Clase 2012 - 11 Metabolismo de Proteinas 1 - U
Anuncio
METABOLISMO DE PROTEÍNAS 1 AM Ronco PhD 2012 FUNCIONES DE LAS PROTEINAS – Structuras: son importantes en las membranes celulares (como lipoproteinas); hueso y matriz dental; colágeno (piel, hueso, músculo filamentos, uñas, pelo) – Hormonas: actúan como mesanjeros y reguladores; – Función Inmune: anticuerpos – Catálisis :enzimas – Transporte: proteínas plasmáticas, iones en las membranas – Expresión génica: activadores, inhibidores Cuánta proteína necesitamos? • En contraste con grasas y glucosa, no existe un almacenamiento importante para los aa; necesitamos consumir proteínas diariamente •Los requerimientos proteicos dependen de la edad, sexo y actividad. ALLOWANCE FOR PROTEIN AGE g/kg g/day Infants (0-1) ~2.2 6.5-20 Children (1-10) 1.8 - 1.25 20- 38 Teens (11-18) 45-55 1.0 - 0.8 Adults (male) 0.8 56 (female) 0.8 44 Pregnant or lactating - 20 - 30% more Athletes 1.2 -1.7 Cuánta proteína necesitamos? • Las proteínas difieren en el contenido de aa esenciales Las proteínas dietarias proveen los aminoácidos que no podemos sintetizar – los aminoácidos “esenciales”. Los aminoácidos “no-esenciales” pueden ser sintetizados endógenamente a partir de intermediarios de la glicolisis o ciclo de los TCA. Esenciales Arginine (solo para niños) Histidine Isoleucine Leucine Lysine Methionine Phenylalanine Threonine Tryptophan Valine No-esenciales Alanine Asparagine Aspartate Cysteine Glutamate Glutamine Glycine Proline Serine Tyrosine Requiremientos de aa esenciales dependen de la edad. REQUIREMENTS OF ESSENTIAL AMINO ACIDS (mg/kg/day) Infant Arginine Histidine Isoleucine Leucine Lysine Methionine (+cysteine) Phenylalanine (+tyrosine) Threonine Tryptophan Valine Distinción entre aa esenciales y no-esenciales no es absoluta ? 33 80 135 99 49 141 68 21 92 Child ? ? 28 42 44 22 22 28 4 25 Adult ? ? 12 16 12 10 16 8 3 14 Cuánta proteína necesitamos? •Las proteínas difieren en el grado de digestibilidad REQUERIEMIENTO DE PROTEINA DE DIFERENTES FUENTES g/dia para un humano 70 kg) ( Meat/fish/eggs/milk ~ 20-25 Non-vegetarian ~ 25-30 mixed diet Mixed vegetables ~ 30-35 Single vegetable* up to 75 * Excepto para poroto soya PROTEÍNAS fuente de N2 en la dieta para síntesis de compuestos nitrogenados Esqueleto carbonado: Energía Un adulto saludable y con dieta adecuada está en BALANCE NITROGENADO: un estado en el cual la cantidad de N2 ingerido es igual al N2 excretado Este proviene de la proteína ingerida y del “recambio proteico” normal Cuándo se afecta el balance nitrogenado?? RESUMEN del Metabolismo proteico Proteina dietaria Digestión y Absorción Proteinas endógenas RECAMBIO PROTEICO Pool aminoácidos a-cetoácidos, NH3 Otros compuestos N urea glucosa, lípidos energía Excreción de N Destino de la proteína dietaria 1 Proteina dietaria Digestión y Absorción Proteinas endógenas Síntesis Pool aminoácidos Degradación RECAMBIO PROTEICO a-cetoácidos, NH3 Otros compuestos N urea glucosa, lípidos energía Excreción de N Digestión y Absorción de proteínas en las células epiteliales Enzimas digestivas : Origen Gástrico pancreático peptidasas célula intestinal: enterocito Proteína dietaria : digestión y absorción aminoácidos Pool de aminoácidos Proteína endógena Catabolismo: degradación de proteínas Anabolismo: síntesis de proteínas Recambio Proteico • Pool aminoácidos Síntesis – Proteínas plasmáticas (albúmina) – Compuestos Nitrogenados noproteicos (glutation, carnitina, creatina, etc) – Bases Nitrogenadas (purinas and pirimidinas: