METABOLISM PROTEIC

Proteinele sunt componente fundamentale ale celulelor animale, ce îndeplinesc funcţii

biologice variate în funcţie de complexitatea proceselor ce se desfăşoară în fiecare ţesut.

În condiţii normale, ele nu au rol energetic dar, în inaniţie, aminoacizii sunt degradaţi

fie direct, fie după transformare în glucoză, pentru obţinerea energiei necesară supravieţuirii.

Proteinele sintetizate în organism conţin cei 22 aminoacizi proteinogeni, 8 dintre ei,

aminoacizii esenţiali, nefiind sintetizaţi în organism ci preluaţi din proteinele animale şi

vegetale exogene:valina, leucina, izoleucina, triptofan, metionina, lisina, fenilalanina,

treonina. Aminoacizi semiesenţiali sunt: histidina şi arginina.

Fondul metabolic comun al aminoacizilor reprezintă totalitatea aminoacizilor liberi

existenţi în fluidele organismului, proveniţi din:

hidroliza proteinelor alimentare;

hidroliza proteinelor tisulare;

sinteza de novo din compuşi neproteici.

Dinamica fondului comun al aminoacizilor constă în echilibrul care există între

procesele prin care se formează şi cele prin care se consumă astfel încât să nu existe

aminoacizi liberi intracelular.

Aminoacizii pot să treacă de mai multe ori prin fondul metabolic până la degradarea

ireversibilă şi eliminarea din circuitul metabolic.

Proteinele din organism se degradează continuu pentru a fi resintetizate într-o altă

secvenţă. Viteza de reînnoire a unei proteine este evaluată prin timpul de înjumătăţire (turn

over) care poate fi diferit pentru proteinele din celule. De exemplu, proteinele hepatice, cu

activitate metabolică intensă, au timp de înjumătăţire mai mic comparativ cu proteinele din

piele, os, muşchi care au timp de înjumătăţire mai mare.

131

Fond metabolic comun al aminoacizilor

Fond metabolic comun al aminoacizilor

Proteine alimentareProteine

structuraleProteine funcţionale

Compuşi neazotaţi

Compuşi azotaţi neproteici

Excreţie CatabolismCO2 + NH3 + H2O + Q

În funcţie de cantitatea de azot introdusă ca proteine şi cea eliminată sub formă de compuşi

azotaţi se evaluează bilanţul azotat.

Balanţa este echilibrată dacă N ingerat = N excretat, de ex. la un subiect matur, sănătos;

Balanţa este pozitivă când N ingerat > N excretat, de ex. pentru organisme în creştere,

convalescenţă, sarcină;

Balanţa este negativă dacă N ingerat < N excretat. Ex: stări febrile, inaniţie, boli

infecţioase.

Bilanţul azotat este important pentru a stabili necesarul de proteine al organismului.

Digestia proteinelor şi absorbţia aminoacizilor

Proteinele alimentare sunt hidrolizate până la α-aminoacizi, sub acţiunea enzimelor

hidrolitice din sucurile digestive.

Majoritatea enzimelor digestive, cu excepţia celor intestinale, sunt sintetizate sub formă

de proenzime (zimogeni) inactive. Activarea se face în prezenţa H+ sau sub acţiunea unor

peptidaze ce au rolul de a detaşa secvenţe oligopeptidice realizând expunerea centrilor activi.

Sucurile digestive conţin mai multe enzime ce acţionează diferit asupra proteinelor

alimentare şi a produşilor rezultaţi din acestea.

Pătrunderea alimentelor în stomac determină eliberarea gastrinei care stimulează

secreţia de HCl şi pepsină.

Pătrunderea conţinutului gastric în intestin determină eliberarea secretinei ce stimulează

eliberarea HCO3¯ din pancreas. Aminoacizii determină eliberarea colecistokininei ce

stimulează secreţia enzimelor pancreatice cu acţiune specifică asupra proteinelor (Tabel 8.1).

Proteinele sunt hidrolizate treptat la aminoacizii componenţi care sunt absorbiţi şi aduşi

prin vena portă la ficat care-i reţine pentru nevoile proprii dar îi şi distribuie altor ţesuturi.

