Metabolismul lipidic Generalităţi Lipidele sunt biomolecule organice, insolubile în apă ce se pot extrage din celule şi ţesuturi cu solvenţi organici nepolari. Lipidele au câteva funcţii biologice importante, servind drept: componente structurale ale membranelor forme de depozitare şi de transport al combustibililor înveliş protector al multor organe drept componente ale suprafeţei celulare impliate în recunoaşterea celulară, în specificitatea de specie şi imunitatea tisulară. Unele substanţe din clasa lipidelor, cum sunt unele vitamine şi hormoni au o importantă activitate biologică. Clasificarea lipidelor Dpdv structural lipidele se împart în: I. Lipide simple : - esteri ai acizilor graşi cu glicerina (triacilgliceroli) - esteri ai acizilor graşi cu alcooli superiori monocarboxilici (ceruri) II. Lipide complexe: - glicerofosfolipide: esteri ai glicerinei cu acizi graşi, compuşi azotaţi şi un rest de acid fosforic - sfingolipide: conţin un alcool (sfingozina), acizi graşi, compuşi azotaţi şi un rest de acid fosforic Exemple: fosfolipide glicolipide sulfatide aminolipide lipoproteine III. Derivaţi ai lipidelor sunt compuşi rezultaţi prin hidroliza lipidelor simple şi complexe. Exemple: - acizii graşi: - saturaţi - nesaturaţi - glicerina - steroizi - aldehide grase - corpi cetonici Dpdv funcţional lipidele se împart în : I. Lipide de rezervă. Acestea sunt localizate în ţesutul adipos şi sunt constituite în special din trigliceride de provenienţă exogenă (alimentară) II. Lipidele citoplasmatice sunt lipide complexe care alcătuiesc elementul constant care variază numai în funcţie de natura ţesutului. Structura şi proprietăţile acizilor graşi saturaţi
1
Acizii graşi sunt elemente constitutive ale diferitelor clase de lipide. În stare liberă acizii graşi se întâlnesc în cantităţi mici în celule şi ţesuturi. Acizii graşi conţin -un lanţ de hidrocarbură saturată sau nesaturată -grupare carboxilică terminală. Acizii graşi din lipidele plantelor şi animalelor superioare cuprind un număr par de atomi de C, în majoritate lanţuri formate din 14-22 atomi de carbon. Acizii graşi saturaţi pot exista într-un număr infinit de conformaţii datorită faptului că legătura simplă permite rotaţia liberă a atomilor de carbon. Forma cea mai probabilă este cea extinsă, cu un conţinut minim de energie. 1. Acizii graşi nesaturaţi prezintă conformaţia cis. În cazul acizilor polinesaturaţi dublele legături nu sunt niciodată conjugate. 2. Acizii graşi sunt insolubili în apă, dar solubili în solvenţi nepolari, de asemenea ei se solubilizează în NaOH şi KOH cu formare de săruri numite săpunuri. 3. Acizii graşi saturaţi sau nesaturaţi nu absorb lumina nici în vizibil nici în UV. 4. Prin încalzire cu KOH acizii graşi polinesaturaţi pot fi izomerizaţi în acizi graşi cu duble legături conjugate, formă sub care absorb lumina UV între 230-260 nm. 5. Acizii graşi nesaturaţi dau reacţii de adiţie la legătura dublă. Adiţia de halogeni (iod) are utilitate practică în determinarea numărului de duble legături din acizii graşi liberi sau din acizii graşi care alcătuiesc lipidele. Acizi graşi saturaţi:
H3C
( C H2)2
C OOH
acid butiric
H3C
(C H2)6
H3C
( C H2)4
C OOH
H3C
(C H2)8
COOH
H 3C
(C H 2)10 C O O H
H 3C
(C H 2)12
COOH
acid capr ilic
acid capronic acid caprinic
COOH
acid laur ic acid m ir is tic
H3C
(C H2)14
COOH
acid palm itic
H3C
(C H2)16
COOH
acid stear ic
H3C
(C H2)18
COOH
acid ar ahidic
H3C
(C H2)22
COOH
acid lignoceric
Acizii graşi nesaturaţi acizi monoenoici
2
H3C
(CH2)5
H3C
(CH2)7
CH
CH
CH
(CH2)7
CH
COOH acid palmitoleic
(CH2)7
COOH acid oleic
Acizi polienoici
H3C
(C H2)4
CH
CH
C H2
CH
CH
(C H2)7
C OOH acid linoleic
H3C CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH (CH2)7 COOH acid linolenic H3C (CH2)4 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH CH2 CH CH (CH2)3 COOH acid arahidonic Acizii linoleic, linolenic şi arahidonic sun acizi graşi esenţiali. Metabolismul acizilor graşi saturaţi Digestia şi absorbţia lipidelor Grăsimile ingerate constau într-o varietate de lipide din care majoritare sunt fosfolipidele şi triacilglicerolii. Circa 15% din triacilgliceroli sunt hidrolizaţi în stomac de către o lipază secretată de către celulele secretoare gastrice. Ceea ce rămâne din triacilgliceroli şi fosfolipide, este hidrolizat în intestinul subţire de către enzime secretate de celulele acinare ale pancreasului. Acestea includ o fosfolipază şi o triacilglicerol lipază. Lipaza pancreatică acţionează asupra micelelor de triacilgliceroli şi săruri biliare. Sărurile biliare acţionează asupra picăturilor mari de lipide pentru a le transforma în micele de mici dimensiuni. Lipaza este o proteină de 46 kDa care se inserează ea însăşi în interfaţa de pe suprafaţa micelelor, împreună cu colipaza, un cofactor proteic de 10 kDa care este esenţial pentru activitatea enzimatică. În imaginea A, în absenţa lipidelor, regiunea „capac” a lipazei („lied”) acoperă centrul activ dar, în prezenţa lipidelor (imaginea B), capacul este retras spre procolipaza. Acţiunea colipazei
3
Lipaza îndepărtează cei doi acizi graşi dinspre exterior, dând naştere la monoacilglicerol. Acizii graşi şi monoacilglicerolul sunt transportaţi în celulele ce căptuşesc peretele intestinal. După absorbţie, acizii graşi sunt convertiţi în acid gras CoA prin reacţie. Acid gras CoA poate apoi reacţiona cu monoacilglicerolul pentru a reforma triacilglicerol care este apoi încorporat în chilomicroni. Triacilglicerolul se formează deasemenea şi în celulele intestinale, din glicerol-3fosfat şi acid gras CoA. Acţiunea lipazelor
Catabolismul acizilor graşi Acizii graşi se degradează prin cedarea succesivă a unor fragmente de 2 atomi de C, în urma unui proces de oxidare ce ar avea loc la nivelul carbonului din poziţia β în raport cu gruparea carboxil. Catabolismul acizilor graşi presupune activarea şi transportul acizilor graşi saturaţi în mitocondrie unde are loc oxidarea propriu-zisă (β-oxidarea). Activarea acizilor graşi se face cu consum de ATP şi participarea CoA cu formare de tioesteri, ce nu penetrează membrana internă. Pentru traversarea barierei are loc o transesterificare de pe CoA pe o moleculă carrier numită carnitină. C H2 CH (C H 3)3N + C H2 COOH c ar n it in a
OH Activarea şi transportul acizilor graşi saturaţi Pentru activarea şi transportul acizilor graşi saturaţi sunt necesare anumite enzime: tiokinaze (acil CoA -sintetaze) şi acil CoA-transferaze.
4
Aceste enzime se găsesc în membrana mitocondrială externă, intramitocondrial precum şi în microzomi. Activarea acizilor graşi se realizează în membrana mitocondrială externă, după care are loc transferul acidului gras activat cu ajutorul canitinei în mitocondrie, unde pune în libertate carnitina şi acidul gras intră în procesul de β-oxidare propriu-zis.
R COOH+ATP+CoASH
tiokinaza
carnitina
carnitina
R CO SCoA
R CO SCoA aciltransferaza
aciltransferaza
AMP +PP
acilcarnitina
CoA
acilcarnitina
membrana mitocondriala interna
membranamitocondrialaexterna
Procesul de β-oxidare sau ciclul lui Lynen se desfăşoară în mitocondrie. Etapele procesului de β-oxidare sunt următoarele: dehidrogenarea de tip α- β aditia stereospecifică a moleculei de apă dehidrogenare clivare α- β (tioliză) R CH2 CH2 CO SCoA NADH+H+ R
R
CH
CH
CH CH2
CO H2O
CO
LR
R C CH2 O
CO
3 ATP
SCoA
SCoA
OH FAD dehidrogenaza LR FADH2
2ATP
SCoA
CoASH
tiolaza H3C CO SCoA R CO SCoA
5
TCA
+ LR
CoASH
mitocondrie
Oxidarea propriu-zisă (β- oxidarea)
NAD+ acil_CoA_dehidrogenaza
β−oxidarea
12 ATP
Degradarea acizilor graş prin β-oxidare are loc pe o cale alcătuită din 2 reacţii de dehidrogenare, întrerupte de o hidratare şi o scindare prin tioliză, când se pierd 2 atomi de C sub formă de acetil- CoA. Restul obţinut, mai scurt cu e atomi de C repetă calea până este integral degradat la acetil- CoA. Acidul gras se oxidează total până la CO2, apă şi energie. Exemplu: Pentru oxidarea acidului palmitic care este format din 16 atomi de C, acesta trece de 7 ori prin procesul de β-oxidare propriu-zisă, rezultând la final 7 molecule de acetil-CoA. Bilanţul energetic pentru oxidarea aciduli palmitic este următorul: Din cele 8 Ac-CoA ----- 8 x 12 ATP = 96 ATP În fiecare tur de β-oxidare se formează 5 ATP---- 7 x 5ATP = 35 ATP În procesul de activare se consumă 1 ATP Total: 130 ATP / moleculă de acid palmitic oxidat. Pe lângă procesul de β-oxidare se mai cunosc şi alte procese de oxidare a acizilor graşi cum ar fi: α-oxidarea şi Ω- oxidarea. Catabolismul acizilor graşi cu număr impar de atomi de carbon Oxidarea acizilor graşi cu număr impar de atomi de carbon se realizează după acelaşi model ca şi β-oxidarea Presupune aceleaşi etape:-activarea, -transportul în mitocondrie, -integrarea în β-oxidare. În final se ajunge la un rest cu 5 atomi de carbon. Acesta se scindează la acetil – CoA şi propionil-CoA. Propionil-CoA se transformă în succinil-CoA, care intră în TCA.
CH3 CH2 CO SCoA
CO2 H3C
propionil carboxilaza
COOH
CH2
COOH
CO SCoA mutaza
CH2
CO
CH
TCA SCoA
Biosinteza acizilor graşi Biosinteza acizilor graşi saturaţi se realizează din acetil-CoA (precursorul principal) Procesul are loc în toate organismele Predominant în- ficat -ţesutul adipos -glandele mamare ale animalelor superioare. Procesul de biosinteză diferă de cel al oxidării acizilor graşi Biosinteza acizilor graşi are loc în citosol, iar oxidarea lor are loc în mitocondrii.
6
Prezenţa citratului este necesară pentru obţinerea unor viteze maxime de sinteză, dar nu este cerută pentru oxidarea lor. CO2 este esenţial pentru sinteza acizilor graşi în extractele celulare, deşi nu este încoporat în acizii nou sintetizaţi. Aceste observaţii au dus la concluzia că sinteza acizilor graşi se realizează au un grup de enzime total diferit de cel folosit la oxidarea acizilor graşi. Reacţia de sinteză a acizilor graşi este catalizată de un sistem multienzimatic complex din citosol, numit complexul sintetazei acizilor graşi. Biosinteza acidului palmitic Precursorul esenţial al acizilor graşi este acetil-CoA. - din cele 8 unităţi acetil necesare pentru biosinteza acidului palmitic,numai una este furnizată de acetil-CoA, restul sunt furnizate sub formă de malonil-CoA, formată din acetil-CoA şi HCO3- într-o reacţie de carboxilare. -Restul acetil şi cele 7 resturi malonil sunt supuse unor trepte succesive de condensare care eliberează 7 CO2 formând acidul palmitic. Ac_CoA +7 malonil_CoA +14NADPH +H+ H3C (CH2)14+ 7 CO2+8CoA +14NADP+ +6H2O Singura moleculă de Ac-CoA necesară procesului serveşte ca iniţiator, cei doi atomi de C ai acestei grupări acetil devenind atomii de C terminali ai acidului format. Creşterea lanţului acidului gras începe la gruparea carboxil a acetil-CoA şi continuă prin adiţia succesivă a resturilor acetil la capătul carboxil al lanţului care creşte. Fiecare rest acetil este obţinut dintr-un rest de acid malonic, care pătrunde în sistem sub formă de malonil-CoA. Al 3-lea atom de C al acidului malonic este eliminat sub formă de CO2. Intermediarii acil al procesului de alungire a lanţului sunt tioesteri, dar nu ai CoA, ca în cazul oxidării acizilor graşi, ci ai unui conjugat proteic, numit proteină aciltransportoare (PTA). Această proteină poate forma un complex cu cele 6 enzime implicate pentru sinteza completă a acidului palmitic. În majoritatea celulelor eucariotelor, toate proteinele complexului sintetazei acizilor graşi sunt asociate într-un grup multienzimatic. Sursa de atomi de carbon Principala sursă de carbon este acetil-CoA, formată în mitocondrii prin decarboxilarea oxidativă a piruvatului prin degradarea oxidativă a unor aminoacizi prin oxidarea acizilor graşi cu lanţuri lungi Acetil-CoA nu poate trece ca atare din mitocondrie în citosol. Citratul format în mitocondrii din acetil-CoA şi oxalil-acetat, poate să treacă prin membrana mitocondrială în citoplasmă pe calea sistemului de transport tricarboxilat.
7
În citosol acetil-CoA este regenerată din citrat sub acţiunea ATP-citrat liazei, care catalizează reacţia: Citrat + ATP + CoA = acetil-CoA + ADP + Pa + oxalil-acetat Formarea de malonil-CoA Malonil-CoA se formează din acetil-CoA şi bicarbonat în citosol, prin acţiunea acetil-CoA carboxilazei. H3C
CO
S C oA
+ HC O 3
+A
COOH T P acetil C oA C H2 car boxilaza CO S C oA
+A
DP
+
Pa
Atomul de C al bicarbonatului devine carbonul carboxilic distal sau liber al malonil-CoA. Acetil-CoA carboxilaza este o enzimă ce conţine biotină ca grupare prostetică Biotina legată covalent este transportor intermediar al unei molecule de CO2, întrun ciclu de reacţii în două trepte. HC O 3-
H+ A T P
A DP
Pa
biotin_enzima
carboxi_biotin_enzima
malonil_C oA
acetil_C oA
Reacţia catalizată de acetil-CoA carboxilaza (enzimă allosterică) este etapa reglatoare care limitează viteza în cadrul biosintezei acizilor graşi. Citratul este modulatorul pozitiv al acestei reacţii deplasând echilibrul între monomerul inactiv şi polimerul activ, în favoarea celui din urmă. Reacţia acetil-CoA carboxilazei este de fapt mai complexă . Unitatea monomerică a enzimei conţine 4 subunităţi diferite. Una dintre aceste subunităţi, biotin-carboxilaza (BC), catalizează prima treaptă a reacţiei totale şi anume carboxilarea resturilor de biotină legată de a doua subunitate, care se numeşte proteina transportoare biotin-carboxil (PTBC). sububitatea BC Biotin_PTBC HCO3- H+ ATP carboxi_biotin_PTBC ADP Pa carboxibiotin_PTBC H3C
CO
SCoA
subunitatea CT biotin_PTBC carboxil transferaza
Resturile de biotină ale proteinei transportoare de carboxil servesc ca pârghii în transportul ionului bicarbonat de pe subunitatea biotin-carboxilzei la acetil-CoA, care este legată la situsul activ al subunităţii carboxil-transferazei. Trecerea de la forma monomerică inactivă a acetil-CoA carboxilazei la forma polimerică activă a enzimei are loc când citratul este legat de cea de-a patra subunitate a fiecărui monomer.