DNA y RNA) •Catabolismo •Transaminación y deaminacion a cetoácidos •Energía Pool aminoácidos •Glucosa •Cuerpos cetónicos •Colesterol •Acidos Grasos • Eliminación de N ( urea y amonio) Bien alimentado Captación de glucosa Síntesis de glicógeno Síntesis de proteínas Ayuno Captación y utilización de ácidos grasos y cuerpos cetónicos Degradación proteica y liberación de aminoácidos Proteínas dietarias 70-100 g Proteínas endógenas 35-200 g Digestión y absorción: sólo 1-2 g de N2 se pierden (equiv a 6-12 g proteína) POOL DE AMINOÁCIDOS RECAMBIO PROTEICO (músculo) Magnitud del Recambio Proteico en individuo sano de 70 Kg Recambio proteico 1.- Normal - Control del crecimiento y metabolismo - Eliminación de proteínas anormales, errores biosintéticos, mutaciones, daño oxidativo 2. Enfermedades catabólicas - Ayuno, trauma, septicemia, cáncer ´ Degradación de Proteínas Sistemas Proteolíticos celulares en la degradación de proteínas 1.-Lisosomal (PL) - Lento y no selectivo -Proteasas Lisosomales (catepsinas) tienen Ph acídico -Proteínas exógenas: endocitosis mediadas por receptor Partículas proteicas exógenas: pinocitosis fagocitosis --Proteínas endógenas: microautofagia macroautofagia CMA (chaperona) Autofagia Heterofagia Heterofagia Proteínas exógenas Alimento (MVB) AUTOFAGIA LAS: Mecanismo LAS Características y Regulación del mecanismo LAS -Mecanismo prioritario de degradación masiva visceral (hígado) -Ingesta de alimentos inhibe Proteolisis Lisosomal en hígado y músculo -Se activa bajo restricción de AA pero requiere horas -Es regulado por AA e Insulina y Glucagón Aminoácidos reguladores de autofagia: Leu, Tyr, Pro, Met, Trp, His (hígado) Leu (músculo). La regulación es supresiva o inhibitoria y el mecanismo es por inhibición por feed-back. Modelo de inhibición de la autofagia por Leucina e Ins en hígado AA reguladores (Receptor Tirosine Kinase) ? Kinasa, se inactiva en ayuno Sintesis de Proteinas Proteínas asociadas a la membrana del autofagosoma Kadowaki y cols, 2003 Características y Regulación del mecanismo LAS -Rol adicional al nutricional: homeostasis celular : previene patologías relacionadas con la edad, enfermedades neurodegenerativas, defensa celular, inhibición de tumorigenesis Sistemas Proteolíticos celulares en la degradación de proteínas 2.-Proteasomal Rápido y Selectivo, da cuenta de la degradación proteica masiva muscular. Las proteínas sufren recambio (son degradadas y resintetizadas) a diferentes velocidades Qué tipo de proteínas degrada??? Proteínas dañadas, normales de vida media corta (proteínas regulatorias), normales de vida media larga (proteínas contráctiles del músculo), proteínas de membrana, etc. La degradación selectiva de proteínas ocurre en respuesta a señales internas y externas: vida media La vida media de las proteinas es muy variable Regla del extremo NH2: en promedio, la vida media de una proteína se correlaciona con su extremo NH2 Proteinas cuyo 1º aa es Met, Ser, Ala, Thr, Val, o Gly (NH2 libre) tienen vidas medias mayores que 20 h. Proteinas cuyo 1º aa es Phe, Leu, Asp, Lys, o Arg tienen vidas medias de 3 min o menos. Las proteinas llamadas PEST ricas en Pro (P), Glu (E), Ser (S), Thr (T), son más rápidamente degradadas que otras Proteasoma: complejo proteico grande formado por estructuras con muchas subunidades en forma de cilindros con un core central que está en el núcleo y citosol de células eucarióticas Core central o catalítico: Proteasoma 20S El proteasoma 20S (core catalítico) El complejo core 20S del proteasoma