Absorbţia aminoacizilor este mediată de proteine specializate, numite translocaze.

132

N ingeratBilanţ azotat = N excretat

Enzime proteolitice

Endopeptidaze

Exopeptidaze

pepsinatripsinachimotripsinaelastaza

-carboxipeptidaze- aminopeptidaze

Tabel 8.1. Enzimele proteolitice şi acţiunea lor

Digestia Proenzima

(zimogen)

Enzima

Stomac

Suc gastric

pH=1,5-2,5

Gastrina

Intestin

Suc pancreatic

pH=7.8 – 8

Secretina,

colecistokinina

Suc intestinal

pH=6.2-7.3

Pepsinogen

Pepsinogen

Prolabferment

Tripsinogen

Chimotripsinogen

Proelastaza

Procarboxipeptidaza

Proaminopeptidaza

Pepsina - endopeptidază ce

scindează legături peptidice la care

participă aminoacizi aromatici.

Gastricsina – endopeptidază la

sugari.

Chimozina – în sucul gastric al

sugarului, realizează coagularea

laptelui.

Tripsina – endopeptidază ce

scindează legături peptidice la care

participă aminoacizi bazici

lisina/arginina.

Chimotripsina - endopeptidază

care scindează legături la care

participă aminoacizi aromatici.

Elastaza - endopeptidază care

scindează legături la care participă

aminoacizi cu caracter hidrofob.

Carboxipeptidaza – exopeptidază

care scindează legături peptidice

începând din capătul C-terminal

Aminopeptidaze - exopeptidaze

care scindează aminoacizii de la

capătul N-terminal

Dipeptidaze - peptidaze care rup

ultima legătură peptidică.

Există cinci sisteme de transport dependente de caracteristicile structurale ale

aminoacizilor:

1. transportor pentru aminoacizii neutri cu moleculă mică;

2. transportor pentru aminoacizii neutri cu moleculă mare;

3. transportor pentru aminoacizii bazici;

4. transportor pentru aminoacizii acizi;

133

5. transportor pentru prolină şi hidroxiprolină.

Absorbţia este selectivă, unii aminoacizi (leucină, izoleucină, metionină, triptofan) fiind

mai uşor absorbiţi, se face cu consum de energie (ATP). Aminoacizii absorbiţi constituie

fondul metabolic care-i dirijează spre biosinteza proteică sau spre degradare.

8.2. Metabolismul general al aminoacizilor

Include procesele prin care aminoacizii se degradează cu formare de intermediari ai

metabolismului glucidic şi lipidic, precum şi procesele de sinteză a aminoacizilor şi

proteinelor. Toţi aminoacizii participă la următoarele procese:

a) decarboxilarea;

b) transaminarea;

c) dezaminarea oxidativă;

d) biosinteza proteinelor.

Primele trei procese reprezintă modalităţi de catabolism al aminoacizilor.

Decarboxilarea

Reacţiile de decarboxilare sunt reacţii ireversibile prin care aminoacizii sunt

transformaţi în amine sub acţiunea unor decarboxilaze ce acţionează dependent de vitamina

B6 (sub formă de piridoxal fosfat, PALPO).

Aminele rezultate îndeplini anumite funcţii biologice sau pot fi toxice.

Amine biogene cu funcţii biologice

Histidina formează histamină, implicată în reacţiile de tip alergic, este vasodilatator.

Eliberarea histaminei din mastocite cauzează simptomele diferitelor alergii. Histamina se

leagă de receptori specifici (H1 sau H2) şi determină dilatarea vaselor de sânge, creşte

permeabilitatea capilarelor permiţând anticorpilor să treacă din capilar în ţesutul

înconjurător, determină constricţia bronhiolelor, stimulează secreţia acidă în stomac.

Medicamentele antihistaminice au proprietatea de a se lega de receptorii histaminici fără

să genereze acelaşi efect ca histamina. Se folosesc în tratamentul alergiilor, al hiperacidităţii

gastrice.

Acidul glutamic se transformă prin decarboxilare în acid γ-aminobutiric.