8
COOH CH2 CO
SCoA
Reacţiile sistemului sintetazei După formarea malonil-CoA, urmează sinteza acizilor graşi într-o secvenţă de 6 trepte succesive, catalizate de 6 enzime ale complexului sintetazei acizilor graşi. Cea de-a şaptea proteină din sistem, nu are activitate enzimatică, ea este proteină transportoare de acil, de care este ataşat covalent lanţul de formare a acidului gras. Complexul acid gras-sintetazei este un dimer fiecare monomer conţine 2 grupări – SH -una aparţine 4-fosfopantoteinei din ACP (Acyl-Carrier-Protein) -alta unei cisteine din β-cetoacilsintetazei Cei 2 monomeri sunt astfel aranjaţi încât în apropierea ACP-SH dintr-un monomer se găseşte o grupare Cis-SH din cetoacilsintetaza. Biosinteza acidului gras începe prin legarea unei molecule de acetil-CoA de gruaprea Cis-SH, catalizată de acetil-transacilaza. Malonil-CoA se combină cu gruparea –SH a 4-fosfopantoteinei legată de ACP din celălalt monomer în prezenţa malonil-transacilazei. În continuare acetilul atacă gruparea metilen din malonil, reacţie catalizată de βcetoacil-sintetaza cu eliberarea de Co2 şi formarea de β-cetoacil enzima. Gruparea SH a cisteinei rămâne liberă. Prin reacţia de decarboxilare se eliberează energie necesară condensării şi desfăşurării secvenţei de reacţii. Gruparea cetoacil legată de enzimă este redusă, deshidratată, redusă din nou pentru a forma acil enzima saturată. Reacţiile sunt analoage celor din β-oxidare, cu deosebirea că β-hidroxiacidul este izomerul D(-), iar donorul este NADPH. În continuarea a nouă grupare malonil atacă gruparea SH a fosfopantoteinei deplasând restul acil saturat la gruparea SH liberă a cisteine. Secvenţa de reacţii se repetă de 7 ori, de fiecare dată fiind încorporat un rest malonil, până la formarea acidului palmitic. Reacţiile procesului de biosinteză sunt următoarele:
9
(1)
Cis_SH
H3C
(2)
Pan_SH
HOOC
COSCoA CH2
acetiltransacilaza
(1)
maloniltransacilaza COSCoA (2)
Cis
S
Pan
CO
S
CH3
CO
betacetoacil sintetaza
CH2
COOH
2CoASH
CO2
(1)
Cis_SH
(2)
Pan_S
β- cetoacilreductaza CO
CH2
CO
CH3
NADPH H+
(1)
Cis_SH
(2)
Pan_S
NADP +
CO
CH2
CH
CH3
OH
hidrataza
(1)
Cis_SH
(2)
Pan_S
enoil- reductaza CO
H C
H2O (1)
C H
Cis_S
CH3
CO
CH2
malonil- transferaza malonil- CoA (1) (2)
(2)
Pan_S
NADPH H+
CO
CH2
CH2
NADP +
(1)
Cis_SH
(2)
Pan_S
CO
CH2
CH2
CH3
CH3
COOH
CoASH Cis_SH Pan_S
tioesteraza CO
(CH2)14 CH3
(1)
Cis_SH
(2)
Pan_SH
H3C
(CH2)14
COOH
Ecuaţia globală de obţinere a acidului palmitic este: 8H3C CO SCoA 14 NADPH 14 H+ 7ATP H O 2
H3C
(CH2)14 COOH 8CoASH 14NADP+ 7ADP 7Pa
Acidul palmitic format pentru a putea fi încorporat într-o cale metabolică este activat în prezenţa de tiokinază şi ATP la palmitil-CoA. Moleculele de NADPH necesare reacţiilor de reducere se formează prin oxidarea glucozo-6-fosfatului pe calea fosfogluconatului. Etapele ce conduc la biosinteza acizilor graşi diferă de cele implicate în oxidarea acizilor graşi astfel: localizarea intracelulară tipul de transportor de grupări acil forma sub care sunt adăugate sau îndepărtate unităţile cu 2 atomi de carbon specificitatea faţă de NADP+ a reacţiei β-cetoacil β-hidroxiacilului configuraţia stereoizomerică a intermediarului β-hidroxiacil sistemul acceptor-donor de e- ai etapei crotonil-butiril răspunsul la citrat şi HCO3-. Metabolismul lipidelor simple Biosinteza acilglicerolilor Acilglicerolii sunt sintetizaţi de organismul animalelor şi plantelor superioare. Sinteza are loc în majoritatea ţesuturilor, dar importanţă practică prezintă ficatul şi ţesutul adipos. Precursorii pentru sinteză sunt glicerol-3-fosfatul şi acizii graşi activaţi sub formă de acil-CoA.
10
Glicerina este activată prin fosforilare la glicerol-3-fosfat în prezenţă de glicerolkinază şi ATP. Enzima este prezentă în ficat, rinichi, mucoasa intestinală, glanda mamară în lactaţie şi este absentă în muşchi şi ţesutul adipos. În ţesuturile în care enzima este absentă sursa de glicerină o formează dihidroxiacetonfosfatul, intermediar din glicoliză. Transformarea dihidroxiacetonfosfatului în glicerin-3-fosfat se face în prezenţă de NADH şi glicerin-3-fosfat dehidrogenaza.
CH2 OH CH OH CH2 OH
CH2 OH glicerin- 3- fosfat glicerolkinaza dehidrogenaza CH OH ATP ADP CH OP NAD+ NADH H+ 2
CH2 OH C O CH2 OP
Acizii graşi sunt activaţi prin transformarea lor în derivaţi de CoA în prezenţă de ATP şi CoASH,reacţie catalizată de tiokinază. Astfel în prezenţă de acil-CoA, glicerin-3-fosfat şi transferaze specifice se formează ca intermediar 1,2-diacilglicerolfosfatul (acidul fosfatidic). Reacţia are loc în 2 trepte (acidul fosfatidic este intermediar atât în sinteza acilglicerolilor cât şi a fosfolipidelor). Pentru a fi convertit în triacilglicerină acidul fosfatidic este hidrolizat în prezenţa unei fosfataze. În mucoasa intestinală există a cale alternativă care pleacă de la 2monoacilglicerină. Aceasta în prezenţa unui acil-CoA şi a monoacilglicerinaciltransferazei este convertit la 1,2-diacilglicerină. Triacilglicerina se formează cu participarea diacilglicerintransferazei şi a unei molecule de acil-CoA.
11
glicoliza
CH2 OH HO
C H CH2 OP
CH2 O CO R1
glicerol- 3- fosfat acil- transferaza
R1
HO
C H
COSCoA CoA
CH2 OP
R2 COSCoA
CoA
acid lizofosfatidic CH2 O CO R1 R2
CO O C H
CH2 O CO R1 fosfohidrolaza
H2O
CH2 OP
R2
CO O C H CH2 OH
P
CH2 O CO R1
diacilgliceril aciltransferaza
R2
CO O C H
CoA CH2 O CO R3 R3 COSCoA În ţesuturile în care este absentă glicerina se porneşte de la dihidroxiacetonfosfatul rezultat din glicoliză. CH2 OH CH2 OH C
O
CH2 OP
NADH H+
HO NAD+
TAG
C H CH2 OP
R1 SCoA CoA
CH2 OCO
CH2 OCO R1 C
HO
O
CH2 OP
NADH
H+
NAD+
C
R1
H
CH2 OP
Catabolismul triacilglicerolilor Primul pas în degradarea triacilglicerolilor îl constituie hidroliza legăturii ester (lipoliza) în prezenţa unor enzime numite lipaze. Se cunosc triglicerolipaze deosebite prin localizare şi funcţie. Exemplu: lipaza pancreatică este localizată în sucul pancreatic şi ajută la digestia triacilglicerolilor din alimentaţie lipaza hormon sensibilă este localizată în adipocite şi serveşte la mobilizarea lipidelor lipoproteinlipaza este localizată în capilare şi ajută la utilizarea triacilglicerolilor în lipoproteine lipaza hepatică este localizată în ficat şi are rol în catabolismul lipoproteinelor. 12
TAG
În ţesutul adipos hidroliza triacilglicerolilor are semnificaţie cantitativă şi reprezintă procesul de mobilizare a lipidelor cu eliberarea acizilor graşi liberi în plasmă. Aceştia sunt captaţi de ţesuturi şi utilizaţi în scop energetic sau pentru sinteza lipidelor proprii. Ţesutrul adipos conţine mai multe lipaze. Hormonii au rol lipolitic (catecolaminele), acţionează prin intermediul c-AMP printr-un mecanism analog cu cel responsabil de stimularea glicogenolizei Lipoliza este un proces hidrolitic care se desfăşoară în trepte
CH2 OCO R1 CH OCO R2 CH2 OCO R3
CH2 OH
CH2 OH lipaza R1COOH
CH OCO R2 CH2 OCO R3
TAG
lipaza R2COOH
CH OH CH2 OCO R3
CH2 OH lipaza
R3COOH CH2 OH
MAG
DAG
Etapa limitantă de viteză este reacţia de îndepărtare a primului rest de acid gras dinTAG, catalizată de lipaza adipolitică sau lipaza hormon-dependentă. Metabolismul lipidelor complexe Biosinteza glicerofosfolipidelor Acidul fosfatidic este precursor comun pentru două căi separate în biosinteza glicerofosfolipidelor: 1. O cale în care acidul fosfatidic se activează cu CTP şi formează CDP-diacilglicerina, care apoi reacţionează cu componenta polară (mioinozitol, serina, fosfatidilglicerina) formând glicerofosfolipidele respective. 2. O a doua cale în care acidul fosfatidic sub acţiunea fosfohidrolazei pierde fosfatul şi trece în 1,2-diacilglicerol, care reacţionează apoi cu formele activate ale bazelor cu formare de cefaline şi lecitină. În ambele căi citidin-trifosfatul are rol de activator. 1. Biosinteza glicerofosfolipidelor plecând de la acid fosfatidic Această cale este specifică bacteriilor, dar este utilizată şi de ţesuturile animal în special pentru biosinteza cardiolipinei şi a fosfatidilinozitolului. Activarea acidului fosfatidic cu citintrifosfat (CTP) are loc sub acţiunea fosfatidilcitidil-transferazei.
13
CH OH
Glicerol
CH2 R2
COO
OCO
R1
fosfatidil- citidil transferazei R2 CTP
CH CH2
OPO3H2
CH2 COO
OCO
CH CH2
PP
R1
O O
O
P
O
P
OH
O
citidil
OH
CDP- diacilglicerina
În bacterii CDP-diacilglicerina reacţionează cu gruparea OH a serinei şi formează fosfatidilserina. CH2 R2
COO
OCO
CH
R1
O
CH2
O
P
O
P
OH
CH2 R2
COO
OCO
CH
HO
O
CH2
CH
CMP
NH2
citidil
O
COOH
OH R1
O
CH2
O
P
O
CH2
OH
CH
COOH
NH2
fosfatidilserina
Fosfatidilserina printr-o reacţie de decarboxilare trece în fosfatidiletanolaminei (cefalina), care mai departe în urma unui proces de metilare formează fosfatidilcolina (lecitina). CH2 R2
COO
OCO
CH CH2
R1
O O
P
O
CH2
PALPO CH2
OH
CO2 CH COOH
R2
COO
CH CH2
3SAM
3SAH
COO
OCO
CH CH2
O O
P
O
CH2
cefalina
fosfatidilserina
R2
R1
OH
NH2
CH2
OCO
R1
O O
P
O
CH2
CH2
N+ (CH3)3
OH lecitina
CDP-diacilglicerolul reacţionează cu inozitolul în prezenţa CDP-diacilglicerolinozitol-transferazei formând fosfatidilinozitolul.
14
CH2
NH2
CH2 R2COO
OCO
CH
OH OH HO
R1
O
CH2
O
P
O
OH
CH2 R2COO
OH OH inozitol
citidil
P
OH
HO
+
O
OCO
CH
R1
CMP
OH OH
O
CH2
O
P
O
HO OH
OH
OH
fosfatidilinozitolul
Prin fosforilarea grupărilor OH din inozitol în prezenţă de ATP şi o unei kinaze rezultă formele fosforilate: fosfatidilinozitol-4-fosfat şi fosfatidilinozitol-4,5bifosfat. Ultimul este considerat mesager de ordinul II care sub acţiunea unor efectori (hormoni neurotransmiţători) determină răspunsuri specifice la nivel celular. Cardiolipina se găseşte în mitocondrii, cloroplaste şi bacterii. Se sintetizează de la CDP-diacilglicerol care reacţionează cu glicerin-3-fosfat şi formează fosfatidilglicerolfosfat. Acesta sub acţiunea unei fosfataze pierde fosfatul formând fosfatidilglicerina care este precursorul cardiolipinei. Fosfatidilglicerolul reacţionează cu o noă moleculă de CDP-diacilglicerol şi formează difosfatidilglicerolul. C H2 R 2C O O
OCO
CH C H2
O O
C H2
R1 O
P
O
OH
citidil
P
OH
CH
OH
O
C H2
O
P
+
CM P
OH
OH
OH O
R1 C O O R2
C H2
C H2
CH
COO
C H2
O O
CH
P
O
O OH
OH
P
f o s f atidilglicer o lf os f at aza
OH
f os f at idilglicer o lf O o sH f at R1 C O O R2
C D P _ diacilglicer o l
C H2 CH
COO
C H2
R1 C O O
CM P
O O
P
O
C H2
OH f o s f atidilglicer o l
R2
H 3P O 4
H2O
C H2
CH
C H2
OH
OH
C H2
COO
C H2
CH C H2
O O
P
O O
C H2
OH
CH
C H2
O
OH
P
CH O
OH
car dio lipina
2. Biosinteza glicerolfosfolipidelor plecând de la 1,2-diacilglicerol Pe această cale se sintetizează lecitina şi cefalina în ţesuturile animale. 15
C H2
OCO OCO
R1 R2
În acest caz acidul fosfatidic pierde radicalul fosfat şi se transformă în 1,2diacilglicerină care este acceptorul de fosforil-bază. Rolul CTP este de a activa bazele azotate. Biosinteza fosfatidilcolinei şi foafatidiletanolaminei În prima etapă bazele (etanolamina şi colina) se fosforilează în prezenţă de ATP şi a unei kinaze specifice, apoi reacţionează cu CTP formând CDP-colina, respectiv CDP-etanolamina. În ultima etapă baza fosforilată este transferată pe diacilglicerol cu formarea fosfolipidei şi eliberarea CMP. O HO
CH2
CH2
colinkinaza
+
N (CH3)3
ATP
fosfocolin_citidil_ transferaza CDP CTP
O O
PP
fosfocolin_diacil_ transferaza R2 CMP 1,2- diacilglicerol
P OH
P
ADP
O
CH2
CH2
N+(CH3)3
OH
O O
P
O
CH2
CH2
N+(CH3)3
OH CH2
COO
HO
OCO
CH CH2
R1
O O
P
O
CH2
CH2
N+(CH3)3
OH
Această cale de sinteză a lecitinei se mai numeşte şi cale de recuperare, deoarece lecitina provenită din alimente în urma catabolismului eliberează colina, care poate fi reciclată în acest sens. În ţesuturile animale lecitina se formează şi prin metilarea succesivă a fosfatidiletanolaminei sub acţiunea unui donor de metil (SAM), care trece în SAH. Metilarea are loc în ficat având ca substrat unic fosfatidiletanolamina (cefalin) şi depinde de disponnibilitatea faţă de SAM.
16
NH2 N
+
3 N
N
O
C H2
O C O R1
CH
O C O R2 O
C H2
O
S + C H3
C H2
O
P
C H2
C H2
NH2
OH
(C H2)2 OH OH
C H NH2 C O OH
SA M NH2 N
+
3 N
N O
C H2
S
SA H
O C O R1
CH
O C O R2 O
C H2
O
P
O
C H2
C H2
OH
(C H2)2 OH OH
C H2
lecitina
C H NH2 C O OH
Biosinteza fosfatidilserinei În ţesuturile animale sinteza fosfatidilserinei constă în înlocuirea enzimatică a etanolaminei din cefalină cu serina. Reacţia este reversibilă întrucât fosfatidilserina se poate decarboxila şi reface fosfatidiletanolamina. Fosfatidiletanolamina în continuare se metilează şi formează lecitina. Toate aceste transformări au drept scop formarea de lecitină pentru sistemul nervos şi creier, care necesită cantităţi sporite de lecitină. Catabolismul glicerofosfolipidelor Degradarea glicerofosfolipidelor este un proces complex catalizat de enzime numite fosfolipaze. Locul de acţiune a fosfolipazelor asupra diferitelor legături din molecula substratului. Exemplu:
17
N +(C H3)3
A C H R
2
O C
O A
2
2
O
C H C H
1
C O O
2
O
P C
R
1
D O
O H
Fosfolipaza A1 scindează legătura ester din poziţia 1 a fosfolipidei eliberând acidul gras. Fosfolipaza A2 acţionează asupra legăturii ester din poziţia 2 eliberând acidul gras nesaturat. Prin îndepărtarea unui acid gras din glicerofosfolipide rezultă lizoglicerofosfolipide, care sunt intermediari în metabolismul glicerofosfolipidelor. În general se găsesc în concentraţii mici în celule şi ţesuturi, în concentraţii mari sunt toxice şi au acţiune distructivă asupra membranelor datorită proprietăţii lor tensioactive. Asupra lizofosfolipidelor acţionează fosfolipaza B sau lizofosfolipaza care îndepărtează acidul gras rămas şi formează glicerol-fosforil-baza. Fosfolipaza C atacă legătura ester din poziţia 3 eliberând 1,2-diacilglicerolul şi baza fosforilată. Fosfolipza D hidrolizează baza şi eliberează acid fosfatidic. În urma acestei reacţii este posibil schimbul de baze prin transfer între fosfolipide. Scindarea diferitelor părţi componente ale fosfolipidelor se face cu viteze diferite, astfel că degradarea parţială poate fi urmată de resinteză. De exemplu, catabolismul lecitinei poate avea loc pe mai multe căi: o cale importantă constă în hidroliza de către fosfolipaza A2 a acidului gras din poziţia 2 cu formare de lizolecitină, care fie că este reciclată, fie că suferă catabolism în continuare până la glicerolfosfat şi colină. Lizolecitina se poate forma şi pe o cale alternativă care implică lecitin-colesterolaciltransferaza (LCAT) Enzima se găseşte în plasmă şi probabil în ficat şi transferă acidul gras din poziţia 2 a lecitinei pe colesterol, formând colesterol esterificat la nivelul lipoproteinelor plasmatice. Fosfolipaza A2 care scindează acidul gras nesaturat din poziţia 2 furnizează astfel acizi graşi nesaturaţi pentru sinteza prostaglandinelor, tromboxanilor şi leucotrienelor. În pancreatita acută fosfolipaza A2 trece în sânge unde transformă lecitinele în lizolecitine a căror proprietăţi hemolizante stau la baza anemiilor din pancreatite. Fosfolipaza B care scindează acizii graşi din poziţia 1 sau 2 a lizofosfolipidelor are rol şi în resinteza fosfatidilcolinei, conform următoarei reacţii:
18
b aza
Toxinele bacteriene conţin fosfolipaza C care degradează lecitinele la digliceride şi fosfocolină.
lizofos fatidilc olina + ac il- C oA
fos fatidilc olina + C oA S H
Metabolimul sfingolipidelor Sfingolipidele sunt lipide complexe care se găsesc în cantităţi mari în creier şi ţesut nervos. Toate au ca unitate structurală ceramida (formată dintr-un aminoalcool, sfingozina, şi un acid gras) precum şi o componentă polară. În funcţie de componenta polară se clasifică în: - sfingomieline care conţin ca grupare polară fosforilcolina sau fosforiletanolamina - glicosfingolipide care au ca grupare polară una sau mai multe oze. Exemplu: Prin acilarea grupării amino din sfingozină cu un acid gras cu catena lungă rezultă N-acilsfingozina sau ceramida.