encierra una cavidad con 3 compartimentos unidos por un pasadizo estrecho. Tiene 3 actividades catalíticas: tipo quimiotripsina, tipo tripsina e hidrolizante del enlace peptídico Funciones del Proteosoma 20S: En las células jóvenes y sanas permite eliminar rápidamente las proteínas moderadamente oxidadas y dañadas de una manera independiente de ATP. Degrada sólo proteínas no plegadas Proteínas muy oxidadas son sustratos pobres para este proteosoma, resistiendo la degradación. El proteasoma 20S se puede asociar con diferentes subunidades reguladoras 11S 19S Proteasoma 20 S + 2 subunidades reguladoras 11 S: inmunoproteasoma Proteasoma 20 S + 2 subunidades reguladoras 19S : proteasoma 26S Proteasoma 20 S + 1 subunidad 11 S + 1 subunidad 19S: proteasoma híbrido Funciones del inmunoproteasoma Es inducible. Rol en la función inmune: es efectivo en la generación de péptidos inmunogénicos para la presentación del complejo mayor de histocompatibilidad. Permite que proteinas y péptidos pequeños, no marcados entren al complejo core. Esto no requiere hidrólisis de ATP. 20 S Proteasome (yeast), with 11S Regulator (Trypanosome) Inmunoproteasoma two views PDB 1FNT Funciones del Proteasoma 26S: A diferencia del 20S, reconoce solo proteinas marcadas, las despliega, remueve la “marca” y provee un pasadizo para que las proteínas entren al complejo core. Puede degradar proteínas nativas (plegadas). Requiere ATP ¿ Cómo se marcan las proteínas para que sean sustrato del proteasoma 26S???? Las proteínas se marcan con 4-6 residuos de ubiquitina Ubiquitina: proteína con 76 aminoácidos Los residuos se unen por el carboxilo terminal al grupo NH2 de la proteína que se quiere marcar (preferentemente en Lys) Mecanismo de ubiquitinilación Proteasoma http://www.nature.com/nrm/journal/v2/n3/animation/nrm0301_17 9a_swf_MEDIA1.html Acumulación proteínas oxidadas: enfermedades neurodegenerativas: enfermedad de Alzheimer, distrofia muscular, cataratas, enfermedad de Parkinson edad: carbonilos en cerebro humano, lentes oculares, eritrocitos Oxidación de proteínas Eliminación proteínas oxidadas Acumulación En las células jóvenes hay proteínas moderadamente oxidadas: ( ) las que son rápidamente seleccionadas por el proteasoma 20S y degradadas. Hay pocas proteínas severamente oxidadas ( ) También hay proteínas intactas ( ) que por el recambio normal son ubiquitiniladas y degradadas por el proteasoma 26S Los radicales libres generados por la mitocondria aumentan con la edad generando mayor oxidación de proteínas (mayor grado y mayor número). El proteasoma 26S es inhibido por oxidación al igual que las proteínas encargadas de la ubiquitinilación. Se inhibe tanto 20S como 26S, lo que hace que se formen agregados proteicos ( ). Estos agregados le confieren autofluorescencia a las células envejecidas contribuyendo a la disfunción celular y senescencia Teoría eje lisosomal-mitocondrial Inhibición del proteasoma Condiciones fisiológicas que regulan la degradación proteica muscular por el mecanismo UP Desórdenes del apetito Uremia crónica y aguda Diabetes Mellitus Sepsis Caquexia cancerosa Cancer Hipotiroidismo Hipopituitarismo Defectos del túbulo renal Enf. neuromusculares Quemaduras SIDA Síndrome de Cushing Deficiencia de nutrientes Regulación del sistema UP 1. Aumento Glucocorticoides Acidosis 2. 