134

HOOC CH2 CH2 CH COOH

NH2

HOOC CH2 CH2 CH2 NH2

CO2

Glutamic decarboxilaza

PALPO

Acid glutamicAcid γ aminobutiric (GABA)

GABA este un neurotransmiţător inhibitor, fiind agent de blocare a transmiterii

impulsului nervos de la neuronul postsinaptic. Receptorii pentru GABA funcţionează ca şi

canale ionice (pentru Cl¯ sau HCO3¯ ). O producţie scăzută de GABA este asociată crizei

epileptice. Acţionează numai în creier.

Efectul etanolului asupra creierului presupune şi deschiderea canalelor pentru Cl -

dependente de GABA, ceea ce duce la o hiperpolarizare a membranei postsinaptice, făcând

neuronul rezistent la neurotransmiţătorii excitatori.

Analogi ai GABA se utilizează pentru tratamentul epilepsiei.

Aminele toxice se obţin sub acţiunea microorganismelor din flora intestinală:

Aminele toxice se formează normal în cantitate redusă şi au următoarele roluri:

intervin în procesele de putrefacţie;

în cantităţi mici sunt neurotransmiţători;

spermina participă la împachetarea ADN.

Procese de decarboxilare se desfăşoară şi în biosinteza catecolaminelor:

În creier, catecolaminele se sintetizează în neuronii simpatici şi funcţionează ca

neurotransmiţători. Rezervorul de catecolamine din creier e independent de cel din

medulosuprarenală, datorită barierei hematoencefalice, ce permite numai speciilor foarte

hidrofobe să o treacă. Noradrenalina este neurotransmiţător în joncţiunile dintre nervii

simpatici şi muşchiul neted.

Sinteza dopaminei este modificată în anumite boli neurologice:

135

producerea excesivă sau hipersensibilitatea receptorilor dopaminici sunt responsabile

pentru simptomele psihotice şi schizofrenie;

scăderea sintezei de dopamină sau a numărului de receptori pentru aceasta determină

boala Parkinson.

Şi în biosinteza serotoninei şi melatoninei apar reacţii de decarboxilare:

Serotonina (5-hidroxitriptamina) se găseşte în SNC, splină. La nivel periferic acţionează

asupra musculaturii din vasele sanguine, aparat respirator, tract digestiv, la nivelul SNC este

neuromodulator cu rol în reglarea ritmului somn/stare de veghe.

Excesul de serotonină determină intensificarea activităţii cerebrale, iar deficitul duce la

depresie.

Aminele biogene sunt şi componente structurale ale unor compuşi activi biologic.

Aminoalcoolii din glicerofosfolipide şi sfingolipide (colamina, colina) rezultă prin

decarboxilarea serinei.

Acetilcolina formată prin esterificarea colinei este un important neurotransmiţător.

Este conţinută în cantitate mare în veziculele sinaptice din sinapsele colinergice. Ca rezultat al

unui potenţial de acţiune primit de membrane, se deschid canalele de calciu şi ionii de Ca 2+

intră în umflăturile sinaptice determinând ataşarea şi fuzionarea veziculelor cu membrana.

Acetilcolina se eliberează în despicăturile sinaptice, se leagă la receptorii pentru acetilcolină

din membrana postsinaptică şi determină apariţia unui nou potenţial.

Sunt două tipuri de receptori:

muscarinici – răspund la muscarină (substanţă toxică din Amanita muscaria);

nicotinici – răspund la nicotină.

După fiecare transmisie sinaptică, acetilcolina se degradează rapid sub acţiunea

acetilcolinesterazei pentru a elibera receptorii pentru un nou potenţial.

Acetilcolinesteraza este inhibată de anumite insecticide (paration) sau gaze toxice de

luptă (sarin, tabun) care blochează impulsul nervos, opresc respiraţia şi cauzează moartea prin

sufocare.

Unii inhibitori moderaţi ai acetilcolinestrazei sunt utili terapeutic. Fizostigmina din

136

fasole şi neostigmina (sintetică) au fost folosite pentru tratarea miasteniei gravis (boală

autoimună în care organismul produce anticorpi împotriva receptorilor pentru acetilcolină şi

blochează răspunsul la aceasta).

Reacţii de decarboxilare intervin şi în sinteza taurinei, β-alaninei.

Taurina funcţionează ca slab neurotransmiţător, dar intră şi în acizii biliari conjugaţi.