H3C
(CH2)12
CH CH CH CH OH
CH2OH
+
R
COSCoA
NH2
sfingozina H3C
(CH2)12
CH CH CH CH
CH2OH
OH NH CO
+
CoASH
R
ceramida Alte exemple de sfingolipide: Sfingomielina, cerebrizidele, sulfatidele şi gangliozidele. Degradarea sfingolipidelor Sfingolipidele sunt degradate de către sfingomielinază, o enzimă care îndepărtează restul de fosforilcolină. Cerebrozidele şi gangliozidele sunt hidrolizate de către hidroxilaze, care îndepărtează câte un rest de oză de la capetele nereducătoiare ale lanţului glucidic. Arilsulfatazele îndepărtează resturile sulfat din molecule. Toate acestea sunt enzime lizozomale a căror deficit determină boli lizozomale. Aceste boli se caracterizează prin acumularea în ţesuturile substratului de lipide a căror enzime de degradare sunt deficitare şi se numesc sfingolipidoze.
19
Metabolismul colesterolului Colesterolul este un sterol major în organism se găseşte în cantitate mare în ficat, piele, creier, sistem nervos, corticosuprarenală, aortă. intră în structura membranelor celulare şi a lipoproteinelor plasmatice şi este punct de plecare pentru biosinteza acizilor biliari, a hormonilor steroizi şi a vitaminei D3. din organism este de origine exogen provine din alimentaţie (0,3g/zi), (gălbenuş de ou, carne, ficat, creier, unt )endogen provine prin biosinteză. Schema metabolizării colesterolului
hormoni steroizi
formarea membranelor alimente
colesterol
vitamina D3 acizi biliari
colesterol sintetizat esteri ai colesterolului (lipoproteine plasmatice)
Din colesterolul sintetizat 50% se transformă în acizi biliari, care sunt excretaţi în bilă. O parte se transformă la nivelul pielii în vitamina D3, la nivelul corticosuprarenalei în hormoni steroizi şi intră în structura membranelor. Excesul se excretă ca atare, mai întâi în bilă, apoi în intestin unde sub acţiunea florei bacteriene se tranformă în coprostanol şi colestanol, care se elimină prin fecale. Biosinteza colesterolului Toate ţesuturile ce conţin celule nucleate au capacitatea de a sintetiza colesterol, dar cele mai active sunt ficatul, pielea şi aorta. Biosinteza colesterolului este un proces complex, care constă dintr-un număr mare de reacţii ce se transformă în faza solubilă a citoplasmei şi în microzomi. Procesul de biosinteză a colesterolului se desfăşoară în etape, şi anume: transformarea acetil-CoA în acid mevalonic transformarea acidului mevalonic în scualen transformarea scualenului în colesterol. În biosinteza colesterolului singura sursă de atomi de carbon este acetil-CoA.
20
Reacţiile se desfăşoară în faza solubilă a citoplasmei şi reacţiile sunt catalizate de enzime, care în marea lor majoritate sunt ataşate de RE şi necesită prezenţa unor cofactori şi coenzime: NADH, ATP, CoA. Etapele biosintezei colesterolului 1. Formarea acidului mevalonic din acetil-CoA Acidul mevalonic se formează prin condensarea a 3 molecule de acetil-CoA. În prima etapă se condensează numai 2 molecule de acetil-CoA în prezenţa β– cetotiolazei, formând acetoacetil-CoA. În continuare are loc condensarea acetoacetil-CoA cu a treia moleculă de acetilCoA în prezenţa β–hidroxi,β-metil-glutaril-CoA-sintetazei (HMG-CoA-sintetaza) şi formează HMG-CoA. Mai departe gruparea carboxilică legată de CoA este redusă la grupare hidroxilică, cu eliminare de CoA. Reacţia are loc în prezenţa unui sistem multienzimatic catalizat de HMG-CoAreductaza, care necesită NADPH + H+, ca donor de hidrogen. Reacţia catalizată de HMG-CoA-reductaza este etapă limitantă de viteză sau etapă reglatoare în procesul de biosinteză a colesterolului. Când colesterolul se acumulează în cantitate prea mare în celulă înhibă sinteza de HMG-CoA-reductaza.
2H3C CO SCoA H3C CO CH2
tiolaza
CO
H3C CO CH2
CO
SCoA
SCoA + H3C CO SCoA
+
CoASH
HMG_CoA sintetaza
OH HOOC CH2
C CH2
COSCoA
CH3 OH HOOC CH2
C CH2
COSCoA
+ 2NADPH + 2H+
HMG_CoA reductaza
CH3 OH HOOC CH2
C CH2
CH2 OH
CH3
21
+
++ 2NADP
CoASH
2. Transformarea acidului mevalonic în scualen Acidul mevalonic se fosforilează în 3 etape. - în prezenţă de ATP şi mevalonatkinază are loc formarea de acid 5-fosfomevalonic. - a 2-a etapă sub acţiunea fosfomevalonatkinazei, acidul mevalonic trece în acid 5pirofosfomevalonic. - fosforilare are loc în poziţia 3 şi rezultă acid 3-fosfo-5-pirofosfomevalonic. Acesta este un compus instabil care se decarboxilează şi pierde o grupare fosfat şi rezultă izopentenilpirofosfat. 3-izopentenilpirofosfatul se izomerizează la 3,3-dimetilalilpirofosfat sub acţiunea izopentenilpirofosfatizomerazei. Dimetilalilpirofosfatul se condensează cu izopentenilpirofosfatul sub acţiunea geranilpirofosfatsintetazei şi formează geranilpirofosfatul(10atomi de C). În continuare geranilpirofosfatul se condensează cu o nouă moleculă de izopentenilpirofosfat şi rezultă farnezilpirofosfat (15 atomi de C). Prin condensarea reductivă a 2 molecule de farnezilpirofosfat la capetele pirofosfatice rezultă scualen (30 atomi de C). OH HOOC CH2
mevalonatkinaza
C CH2 CH2
OH
CH3
HOOC CH2
ATP
fosfomevalonat kinaza HOOC CH2 ATP ADP
OH
O
C CH2 CH2
OH O OH O
H2C C CH2 CH2 O P CH3
OH
OH O
O P O P OH
CH3
OH
ATP
OH
22
ADP
pirofosfomevalonat decarboxilaza CO2 + H3PO4 O
O O P OH
OPO3H2
pirofosfomevalonat kinaza (Mg+)
O
O P O P OH
CH3
C CH2 CH2
C CH2 CH2 CH3
ADP
OPO3H2 HOOC CH2
OH
H3C C CH CH2 O P O CH3
OH
O P OH OH
CH3
O
C H3C
CH3
O
CH2 O P O P OH + CH
OH
OH
C H2C
O
CH2
geranilpirofosfat sintetaza
O
CH2 O P O P OH PP
OH
OH CH3
CH3 C CH
H3C
O
CH3 CH2
C
O
H2C
O
CH2
CH2 O P O P OH C CH2 CH OH OH
O
CH2 O P O P OH OH
OH
PP
geranilpirofosfat CH3 farnezilpirofosfat CH3 CH3 sintetaza C CH2 CH2 C C CH2 O CH H3C CH2 CH CH2 CH
O
O
P O P OH OH
OH
farnezilpirofosfat
CH3
CH3 2
C
H3C
CH
CH2
H3C
CH
O
CH2 C C CH2 O CH2 CH CH2 CH
CH3 C
CH3
C CH2
CH
P O P OH OH
OH
CH3
CH3 CH2
O
CH2
C CH2
CH2 CH
CH CH2
C
CH2
CH3
CH CH3 CH CH2 CH2 C CH2 C CH3
scualen 3. Transformarea scualenului în colesterol Scualenul în urma ciclizării formează primul sterol, lanosterolul. Înainte de închiderea ciclului, scualenul se hidroxilează în poziţia 3 sub acţiunea unei monooxigenaza formând 2,3-epoxidul scualenului.
23
CH3
O2
O 2,3_epoxidulscualenului
scualen
HO lanosterolul
Lanosterolul conţine 3 grupări metil în plus faţă de colesterol. Grupările metil sunt oxidate de către un sistem hidroxilazic microzomal ce necesită O2 şi NADPH şi sunt îndepărtate sub formă de CO2. Compusul rezultat este zimosterolul (C27 ), care diferă de colesterol prin poziţia legăturii duble din nucleul B şi printr-o legătură dublă la catena laterală. Prin dehidrogenare şi deplasarea dublei legături, zimosterolul trece în 7dehidrodesmosterol, care este precursorul desmosterolului şi a 7dehidrocolesterolului, care sunt precursorii colesterolului.
HO lanosterol
HO
HO zimosterol
24
7_dehidrodesmosterol
HO NA DP H
+H+
7_dehidrodesmosterol
NA DP H
NA DP +
HO 7_dehidrocolesterol NA DP H
+ +
H
NA DP +
HO + +
H
desmosterol NA DP H +H+ NA DP +
NA DP +
HO colesterol
Reacţiile de transformare ale scualenului în colesterol sunt catalizate de enzime microzomale prezenţa a două proteine din faza solubilă a citoplasmei, numite proteine transportoare de scualen, respectiv de steroli. Rolul lor este de a forma complecşi solubili cu sterolii facilitând astfel reacţiile din mediul apos din celulă. -bilanţul biosintezei colesterolului -este un proces consumator de energie şi echivalenţi reducători. -pentru sinteza unui mol de colesterol se consumă 18 moli de acetil-CoA, 16 moli NADPH şi 36 legături macroergice de ATP. Colesterolul eliberat este utilizat de către celulă sinteze de membrane, iar în celulele specializate este utilizat sinteza de acizi biliari în ficat hormoni steroizi în corticosuprarenală, hormoni sexuali în gonade. Cantitatea de colesterol eliberată de LDL determină viteza metabolismului colesterolului, reglarea la nivel celular, astfel, excesul de colesterol acumulat în celulă acţionează prin 3 mecanisme importante: 1. Înhibă sinteza de novo, adică reduce capacitatea celulei de a sintetiza colesterol, prin înhibarea sintezei enzimei HMG-CoA reductaza, în lipsa căruia celula va utiliza numai colesterol extracelular introdus prin receptori. 25
2. Colesterolul extras din LDL facilitează stocarea lui în celulă prin activarea enzimei acilcolesterol-aciltransferazei(ACAT), care esterifică colesterolul în exces în vederea depunerii lui sub formă de picături în citoplasmă. 3. Acumularea colesterolului înhibă prin mecanism feed-back sinteza de noi receptori pentru LDL. Înhibarea are loc la nivelul biosintezei proteinelor în etapa transcrierii. Absorbţia şi transportul colesterolului Colesterolul exogen provine din alimente de natură animală în care se găseşte liber şi esterificat. Raţia zilnică a unui adult conţine 0,6-1,2g colesterol, din care se absoarb 0,30,4g/zi.Când concentraţia lui din hrană este mai mică, absorbţia este mai eficientă şi invers. Spre deosebire de colesterol, sterolii vegetali nu se absorb, ei sunt total excretaţi de lumenul intestinal. In lumenul intestinal colesterolul din hrană este încorporat în agragate micelare mixte formate din acizi biliari, fosfolipid şi colesterol. Colesterolul esterificat la nivelul micelelor este hidrolizat de către colesterolesteraza pancreatică, deoarec numai colesterolul liber este absorbit de către celulele mucoasei intestinale. O parte din colesterolul este reexcretat în intestinul subţire şi eliminat prin fecale. Cea mai mare parte din colesterolul absorbit împreună cu cel sintetizat în intestin, se esterifică în celulele mucoasei intestinale sub acţiunea ACAT (acil-colesterolaciltransferazei), enzimă ce transferă un acid gras activat pe colesterol. Colesterolul liber şi esterificat este integrat în chilomicroni, lipoproteine mari, încărcate cu trigliceride. Chilomicronii ajung în sânge şi la nivel extrahepatic (ţesut adipos şi muscular) descarcă trigliceridele cu ajutorul lipoprotein-lipazei din endoteliul capilar. Chilomicronii reziduali ce conţin esteri ai colesterolului şi colesterol sunt captaţi de către ficat unde esterii sunt hidrolizaţi. Ficatul sintetizează probeta-lipoproteinele sau VLDL, care conţin trigliceride şi colesterol esterificat. Când VLDL traversează vasele capilare ale ţesutului adipos şi muscular cedează trigliceridele, iar particulele rămase, de talie mică, ce conţin esteri ai colesterolului sunt aşa-numitele lipoproteine cu densitate intermediară (IDL). IDL dispar rapid din circulaţie, în aproximativ 2-6 ore de la formarea VLDL, în urma interacţiunii lor cu ficatul. Acesta extrage colesterolul din IDL şi-l utilizează pentru sinteza de VLDL şi acizi biliari. Lipoproteinele IDL care nu sunt utilizate de către ficat rămân în circulaţie şi după un timp apoi se disociază şi devin beta-lipoproteine. IDL reprezintă fracţiunea care conţine cea mai mare proprţie de colesterol. Transportul colesterolului de la ţesuturile extrahepatice la ficat se face de către α– lipoproteine (HDL), care se sintetizează în ficat şi intestin.
26
La nivelul HDL are loc esterificarea colesterolului din plasmă printr-o reacţie de transesterificare între acidul gras din poziţia 2 a lecitinei şi colesterol. Reacţia este catalizată de LCAT. Esterii colesterolului de pe HDL sunt transferaţi pe LDL, apo pe IDL pentru a fi reciclaţi. HDL sunt apoi catabolizate de către ficat şi intestin. HDL şi LCAT au rolul de a purifica ţesuturile extrahepatice de colesterol. În final, tot colesterolul este destinat excreţiei în ficat, apoi excretat în bilă, fie ca atare, fie ca acizi biliari. Concentraţia normală de colesterol plasmatic la adult este în medie de 200mg%. Există variaţii în funcţie de vârstă, sex (mai crescută la bărbaţi decât la femei până la menopauză), în funcţie de alimentaţie şi variază de la un individ la altul. Aproximativ 65% din colesterolul plasmatic se găseşte sub formă esterificată. Determinările de colesterol se fac άjeun, adică la 12-14 ore de la ultima masă, când în mod normal în plasmă nu există chilomicroni şi există puţine probetalipoproteine (VLDL). În aceste condiţii colesterolul este conţinut în cea mai mare parte în fracţiunea LDL şi HDL. Creşterea colesterolului plasmatic sau hipercolesterolemia apare în diferite boli cum sunt: hipercolesterolemia familială şi aterosclerpoza. Hipercolesterolemia familială este o boală genetică ce se caracterizează prin creşterea beta-lipoproteinelor şi a colesterolului în plasmă. Ateroscleroza este o boală ce se caracterizează prin depunerea de colesterol esterificat pe pereţii arterelor sub formă de plăci numite ateroame. Acest fapt duce la îngustarea lumenului capilarelor şi în cele din urmă la apariţia infarctului. Catabolismul colestrolului Degradarea nucleului steranic în compuşi simpli nu are loc în organism, el se elimină sub formă de derivaţi ai steranului, inactivi biologic. Astfel, în funcţie de ţesut, colesterolul suferă următoarele transformări:
colesterol
intestin
steroli neutri
ficat
acizi biliari
coprostanol colestanol
piele
7- dehidrocolesterol(provitaminaD3) corticosuprarenale hormoni steroizi Sterolii neutri O parte din colesterolul exogen se excretă ca atare prin intestin, fără să fie absorbit. O altă parte se transformă în intestinul gros sub acţiunea florei bacteriene în steroli neutri: coprostanol şi colestanol, care se elimină prin fecale.
27
Acizii biliari Formarea acizilor biliari primari are loc în ficat, prin introducerea grupelor hidroxil în molecula colesterolului şi scindarea catenei laterale. În urma acestei transformări (hidroxilare nşi scindarea catenei laterale) rezultă acizii biliari sub formă activată cu CoA şi anume: colil-CoA şi chenodezoxicolilCoA. Urmează apoi conjugarea cu glicocolul şi taurina cu formarea de acizi biliari primari: glicocolic, glicochenodezoxicolic taurocolic, taurochenodezoxicolic Acizii biliari sunt excretaţi în bilă unde datorită mediului alcalin vor forma săruri biliare de Na şi K.
OH COOH
COOH
OH
HO
OH
HO
acid chenodezoxicolic
acid colic
Din bilă acizii biliari sunt deversaţi în intestin. La nivelul intestinului o parte din acizii biliari primari sunt transformaţi sub acţiunea florei bacteriene în acizi biliari secundari. Aceste transformări constau din conjugarea prin hidroliza glicocolului şi a taurinei şi îndepărtarea grupării OH din poziţia 7. Astfel acidul colic trece în acid dezoxicolic, iar acidul chenodezoxicolic trece în acid litocolic. OH COOH
COOH
HO
7
7
HO
acid litocolic acid dezoxicolic În condiţii normale un om sintetizează 200-500mg acizi acizi biliari pe zi. Rata sintezei este reglată de cantitatea de acizi biliari care se reîntorc din intestin în ficat, pentru a se înlocui pierderile de acizi biliari eliminaţi prin intestin. În acest fel, rezervorul de acizi biliari rămâne constant.
28
Acizii biliari primari şi secundari din intestin sunt reabsorbiţi în proprţie de 99% şi se reîntorc prin circulaţia portală la ficat. De la ficat sunt reexcretaţi în bilă, apoi în intestin, efectuând aşa-numitul ciclu enterohepatic. În condiţii normale zilnic parcurg acest ciclu 3-5g acizi biliari din care numai 1% sunt excretaţi prin fecale. Funcţiile acizilor biliari sunt următoarele: Datorită proprietăţilor tensioactive, acizii biliari au rol în emulsionarea grăsimilor la nivelul intestinului, favorizând digestia şi absorbţia lor, precum şi a vitaminelor liposolubile: A, D, E şi K. Acizii biliari activează lipaza pancreatică şi colesterolesteraza pancreatică. Deasemenea împreună cu lecitinele contribuie la solubilizarea colesterolului sub formă de micele din bilă. Acizii biliari au acţiune coleretică, de stimulare a secreţiei biliare şi acţiune colagogă, de contracţie a vezicii biliare. Biotransformarea colesterolului în vitamina D3 Colesterolul la nivelul pielii se transformă în 7-dehidrocolesterol sau provitamina D3, care sub acţiunea radiaţiilor UV formează vitamina D3. Vitamina D3 sau colecalciferolul face parte din grupul vitaminelor D, substanţe liposolubile care au acţiune antirahitică la copil şi previn osteomalacia la adult. Vitamina D se formează prin iradiere cu lumina UV a sterolilor nesaturaţi din plante şi animale. Astfel, din ergosterol rezultă ergocalciferolul sau vitamina D2, iar din 7-dehidrocolesterol rezultă colecalciferol sau vitamina D3.