3. Insulina circulante: I e IGF-1 actúan regulando niveles de mRNA para enzimas de la vía Niveles hormona tiroídea Evidencias de la regulación del sistema UP mRNA de los componentes de la vía Cantidad de proteína conjugada con ubiquitina en músculo de animales ayunados Degradación proteica al inhibir la actividad proteasoma Modelo de regulación de proteolisis bajo deficiencia de AA La ausencia de AA activa al sistema UP que mantiene el pool de AA. Los AA liberados se unen al tRNA y están listos para incorporarse a la síntesis de proteínas. Si la deficiencia de AA persiste, se activa el mecanismo LAS Sistemas Proteolíticos celulares en la degradación de proteínas 3.- Citosólico activado por Ca2+ (calpaínas): Importante en la injuria celular, necrosis y autolisis independiente de ATP Numerosas otras proteasas en la célula - ej. proteasas citoplasmáticas requeridas para apoptosis (caspasas). Modelo de atrofia muscular en caquexia Deficiencia de I IR Son importante las proteínas desde el punto de vista energético??? -Cuando el aporte de CH y lípidos está disminuido -Cuando proteínas están en exceso aa glucogénicos aa cetogénicos Tejido Adiposo Glucosa AG cetoácidos TG (si ingesta de CH y Lípidos es adecuada) Metabolismo de aminoácidos Proteína dietaria proteinas endógenas Pool de aminoácidos a-cetoácidos, NH3 Destino del esqueleto carbonado otros compuestos N urea glucosa, lípidos energía Excreción de N Destino del esqueleto carbonado de los aminoácidos Todos los aminoácidos pueden ser degradados por los humanos. “Glucogénicos” ( o “glicogénicos”) si los productos pueden entrar a la vía gluconeogénica “Cetogénicos” si los productos son intermediarios del metabolismo de lípidos o cuerpos cetónicos. Glycogenic Glucogénicos Alanine Arginine aspartic acid asparagine cysteine glutamic acid glutamine Glycine Histidine Methionine Proline Serine Threonine Valine Ketogenic glycogenic Glucogénicos Cetogénicos Both y cetogénicos and ketogenic Leucine Isoleucine Lysine Phenylalanine Tyrosine Tryptophan Metabolismo de Aminoácidos glucogénicos Los aminoácidos que son convertidos en intermediarios del ciclo de los TCA pueden convertirse en glucosa por gluconeogenesis en hígado Aminoácidos cetogénicos Leucine transaminase -ketocaproate Lysine 2 steps -aminoadipic semialdehyde Leucina Lisina 6 steps acetoacetate acetoacetate 6 stepsacetoacetato -hydroxybutyrylCoA lipids LIPIDOS Aminoácidos glucogénicos y cetogénicos La degradación de fenilalanina es un ejemplo de cómo un aminoácido puede dar origen tanto a lípidos como glucosa tetrahydrobiopterin tetrahydrobiopterin Fenilalanine tirosine Fenilalanina fumarato + acetoacetato TCA cycle, lipids gluconeogenesis p-hydroxyfenilpiruvato fumaryl-acetoacetate homogentisic acids maleyl-acetoacetate Biosíntesis e interconversión de aminoácidos Reacciones más comunes de los aminoácidos Reacciones de Transaminación • Reacción metabólica central que permite transferir un grupo NH2 a un cetoácido para generar otro amino ácido. • Catalizado por una familia de transaminasas (aminotransferasas). La reacción general es: a-aminoácido 1 + a-cetoácido 2 Excepto: treo y lis a-cetoácido 1 + a-aminoácido 2 ca1 aa2 aa1 ca2 Transaminasas Transaminasas usan Piridoxal Fosfato como cofactor Forma activa de la Vitamina B-6 Transaminasa glutámico-pirúvico Degradación de ala: pir E o glucosa. Para eliminar grupo amino ya que no puede entrar desde ala al ciclo de la urea Transaminación de la valina: valina puede formarse a partir de -cetoisovalerato cuando es administrado terapéuticamente Reacciones de aminación y deaminación: N del NH4+ se incorpora a un cetoácido, o se libera de un aa. - cetoácido 1 + NH4+ aminación deaminación -aminoácido 1 Ej: