PROTEINE ed AMMINOACIDI:RUOLO METABOLICO E

NUTRIZIONALE (b)

Università di Roma Tor Vergata - Scienze della Nutrizione UmanaBiochimica della Nutrizione

Prof.ssa Luciana Avigliano2011

PROTEINE

Aminoacidi e proteine sono in rapporto dinamico

AmminoacidiN C

Proteinedella dieta

Derivatinon proteici

NH3

urea

intermedi delCiclo di Krebs

glucosio,glicogeno

acidi grassitrigliceridi

CO2 + energia

digestione

proteine corporee

sint

esi

degr

adaz

ione

Quota dei derivati non proteiciminoritaria e non si calcolanel bilancio azotato;ma quota significativa incondizioni di privazione diproteine

a + b = c + d costante mantenimento nell’adulto

a + d > b + c bilancio positivoaccrescimento; masse muscolari; gestazione

b + c > a + d bilancio negativoinsufficiente apporto energia e/o proteine; malattia

flusso in entrata = dieta + degradazione proteica (a + b) rimozione a.a. = sintesi proteica + ossidazione (c + d)

PROTEINE ALIMENTARI POOL AA PROTEINE CORPOREE

c

a bd

POOL DI DERIVATI

bilancio di azoto o bilancio proteico: dipende dalla sommadelle velocità di entrata ed uscita dal pool di amminoacidi liberi

:

I sistemi enzimatici deputati al metabolismo di proteine edamminoacidi sono regolati da meccanismi adattativi

In media le proteine contengono il 16% di azoto

Relativamente facile misurare l’azoto, per cui i cambiamentinella quantità proteica corporea vengono misurati come

differenza fra azoto introdotto ed azoto escreto

azoto x 6,25 (cioè 100/16) = proteina

UOMO ADULTO : proteine corporee circa 12 Kg

40% nel muscolo di cui 65% miosina ed actinaper locomozione e lavoro muscolare, ma anche come fonte di amminoacidiin condizioni di stress.Ma proteine muscolari non sono forma di riserva come glicogeno e lipidi eduna loro perdita porta a perdità di proteine funzionali.

10% tessuti viscerali (fegato, intestino)non mobilizzate rapidamente in condizioni di stress per le loro funzioni vitali

30% nelle pelle e nel sanguelesioni delle pelle ed anemia sono presenti in deficit di proteine alimentari

4 proteine: miosina, actina, collagene (strutturali), emoglobina(trasporto O2) costituiscono circa la metà di tutte le proteine

CONTINUO RICAMBIO PROTEICOServe energia sia per la sintesi che per la degradazione:

15-20 % del bilancio energetico

La continua demolizione e sintesi è fondamentale per

degradare e rimpiazzare proteine danneggiate

modificare la quantità relativa di differenti proteine in base allenecessità nutrizionali e fisiologiche

rapido adattamento metabolico

La regolazione del turnover proteico è influenzata da:

stato nutrizionale (energetico e proteico)

da alcuni ormoni (insulina, glucocorticoidi, ormoni tiroidei,ormone della crescita, citochine)

ORGANISMO

Ricambio giornaliero 1-2% proteine totali

Amminoacidi 70-80% riutilizzati20-30% metabolizzati

Proteine dalla dieta 70 grammi/giornoProteine metabolizzate 250 grammi/giorno

% ricambiomuscolo 30-50%fegato 25%leucocitiemoglobina

diversa emivitapochi minuti: proteine regolatorie300 giorni: collageno

SISTEMI DI PROTEOLISIATP-indipendente LISOSOMIALE contribuisce per il 15%Enzimi: catepsine, attive a pH 5, non selettive

-proteine extracellulari (via endocitosi)- proteine di membrana autofagia - indotta nel digiuno- proteine intracellulari a lunga vita o in carenza di a.a.-organelli danneggiati (es mitocondri) (per bassi livelli di insulina)

ATP-dipendente CITOSOLICO- sistema ubiquitina proteasoma selettivo- proteine a vita breve- proteine regolatorie- proteine difettose (neo -sintetizzate - errori nella sintesi o ripiegamento

sbagliato; invecchiate)

Ca-dipendente CITOSOLICOsistema calpaina (enzima)- calpastatina (inibitore)idrolisi parziale di miofibrille - via regolatoria più che digestivacoinvolto in processi cellulari quali proliferazione, motilità, ….

L’ubiquitina come suggerisce il nome è unaproteina presente in tutti gli eucarioti

L’ubiquitina si lega alla proteina da degradarein una via ATP dipendente che utilizza 3 enzimiE1 + ATP E1-UbiquitinaE2 proteina di trasporto dell’ubiquitinaE3 lega l’ubiquitina attivata alla proteina da

degradare

Come si riconosce la proteina da eliminare?Varie ipotesi- sequenze PEST

prolina (P)-glutammato (E)-serina (S)-treonina (T)

- amminoacido N-terminale destabilizzane qualMet, Tyr, Trp, Leu Glu, Gli, Glu

- proteina danneggiate per ossidazione(ROS, Fe+2)

Premio Nobel 2004

oligopeptidi di 3-25 a.a.scissi da protesi citosoliche

La proteina marcata va al proteasoma

grossa struttura polimerica

Proteine degradate inmodo progressivo dallesubunità catalitiche β

Attività tipo chimotripsinaa.a. idrofobici

Attività tipo tripsinaa.a. basici

Attività per a.a. acidi

Proteine regolatorie per ilriconoscimento e selezione diprotine ubiquitilinate

subunità7 α

7 β

7 β

7 α

L’attività del proteasoma è sotto controllo ormonale

INSULINA inibisce il proteasoma

GLUCOCORTICOIDI attivano il proteasomaazione coordinata per la mobilizzazione di amminoacidimuscolari e per la gluconeogenesi epatica