29
UV
HO
HO vitamina D2
ergosterol
UV HO
HO
vitamina D3
7_dehidrocolesterol
Omul are 2 surse de vitamine: una exogenă din alimente şi una endogenă din fotoliza 7-dehidrocolesterolului din piele. Vitaminele D2 sau D3 din alimente se absorb la nivelul intestinului sub formă de micele, apoi este transformată în sânge de o globulină specifică şi ajunge la ficat. În ficat vitamina D3 este hidroxilată în poziţia 25 de către o hidroxilază specifică, rezultând calciferol, care este metabolitul principal din circulaţie. Acizii graşi esenţiali (AGE) Importanţa acizilor graşi esenţiali în alimentaţie a fost subliniată de la începutul secolului prin experienţe pe animale. Carenţa se manifestă prin tulburări de creştere, reproducere, dermatite, rezistenţa scăzută la stres şi unele deficienţe în transportul lipidelor. Acizii graşi esenţiali îndeplinesc în organismun rol multiplu: -surse de eicosanoide, ei se găsesc în lipidele structurilor celulare -sunt implicaţi în menţinerea integrităţii membranei mitocondriale -se găsesc în cantitate mare în organele de reproducere -intră în structura fosfolipidelor. Eicosanoidele- grup de compuşi ce derivă din acizii graşi eicosanoidici. Cuprind: 1. prostanoidele
prostagladinele (PG) tromboxanii (TX)
30
prostaciclinele (PC). 2. leucotrienele (LT). Biosinteza prostaglandinelor Prostaglandinele au fost descoperite prima dată în plasma seminală, de unde şi numele, iar ulterior au fost găsite în toate ţesuturile. Prostaglandinele sunt : -compuşi foarte activi biologic -în concentraţie de numai 1 μg/l produc contracţia musculaturii netede. -dpdv structural derivă din acizi graşi cu 20 de atomi de carbon, care pot avea în moleculă 3,4 sau 5 duble legături. Din aceşti precursori derivă prostaglandinele primare (seria E, PGE), care prezintă la carbonul C9 o grupare cetonică, iar la carbonul C11 o grupare hidroxilică sau seria F, când au în ambele poziţii C şi C grupări hidroxilice. Prostaglandinele secundare derivă prin modificări enzimatice din prostaglandinele din seria E. O COOH
HO
OH P GE 1
31
O COOH HO
OH PGE 2
HO
COOH
HO
OH PGF 1
HO COOH HO
OH P GF 2
O COOH HO
OH P GE 3
O C O OH HO
OH P GE 3
Cel mai frecvent precursor al prostaglandinelor este acidul arahidinic, care este foarte răspândit în ţesuturi.
32
Acesta sub sub acţiunea unei ciclooxigenaze se transformă într-un endoperoxid ciclic (PGG2) care este precursorul imediat al prostaglandinelor, tromboxanilor şi al prostaciclinelor. COOH
COOH acid arahidonic
acid eicosatrienoic
P GE 2, P GF 2
P GE 1, P GF 1 COOH
acid eicosapentaenoic
P GE 3, P GF 3
Obţinerea prostaglandinelor din acidul arahidonic se face pe calea ciclooxigenazei. Sub influenţa acestei enzime acidul arahidonic se transformă într-un endoperoxid ciclic (PGG2).
33
fosfolipide membranare
fosfolipaza A2
COOH
acid arahidonic O2
ciclooxigenza
O COOH endoperoxid ciclic
O OOH PGG2
prostagladinsintetaza O COOH HO OH P GE 2 HO COOH HO OH P GF 2
Cicloxigenaza poate să fie înhibată de aspirină şi indometacin, care sunt antiinflamatori nesteroidieni. Blocând ciclooxigenaza, antiinflamatoarele nesteroidiene opresc biosinteza prostaglandinelor, dobândind astfel eficienţa terapeutică în tratamentul proceselor inflamatorii. Acidul arahidonic necesar sintezei prostaglandinelor este rezultat din fosfolipidele membranare sub acţiunea fosfolipazei A2, care poate să fie înhibată de corticosteroizi cu efect antiinflamator. Tot din acid arahidonic se pot sintetiza şi alte eicosanoide cum ar fi: prostaciclinele, tromboxanii şi leucotrienele.
34
activata de adrenalina, angiotensina II
fosfolipide lizofosfolipide
fosfolipaza A2 inhibata de AINS
acid arahidonic
c.lipooxigenazei LT4
inhibata de indometacin, aspirina (AINS)
c.ciclooxigenazei PG2, PGI2, TX2
Acţiunea biologică a prostaglandinelor este extrem de complexă. Uneori diferitele prostaglandine au efecte opuse şi din interacţiunea lor rezultă echilibrele biologice ale anumitor funcţiuni ale organismului Prostaglandinele acţionează atât asupra adenilatciclazei cât şi asupra guanilatciclazei, influenţând biosinteza AMPc şi GMPc Prin intermediul acestor mesageri secunzi influenţuază secreţia unor glande endocrine cum sunt: tiroida, suprarenalele, ovarul, paratiroidele. Alţi hormoni cum sunt: bradikinina, acetilcolina, histamina stimulează şi ei sinteza de prostaglandine. Deasemenea o excitare sau o lezare a membranelor celulare declanşează biosinteza de prostaglandine prin eliberarea de acizi graşi nesaturaţi din fosfolipide. Principalele efecte ale prostaglandinelor sunt: efectul lipolitic, efectul asupra apei şi electroliţilor, de unde decurge intervenţia prostaglandinelor şi asupra metabolismului Ca, stimulând activitatea osteoclastelor şi producând hipercalcemie. Prostaglandinele influenţează contracţia musculaturii netede, îndeosebi a uterului gravid, precum şi a aparatului respirator şi a tractului gastro-intestinal. Efectele metabolice multiple ale prostaglandinelor deschid căi variate de utilizare a lor în terapeutică. în tratamentul astmului bronşic, a ulcerelor, a bolilor cardiovasculare sunt utilizate pentru declanşarea travaliului în sarcinile ajunse la termen. sunt implicate în procesele inflamatorii unele medicamente antiinflamatoare nesteroidiene, cum este de exemplu aspirina care îşi datoreză acţiunea farmacodinamică capacităţii lor de a inhiba sinteza prostaglandinelor. Procesul de degradare a prostaglandinelor se realizează rapid prin oxidare la carbonul 15 şi prin β–oxidarea acidului gras, începând de la capătul ce conţine gruparea carboxilică, -COOH.
Metabolismul corpilor cetonici 35
Corpii cetonici sunt produşi în cantităţi mari în ficat, de unde trec prin difuziune în sânge. În anumite condiţii metabolice ficatul produce cantităţi mari de acid acetilacetic şi acid β–hidroxibutiric. Acidul acetilacetic suferă o decarboxilare spontană şi trece în acetonă. Aceşti 3 compuşi sunt cunoscuţi sub denumirea de corpi cetonici.
C
C
O
CH3
CH3
CH3
CH3
CO2
acetona
CH
O
CH2
+
NADH +H+NAD
OH
CH2 COOH acid betahidroxibutiric
COOH acid acetilacetic
Acidul acetilacetic şi hidroxibutiric sunt în echilibru, acesta fiind controlat de raportul NAD+/NADH din mitocondrie. În sânge raportul acid betahidroxibutiric/acid acetilacetic este cuprins între 1:1 şi 1:10. Concentraţia normală de corpi cetonici din sânge este de sub 1mg%, iar eliminarea lor prin urină este de sub 1mg/24 de ore. Cantităţi peste valorile normale în sânge (cetonemia) şi eliminarea lor în urină (cetonuria) reprezintă o stare cunoscută sub numele de cetoză. Condiţia de cetoză este asociată cu deplasarea hidraţilor de carbon utilizabili, cuplată cu mobilizarea acizilor graşi liberi. Deoarece acidul acetilacetic are caracter acid pronunţat, excreţia prin urină poate duce la la cetoacidoză, care poate să fie fatală într-un diabet netratat. În vivo, ficatul pare să fie singurul organ care produce cantităţi semnificative de corpi cetonici, iar ţesuturile extrahepatice le utilizează ca substrate respiratorii. Fluxul de corpi cetonici de la ficat spre ţesuturile extrahepatice se datoreşte unui mecanism enzimatic de producere în ficat, cuplat cu o activitate scăzută a enzimelor responsabile în utilizarea lor; în schimb în ţesuturile extrahepatice situaţia se inversează. Enzimele responsabile de formarea corpilor cetonici sunt localizate în mitocondrie. Substratul cetogenezei este acidul acetilacetic, care rezultă din fragmentul C4 terminal rezultat prin oxidarea acizilor graşi în ficat, fie prin reversarea reacţiei catalizată de tiolază. Dezactivarea acetoacetil-CoA la acetoacetat se poate realiza pe două căi. Prima cale este deacilarea acetoacetil-CoA în prezenţa acetoacetil-CoA deacilazei, conform reacţiei:
H3C
CO CH2
CO
SCoA
H3C
CO CH2
COOH
CoASH A doua cale este aceea prin care are loc condensarea unei molecule de acetoacetil-CoA cu o moleculă de acetil-CoA cu formare de β–hidroxi-β-metilglutarilCoA, catalizată de HMGCoA sintetaza. Acesta este scindat în prezenţa β–hidroxi-β-metilglutaril-CoA liazei mitocondriale cu formare de acetoacetat. 36
H3C CO CH2 HMG_CoA liaza
HMG_CoA OH sintetaza H3C C CH2 CO SCoA CO SCoA +H3C CO SCoA CH2 COOH
H3C CO CH2 COOH + H3C CO SCoA
Ambele enzime sunt localizate în mitocondriile hepatice, locul de formarea a corpilor cetonici. Acetoacetatul format poate fi transformat în beta-hidroxibutirat în prezenţa betahidroxibutirat-dehidrogenazei. Ficatul dispune de echipamentul enzimatic necesar sintezei corpilor cetonici, dar nu dispune de cel necesar în reactivarea lor pentru a putea fi metabolizaţi. Acest proces are loc în ţesuturile extrahepatice şi se poate realiza pe două căi. Una din căi presupune reacţia acetoacetatului cu succinil-CoA în prezenţa succinilCoA-acetoacetat-CoA transferazei. CH3 CH3 COOH
C
O
CH2
+
CH2
transferaza
C
O
+
CH2
CH2
CO SCoA COOH CO SCoA Cea de-a doua cale activează acetoacetatul în prezenţă de ATP şi CoA şi acetoacetatkinază. În mod normal corpii cetonici sintetizaţi în ficat reprezintă substrate uşor metabolizabile pentru ţesuturile extrahepatice unde sunt scindaţi în acetil-CoA în prezenţa tiolazei şi oxidaţi prin ciclul citric. Oxidarea corpilor cetonici în ţesuturile extrahepatice se face proprţional cu concentraţia lor în sânge. Până la o concentraţie de 70mg% ei sunt oxidaţi, peste această valoare, capacitatea oxidativă a sistemului de degradare este depăşită, concentraţia va creşte şi vor fi eliminaţi prin urină.
Hormonii steroizi 37
COOH CH2 CH2 COOH
Generalitati Principalii hormoni si glande (tesuturi) care ii produc: Glanda endocrina sau tesutul Hormon Tiroida Paratiroida Medulosuprarenala Testicul Ovar Adenohipofiza
Neurohipofiza
-tetraiodtironina T4 -triiodtironina T3 -parathormonul -adrenalina -testosterona -estradiol -progesterona -hormon de creştere -prolactina -gonadotropine -tireotropina -vasopresina -oxitocina
Glanda endocrina sau tesutul
Hormon
Hipotalamus
Creier
-hormon eliberator ( RH, TRH, CRH) -hormon inhibitor (RIH, GH-RIH) -insulina -glucagonul -neuropeptide diverse
Epifize
-melatonina
Stomac
-gastrina
Intestin
-secretina -colecistokinina -gonadotropina corionica -hormonul lactogen placentar -peptide natriuretrice
Pancreas
Placenta Imuno
Sistemul nervos şi sistemul hormonal, fiecare prin mijloacele proprii dar interdependente au rolul de a coordona răspunsurile celulelor, ţesuturilor la semnalele venite din mediul extern sau intern
38
În sistemul hormonal comunicarea moleculară se face între o celulă (endocrină) care produce şi secretă o moleculă semnal (hormon) şi o altă celulă situată la distanţă (celula ţintă), hormonul fiind transportat între celula secretorie şi celula ţintă prin sistemul circulator. Sistemul hormonal e alcătuit din glande endocrine, hormoni circulanţi şi ţesuturile ţintă. De regula hormoni sunt produşi de celule sau grupuri de celule specializate unuia sau a mai multor hormoni (glande endocrine). Totuşi toate celelalte ţesuturi (ficat, rinichi, inimă etc.) au capacitatea de a elibera molecule semnal pentru alte celule. O celulă aptă să răspundă la un semnal hormonal e denumit celula ţinta pentru acel hormon. Unii hormoni acţionează în mod specific numai asupra unui tip de celule, pe când alţi constituie semnale externe pentru o varietate mai mare de celule. Transportul hormonilor e pe cale sanguină. Hormoni peptidici şi catecolaminele circulă în plasmă în stare liberă. Hormoni steroidici, hormoni tiroidieni şi vitamina D şi formele sale active sunt liposolubile şi sunt transportaţi de proteine specifice din plasmă. Proteinele de transport au specificitate înaltă pentru un hormoni sau un grup de hormoni.
Reglarea secretiilor hormonale Secreţia unui hormon suferă fluctuaţii în raport cu diverşi factori. Eliberarea hormonului dintr-o celulă secretoare este controlată prin funcţionarea unor mecanisme de feed-back. Majoritatea glandelor endocrine ( tiroida, gonadele, cortexul andrenalelor ) sunt controlate prin intermediul hipofizei anterioare care produce hormoni, tropine, cu funcţie de reglare a activităţii glandei periferice. Nivelurile plasmatice ale hormonilor periferici variază în mod invers cu cele ale tropinelor hipofizare. Relaţiile feed-back între adenohipofiza şi glandele endocrine aflate sub controlul acesteia se stabilesc atât direct cât şi prin intermediul hormonilor hipotalamici care stimulează eliberarea de tropine sau inhibă eliberarea acestora. Secreţia hormonilor hipotalamici este controlat prin feed-back negativ atât de hormonul glandei periferice, cât şi de tropina hipofizară. Hipotalamusul primeşte impulsuri pentru secreţia hormonilor proprii din regiunile învecinate ale sistemului nervos central, realizându-se o interconectare neuroendocrina. Activitatea secretorie a paratiroidei a pancreasului endocrin este reglată de parametrul biologic pe care îl controlează, glicemia, calcemia. Creşterea glicemiei declanşeaza eliberare de insulină cu acţiune hipogilcemiantă. Parathormonul este eliberat cu răspuns la
39
hipocalcemie, că prin acţiunea sa hipercalcemiantă să redreseze calcemia.
Mecanismul de actiune a hormonilor steroizi Caracteristici: substanţe apolare traverseaza uşor membranacelulară în citoplasmă se fixează de structuri proteice receptoare specifice peptide monocatenare . capătul polar -hormoni bazic N-terminal( lizină,arginină,histidină)- ADN-ul nuclear. Pentru manifestarea efectelor, complexele formate sunt: activate-fosforilarea peptidului receptor (proteinkinaza). inactivate-defosforilare (fosfoproteinfosfataza).Ionii molibdenici inhibă activitatea enzimei,ca urmare prelungesc activitatea hormonilor steroizi. În urma fosforilării lor complexele receptor-hormon se transportă prin intermediul canalelor reticulului endoplasmatic în nucleu,unde se fixează de ADN. Cuplarea este inhibată competitiv de vitamina B6. Prin această translocaţie hormoni steroizi îşi exercită efectele asupra materialului genetic. Aceste acţiuni se manifestă prin: depresare a unor gene temporar modificarea funcţiilor unor gene în acţiune. Moleculele hormonilor se eliberează din complexul fixat pe ADN,peptidele vehiculate se descompun.
