cedata vitaminei B12 care devine metil-B12 si care ulterior o cedeaza homocisteinei generand metionina. Aceasta activata la sulf adenozin metionina (SAM) este cel mai activ donor de grupari CH3 in sintezele biologice (fig 29).

S-Adenozil metionina (SAM)Un donor special doar al gruparii metil este sulf-adenozil metionina (SAM). SAM este un cosubstrat si nu o componenta vitaminica, implicat in metilarea unor precursori care se vor transforma in compusi cu functie biologica.SAM este sintetizat din metionina si ATP, dar formarea lui este conditionata de prezenta acidului folic si a vitaminei B12 (fig 29).

Fig 29Dintre precursorii care necesita participarea SAM pentru a fi sintezati sunt:

norepinefrina ------------> epinefrina guanidino acetatul -----------> creatinina nucleotide ------------> nucleotide metilate fosfatidil etanolamina ------------> fosfatidil colina (lecitina) N-acetil serotonina ------------> melatonina

Biopterina Biopterina este o coenzima sintetizata in organism.Bipterina care este sintetizata in organism sub forma de dihidrobiopterin (BH2) sub actiunea dihidrobiopterin sintetazei. Ulterior dihidrobiopterina sub actiunea dihidrobiopterin reducatazei care utilizeaza drept coenzima NADPH+H+ transformata in tetrahidrobiopterina (BH4), forma coenzimatica activa. BH4 participa la reactii de hidroxilare de regula la un inel aromatic. Reactia de hidroxilare necesita prezenta O2 (molecular). In urma reactiei unul dintre atomii de oxigen este introdus la nucleul aromatic sub forma OH, al doilea atom de oxigen este eliminat sub forna de apa [mark](fig 28).

Fig 28

Dintre cei 20 de aminoacizi vor fi prezentati cei a caror metabolizare poate declansa aparitia unor boli.

Metabolismul Glicinei si SerineiGlicina este degradata pe trei cai [Leninger]:

a. o cale de degradare comuna cu serina care conduce la piruvatb. o cale prin care sufera degradare totala la CO2 si NH3

c. si o cale particulara care conduce la acid oxalic.a. Reactia de conversie a glicinei la serina este reversibila si presupune interventia a doua coenzime

PLP si FH4. Reactia este catalizata de serin hidroximetilen transferaza. Caracterul reversibil al reactiei face ca serina sa devina principalul furnizor de grupari –CH2- in organism.

b. Reactia de degradare la CO2 si NH3 este catalizata de enzima de clivare a glicinei ”glycin cleavage enzyme” numita si glicin sintaza. Aceasta reactie este tot reversibila si implica participarea acelorasi coenzime PLP si FH4. Si in aceasta situatie caracterul reversibil al reactiei face posibila utilizarea unui atom de carbon sub forma de –CH2- in sintezele biologice. Enzima de enzima de clivare a glicinei este un complex mitocondrial asemanator cu PDH si contine urmatoarele vitamine PLP, acid lipoic, FH4 si NAD. Sub actiunea acestui complex Gly cedeaza grupara CH2 FH4-ului eliminanad CO2 si NH3. Avand in vedere faptul ca Ser si Thr, ambele, se degradeaza la Gly, la nivel hepatic si acesti doi aminoacizi sunt transformati prioritar in CO2 si NH3 devenind astfel furnizori principali de grupari CH2. Incapacitatea organismului de a degrada glicina, cauzata de un deficit al enzimei de clivare a gliceinei, duce la acumularea glicinei cu instalarea retardului mental sau chiar a decesului in copilarie.

c. Aceasta cale de degradare a glicinei predomina in rinichi unde este prezenta o enzima implicata in degradarea aminoacizilor endo si exogenei. Acumularea de acid oxalic sub forma de cristale duce la aparitia de pietre la rincihi cu posibilitatea instalarii insuficientei renale ireversibile. Literatura [Leninger] specifica faptul ca o utilizare constanta de produse in carne supraincalzite prin prajire duc la formarea la nivel renal a cristalelor de acid oxalic.

Fig 28

Metabolismul MetionineiMetionina este un aminoacid glucoformator deoarece este degradata la piruvat pe calea cisteinei si la succinil-CoA prin intermediul propionil-CoA. In cursul degradarii cisteinei atomul de sulf este convertit la sulfat (SO4

2-) care fie este eliminat in urina fie este transformat in 3, fosfoadenizin5’-fosfosulfat (PAPS) unicul donor de atomi de sulf in organism.In metabolizarea metioninei sunt implicate trei vitamine si anume vitamina B6, acidul folic si vitamina B12

(fig 29). Metionina necesita o mentionare particulara deoarece este implicata in procesele patologice vasculare.In metabolismul metioninei se intilnesc doua afectiuni majore:

A. hiperhomocisteinemiaB. cistinuria

A. Hiperhomocisteinemia reprezinta cresterea concentratiilor homocisteinei in sange peste valoarea normala de 15 mol/L. Acumularea homocisteinei cauzeaza alterarea functiei epiteliale promoveaza tromboza si creste riscul bolilor cardiovasculare. In momentul de fata hiperhomocisteinemia este considerata un factor de risc cardiovascular la fel de sever ca si hipercolesterolemia.