Alţi compuşi rezultaţi prin decarboxilare sunt componente structurale ale unor

dipeptide, vitamine, coenzime.

Dezaminarea oxidativă

Reacţii de dezaminare pot cataliza diferite enzime care transformă aminoacizii după

reacţia generală:

L-aminoacid oxidaza din reticulul endoplasmatic nu acţionează asupra aminoacizilor

monoaminodicarboxilici şi diaminomonocarboxilici.

Cea mai importantă dezamină este L- glutamatdehidrogenaza/NADP+. Este localizată

în ficat, rinichi, creier, intestin.

137

HOOC CH2 CH COOH

NH2

CO2

CH3 CH COOH

NH2

CO2

HOOC CH2 CH2 NH2

asparticdecarboxilaza

I.Proteine

CarnozinaAnserinaCoA~SHPTA

II.Acid aspartic

α-alanina

β-alanina

Acidul α-cetoglutaric este intermediar al ciclului Krebs. Este singura reacţie prin care

organismul sintetizează α-aminoacizi prin încorporarea azotului anorganic din amoniac.

Transaminarea

Este procesul de transfer al grupării amino de la un aminoacid pe un cetoacid.La

această reacţie participă toţi aminoacizii, excepţie treonina şi lisina.

α-cetoacizii care participă la reacţia de transaminare sunt: acidul piruvic, acidul

oxalilacetic, acidul α-cetoglutaric. Acidul oxalilacetic şi acidul α-cetoglutaric sunt

intermediari ai ciclului Krebs.

Reacţiile catalizate de transaminazele ALT şi AST au fost prezentate anterior.

Determinarea activităţii celor două enzime prezintă valoare diagnostică în afecţiuni

hepatice, infarct miocardic, afecţiuni musculare, informaţiile referitoare la gravitatea bolii

fiind diferite datorită localizării diferenţiate a acestora (ALT – numai în citoplasmă, AST –

localizare mixtă şi, deci, modificare semnificativă în condiţiile unor afecţiuni ce se

cronicizează.

8.3. Metabolismul amoniacului

Amoniacul rezultă în organism din:

dezaminarea aminoacizilor;

dezaminarea bazelor purinice şi pirimidinice;

hidroliza ureei în intestin.

Degradarea amoniacului începe prin trei reacţii majore care se desfăşoară în toate

celulele:

reacţia de formare a carbamoilfosfatului, catalizată de carbamoilfosfat sintetază;

reacţia de gormare a glutamatului, sub acţiunea glutamat dehidrogenazei;

formarea glutaminei sub acţiunea glutamin sintetazei

Reacţia catalizată de carbamoilfosfat sintetază este prima reacţie din ciclul

ureogenetic, degradarea amoniacului în acest continuând cu formarea ureei.

Glutamina este preluată de fluxul sanguin şi dusă la rinichi şi ficat unde este scindată

în componentele iniţiale sub acţiunea glutaminazei.

138

În rinichi, amoniacul difuzează prin membrana celulelor tubulare şi se transformă în

NH4+ care se elimină în urină. În ficat, glutamina contribuie la procese de biosinteză

(biosinteza purinelor, pirimidinelor, a unor aminoacizi) sau eliberează amoniac pentru ciclul

ureogenetic

8.4. Ciclul ureogenetic (ciclul Krebs - Henseleit)

Enzimele ce catalizează reacţiile din ciclul Krebs sunt localizate atât în citosol cât şi în

mitocondriile hepatocitelor. Ureogeneza decurge în mai multe etape:

1. Sinteza carbamoil fosfatului sub acţiunea carbamoil fosfat sintetazei. Reacţia se

desfăşoară în mitocondrie. Enzima este activată de ionii Mg2+

2. Sinteza citrulinei în prezenţa ornitintranscarbamoilaza sau ornitin carbamoil

transferazei (OCT), tot enzimă mitocondrială.

3. Sinteza acidului argininsuccinic. Reacţia se desfăşoară în citosol, sub acţiunea :

argininsuccinat sintetazei.