Hormoni care regleaza metabolismul calciului Concentraţia Ca în lichidul extracelular este mentinut la valori constante în ciuda fluctuaţiilor în aport, excreţia şi depozitarea Ca în oase. Homeostaza Ca extracelular este asigurat de hormonul paratiroidian, calcitonina şi 1,25-dihidroxi-colecalciferolul, care acţionează asupra osului, rinichiului şi intestinului. 1,25-dihidroxi-colecalciferol: -derivat al vitaminei D3. -un hormon liposolubil cu o structură înrudită cu a steroizilor şi mecanismul de acţiune la nivel celular este similar. -ţesutul ţintă este intestinul unde promovează absorbţia Ca şi a fosfatului, translocarea din lumen în spaţiul extracelular. Hormonii steroizi sunt secretaţi de: 40
Corticosuprarenală (mineralocorticoizi, glucocorticoizi hormonii sexuali) testicol (hormonii androgeni) ovar (hormonii estrogeni) placentă (hormonii luteali)
Glandele suprarenale sunt alcătuite din două regiuni distincte cu origini embriologice, având structuri şi funcţii diferite. Porţiunea- corticală ( 90% din glandă) se dezvoltă din mesoderm şi produce hormoni de natură steroidică. - medulara este de origine nervoasă elaborează substanţe numite catecolamine: dopamine noradrenalina (norepinefrina) şi adrenalina (epinefrina)
Hormoni glucocorticoizi Cortexul suprarenalei, la adult este alcătuit din trei zone distincte histologic: -un strat exterior (zona glomerulară)secretă mineralocorticoizi. -unul median (zona fasciculată) -zona reticulară Zona fasciculata şi zona reticulară produc glucocorticoizi şi hormonii sexuali. Zona externă şi cele două zone interne se comportă ca două unităţi separate prin produsele secretate şi prin mecanisme reglatori. Biosinteza Hormonii steroizi au la bază, ca şi colesterolul scheletul ciclopentanoperhidrofenantrenic. Catena laterală este mai scurtă decât la colesterol sau lipseşte complet,molecula formată din 21,19,18 atomi de C. Hidrocarbura policiclică cu - 21 atomi de C de la care derivă hormonii CSR şi luteali se numeşte pregnan. - 19 atomi de C de la care derivă hormonii androgeni se numeşte androstan.Au în poziţia 17 o grupare ceto(17 cetosteroizi ). -18 atomi de C de la care derivă hormonii estrogeni se numeşte estran. Sinteza porneşte de la colesterol. Sub acţiunea unei hidrolaze din colesterol esterificat se desprinde colesterolul liber. Un cărăuş proteic îl transporta în mitocondrii.Sub acţiunea unei colesteroldesmolaze se transformă în pregnenolon. Pregnenolonul în REN trece în progesteron printr-un proces de dehidrogenare. Progesteronul în- zona glomerulară formează aldosteron. - zona fasciculată şi reticulară formează cortizoli şi androgeni În cortexul suprarenal se află un număr mare de steroizi, dar aceia care sunt secretaţi în cantităţi suficiente pentru a exercita acţiuni hormonale sunt: - glicocorticoizi -cortisolul efecte asupra metabolismului glucidic lipidic, proteic - mineralocorticoizi- aldosteronul metabolismului mineral 41
- hormonii sexuali -dehidroepiadrenosterona -androstendiona -estrogeni cu influenţă redusă asupra procesului de reproducere Structura
Structura CH2
OH
O=C HO
OH
O =
Hidrocortizon
O =
H O
D ehidroepia ndrosterona
O
=
HO
O=
Androstendiona
42
Actiune Cortizolul exercită asupra metabolismului intermediar multiple acţiuni, anabolice şi catabolice după:- natura ţesutului - a stării organismului - în funcţie de concentraţiile altor hormoni. Acţiunea cea mai clară este: stimularea gluconeogenezei hepatice asupra proteinelor hepatice are acţiune anabolică. inhibă trecerea glucozei sanguine în ţesutul adipos, în muschi, ceea ce duce la hiperglicemie. la nivelul ţesutului adipos, cortizolul exercită actiune lipolitică, cu eliberare de glicerol şi acizi graşi în sânge. creşterea ratei metabolismului proteic determină sporirea excreţiei azotului rezultat şi inducţia enzimelor din ciclul ureogenetic Cortizolul în sângele circulant este aproape în totalitate legat proteic. mică parte este fixat de albumină 90% vehiculat de transcortina(CBP cortisol binding protein produs în principal în celulele zonei fasciculate şi modic la nivelul zonei reticulate. poate fi transformat reversibil în cortizon, produs cu activitate biologică mică În afara efectelor metabolice, la concentraţii mai mari decât cele fiziologice, cortizolul (hidrocortizona) exercită acţiuni antiinflamatoare şi imunosupresive care stau la baza utilizării terapeutice a corticosteroizilor sau a compuşilor înrudite obţinuţi prin sinteză.
Hormoni mineralocorticoizi Aldosteronul Participă la menţinerea homeostazei hidrice şi electrolitice. Ţesutul principal, ţintă, pentru aldosteron, este rinichiul, la nivelul tubilor renali (distali şi colectori). Se produce în zona glomerulară ,dar intermediarii sintezei acestui hormon, DOC ,corticosteron,18 hidrocortizon este posibil să fie produşi şi în zonele fasciculată şi reticulată. Creşte - absorbţia activă de sodiu - reabsorbţia pasivă a clorului - eliminarea potasiului Retenţia de sodiu antrenează şi retenţia osmotică de apă. Controlul secreţiei de aldosteron are loc prin mecanisme distincte de acelea care operează în cazul glucocorticoizilor.
43
Acest control se realizează prin sistemul renină-angiotensină care are un rol deosebit în reglarea fluidului extracelular şi al presiuni sanguine. Aldosteronul creşte reabsorbţia Na+ în tubii renali, cu eliminarea ionilor K+ şi H+. El stimulează în condiţii normale retenţia de Na+ în glandele sudoripare şi în celulele mucoase ale colonului. Secreţia de aldosteron este stimulată de volumul lichidului extracelular. Hiposodemia, hipovolemia, şi reducerea consecutivă a presiunii de distensie la nivelul unor receptori renali aparatul juxtaglomerular localizat în pereţi arteriolelor aferente determină secreţia de renină. Renina acţionează asupra angiotensinogenului, o globulină produsă în ficat şi eliberează angiotensina I. Sub acţiunea enzimei de conversie se transformă în angiotensină II. Aceasta acţionează direct asupra zonei glomerulare a cortexului suprarenal şi determină secreţia de aldosteron. Efectul este cel de creştere a retroresorbţiei de sodiu pe tot traiectul tubilor renali şi de favorizare a eliminării ionilor de potasiu şi de hidrogen.
CH2 -OH O=HC
C=O
HO
O
=
Aldosterona
HO CH2 -OH O
CH
C=O
O=
Hormoni sexuali Sunt hormoni steroizi reprezentaţi de : - testiculari-androgeni - ovarieni- estrogeni 44
-progesterona. Sunt transportaţi în plasmă sub formă legată de proteine transportoare specifice proteine fixatoare a hormonilor sexuali(sex hormon binding protein ). Hormoni androgeni Principalul hormon androgen testicular este testosteronul, dar testiculul mai secretă cantitate mică de dihidrotestosteronă Sunt hormoni sexuali masculini sintetizaţi de celulele interstiţiale (Leydig) din testicul. OH
O=
OH
Testosterona
O=
OH
Dihidrotestosterona
Alţi steroizi produşi de cortexul suprarenalei intermediari în sinteza testosteronei din testicul sunt : - dehidroepiandrosterona - androstendiol - androstendiona
45
O =
OH
Dehidroepiandrosterona
HO
O=
androstendiol
androstendiona
Acţiune Testosteronul controlează: -procesele fundamentale necesare dezvoltării şi funcţionării organelor sexuale -apariţiei şi intreţinerii caracterelor sexuale secundare -spermatogenezei. Androgenii stimulează sinteza proteică, acţiune deosebit de puternică la pubertate, care duce la dezvoltarea oaselor şi musculaturii scheletice. Hormonii ovarieni Aceşti hormoni sunt de două grupe: - estrogeni - progesterone Pe lângă sinteza ovariană, estrogenii se mai formează în cantităţi mici, testicul, corp galben, placentă.
46
În timpul gestaţiei unitatea feto-placentară sintetizează cantităţi mari de progesteronă. Estrogenii sunt steroli cu 18 atomi de carbon (lipseşte gruparea metil din poziţia 10 ). OH
O =
HO
Estradiol
HO
Estrona
Progesteronul este un steroid cu 21 atomi de carbon, secretat de corpul galben şi placentă .
CH 3 C=O
O=
progesterona
Hormoni ovarieni controlează: -dezvoltarea aparatului reproducător feminin -apariţia şi menţinerea caracterelor sexuale secundare -reglează, ciclul ovarian, fecundaţia, gestaţia, naşterea şi lactaţia. Estrogenii şi progesteronele acţionează fie sinergic fie antagonist.
47
Pregnenolona: derivă din colesterol precusorul steroizilor C18, C19 and C21. Progesterona: produs din pregnenolonă secretată de către corpus luteum induce faza secretorie a endometrului pregătind mucoasa pentru nidaţie (faza luteală a ciclului ovarian) stimulează creşterea şi dezvoltarea acinilor glandelor mamare
Aldosterona: principalul hormon mineralocorticoid produs din progesterona în zona glomerulară a corticosuprarenalei, măreşte reabsorbţia de Na
Testosteronul: hormonul androgen secretat de testicole rezultă din progesteronă imprimă şi dezvoltă caracterele sexuale masculine primare şi secundare
Estradiol: hormonul estrogen, produs în ovar determină caracterele sexuale secundare feminine .
48
Cortizol:hormon sintetizat din progesteron în zona fasciculată a corticosuprarenalei participă la reacţiile de adaptare a organismului la condiţiile stres creşte TA şi reabsorbţia de Na numeroase efecte asupra sistemului imunitar
Sinteza hormoni steroizi adrenali din colesterol.
49
Sinteza hormonilor sexuali maxculini de la nivelul celulelor Leydig din testicole. P450SSC, 3β-DH, şi P450c17 sunt aceleaşi enzime necesare sintezei de hormoni steroizi corticoizi 17,20-liaza are aceeaşi acţiune cu a CYP17A1 Aromataza (denumită şi estrogen sintetaza) este CYP19A1. 17-ketoreductaza denumită şi 17β-hidroxisteroid dehidrogenaza tip 3 (gene symbol HSD17B3). Numele 5α-reductazei este 5α-reductaza tip 2 (gene symbol SRD5A2).
50
Sinteza hormonilor sexuali feminini din ovar. Producerea testosteronului şi a androstendionei din colesterol urmează acceaşi cale de sinteză cu a hormonilor sexuali maxculini. Aromataza (estrogen sintetaza) este CYP19A1.
Metabolismul proteinelor Digestia şi absorbţia proteinelor Majoritatea compuşilor cu azot ingeraţi de om sunt proteine. Deci, atunci când discutăm digestia proteinelor, implicit discutăm şi digestia compuşilor cu azot. Moleculele proteice intacte nu pot fi absorbite ca atare prin tractul gastro-intestinal la animalele adulte, decât în cazuri excepţionale şi foarte rare. Pentru a putea fi absorbite proteinele sunt hidrolizate la structuri cu molecule mai mici de aminoacizi sau peptide mici. Cu toate că proteinele au structuri complexe, ele sunt formate de un număr redus de aminoacizi (cca. 20) diferiţi, legaţi între ei prin legături peptidice. Legătura peptidică se rupe uşor conducând la un amestec de aminoacizi liberi. Teoretic, o singură enzimă specifică poate asigura scindarea legăturilor peptidice şi deci digestia proteinelor. În realitate situaţia este mai complexă, deoarece enzimele digestive prezintă a mare specificitate pentru localizarea respectivei polipeptide, localizarea punctului de hidroliză şi natura aminoacizilor, care intervin în legătura peptidică respectivă. Cu toate că în alimentaţie există în mod obişnuit milioane de proteine, el pot fi digerate de un număr redus de enzime proteolitice, ce pot fi clasificate în 2 mari grupe: exopeptidaze şi endopeptidaze. Exopeptidazele au rolul de a îndepărta un aminoacid de la capătul lanţului prin hidroliza unei legături peptidice cu obţinerea unui aminoacid şi a unei polipeptide cu un aminoacid mai puţin în moleculă. De exemplu: carboxipeptidaza, aminopeptidaza, dipeptidaza, tripeptidaza. Endopeptidazele au rolul de a hidroliza în general legături peptidice din interiorul lanţului, dând naştere unor lanţuri polipeptidice mai mici. De exemplu: pepsina, tripsina, chimotripsina, elastina. Proteinele pătrunse în tractul digestiv suferă acţiunea diferitelor enzime degradându-se până la stadiul de aminoacizi, care la rândul lor sunt apoi catabolizaţi pe căi diferite.
51
O enzimă deosebit de importantă pentru laboratorul clinic, din categoria Naminoacidpetidazelor este LAP (leucinaminopeptidaza). Nivelul acestei enzime creşte mult şi specific în afecţiunile căilor biliare, dar rămâne nemodificat în leziunile parenchimului hepatic. Deasemenea are valoare în diagnosticul diferenţial al icterului mecanic faţă de cel hepatocelular şi cel hemolitic. În ultimele 2 forme de icter, nivelul rămâne cel normal. Schema degradării proteinelor Proteine alimentare endopeptidaze: pepsina, tripsina, chimotripsina oligopetide exopeptidaze : N- aminoacidpeptidaza, C- aminoacidpeptidaza aminoacizi si oligopeptide catabolizati F icat
intestin subtireunde sunt
utilizati in biosinteza proteinelor
catabolizati
tesut enterohepatic - aminoacizii
utilizati in biosinteza proteinelor
Metabolismul intermediar al aminoacizilor Aminoacizii sunt: substanţele cele mai importante ale metabolismului azotului în organismele heterotrofe. servesc ca sursă de energie în special prin intermediul oxidării scheletului hidrocarbonat. Metabolismul aminoacizilor se găseşte într-o stare dinamică, la fel ca şi cel al hidraţilor de carbon şi al lipidelor. Metabolismul aminoacizilor include câteva probleme de interes medical: sinteza şi degradarea proteinelor conversia scheletului hidrocarbonat al aminoacizilor în intermediari amfibolici sinteza ureei
52
formarea unor compuşi fiziologici activi( adrenalina, noradrenalina, DOPA, dopamina, serotonina, acidul-γ-aminobutiric sau GABA, tirozina, creatina, creatinina, nucleul heminic, bazele purinice. Catabolismul N-aminoacidic Cei cca 20 de aminoacizi care intră în structura proteinelor prezintă mecanisme: specifice comune de metabolizare Căile comune de degradare se referă pe de o parte la soarta grupărilor funcţionale, aminice şi carboxilice, iar pe de altă parte la soarta catenelor ternare, care în aceste etape trec prin transformări comune. Principalele mecanisme generale de transformare ale aminoacizilor sunt: transaminarea decarboxilarea dezaminarea aminoacizilor Transaminarea În cel puţin 12 aminoacizi gruparea α-aminică este îndepărtată enzimatic prin transaminare. În aceste reacţii, gruparea α-aminică este transferată pe atomul de carbon α al unui α–cetoacid, care, de obicei este acidul α–cetoglutaric cu formarea α–cetoacidului analog aminoacidului iniţial şi a acidului L-glutamic. HOOC
CH2
CH COOH
+ HOOC
CH2
CH2
NH2 HOOC
CH2
C
COOH
O C
COOH + HOOC
CH2
CH2
CH COOH NH2
O
Enzimele care catalizează acest tip de reacţii se numesc aminotransferaze sau tranaminaze. Cele mai multe transaminaze folosesc ca acceptor de grupare aminică αcetoglutaratul, fiind astfel specifice pentru substratul α-cetoglutarat-L-glutamat. Specificitatea pentru donorul de grupări aminice este mai puţin strictă, decât cea pentru acceptorul de grupări aminice. Totuşi, enzimele manifestă anumite preferinţe şi, astfel anumiţi aminoacizi sunt transaminaţi mai rapid decât alţii. De exemplu: aspartat transaminaza catalizează reacţia dintre acid aspartic şi acid α-cetoglutaric cu formare de acid oxalilacetic şi acid L-glutamic. Această enzimă are activitate mai mare atunci când donorul de grupări aminice este acidul L-aspartic, dar poate fi folosită şi pentru alţi aminoacizi ca şi donori. Ţesuturile animale mai conţin pe lângă aspartat-transaminază şi alte transaminze, ce folosesc tot α-cetoglutaratul ca acceptor de grupări aminice ca : alanintransaminaza, leucin-transaminaza, tirozin-transaminaza, ce catalizează următoarele reacţii: 53
H 3C
CH
COOH
+
HO O C
C H2
C
C H2
N H2
O H 3C
C
COOH
+
HO O C
C H2
CH
C H2
CH CH2
CH
CH3
NH2
H3C
HO
COOH
+
HOOC
CH2
CH2
C
CH3
O
COOH
+
HOOC
COOH
CH2
leucin_transaminaza
CH COOH + HOOC
CH2
CH2
CH COOH NH2
CH2
CH2
C
COOH tirozin_tranaminaza
O
NH2 HO
C O
CH CH2
CH2
COOH
N H2
O
H3C
alan in _ t r an s am in aza
COOH
C
COOH
+
HOOC
CH2
CH2
CH COOH
NH2 O Reacţiile de transaminare sunt uşor reversibile, ele se pot desfăşura în ambele direcţii. Glutamatul, produsul final al majorităţii transaminărilor, cedează apoi gruparea aminică într-o serie de reacţii final, ce duc la formarea compuşilor azotaţi de excreţie. Tranasaminazele se găsesc atât în mitocondriile, cât şi în citosolul celulelor eucariote. La mamifere, aspartat transaminaza din citosol catalizează reacţiile de transaminare a diferiţilor aminoacizi cu formarea glutamatului. Glutamatul format intră apoi în matricea mitocondrială, printr-un sistem specific de transport prin membrană. Aici, glutamatul este fie dezaminat direct, fie cedează gruparea aminică oxalilacetatului, într-o reacţie catalizată de aspartat transaminaza mitocondrială, cu formarea aspartatului, donorul imediat de grupări aminice în sinteza ureei. Transaminazele au drept coenzimă piridoxalfosfatul, care poate fixa aminoacidul formând o cetimină sau baza Schiff, cu următoarea structură:
54
H C
R
COOH
N C
O
HO
C H2
O
O-
N
H3C
O-
P
Hidrogenul de la Cα este eliberat ca proton, ceea ce conduce la restructurarea moleculei, cu deplasarea dublei legături şi a centrului nucleofil la C unde se fixează protonul. Acest produs este tot o bază Schiff, care prin hidroliză eliberează un cetoacid şi piridoxalfosfatul, care reintră într-un nou ciclu de reacţii. Procesul are loc în felul următor: H+
H R
C
R
COOH
C
H3C
O
HO
O-
P O-
N C
H3C
C
COOH
N
C
O CH2
R
R
COOH
N
N HO
C
CH
O CH2
O
P
HO
CH2
OH3C
N
COOH
N CH2 HO H3C
CH2 N
R
O O
P
O-
H2O
C
COOH
O
O-
NH2 CH2 HO H3C
O CH2
N
O
P
O-
O-
Piridoxal-fosfatul, legat foarte strâns, dar nu covalent de proteina enzimatică este transportorul de grupări aminice. În cursul ciclului său catalitic el suferă tranziţii reversibile între forma sa liberă de aldehidă (piridoxal-fosfatul) şi forma sa aminată (piridoamin-fosfatul). Schema completă cu cei doi timpi ai procesului de transaminare este următoarea:
55
O
O-
P -
O-
N
O
O
R1
H2O
CH COOH
+
E
R1
C O
NH2
H2O
H piridoxal_fosfat_ enzima
CH COOH N C
O
+
H2O
piridoxamin_fosfat_ _enzima
E H2O
C H2
N H2
+
R1
piridoxamin_ _fosfat_enzima
C COOH O
E cetimina
R 2 C COOH
H2O
H2O
C H2
H
aldimina
E CH2 NH2
C COOH N
E
R 2 C COOH
R1
R 2 CH COOH
N
N
CH2
CH
H2O
R2 CH COOH E +
H2O
NH2
CH O
piridoxal_fosfat_ _enzima
E
E cetimina
aldimina
Piridoxal-fosfatul format poate să reintre într-un nou ciclu de transformări. Reacţia de transaminare este un exemplu de dublă dislocare, cu cinetica ping-pong corepsunzătoare. În enzima liberă, piridoxal-fosfatul se leagă de proteina enzimatică nu numai prin azotul din ciclu, ci şi prin formarea unei baze Schiff cu gruaparea ε-amino a unei lizine din proteină. Aminoacidul substrat dislocă gruparea lizil-ε-amino din legătura cu piridoxalfosfatul, formând o aldimină substrat-piridoxal fosfat. Acidul glutamic, drept colector universal de grupări aminice joacă un rol central în metabolismulaminoacizilor din două puncte de vedere. Acesta poate prelua direct sau indirect grupările aminice de la majoritatea aminoacizilor şi poate regenera, prin dezaminarea oxidativă acidul α-cetoglutaric, care devine apt să accepte grupările aminice. Exemplu:
aminoacid
alfa_cetoglutarat
glutamat dehidrogenaza
transaminaza cetoacid
NADH +H++ NH3
glutamat
Dezaminarea oxidativă
56
NAD++ H2O
Glutamatul format sub acţiunea transaminazelor poate fi rapid dezaminat oxidativ sub acţiunea glutamat dehidrogenazei, o piridin-enzimă prezentă atât în citosol, cât şi în mitocondriile hepatocitului. HOOC CH2 CH2 CH COOH+ NAD+(NADP+)+H2O NH2
HOOC CH2 CH2
C
COOH + NH4++ NADH (NADPH)
O
Grupările aminice colectate de la diferiţi aminoacizi de către glutamat sunt descărcate sub formă de ioni de NH4+ . În această reacţie are loc şi o dehidrogenare. Se presupune că dehidrogenarea glutamatului are loc în două etape: în prima etapă se formează α-iminoglutaratul, care în a 2-etapă este hidrolizat la cetoacid. HOOC CH2 CH2 CH COOH+NAD+
HOOC CH2 CH2
NH
NH2
HOOC CH2 CH2
C
+ COOH+NADH+H
C
HOOC CH2 CH2
COOH+H2O
NH
COOH+NH3
C O
Enzima care catalizează această reacţie se numeşte L-glutamat dehidrogenaza. Aceasta poate folosi ca acceptor de electroni atât NAD+ cât şi NADP+, preferat fiind NAD+. NADH –ul format este oxidat în lanţul transportor de electroni. L-glutamat dehidrogenaza are un rol cheie în dezaminarea aminoacizilor. Este o enzimă allosterică, înhibată de ATP, GTP şi NADH şi stimulată de ADP, GDP. Multe oerganisme conţin aminoacid oxidaze flavin-dependente, care şi ele catalizează dezaminarea oxidativă a aminoacizilor. L-aminoacid axidaza este specifică pentru dezaminarea L-aminoacizilor şi catalizează reacţia:
L - a m i n o a c i d + H 2 O+ E - F M N
c e t o a c i d +N H 3 +E _ F M N H 2
L-aminoacidoxidaza are ca grupare prostetică FMN strâns legată de proteina enzimatică. Se găseşte în reticulul endoplasmatic din ficat şi rinichi. O altă flavoproteină ce catalizează dezaminarea oxidativă este D-aminoacid oxidaza, prezentă în ficat şi rinichi, care oxideaza D-aminoacizii la α-cetoacizii corespunzători.