Fig 29

Hiperhomocisteinemia este cauzata de:a. defictul enzimelor implicate in metabolizarea ei

homocistein metil transferaza (HMT)cistationin beta sintetaza (CBS)

b. deficitul sau carenta vitaminelor implicate in calitate de coenzime in metabolizarea metionineiacidul folicvitamina B12

vitamina B6

Deficitul enzimatic al homocistein metil transferazei (HMT) cat si al cistationin beta sintetazei (CBS) diminueaza sau chiar blocheaza transformarea homocisteinei in metionina respectiv in cistationina. Prin urmare homocisteina se acumuleaza generand homocisteinemie.In cazul in care exista suplimenatr deficitului enzimatic exista si un deficit de acid folic si/sau vitamina B12 se instaleaza anemia megaloblastica caracterizata de acumularea in maduva a eritroblastilor mari (megaloblasti).In cazul particular al deficitului singular de vitamina B12 are loc blocarea tetrahidrofolatului (FH4) sub forma N5- metil FH4 fara posibilitatea regenerarii FH4. Aceast fenomen poarta numele de capcana folatului si are drept consecinta scaderea cantitatii de N5, N10-metilen FH4 necesar sintezei de timidil monofosfat (TMP), nucleotid ce intra in structura ADN. Scaderea cantitatii de TMP atrage dupa sine o diminuare a sintezei de ADN si implicit a diviziunii eritroblastilor in maduva. Prin urmare apare:- o scadere a numarului de eritrocite mature trimise in circulatie ceea ce determina instalarea anemiei- acumularea de megaloblasti in maduva

B. Cistinuria

Este o afectiune cauzata de un deficit al reabsorbtiei cisteinei (Cys) la nivelul tubilor renali. Ca urmare a lipsei de solubilitate a cisteinei pot apare depuneri de calculi (pietre) care pot afecta sever functia renala si determina instalarea insuficientei renale timpurii.

Metabolismul fenilalanineiFenilalanina este un aminoacid esential. Metabolizarea lui duce la formare de tirozina. Prin urmare tirozina poate fi sintetizata in organism atat timp cat enzima responsabile de metabolizarea fenilalaninei, numita fenilalanin hidroxilaza, nu este deficitara. Cand exista insa un deficit al acestei enzime, tirozina devine aminoacid esential si trebuie asigurata prin aport alimentar.Fenilalanina si tirozina urmeaza o cale comuna de degradare care genereaza glucoza, corpi cetonici dar si o serie de compusi cu functie biologica. In tesuturi diferite tirozina se metabolizeaza la compusi cu structurii si functii diferite astfel:

A. in medulosuprarenala se formeaza catecolaminele sau hormonii adrenergici: noradrenalina si adrenalina (fig 30 calea 3)

B. in melanocite se formeaza melanina pigmentul din piele responsabil de culoarea pielii si parului si care are rol in proteictia impotriva razelor solare (fig 30 calea 4)

C. in glanda tiroida se formeaza hormonii tiroidieni T3 sau triiodotironina si T4 sau tetraiodotironina sau tiroxina. (fig 30 calea 5)

Fig 30In calea de matabolizare a fenilalaninei respectiv tirozinei pot exista o serie de defecte enzimatice ce duc la aparitia unor boli.:

1. Fenil cetonuria2. Alcaptonuria3. Boala Parkinson4. Albinismul

1. In cazul unui deficit de fenilalanin hidroxilaza sau de tetrahidrobiopterina (BH4) reactia de metabolizare la tirozina este blocata (fig 30 calea 1)si fenilalanina se acumuleaza in sange si tesuturi si

urina. In urma unei reactii de transaminare fenilalanina este convertita la fenil piruvat (fig 30) compus deosebit de toxic la nivelul sistemului nervos central si care produce asa-numita idiotie fenilpiruvica sau oligofrenia. Acidul fenil piruvic format in cantitati mari se elimina prin urina motiv pentru care aceasta afectiune poarta denumirea si de fenilcetonurie.Aceasta afectiune este intilnita cu o incidenta crescuta (1:10 000 cazuri) si este caracterizata in principal de retardul mental: incapacitate motorie, de vorbire microencefalie, dezvoltare anormala si intirziata. Simptomele atunci cand nu au fost diagnosticate in timpul sarcinii se manifesta in jurul varstei de un an. Diagnosticul precoce al acestei boli este important deoarece boala este tratabila prin regim alimentar instituit cat mai devreme (in primele 7-8 zile dupa nastere). In momentul de fata exista posibilitate diagnosticului prenatal de deficitului enzimatic de fenilalanin hidroxilaza prin determinari genetice ale mutatiilor suferite de gena responsabila de sinteza acestei enzime [Pamela].2. In cazul unui deficit de homogentizat oxidaza (fig 30 calea 2)metabolizarea la fumarat si acetoacetat este blocata si acidul homogentizic se acumuleaza in sange, in tesutul conjunctiv, in oase. Din sange excesul de alcapton este eliminat in urina care se inchide la culoare ca urmare a oxidarii acidului homogentizic in contact cu aerul. Acest fenomen permite depistarea bolii inca din copilarie deoarece aceasta este asimptomatica pana in jurul varstei de 30-40 ani cand se instaleaza artrita. La nivelulul tesutului conjunctiv acidul homogentizic sufera un proces de oxidare ce duce la formarea unui pigment care imprima o coloratie inchisa acestora. 3. Boala Parkinson este cauzata de un deficit dobandit de Dopa-decarboxilaza, care duce la diminuarea sintezei de dompamina. Boala se manifesta prin asa-numitele “tremuraturi paralizante”.