139

4. Sinteza argininei, în citosol, sub acţiunea argininsuccinat liazei.

5. Hidroliza argininei în prezenţa arginazei, reacţie ce conduce la formarea ureei şi

reface ornitina care intră în mitocondrie şi poate relua ciclul ureogenetic.

8.5. Metabolismul creatinei

Creatina se sintetizează prin transferul grupei guanido a argininei pe glicină urmată de

metilarea compusului rezultat. Creatina este compusul care poate depozita energia necesară

140

contracţiei musculare sub forma fosfocreatinei (creatinfosfat). Enzimele ce catalizează

reacţiile sunt localizate predominant în rinichi, ficat, muşchi.

Procesul se desfăşoară în mai multe etape.

1. Sinteza acidului guanidoacetic catalizată de argininglicintransamidinaza

2. Metilarea acidului guanidoacetic catalizată de guanidin acetat N-metil transferaza,

reacţie ce se desfăşoară în ficat şi în care se formează creatina (acidul N-metil guanidoacetic)

3. Fosforilarea creatinei în prezenţa creatinkinazei (creatinfosfokinaza), enzimă ce

acţionează mai ales în muşchi

Fosfocreatina poate regenera ATP-ul necesar contracţiei musculare prin parcurgerea

reacţiei de mai sus în sens invers.

O mică fracţiune din fosfocreatină, constantă pentru aceeaşi masă musculară, pierde

grupa fosfat şi formează creatina liberă. Creatina, fiind deosebit de instabilă la pH bazic sau

acid, se transformă în anhidrida sa, creatinina, care trece în sânge şi apoi este eliminată pe cale

renală. Eliminarea creatininei se face prin filtrare glomerulară şi, din acest motiv, este folosită

pentru măsurarea vitezei de filtrare glomerulară prin determinarea clearance-ului de

creatinină.

8.6. Biosinteza proteinelor

141

Biosinteza proteinelor este realizată prin traducere (translaţie) care converteşte limbajul

informaţiei genetice înmagazinate în secvenţa de baze dintr-un ARNm într-o secvenţă de

aminoacizi a unui lanţ polipeptidic. Fiecărui aminoacid îi corespunde un cuvânt cod format

dintr-o anumită succesiune de nucleotide. Totalitatea cuvintelor cod formează codul genetic.

Codul genetic reprezintă relaţia dintre secvenţa de nucleotide din acizii nucleici şi

secvenţa de aminoacizi din lanţul polipeptidic.

Caracteristicile codului genetic:

a) codul genetic este universal pentru toate organismele fiind alcătuit din n3 = 64 codoni,

formaţi din câte trei nucleotide;

b) codul genetic este fără semne de punctuaţie, citirea se face neîntrerupt de la codonul

de iniţiere (AUG ce codifică metionina) până la unul din cei trei codoni stop (UAA,UAG,

UGA) care nu codifică nici un aminoacid;

c) codul genetic este degenerat – un anumit aminoacid este codificat de mai mulţi

codoni. Există trei codoni non-sens – care nu codifică nici un aminoacid;

Codonii care codifică acelaşi aminoacid diferă între ei prin baza celui de-al III-lea

nucleotid. Exemplu: UCU = serina; UCG = serina, UCA = serina.

Locul biosintezei proteinelor sunt ribozomii.

Ribozomii sunt particule ribonucleoproteice ce se găsesc în citoplasma tuturor

celulelor, precum şi în matricea mitocondrială şi stroma cloroplastelor.

Sunt sisteme care se deplasează de-a lungul ARNm matriţă coordonând interacţia între

codonii succesivi şi anticodonii corespunzători din aa-ARNt.

Ribozomii eucariotelor au două situsuri principale: situsul aminoacil (A) pe care se

leagă aminoacil-ARNt şi situsul peptidil (P) pe care se leagă peptidul (Figura 8.1).

Figura 8.1. Ribozomul funcţional

142

La procariote mai există şi situsul de ieşire (I) pe care se leagă ARNt înainte de a ieşi

din ribozom.

Ribozomii conţin enzimele care catalizează formarea legăturilor peptidice între

aminoacizii aliniaţi pe baza recunoaşterii codon-anticodon.