D- aminoacid + H 2 O + E - F A D
cetoacid + N H 3 E +_F A DH2
Rolul D-aminoacidoxidazei este de a iniţia degradarea D-aminoacizii proveniţi din degradarea enzimatică a peptidoglicanilor din pereţii celulari ai bacteriilor intestinale, care conţin acid D-glutamic şi alţi D-aminoacizi. Formele reduse al L- şi D-aminoacidoxidazelor pot reacţiona direct cu O2 formând H2O2 şi regenerând enzimele sub forma lor oxidată. E _F M NH2 + O 2
E _F M N
E _F A DH2
E _F A D
+O 2
+
+H2O 2
Apa oxigenată formată este descompusă de catalază la apă şi oxigen molecular. 57
H2O 2
H2O 2
+ 1/ 2O 2
H2O
În celulele eucariote, L-şi D-aminoacidoxidazele precum şi uratoxidaza sunt localizate în microcorpi. Tot în aceste organite se găseşte şi catalza. Din acest motiv organitele repective se mai numesc şi peroxizomi. Decarboxilarea aminoacizilor Un alt mecanism de degradare a aminoacizilor îl constituie decarboxilarea sub acţiunea aminoaciddecarboxilazelor, a căror coenzimă este piridoxal-fosfatul. În urma procesului de decarboxilare se formează aminele primare corespunzătoare, numite şi amine biogene. R
C H
a m in o a c id d e c a r b o x ila z a R
N H2
C O
C O O H
C H2
N H2
2
Pentru ca reacţia să aibă loc, şi în acest se formează o bază Sciff între aminoacid şi piridoxal-fosfat. Deplasările electronilor spre N piridinic labilizaează legătura dintre Cα şi gruparea carboxilică. Are loc eliberarea unei molecule de CO2 urmată de hidroliza bazei Schiff astfel rezultate. Din hidroliză rezultă piridoxalfosfatul şi se pune în libertate amina respectivă. Mecanismul reacţiei este următorul: R O OH R
CH2
CH
COOH
+
HO
NH2
P
O
+N
H
H
OH HO
P
O
O
CH O
CH2
HO
P
O
O +
CH3
58
R
CH2
CH2
H
ON
NH3+
CH2
CH3
C
H O-
CH2
N+ C
CH2
O
CH3
C
+N
CH2 H
OH
-
OH N
R
CH N+
H
H
O .. N H
OH P
C
O
CH3
H
C N+
CH2
O
HO
CH2
P O
O R
HO
O-
CH2
H
OH
CH
CH2
CH3
O OCO 2
Exemple de reacţii de decarboxilare: C H2
N
C H
N H2
C H2
N
C O O H
N H
C O
N H2
N H
2
h is tid in a
h is ta m in a
CH2 CH COOH N H
C H2
NH2
O2
HO
CH2 CH COOH N H
hidroxilaza
NH2 CO2
HO
CH2 CH2 NH2 N H serotonina
Din decarboxilarea histidinei, triptofanului, 5-hidroxitriptofanului, tirozinei rezultă histamina, triptamina, serotonina şi tiramina cu rol de hormoni tisulari. Din decarboxilarea treoninei, cisteinei şi acidului aspartic rezultă propanolamina, cisteamina, β-alanina, care intră în structura cobalaminei şi CoA. Din decarboxilarea acidului glutamic se formează acidul γ-aminobutiric, important pentru metabolismul ţesutului nervos; iar din decarboxilarea aminoacizilor bazici ca: lizina, ornitina, arginina rezultă cadaverina, putresceina, care sunt produşi de putrefacţie. Metabolismul amoniacului Formarea şi eliminarea amoniacului În afara amoniacului care apare în ţesuturi ca rezultat al metabolismului aminoacizilor (dezaminarea oxidativă), o cantitate considerabilă se mai formează din proteinele alimentare sub acţiunea bacteriilor intestinale şi din ureea prezentă în lichidele secretate din tractul gastro-intestinal. Acest amoniac este absorbit din intestin în sângele portal venos, care conţine cantităţi mai mari de amoniac decât sângele sistemic. În condiţii normale, ficatul îndepărtează prompt amoniacul din sângele portal, astfel încât sângele ce părăseşte ficatul, este în mod virtual liber de amoniac. Acest lucru este esenţial deoarece cantităţi mici de amoniac sunt toxice pentru sistemul nervos (normal în sânge se găsesc 10-20μg NH3 /100ml). Simptomele intoxicaţiei cu amoniac sunt rezultatul unei slăbiri ale funcţiilor creierului şi se manifestă prin: greaţă vărsături letargie ataxie 59
convulsii iar în cazuri mai grave comă prin hiperamoniemie (cc 100μg NH3 /100 ml) şi chiar moartea. Aceste simptome sunt asemănătoare comei hepatice, când nivelul amoniacului din ficat şi probabil din creier este foarte crescut. Intoxicaţia cu amoniac pare să fie un factor etiologic în coma hepatică. Simptome asemănătoare apar şi în hepatomegalie şi în general, când funcţiile hepatice sunt puternic alterate, deoarece ficatul este sediul transformării amoniacului în uree. Mecanismul prin care amoniacul îşi exercită efectul asupra creierului nu se cunoaşte încă. Se presupune că se datoreşte descreşterii formării de ATP pe calea ciclului citric din cauza transformării unei cantităţi excesive de α-cetoglutarat în glutamat şi glutamină. Nivelul acestor metaboliţi, la fel ca şi a amoniacului este crescut în creier în decursul intoxicaţiei cu amoniac. Alterări ale proceselor de transmisie neurală datorită unor formări excesive de acid γ-aminobutiric (GABA) din glutamat pot fi, deasemenea implicate. Conţinutul de amoniac din sângele din venele renale, mai mare decât în arterele renale, indică faptul că amoniacul este produs în rinichi şi apoi trece în sânge. Excreţia în urină a amoniacului produs în celulele tubilor renali constituie cel mai semnificativ aspect al metabolismului amoniacului renal. Producerea de amoniac este un mecanism important al tubilor renali, de reglare a balanţei acido-bazice şi conservare de cationi, fiind foarte crescut în acidoza metabolică şi scăzut în alcaloză. Amoniacul produs la nivelul rinichilor derivă din aminoacizii intracelulari şi în special din glutamină.
Eliberarea de amoniac este catalizată de glutaminaza renală, conform reacţiei:
H2N C CH2 CH2 CH COOH O
NH2
glutaminaza H2O
glutamina
HOOC CH2 CH2 CH COOH
NH3
NH2 acid glutamic
Amoniacul poate fi excretat sub formă de săruri de amoniu. Marea majoritate este excretată sub formă de uree, care se formează în ciclul ureogenetic. Practic amoniacul format în ţesuturi, dar prezent în sângeleperiferic în urme, este îndepărtat rapid din circulaţie sub formă de glutamină şi uree. Formarea de glutamină este catalizată de glutamin-sintetază, enzimă prezentă în cantităţi mari în ţesutul renal.
60
ATP
ADP +Pa H2N C CH2 CH2 CH COOH
HOOC CH2 CH2 CH COOH NH2
NH3
O
H2O
NH2
glutamin_sintataza
acid glutamic
glutamina
Asparaginaza şi glutaminaza sunt utilizate ca agenţi antitumorali, deoarece tumorile necesită cantităţi mari de acid aspartic şi acid glutamic. În timp ce la nivelul creierului calea majoră de îndepărtare a amoniacului este formarea glutaminei, în ficat calea majoră o constituie transformarea în uree. Un adult cu o activitate normală, moderată excretă zilnic 16,5g azot. Din acesta 95% se elimină prin rinichi, iar 5% este stocat şi apoi eliminat prin fecale. Ureea constituie 80-90% din azotul excretat. Interconversia amoniacului şi a glutaminei, catalizată de glutaminsintetază şi glutaminază, poate fi prezentată schematic astfel:
acid glutamic + Mg_ATP Mg_ADP glutamin sintetaza
NH4+
H2N C CH2 CH2 CH COOH O glutaminaza
acid glutamic
H2O
61
NH2
Ciclul ureogenetic În cursul reacţiilor ce alcătuiesc un ciclu complet dintr-un mol de amoniac rezultă un mol de uree şi se consumă 3 moli de ATP. Reacţiile succesive sunt catalizate de 5 enzime. Carbamoil sintetaza prezentă în mitocondriile hepatice ale organismelor ureotelice, inclusiv organismul uman, catlizează sinteza carbamoilfosfatului cu consum de 2 moli de ATP.
N H3
+
CO2
+
O
M g +2
2A T P HO car bam o il s intetaza
P
O
OH
C
N H2
2 A D P +P a
+
O
Ornitincarbamoilaza se găseşte în mitocondriile hepatice şi catalizează reacţia de sinteză a citrulinei, pentru care are o mare specificitate.
C H2
N H2
C H2 +
C H2 CH
C H2
O P
HO
O
OH
N H2
NH
C H2
C
N H2 C H2 ornitin carbamoilaza C H N H2
O
C
N H2
O
+
H3P O 4
COOH
COOH ornitina
citrulina
În continuare citrulina în prezenţă de arginino-succinat-sintetaza formează argininosuccinatul.
COOH CH2
NH C
CH2
O
CH2 CH NH2 COOH citrulina
NH2 +
COOH H2N
AMP +P P
CH2
NH C
CH
ATP
CH2
CH2 H2O arginino_succinat CH NH2 sintetaza COOH
COOH acid aspartic
CH2
NH2
argininosuccinat
Mai departe, argininosuccinaza, prezentă în ţesutul hepatic şi renal al mamiferelor catalizează reacţia de scindare a argininosuccinatului în arginină şi acid fumaric, care intră în ciclul citric.
62
N CH CH2 COOH
COOH CH2 NH C N CH
CH2 NH C NH
CH2
CH2
NH2
CH2
CH2
arginino succinaza
COOH
NH2
HOOC CH +
HC COOH
CH2
CH NH2
CH NH2
COOH
COOH
argininosuccinat
arginina
acid fumaric
În continuare acidul fumaric intră în ciclul citric şi va suferi o transformare obişnuită, adică în prezenţă de fumarază trece în acid malic, care la rândul său sub acţiunea malatdehidrogenazei trece în oxalilacetat. Oxalilacetatul intră într-o reacţie de transaminare la care participă acidul glutamic şi transaminaza glutamico-oxalacetică(GOT), formând acidul aspartic.
H C COOH HOOC
C
fumaraza
acid fumaric
O
CH
C O
COOH
+
COOH
acid malic
acid oxalilacetic
C H2
COOH
CH
C O OH
COOH GOT
C H2
C H2
CH2
NAD+ NADH+H+
COOH
COOH C
COOH
malat OH dehidrogenaza
CH2
H2O
H
COOH
C
NH2
NH2
C H2
+
C H2
C H2
C OO H
C
COOH Deasemenea arginina formată este scindată de arginază (enzimă prezentă în ficatul tuturor organismelor ureotelice) la ornitină şi uree. Arginaza se găseşte în cantităţi mici şi în rinichi, creier, glanda mamară, ţesut testicular şi piele. Enzima poate fi înhibată competitiv de ornitină şi lizină. C H2
NH
C H2
C
C H2
NH
N H2
arginaza
C H2 CH
N H2
C H2
+
H2N
or nitina
63
C O
N H2
COOH
COOH ar ginina
COOH
N H2
C H2 CH
H2O
O
ur ee
N H2
Ornitina rezultată poate să reia un nou ciclu, iar ureea formată este excretată urinar. Deci, ciclul ureogenetic este o cale metabolică foarte costisitoare pentru organism, deoarece pentru fiecare moleculă de uree ce se formează se consumă 3 legături macroergice. Cantitatea de uree excretată de un adult normal prin urină este de 25-30g în 24 de ore. Această cantitate reprezintă 90% din substanţele azotate şi variază proporţional cu cantitatea de proteină ingerată. În condiţii normale excreţia de amoniac reprezintă numai de 2,5-4,5% din totalul azotului urinar. Excreţia amoniacului reprezintă o funcţie importantă în menţinerea balanţei acidobazice. Amoniacul se formează la nivelul rinichilor unde se combină cu ionii de hidrogen formând ioni de amoniu. Conţinutul său creşte în acidoză şi scade în alcaloză. Ureogeneza este un proces semiciclic deoarece ornitina consumată în reacţia 2 este regăsită în ultima reacţie. Boli metabolice legate de dereglări apărute în ciclul ureogenetic Lipsa uneia dintre enzimele care intervin în ciclul ureogenetic determină apariţia N H C arbam oil fosfa t amoniac. Acesta nu se mai unor afecţiuni, care toate sunt cauzate de intoxicaţia cu + C P S I HCO H C O poate transforma în uree, produs netoxic care se elimină. Deficitul de carbamoilfosfatsintetază este probabil O ereditar şi cauzează T C hiperamoniemia de tip 1. Deficitul de transcarbamoilază duce la apariţia enzimopatiilor congenitale. Boala O sernitin ă numeşte hiperamoniemie de tip II. P În aceste cazuri în sânge, lichid cerebrospinal şi urină s-au găsit cantităţi mari de C itrulin ă glutamină, iar în ţesuturi cantităţi mari de amoniac. Lipsa activităţii argininosuccinat-sintetazei duce la citrilinemie, o boală foarte rară. Arginaz ă ATP În sângele şi în lichidul cerebrospinal al pacienţilor se găsesc cantităţi mari de Arginino citrulină, succinatsintetaz iar în ă urină eliminarea este masivă (1-2g citrulină/24 de ore). U R E E Absenţa argininosuccinazei duce la argininosuccinurie. AMP+ PP H O Enzima este absentă în creier, ficat, rinichi, eritrocite şi fibroblastele din piele. Simptomatologia se caracterizează prin hiperamonemie, vărsături,letargie,comă. Tratamentul constă în administrarea de arginină şi benzoat de sodiu. 2ATP
+ 4
N H+ 4
− 3
2AD P+ P
1
− 3
1
1
2
Absenţa arginazei conduce la hiperargininemie. Arginin ă Argininosuccinat - liaz ă Aceasta se caracterizează prin creşterea nivelului de arginină în sânge şi în lichid cerebrospinal,eliminare urinară crescută de arginină,lizină şi ornitină.Tetraplegie spastică progresivă şi retardare mentală. Arginino succinat Arginaza cerebrospinală nu este întotdeauna absentă, uneori este mai scăzută.Tratamentul constă în dieta cu aa.esenţiali (exclusiv arginină) şi regim hipoproteic.