4.In cazul unui deficit genetic de tirozinaza (fig 30 calea 4) este diminuata sau blocata sinteza de melanina fapt care duce la aparitia albinismului. Melanina este un compus cu structura polimerica derivat din dopachinona, sintetizat in melanocite (celule din piele) cu rol de protectie impotriva radiatiilor solare. Prin urmare in albinism, ca urmare a lipsei totale sau partiale de melanina parul si pielea sunt decolorate; pielea este sensibila la radiatiile solare si predispusa spre arsuri si cancere.

Metabolismul triptofanuluiTriptofanul este un aminoacid esential. In urma metabolizarii scheletului de carbon, triptofanul genereaza intermediari ce conduc in mod indirect la sinteza de glucoza sau corpi cetonici prin urmare el este un aminoacid gluco-cetoformator. Degradarea triptofanului se desfasoara intr-o succesiune de reactii din care se ramifica numeroase alte cai de metabolizare ce duc la sinteza unor molecule importante pentru organism cum sunt acidul nicotinic si serotonina. Leninger

Aminoacizi ce se degradeaza la acetil-CoADin cei 20 aminoacizi 7 sunt degradati la acetoacetil-CoA au acetoacetil-CoA (care ulterior se metabolizeaza la acetil-CoA) servind ca precursori cetogeni. Acestia sunt Trp, Lys, Phe, Tyr, Leu, Ile, Thr. Trei din acesti aminoacizi Trp, Tyr, Phe necesita o mentionare particulara deoarece in calea degradarii lor pot aparea fie o serie de compusi importanti pentru metabolismul general (hormoni, neurotransmitatori) fie pot aparea boli atunci cand exista deficite genetice ale functionarii enzimelor din caile respective.

Aminoacizi ce se degradeaza la -CetoglutaratDin cei 20 aminoacizi 5 sunt degradati la -cetoglutarat servind ca precursori glucoformatori si anume: Pro, Glu, Gln, Arg, Hys. Doi din acesti aminoacizi Glu si Arg necesita o mentionare particulara deoarece genereaza neutrotensmitatori (GABA din glutamat) sau sunt implicati in procese patologice vasculare(Arg generator al NO factorul relaxarii epiteliului vascular).

Aminoacizi cu catena ramificata. Din aceasta categorie fac parte Val, Leu, Ile. Acesti aminoacizi nu sunt degradati la nivel hepatic ci in pincipal in muschi, creier, rinichi, tesut adipos unde constituie o importanta sursa de energie. Degradarea lor normala poate fi perturbata de diferite deficiente enzimatice ce duc la acumularea acestora si aparitia unei boli numita “boala urinii cu miros de sirop de artar”. Aceasta boala desi este rar intalnita se caracterizeaza prin retard mental sau chiar deces in copilarie. Controlarea stricta a dietei cu indepartarea aminacizilor ramificati din alimentatie duce la ameliorarea simptomelor.

Aminoacizi ce se degradaeaza la piruvatDin cei 20 aminoacizi 6 sunt degradati la piruvat care ulterior poate fi convertit fie la acetoacetil-CoA (intermediar cetoformator) sau acid oxal acetic (intermediar glucoformator) servind ca precursori cetogeni respectiv glucogeni. Acestia sunt Ala, Trp, Cys, Ser, Gly, si Thr. Triptofanul se degrazeaza generand alanina (intr-o succseiune de 4 reactii) care ulterior printr-o reactie de transaminare genereaza piruvat. Cysteina este degradata la piruvat cu, degradare in timpul careia atomul de S este transformat in sulfat (SO3

2-) care fie este excretat fie fie este convertit la PAPS principalul donor de S in organism (fig ...). Calea majora de degradare a treoninei in organismul uman o reprezinta transformare la succinil-CoA dar aceasta poate fi degradat prin intermediul glicenei si serinei la piruvat. Degradarea serinei si a glicinei la priruvat are ca scop in organism in principal furnizarea de grupari CH2 (fig ) necesare diferitelor sinteze biologice (fig 27) care va fi prezenatata in cele ce urmeaza.

Aminoacizi ce se degradaeaza la succinil-CoA.Din cei 20 aminoacizi, 4 sunt degradati la succinil-CoA servind ca precursori glucoformatori si anume: Met, Ile, Thr, Val. Metionina necesita o mentionare particulara deoarece este implicata in procesele patologice vasculare.