Biosinteza proteinelor din toate celulele se desfăşoară în trei etape :

a) iniţiere

b) propagare (elongare);

c) terminarea sintezei

Donorul de energie pentru fiecare etapă este GTP. La fiecare etapă participă factori

proteici specifici.

Iniţierea presupune legarea ARNm la subunitatea mică a ribozomului urmată de

ataşarea unui aa-ARNt iniţiator particular care recunoaşte primul codon. La situsul P

recunoaşterea se face pe baza complementarităţii codon (din ARNm)-anticodon din ARNt.

Aminoacidul iniţiator este N-formil metionina la procariote şi metionina la eucariote.

După legarea aa-ARNt, se leagă şi subunitatea mare pregătind complexul pentru

elongare. Complexul format se numeşte ribozom funcţional (Figura 8.1).

Elongarea include sinteza tuturor legăturilor peptidice de la prima până la ultima.

Ribozomul se deplasează de-a lungul ARNm şi transformă mesajul în secvenţa de aminoacizi.

La cele două situsuri sunt legate tot timpul doar două molecule de ARNt. După ce se

formează legătura peptidică între aminoacidul de pe situsul P şi cel de pe situsul A, peptida

formată rămâne pe situsul A. Când ribozomul se deplasează spre capătul 3` al ARNm, peptida

trece pe situsul P odată cu eliberarea situsului A şi îndepărtarea ARNt. La situsul A se va lega

un nou aa~ARNt şi se va relua reacţia.

Întreruperea se realizează atunci când ribozomul ajunge la un codon „stop” din

ARNm. Se eliberează lanţul polipeptidic şi ribozomul funcţional disociază.

Reglarea biosintezei proteinelor. Procesul de biosinteză a proteinelor este reglat prin

controlul procesului de translaţie. Reglarea implică procese de fosforilare şi defosforilare a

componentelor ce intervin în translaţie şi deci de activare sau inactivare a acestora.

Reglarea se face mai ales în faza de iniţiere.

Inhibarea biosintezei proteice. Inhibitorii sintezei proteinelor s-au folosit în două

direcţii principale: i) pentru elucidarea mecanismului biosintezei şi ii) utilizarea ca

antibiotice, deoarece unii dintre ei afectează numai sinteza proteinelor la procariote şi nu la

eucariote. În tabelul 8.1. sunt prezentate câteva dintre efectele unor inhibitori ai biosintezei.

Pe măsură ce se sintetizează, proteinele se pliază pentru a adopta structura

tridimensională specifică (protein folding).

143

Pentru pliere, proteinele sunt asistate de nişte proteine ajutătoare cunoscute sub

denumirea de chaperoni moleculari. Proteinele pliate necorespunzător sunt catabolizate

intracelular cu participarea componentelor sistemului ubiquitină – proteasom.

În afară de pliere, proteinele pot suferi şi alte modificări covalente ulterior sintezei

cunoscute sub denumirea de prelucrări posttraducere.

Exemple de prelucrări posttraducere:

prelucrarea proteinelor sintetizate ca proenzime (zimogeni) inactive şi care se

activează ulterior prin proteoliză;

iodurarea resturilor de tirozină din tireoglobulină;

hidroxilarea prolinei şi lisinei pentru sinteza colagenului;

fosforilarea unor proteine;

glicozilarea glicoproteinelor.

Tabel 8.1 Efectele unor inhibitori ai biosintezei proteinelor

Inhibitor Sistem inhibat Mod de acţiune

Iniţiere:

Streptomicina

Elongarea:

Streptomicina

Tetraciclina

Cloramfenicol

Eritromicină

Cicloheximida

Acid fusidic

Toxina difterică

Terminare prematură

Puromicina

Procariote

Procariote

Procariote

Procariote

Eucariote

Procariote

Eucariote

Eucariote

Eucariote

Inhibă legarea formil

metionin~ ARNt

Citire incorectă a codonilor

Inhibă legarea aa~ARNt la

situsul A

Inhibă activitatea peptidil

transferazei.

Inhibă transferul

peptidil~ARNt

Inhibă diferiţi factori

implicaţi în translocare.

Este un analog de structură

al aa~ARNt şi acţionează ca

144

Procariote acceptor al restului peptidil

ceea ce induce terminarea

prematură a elongării

145