Fum arat
64
Utilizarea scheletului de atomi de carbon ai aminoacizilor Aminoacizii sunt utilizaţi alături de glucide şi lipide la acoperirea necesităţilor energetice ale organismelor animale. În condiţiile unei alimentaţii echilibrate şi în stare noemală, organismul uman îşi procură cel mult 10% din necesarul de energie prin degradarea aminoacizilor. Pentru producerea de energie, scheletul de atomi de carbon al aminoacizilor este degradat oxidativ la CO2 şi H2O. S-a constatat că atomii de carbon din scheletul aminoacizilor se regăsesc nu numai în CO2 ci şi în strucrura glucozei şi lipidelor sintetizate endogen. Aminoacizii din care se sintetizează glucoză se numesc glucogeni, iar cei din care se sintetizează lipide se numesc cetogeni. Unii aminoacizi sunt atât glucogenici cât şi cetogenici. Atât în vederea utilizării pentru producerea de energie cât şi pentru sinteza de lipide şi glucoză, aminoacizii sunt transformaţi pe căi mai simple sau mai complexe în
65
intermediari ai ciclulu Krebs sau în compuşi aflaţi în strânsă legătură cu acest ciclu: oxalilacetat, α-cetoglutarat, succinil-CoA, fumarat, piruvat, acetil-CoA. În cazul unora dintre aminoacizi există căi specifice de trecere apre 2 dintre compuşii menţionaţi: triptofanul la acetil-CoA şi acetoacetil-CoA, tirozina la fumarat şi acetoacetil-CoA. Schema generală de metabolizare a scheletului de atomi de C ai aminoacizilor
Ala, Gly, Cys, Ser, T hr
T ry, Leu, L ys, Phe, T yr
acid piruvic Ile, L eu, T ry
Asp, Asn
acetoacetil- CoA acetil- CoA
acid citric
acid oxalilacetic
acid izocitric acid malic
T yr, Phe
acid alfa- cetoglutaric succinil- CoA
acid fumaric
Gln, Glu, His, Pro, Arg Ile, Met,T hr,Val
acid succinnic Defecte în metabolizarea aminoacizilor În legătură cu metabolismul aminonoacizilor sunt descrise mai multe afecţiuni cauzate în principal de defecte la sinteza unor enzime cheie. Fenilcetonuria apare atunci când lipseşte fenilalanin-hidroxilaza. Fenilalanina nu se mai poate transforma în tirozină şi astfel se transformă în acid acid fenil-piruvic acid fenil-lactic, toxici pentru creiercare se elimină parţial prin urină. Alcaptonuria apare datorită absenţei homogentizatoxidazei. Aceasta duce la pigmentarea anormală a ţesutului conjunctiv, datorită unui pigment negru ce se formează la nivelul ţesutului conjunctiv.
66
Albinismul apare prin lipsa tirozinazei, enzimă ce iniţiază oxidarea tirozinei pentru formarea pigmenţilor melaninici. Astfel pielea şi părul sunt decolorate. Histidinemia apare datorită lipsei enzimei histidin-amonio-liazei. Histidina se elimină parţial prin urină, parţial se transformă în acid imidazolpiruvic. Acestea duc la întârzierea dezvoltării generale şi a vorbirii. Cistinuria apare datorită unei reabsorbţii tubulare defectuoase a cistinei, ceea ce determină eliminarea ei în cantităţi mari prin urină. Fiind puţin solubilă, cistina formează calculi.
Biosinteza aminoacizilor Dintre aminoacizii cunoscuţi numai un număr de 20 prezintă importanţă pentru biosinteza proteinelor. Unele forme de viată (plante, bacterii) sunt capabile să sintetizeze toţi cei 20 de aminoacizi din intermediari amfibolici. Altele, inclusiv mamiferele şi în special omul, pot sintetiza numai o parte din ei, care au fost numiţi aminoacizi neesenţiali. Cei ce nu pot fi sintetizaţi şi care trebuie suplimentaţi prin dietă sunt numiţi aminoacizi esenţiali. Exemplu: Aminoacizi esenţiali: arginina, histidina, izoleucina, leucina, lizina, metionina, fenilalanina, treonina, triptofan, valina. Aminoacizi neesenţiali: alanina, asparagina, acid aspartic, cisteina, acid glutamic, glutamina, glicina, hidroxiprolina, prolina, serina, tirizina.
Sinteza de aminoacizi neesenţiali din intermediari amfibolici Alanina se sintetizează din acid piruvic printr-o reacţie de transaminare. Are rol în sinteza proteică şi de transport a grupării azot de la ţesuturi spre ficat.
H3C
C O
COOH
transaminaza H3C
Glu(A sp)
67
KG
CH NH2
COOH
Acidul glutamic se formează din acid α-cetoglutaric printr-o reacţie catalizată de L-glutamat dehidrogenază. Este o reacţie de fixare de azot.
C O O H C
O
(C H 2 ) 2 C O O H
C O O H
L _ g lu t a m a t d e h id r o g e n a z a +
N H4 N A D P H + H+
C H
N H2
(C H 2 ) 2
H 2O NA DP
+
C O O H
Acidul aspartic se sintetizează din acid oxalilacetic prin reacţia de transaminare.
C OOH
COOH C
transaminaza
O
C H2
Glu
C OOH
CH
NH2
C H2
KG
C OOH
Glutamina se sintetizează printr-o reacţie catalizată de către glutaminsintetază, plecând de la acid L-glutamic. Reacţia necesită ATP ca şi donor de energie.
COOH CH
N H2
COOH g lu t am in s in t et aza +
(C H 2)2
N H4
+
M g +2 ATP A DP
COOH
+
P
CH
N H2
(C H 2)2 C O N H2
Asparagina se sintetizează printr-o reacţie similară plecând de la acid L- aspartic sub acţiunea aparaginsintetazei ATP trece, în acest caz la AMP şi PP.
C O O H
C O O H C H C H2
C H N H 2 a s p a r a g in s in t e t a z a C H2
N H2
C O N H2
C O O H 68
În cazul serinei, în ţesutul mamiferelor coexistă două căi de biosinteză. În ambele cazuri punctul de plecare în sinteză este acidul 3-fosfogliceric, intermediar din glicoliză.
CH2 OPO3H2
CH2 OH
CH2 OH
CH OH
CH OH
C O
H2O
COOH
P
NAD+ NADH + H+
COOH
NAD+ NADH + H+
C
CH2 OPO3H2
C O
CH KA
AA
KA
AA
COOH
CH2 OPO3H2
COOH
CH2 OH COOH
NH2
COOH
H2O
Calea prin intermediul derivaţilor fosforilaţi necesită în prima etapă o dehidrogenază, apoi o transaminază şi o fosforilază. Calea prin intermediari nefosforilaţi, necesită o fosfatază şi o transaminază. Sinteza glicinei în ţesutul mamiferelor poate să se facă pe mai multe căi. În citosolul hepatic se găseşte glicintransaminaza care transformă acidul glioxilic şi acizii glutamic şi aspartic în glicină. La mamifere există două căi importante de sinteză a glicinei, una plecând de la colină şi alta de la serină. Glicina este implicată în multe reacţii anabolice( altele decât sinteza proteică) sinteza bazelor purinice,glutationului,hemului,creatinei şi serinei. În cea de a doua cale serina suferă o reacţie de hidroximetilare în prezenţa tetrahidrofolatului. Betaina şi metiltetrafolatul funcţionează ca donori alternativi de metil în conversia homocisteinei la metionină. (H3C)3N+
CH2
CH2OH
2[H]
colina transmetilare (H3C)2N CH3
colinoxidaza
CH2
COOH
dimetiglicina
HOH2C
(H3C)3N+ CH2 betainaldehida
dimetilglicinoxidaza
H4 folat
betainaldehid dehidrogenaza +
NAD NADH
NH CH2
H2N
CH2
COOH
Metilen H4 folat
Sinteza de aminoacizi neesenţiali din alţi aminoacizi neesenţiali
69
+
COOH
sarcozina
CH2O
CH COOH NH2
H3C
CHO
H+
(H3C)3N+
CH2
betaina
sarcozinoxidaza CH2O
O
COOH
La mamifere prolina se sintetizează pornind de la acid glutamic printr-o serie de reacţii reversibile care sunt utilizate şi în catabolismul prolinei.
H2C HO C
CH
O
NH2
H2O
H2C
CH2 COOH
N
NADH
+
+ NAD+
H
COOH NADH
CH CH O
+
NAD+
+
H
CH2 COOH
NH2
COOH
N H
Hidroxiprolina se sintetizează din prolină prin acţiunea prolin hidroxilazei. Reacţia necesită oxigen molecular, Fe+2 şi vitamina C.
HO N H
COOH
N H
COOH
Sinteza de aminoacizi neesenţiali care iau naştere din aminoacizi esenţiali Cisteina se sintetizează din L-serină şi homocisteină, care provin ca intermediari în metabolizarea metioninei. În deficientul de folat, homocisteina tinde să se acumuleze.Acest fapt a fost sugerat ca factor de risc în bolile cardiovasculare
70
CH2
SH
CH2
HO CH2
CH2
CH NH2
+
H2O
COOH
CH NH2
L_serina
COOH
CH2
CH2
CH NH2
CH NH2
COOH
COOH cistationina
L_homocisteina HO CH2 CH2 CH H2O
S
COOH
+
HS CH2 CH
COOH
NH2
NH2 L_homoserina
L_cisteina
Tirozina se sintetizează din fenilalanină sub acţiunea fenilalaninhidroxilazei.Mutaţii ale genei enzimei are drept consecinţă imposibilitatea catabolizării fenilalaninei care astfel se acumulează în ficat, ceea ce are ca rezultat procese metabolice minore cum ar fi transaminarea ei la fenilpiruvat. Reacţia este ireversibilă şi necesită prezenţa de NADPH, oxigen molecular şi tetrahidrobiopterina. C H2
C H C OOH NH2
fenilalaninhidroxilaza
HO
I
H4 biopterina
C H2
H2 biopterina II NA DP H
NA DP +
+ +
H
Complexul fenilalanin hidroxilazei prezintă două activitaţi distincte: 1 – reducerea oxigenului molecular la apă şi a fenilalaninei la tirozină 2 – reducerea dihidrobiopterinei la tetrahidrobiopterină pe socoteala NADPH. La fel ca şi prolina hidroxilizina este prezentă în fibra de colagen. Hidroxilizina este, însă, absentă din aproape toate proteinele mamiferelor, provine din lizina alimentară prin hidroxilare, dar numai după încorporarea lizinei în legătura peptidică, analog formării hidroxiprolinei din prolină. Enzima care catalizează această reacţie este lizinhidroxilaza.
71
CH C OOH NH2
METABOLISMUL HEMOGLOBINEI Deoarece există o pierdere permanentă de hemoglobină prin catabolism şi prin îmbătrânirea hematiilor este nevoie de înlocuirea acesteia în mod permanent. Durata medie de viaţă a eritrocitelor umane este în jur de 120 de zile. Ele sunt apoi lizate şi hemoglobina conţinută în ele, este convertită în produşi de excreţie. Biosinteza globinei se realizează din aportul corporal de aminoacizi într-o cantitate de 8 g pe zi. Aproximativ 14% din aminoacizii aparţinând proteinelor ingerate sunt utilizaţi pentru obţinerea globinei. Procesul de sinteză a globinei are loc în eritrocitele nucleate din măduva osoasă şi în reticulocite. Sinteza globinei are loc la nivelul ribozomilor într-un mod asemănător cu a altor proteine. Studii de electronomicroscopie arată că sinteza hemoglobinei în reticulocite are loc pe structura multiribozomală care conţine cinci ribozomi. Aceşti ribozomi sunt înşiraţi pe un lanţ de ARNm. Nucleul eritrocitelor nucleate din măduva osoasă umană nu sintetizează cantităţi semnificative de hemoglobină. Formarea globinei nu pare să implice factori genetici sau mecanism speciale. Necesită o serie de factori nutriţionali ca vit.B12,acid folic,vitamine B1,2,6, Fe,Cu. Cele două tipuri de lanţuri se formează independent sub controlul diferitelor gene şi de asemenea, cu viteze egale. Biosinteza porfirinelor şi hemului constă din trei etape succesive: 1 biosinteza acidului δ –aminolevulinic din glicină şi succinil-CoA sub acţiunea aminolevulinat sintetazei.Procesul are loc în mitocondrii. 2 formarea porfobilinogenului din condensarea a 2 molecule acid δ – aminolevulinic.Se formează în citosol. 3. conversia porfobilinogenului într-un ciclu tetrahidropirol- porfirinic şi apoi a hemului. 4 molecule de porfobilinogen sunt condensate în două etape şi se formează : -URO III -URO I (nu face parte din procesul de biosinteză a hemului). URO III şi URO I diferă doar prin ordinea carboximetilului şi carboxietilului în unul din ciclurile pirolice. URO III este utilizat la biosinteza hemului. Acesta continua cu formarea în citosol a coproporfirinogenului III. Este apoi succesiv transformat în mitocondrii în protoporfirinogen IX, protoporfirina IX şi hem. 4. În etapa finală fierul este înserat în molecula protoporfirinei sub acţiunea ferochelazei formând hemul, produsul final de reacţie
72
Aproximativ 85% din hemul sintetizat este pentru formarea hemoglobinei, cca 10% este utilizat pentru formarea mioglobinei şi 5% pentru formarea citocromilor sau alte proteine hemice. Porfirinele care iau naştere în cantităţi mici sunt compuşi colaterali care ies din calea biosintezei hemului. Aceştia nu pot fi utilizaţi şi se elimină ca atare prin urină. Formarea în cantitate mare a acestor porfirine reprezintă o perturbare în biosinteza hemului. Această perturbare reprezintă boli genetice, prin deficit enzimatic, cu sau fără manifestări clinice cunoscute sub numele de porfirii şi caracterizate printr-o eliminare crescută de porfirine prin urină (fotosensibilitate,simptome neurologice şi dureri abdominale). Porfiriile constituie un grup heterogen de boli caracterizate prin excreţie crescută de porfirine şi precursori ai porfirinelor.Porfobilinogenul se acumulează în urină şi este utilizat în diagnostic. Principalele tipuri de porfirii sunt: porfiria hepatică acută intermitentă cea mai frecventă porfirie.Se formează şi se elimină excesiv AAL şi porfobilinogen.Evoluează în crize declanşate de diverşi factori.
73
porfiria eritropoetică congenitală sau boala Gunther afecţiune rară.Dezechilibru funcţional între URO I-sintetaza şi cea URO III cosintetazei(sinteză crescută de URO I) coproporfiria ereditară deficit de coproporfirinogen-oxidază.Evoluează în crize protoporfiria deficienţă de ferochelatază. porfiria cutanată tardivă deficit de uroporfirinogen-decarboxilaza porfiria toxică(intoxicaţii medicamentoase,hexaclorbenzen,etilism) porfiria dobândită boli hepatice cr.,tumori,boli sanguine porfirii variate.
CATABOLISMUL HEMOGLOBINEI În condiţii fiziologice la un om adult se distrug 1-2 x 108 eritrocite pe zi. Astfel, un adult de 70 de kg prezintă un turnover de 6 g Hb/zi. Din eritrocitele îmbătrânite hemoglobina este eliberată prin fagocitoză în celulele reticuloendoteliale, în special în splină. Hemoglobina eliberată în sânge este captată de către o glicoproteină specifică,incoloră numită haptoglobulină (Hp), care prezintă proprietăţi peroxidice. Hemoglobinuria apar doar în cazul în care Hb eliberată depăşeşte capacitatea de captare a haptoglobulinei. Degradarea hemului are loc la nivelul microzomilor hepatici şi implică o oxidare unică a atomului de carbon α din puntea metilenică cu formare de monoxid de carbon. Reacţia este catalizată de către hemoxigenază, o enzimă microzomală, în prezenţă de oxigen molecular, citocrom c reductază şi NADH. Descompunerea hemoglobinei constă în desprinderea fierului şi a globinei care sunt reutilizate şi transformarea porfirinei în pigmenţi biliari. 74
Inelul tetrapirolic al hemului se deschide şi atomul de fier este eliberat. Se formează, probabil ca şi intermediar, verdohemină. Se ajunge apoi la biliverdină care sub acţiunea biliverdin oxidazei şi NADPH, (oxidarea punţilor interpirolice) este transformată în bilirubină. O parte din bilirubină se formează şi la nivelul altor ţesuturi din diferite hemoproteine şi este transportată la ficat şi legată de o albumină plasmatică.
BILIRUBINA ESTE INSOLUBILĂ ÎN MEDIU APOS. În ficat bilirubina este conjugată cu acid glicuronic formând acid bilirubin diglicuronic care este solubil în apă şi este rapid excretat prin intermediul bilei în intestin. Glicuroniltransferaza este mai puţin activă la nou născuţi,mai ales la prematuri. După 10-15 zile de viaţă enzima atinge nivelul de activitate întâlnit la adult. În icterul fiziologic(2-7 zi de viaţă) ar juca un anumit rol deficienţa glicuroniltransferaza. Bilirubin diglicuronidul este hidrolizat la nivelul intestinelor de către βglicuronidază. Bilirubina este redusă de flora bacteriană trecând în D- sau L-urobilinogen incolor. O parte din el este reabsorbit şi excretat în urină sub forma unui compus de oxidare colorat în galben oraj, L-urobilină.
75
Partea rămasă de urobilinogen este redus în intestin la L-stercobilinogen, care este excretat în fecale sub forma unui produs de oxidare de culoare brună L-stercobilină. BILIRUBIN DIGLICURONIDUL
Compoziţia chimică a organismului uman
-
Compoziţia elementară a organismului uman Compoziţia fundamentală a organismului uman Compoziţia elementară a organismului uman
Au fost identificate un număr de peste 60 de elemente care intră în compoziţia chimică a organismului uman. Acestea au fost clasificate în funcţie de proporţia în care se gasesc în organism. Dintre acestea majoritatea se găsesc în urme. Astfel ele au fost clasificate în: macroelemente, oligoelemente şi microelemente.