ORMONI TIROIDEI attivano il proteasoma

CITOCHINE attivano il proteasomasepsi, febbre, ustioni, cancro,…Aumento delle proteine della fase acuta ed aumento delcatabolismo proteico delle miofibrille mediato da unaumento delle citochine TNF-α, IL-1, IL-6

Degradazione delle proteine via proteasoma

Aumenta digiuno a breve termine diabete ipertiroidismo Iperfunzione ghiandole surrenali immobilizzazione (nel muscolo attivo aumenta la sintesi di proteine

e cala la degradazione) malattie neuromuscolari trauma cancro infezioni

Diminuisce assunzione di glucidi ed azione dell’insulina digiuno prolungato

Adattamenti metabolici nelle condizioni di digiuno

L’adattamento dell’organismo al digiuno costituisce uno degli esempipiù tipici di adattamento metabolico.

Gli adattamento metabolici al digiuno sono continui ma si possonoschematicamente suddividere in diversi periodi in base al tipo disubstrato energetico maggiormente usato

Digiuno fisiologico notturno

Digiuno prolungatoPrima fase inizia 10-12 ore dall’ultimo pasto ed occupa le duegiornate dall’ultimo pasto

Seconda fase dura circa 3 settimane

Terza fase che si protrae fino ad esaurimento delle scorte lipidiche

FASE DIADATTAMENTO

AL DIGIUNO

Fasi del digiuno in base alle modalità di approvvigionamento di glucosio

Digiuno breveprogramma adattativo per favorire il risparmio di glucosio a spese della degradazione di proteine(sotto controllo di insulina e glucagone)• mobilizzazione di proteine muscolari che vanno a fegato;

a.a. usati come fonte energia e gluconeogenesi (aumental’escrezione di azoto urinario)

• il basso livello di insulina inibisce la captazione di glucosiodal muscolo (glucosio risparmiato per il cervello)

• fegato: calo della attvità della piruvato deidrogenasi(piruvato acetilCoA) per preservare i precursori dellagluconeogenesi

• inizio ossidazione acidi grassi e formazione corpi chetonici

Digiuno prolungato

Dopo giorni di digiuno si ha un programma adattativo per conservare proteine muscolari e cellulari ed a.a essenziali che altrimenti si esaurirebbero rapidamente.Effetti mediati da ulteriore calo di insulina ed aumento di glucacone; inoltrecalo degli ormoni tiroidei con conseguente calo della degradazione proteicada parte di lisosomi e proteasoma

• uso dei corpi chetonici che riducono la gluconeogenesi, necessaria per obbligatoriamente glicolitici (globuli rossi, midollare del surrene)

• riduzione della sintesi proteica; inibizione del proteolisi cellulare e dellaossidazione degli a.a; si riflette in un calo drastico dell’ N urinario

• riduzione del consumo di ossigeno e del metabolismo basale per calo disintesi delle proteine mitocondriali coinvolte nella fosforilazione ossidativa

Fase finale esauriti i grassi di riserva, ricomincia l’utilizzo delle proteinemuscolari e delle proteine corporee, sostenibile per breve tempo; poisopraggiunge la morte

iponutrizione prolungata in energia e proteine

ha punti in comune con il digiuno, con ridotto turnoverdi proteine e diminuita ossidazione degli a.a.

Diminiscono i livelli di albumina; il fegato utilizza glia.a. per proteine più vitali

Il livello ematico di albumina viene spesso usatocome indicatore dello stato nutrizionale(anche se è influenzato da altri fattori)

Depressione del sistema immunitarioCalo di immunoglobuline e linfociti(anch’essi indicatori dello stato nutrizionale)

Perdita di proteine in cancro, infezioni, traumi,ustioni,..A differenza del digiuno, dove diminuisce la richiestaenergetica, queste condizioni sono ipermetaboliche enon vi è adattamento all’uso dei corpi chetonici:

Gli a.a. continuano ad essere usati come fonte energeticaper dare glucosio

RICERCA deve- capire come il metabolismo proteico è alterato in una

particolare patologia- capire come funzionano i geni che regolano il differenziamento

muscolare- sapere come intervenire a livello nutrizionale

FabbisogniDeterminati in base a studi sul bilancio azotato a brevee lungo termine condotti in presenza di adeguatoimporto calorico

LARN:identificano il livello di sicurezza per una determinatafascia di popolazione

LARN 1996 FABBISOGNO PER IL MANTENIMENTO

ADULTO(dai 19 anni) e ANZIANO: stesso fabbisogno per M e F

Calcolati 0,6 g /kg di peso/die

Applicando correzioni per variabilità individuale che tiene conto- composizione corporea- capacità funzionale- introito energetico totale si arriva al valore di

0,75 g/kg di peso desiderabile/dieper proteine di elevata qualità biologica

forniscono 10-15% della quota calorica giornaliera

popolazione italiana alta quota di proteine vegetali, si stabilisce 0,95 g/kg di peso /die

Valore più alto nei vegetariani stretti: quota maggiore di proteinevegetali per assicurare l’assunzione adeguata di a.a. essenziali

STESSO VALORE PER ADULTO ED ANZIANO

valore più elevato di quello del giovane adulto se riportato per unità dimassa corporea magra,ma si deve tenere presente che di regola nell’anziano si verifica unadiminuzione nell’efficienza dei processi di assorbimento e metabolici.

FABBISOGNO PER IL “MANTENIMENTO e ACCRESCIMENTO”

GRAVIDANZA + 6 g proteine/dieanche se il ritmo di accumulo non è costante: medio = 3,3 g/die

ALLATTAMENTO +17 g/diesecrezione media giornaliera di latte 800 ml con 8-10g proteine /litro