glutamato deshidrogenasa: Enzima alostérica, reversible in vitro que al liberar NH4+ produce NADH (energía) Reacción de deaminación: la glutamato deshidrogenasa Enzima alostérica, reversible in vitro que al liberar NH4+ produce NADH(energía) In vivo: formación de amonio Regulación alostérica de la glutamato deshidrogenasa (tóxico), es absorbido y transportado al hígado Rol del glutamato en la síntesis, degradación e interconversión de aminoácidos glutamina : transportador de grupos amino constituye el 50% de los aa circulantes Transportador y almacenador de NH4+ Reacción catalizada por la glutamina sintetasa Reacción catalizada por la glutaminasa Reacciones de Decarboxilación: eliminación de CO2 Ej: glutamato decarboxilasa dependientes de piridoxal fosfato Reacciones de Oxidación: reacciones de deaminación pero que no producen NADH y ATP Vías más importantes del transporte de N2 entre órganos a partir de la proteolisis muscular •Músculo es el órgano que más contribuye a eliminar nitrógeno. En ayuno: Ciclo de la Alanina: Aporta esqueleto carbonado para gluconeogénesis en hígado Metabolismo de Proteínas y aminoácidos proteína dietaria proteinas endógenas Salida de Nitrógeno aminoácidos a-cetoácidos, NH3 otros compuestos del N urea glucosa, lípidos energía Excreción de Nitrógeno UREA no es tóxico, soluble y fácilmente excretado Carbamil-sintetasa (Matriz mitocondrial) Síntesis de carbamilfosfato y entrada al ciclo de la úrea Mitocondria TCA Ciclo de la úrea Ocurre en el hígado 5 enzimas: 2 en mitocondria 3 en citosol. Los sustratos se van traspasando Regulación del ciclo de la urea La actividad de las enzimas del ciclo se regulan de acuerdo a las necesidades. • A nivel de la transcripción: elevada cuando la ingesta proteica es elevada, cuando la ingesta es mínima se reduce 10 veces. • Control de la 1ª enzima (carbamil sintetasa) es por efecto alostérico: N-acetilglutamato. La N-acetilglutamato sintetasa (mitocondrial ) es activada por arginina. N-acetyl glutamate synthetase Carbamoyl phosphate Alteraciones en el funcionamiento del ciclo de la urea En ciertos desórdenes genéticos causados por mutaciones en los genes de las enzimas del ciclo. Una de las más severas: Coma hiperamonémico neonatal: retardo mental. En falla hepática tb se produce mal funcionamiento del ciclo de la urea (no-genético). Si el ciclo de la urea funciona mal... • Amoníaco (o NH4+ ) se acumula en el plasma y tejidos, incluyendo cerebro. Las consecuencias clínicas incluyen vómitos, somnolencia, coma y muerte. • Causas de cuadro clínico: se barajan 2 hipótesis (no exclusivas): • Depleción de a-cetoglutarato: en presencia de NH4+, acetoglutarato es convertido a glutamato por la glutamato dehidrogenasa. Causa una disminución del ciclo de los TCA y por lo tanto de la fosforilación oxidativa, de los cuales las neuronas son dependientes. •Toxicidad de glutamina. Se acumulan los niveles de glutamina en astrocitos, que tienen potente glutamina sintetasa. La presión osmótica circulante causa hinchazón y edema. Manejo de los defectos del ciclo de la urea Terapia basada en: a.- limitar la ingesta proteica y formación de amonio: reemplazo por cetoácidos b.- remover el exceso de amonio: la fuente bacteriana de amonio intestinal se puede reducir con compuestos que acidifican el colon (levulosa). Tb tratamiento con antibióticos que eliminan bacterias c.- reemplazar los intermediarios que faltan del ciclo de la urea d- usar drogas para crear vías alternativas de excreción de N (fenilbutirato, benzoate)