76
Element
Procent ( %) Element
Procent(%)
carbon
50
Sulf
0.8
oxigen
20
Sodiu
0.4
hidrogen
10
Clor
0.4
azot
8.5
magneziu
0.1
calciu
4.0
Fier
0.01
fosfor
1.0
iod
0.00005
Primele patru ( C,O, H şi N) reprezintă peste 95% şi sunt considerate macroelemente. Ele sunt principalele bioelemente ale majorităţii biomoleculelor datorită tendinţei lor mărite de a forma legături covalente. Oligoelementele se găsesc în proporţie mai mică în organism şi la fel ca şi macroelementele intră în structura biomoleculelor. Microelementele se găsesc în urme, dar cu toate astea ele au un rol esenţial pentru viaţă. Compoziţia fundamentală a organismului uman componenţi organici componenţi minerali. Componenţii organici Componenţii organici care intră în compoziţia organismului uman sunt: proteinele, glucidele, lipidele şi acizii nucleici. Aceşti compuşi sunt molecule complexe, care sunt alcătuite din molecule simple. Astfel, proteinele se formează prin policondensarea aminoacizilor, glucidele sunt formate din monozaharide, lipidele sunt formate din acizi graşi şi alţi componenţi, iar acizii nucleici sunt formaţi din ribonucleotide şi dezoxiribonucleotide.
Principalele biomolecule din organismul uman Biomolecula
Unităţi strucurale
Funcţii
77
ADN
Dezoxiribonucleotide Material genetic
ARN
Ribonucleotide
Model pentru sinteza proteinelor
Proteine
Aminoacizi
Funcţii multiple
Glucide
monozaharide
Rezervă de energie
Lipide
Acizi graţi şi alţi componenţi
Funcţii multiple
Componenţii minerali apa electroliţii. Apa Apa este constituientul major al tuturor organismelor vii. Organismul uman conţine între 58 şi 66% apă. O influenţă remarcabilă asupra conţinutului de apă al organismului o are vârsta. Conţinutul de apă variază şi în funcţie de sex, astfel femeile au un conţinut de apă mai redus în comparaţie cu bărbaţii. Apa din organism este repartizată în vasele sanguine şi limfatice, spaţiile intercelulare şi celule însăşi. Apa din organism se găseşte repartizată în două compartimente şi anume: compartimentul extracelular, care reprezintă aproximativ 50% din greutatea corpului şi compartimentul intracelular, care reprezintă aproximativ 20% din greutatea corporală.
78
Electroliţii Electroliţii sunt reprezentaţi de cationi şi anioni. Ei îndeplinesc în organism rol fizico- chimic, structural şi catalitic. Distribuţia cationilor în compartimentele intra şi extracelulare este diferită. Distribuţia cationilor intra- şi extracelular în mEg/l. cationi
intracelular
extracelular
Na+
10
145
K+
150
5
Ca+2
2
2
Mg+2
15
2
Alte clase de compusi Vitaminele care sunt indispensabile pentru funcţiile lor biologice, dar pe care organismul nu le poate sintetiza.Ele reprezintă componenţii nutritivi esenţiali. Hormonii sunt o altă clasă de biomolecule cu rol major în procesele endocrine, care au loc în organism.
79
Nucleotide şi structura covalentă a acizilor nucleici Acidul dezoxiribonucleic (ADN) şi ribonucleic (ARN) sunt macromolecule tip lanţ, care au funcţia de a depozita şi transmite informaţia genetică. Aceştia sunt componente majore în toate celulele, reprezentând 5-15% din masa uscată a acestora. Acizii nucleici se găsesc şi în virusuri, care sunt complexe infecţioase proteină-acid nucleic, capabile să se autoreplice în celula gazdă. Structura generală a nucleotidelor Unităţile monomere ale ADN se numesc dezoxiribonucleotide, iar cele ale ARN se numesc ribonucleotide. Nucleotidele sunt formate din 3 componente caracteristice şi anume: o bază azotată, o pentoză şi moleculă de acid fosforic. Bazele azotate Bazele azotate care intră în structura nucleotidelor sunt de două tipuri: baze purinice baze pirimidinice
Baze purinice N
N N
N H O
NH2
H
N
N N
H2N
N
N
N N
N H
H guanina
adenina
80
Bazele pirimidinice N N bazăpirimidinică NH2
O H
N O
N
O
H
O H
N N
O
H
citozina
timina
O
O
OH
N
N N
N H
uracilul
H
CH3
N
HO
N
H
lactam
lactimă
81
Baze rare sau minore NH
NH2
CH3 N
N
O
N
N
N H
H
N6 –metiladenina
5 – metilcitozina
NH2
O H HC 3
N
N
O
OH
N H
H N3
CH2
N
N
N
HN
CH3
N
– metilguanina
5 – hidroximetilcitozina
Pentoze HO
H2C H
O HH
H
HO
OH
H
OH OH D – riboza
H2C
O HH
H
OH H 2 – dezoxi – D – riboza
82
OH
Nucleozide NH2
NH2 N
N HO
N H2C H
N
N
N HO
O H H
N H2C H
H
N O H H H
OH OH
OH H
2’ – dezoxiadenozina
adenozina
Structura unui nucleotid NH2 N
N OH HO
P O
OH
OH O
P O
O
P
N H2C
O
O
H
N O H H H
OH H AMP ADP AT P
83
Nucleotide OH HO
P
O
O
H2C H
baza azotatã O HH H
OH H dezoxiribonucleotid
OH HO
P
O
O
H2C H
baza azotatã O HH
H
OH OH ribonucleotid
Funcţiile nucleozidtrifosfaţilor ATP este un transportor de grupări fosfat şi pirofosfat în câteva recţii enzimatice implicate în transferal energiei chimice. ADP – ul rezultat prin defosforilarea ATP –ului este refosforilat la ATP în procesul respiraţiei. Sistemul ATP – ADP este sistemul principal pentru transferul grupărilor fosfat în celulă, dar şi ceilalţi nucleozidtrifosfaţi, şi anume: GTP, UTP şi CTP au rolul de a canaliza energia chimică pe anumite biosinteze specifice. A doua funcţie majoră a NTP şi NDP este cea de transportori de energie, energie pe care o înmagazinează sub formă de legături macroergice. NTP şi d – NTP sunt precursori bogaţi în energie în procesul de biosinteză enzimatică a ADN şi ARN. În acest proces NTP şi d- NTP îşi pierd grupările pirofosfat terminale, transformându –se în resturi de nucleozid monofosfaţi, care sunt elemente constitutive ale acizilor nucleici. O altă funcţie majoră a NTP şi NDP este cea de transportori energizanţi de tip coenzimă ai anumitor elemente constitutive. De exemplu: UDP este un transportor pentru glucide în procesul de biosinteză a polizaharidelor.
84
Nucleotide foarte importante au un rol cheie în acţiunea biochimică a unor hormoni OH
NH2 N
N N O
H2C
P
O
H2C
O
O H H
N
N
H2N
H
H O
N
N
N
O H H
H
OH
O
OH
O
P OH
AMPc
GMP c
ADN bazã azotatã H2C 5' O H H
H
H 3' O
O P
H OH
O 5' CH 2 O H H
H
3' O HO
bazã azotatã
P
H O
O
85
OH
H
ARN bazã azotatã H2C 5' O H H
H
H 3' O
O P
OH OH
O 5' CH2 O H H
H
3'
HO
bazã azotatã
O
OH
P
O
O
Acizii ribonucleici Cele 3 tipuri majore de acizi ribonucleici din celule sunt: ARNm, ARNr şi ARNt. Toate cele 3 tipuri de ARN sunt lanţuri monocatenare poliribonucleotidice, dar se deosebesc între ele prin domenii caracteristice de mase moleculare şi de coeficienţi de sedimentare. Fiecare dintre cele 3 tipuri majore de ARN există în forme moleculare multiple. ARNr există în cel puţin 3 forme majore, ARNt există în 60 de forme, iar ARNm există în sute şi poate mii de forme distincte. Majoritatea celulelor conţin de 2- 8 ori mai mult ARN decât ADN. ARNm ARNm conţine doar cele 4 baze majore. El se sintetizează în nucleu în procesul de transcripţie, prin care secvenţa bazelor dintr-un lanţ de ADN cromozomial este copiată enzimatic în lanţul de ARNm. O anumită cantitate de ARNm se sintetizează şi în mitocondrii. Secvenţa bazelor din lanţul de ARNm este complementară celei din lanţul de ADN ce se transcrie. După transcripţie, ARNm trece în citoplasmă şi apoi la ribozomi, unde serveşte ca matriţă pentru ordonarea secvenţială a aminoacizilor în procesul de biosinteză a proteinelor. ARN –ul mitocondrial reprezintă doar o mică parte din ARN –ul total din celulă, dar el se află în foarte multe forme distincte, care se deosebesc prin masa moleculară şi secvenţa bazelor azotate. Fiecare din miile de proteine diferite sintetizate în celula este codificată de către un ARNm.
86
ARNm din celulele eucariote se caracterizează prin prezenţa la capătul 3’ terminal a unei secvenţe lungi de cca 200 de radicali adenilici, care pare să aibă un rol în prelucrarea sau transportul ARNm de la nucleu la ribozomi. ARNt ARNt sunt molecule relativ mici, care funcţionează ca transportori specifici ai câte unei molecule de aminoacizi în procesul de biosinteză a proteinelor pe ribozomi. Ei au o masă moleculară de 23000 – 28000 şi un coeficient de sedimentare de 4S. Ei conţin 75 – 90 de nucleotide. Fiecare dintre cei 20 de aminoacizi din proteine are cel puţin un ARNt coerspunzător, iar unii au chiar mai mulţi ARNt. De exemplu: în celulele de Escherichia coli există 5 ARNt diferţi pentru transferul leucinei. In celulele eucariote unui anumit aminoacid îi corespund ARNt mitocondriali diferiţi de ARNt citoplasmatici. Moleculele de ARNt prezintă câteva trăsături comune. Toate tipurile de ARNt au la un capăt al lanţului polinucleotidic un acid guanilic terminal, iar la celălalt capăt secvenţa terminală citidil – citidil – adenil (CCA). Gruparea 5’ –hidroxil a acidului adenilic terminal este legată de gruparea 3’ –hidroxil a acidului citidilic precedent print-o punte fosfodiesterică. Gruaprea hidroxil liberă din acidul adenilic terminal este acilată enzimatic cu α-aminoacidul specific, formând aminoacil –ARNt. Acest aminoacid este transferat enzimatic la capătul lanţului polipeptidic în curs de formare pe suprafaţa ribozomilor, în procesul de biosinteză proteică. ARNr ARNr reprezintă 65% din masa ribozomilor. El se poate obţine din ribozomii de E.coli ca molecule lineare, monocatenare, prezente în 3 forme caracteristice, cu coeficienţii de sedimentare de 23S, 16S şi respectiv 5S. Aceste 3 forme se deosebesc prin secvenţa şi raportul bazelor. În celulele eucariote, care au ribozomi mai mari decât celulele procariote, există 4 tipuri de ARNr: 5S, 7S, 18S şi 28S. Deşi ARNr reprezintă o mare parte din ARN celular total, funcţia lui în ribozomi nu este încă, bine elucidată. Complexe supramoleculare acizi nucleici – proteine Unii acizi nucleici se află în celule asociaţi necovalent cu proteine specifice, formând complexe supramoleculare. Dintre aceste sisteme acid nucleic – proteine, cu structuri şi funcţii biologice foarte complexe; ribozomii şi virusurile sunt cele mai cunoscute. Cele mai complexe sisteme acid nucleic – proteină sunt probabil cromozomii din celulele eucariote. Ribozomii sunt particule ribonucleoproteice care se găsesc în toate tipurile de celule. Ei sunt esenţiali în biosinteza proteinelor.
87
Virusurile sunt structuri subcelulare la limită între lumea biotică şi abiotică. Virusurile au capacitatea de a se antagoniza atunci când intră într-o celulă gazdă specifică. Implicaţiile terapeutice ale nucleotidice Unele nucleotide naturale, precum şi derivaţii lor obţinuţi prin sinteză pot fi utilizate în terapie, fiind utilizate în: chimioterapia bolii maligne, tratamentul hiperuricemiei şi gutei, în afecţiuni virale, în hipertiroidism sau ca agenţi imunosupresori, hipogliceminaţi, antifungici şi antiparazitari. Mecanismul lor de acţiune este variat: înhibă enzimele implicate în biosinteza acizilor nucleici, blocând procesul înhibă enzimele care catalizează conversia xantinei în acid uric.
Metabolismul nucleotidelor
Nucleotidele ocupă un loc central în procesele biochimice, deoarece ele sunt: precursori în biosinteza acizilor nucleici principalele rezervoare de legături macroergice componenţi ai mai multor coenzime efectori allosterici. ARN din diferite celule şi clase este continuu hidrolizat la nucleotide şi resintetizat după necesităţi în toate celulele. Procesul este mai rapid în acele celule sau organe în care eliminarea de secreţii bogate în proteine sau restructurarea diferitelor căi metabolice necesită o biosinteză proteică activă: glandele digestive exocrine şi ficat. Unele tipuri de celule au o viaţă relativ scurtă (celulele epidermei, mucoasei intestinale, celulele sanguine), în cazul lor fiind supus unui proces asemănător şi ADN, evident la nivelul întregului organism. Transformările metabolice ale nucleotidelor libere formează o schemă unitară în care biosinteza este corelată cu biodegradarea la diferite nivele prin circuite de recuperare. 1. Nucleotidele sunt constant degradate până la nucleozide şi apoi la bazele azotate corespunzătoare şi ribozo-1-fosfat sau dezoxiribozo-5-fosfat. 2.Nucleozidele, bazele azotate şi ribozofosfatul pot fi reutilizate în căi de recuperare pentru resinteză de nucleotide. 3.O parte din bazele purinice sunt catabolizate până la acid uric care se elimină, iar cele pirimidinice până la intermediari metabolici din alte căi. 4.Ribozofosfatul poate fi utilizat în calea pentozofosfatului.
88
5.Nucleotidele pot fi sintetizate de novo pornind de la intermediari simpli anumiţi aminoacizi (glicocol, acid aspartic, glutamina), dioxid de carbon şi grupări C1 activate (legate de acizi tetrahidrofolici). 6.Reutilizarea bazelor şi biosinteza lor de novo sunt controlate prin disponibilitatea formei activate a ribozo-5-fosfatului cum ar fi 5-ribozo-α -D-ribozil pirofosfat (PRPP); enzima care-l formează PRPP-sintetaza (sau ATP fosforil transferaza) este activată de fosfatul anorganic şi înhibată allosteric de nucleotide, asigurând concentraţia lor constantă. Hidroliza acizilor nucleici Lanţurile lungi a acizilor nucleici sunt hidrolizate de către nucleaze în fragmente scurte. Ele sunt, în general, de două tipuri: I. Exonucleazele care desfac succesiv nucleotidele de la una din capete, fiind 5’ sau 3’specifice şi necesită un anumit mod de terminare (cu sau fără fosfat) a capătului atacant. II.Endonucleazele care desfac legăturile situate în interiorul lanţului formând astfel lanţuri oligonucleotidice. Sunt cunoscute numeroase enzime de acest tip cu localizări şi roluri diferite. Acţiunea lor poate specifică pentru un anumit de acid nucleic (ADN sau ARN) sau nespecifică hidrolizându-le pe amândouă. Specificitatea poate privi şi alte aspecte cum ar fi existenţa ADN ca moleculă dublu sau monolanţ, mai ales pentru unele exonucleaze, recunoaşterea unui anumit nucleotid dintre cele două sunt unite prin legătura atacată (unele endonucleaze) sau a unei secvenţe întregi de nucleotide din vecinătate (enzime de restricţie). Nucleazele intervin în digestia acizilor nucleici din alimente sau în prelucrarea şi distrugerea acizilor nucleici endogeni (cu numeroase aspecte). Digestia acizilor nucleici are loc în duoden. Sub acţiunea endonucleazelor pancreatice (ribonucleaza şi dezoxiribonucleaza) se eliberează oligonucleotide din care diesterazele intestinului subţire eliberează 5’ şi 3’ nucleotide.
89
L anturi polinucleotidice H2O ribonucleaza dezoxiribonucleaza Oligonucleotide + N ucleotide H2O
fosfodiesteraze
5'_Nucleotide
H2O
nucleotidaza fosfomonoesteraze
P N ucleozide
P nucleozidfosforilaze R 5_P (dR 5_P )
R 1_P (dR 1_P )
Calea pentozofosfatului
B aze purinice B aze pirimidinice Catabolismul general al nucleotidelor la baze purinice şi pirimidinice Nucleotidele sunt hidrolizate specific de către 5’-nucleotidază şi fosfat. Există o mare varietate de asemenea enzime, unele secretate de mucoasa intestinală cu rol în digestie, altele în general răspâdite în organism cu localizare pe membrana periplasmatică, în lizozomi, microzomi sau citoplasmă, care intervin în metabolismul nucleotidelor endogene. Membrana periplasmatică este impermeabilă pentru nucleotide dar permite pătrunderea nucleozidelor. Ecto-5’-nucleotidaza fixată pe faţa externă a plasmei dă posibilitatea utilzării nucleotidelor, extracelulare (mai ales a AMP) hidrolizându-le vectorial la nucleozide (adenozină). În hematii există o 5’-nucleotidază specifică pentru nucleotidele pirimidinice. Cea mai mare parte din adenozin-5’- monofosfat este catabolizat printr-o dezaminare la inozin-5’ - monofosfat. Adenilat deaminaza are mai multe izoenzime, una din ele fiind abundentă în muşchi. Aşa cum se va vedea IMP(inozinmonofosfat) este primul nucleotid purinic format prin sinteza de novo şi prezintă un punct de încrucişare între căile catabolice şi cele anabolice. 90
Adenozina care rezultă din restul AMP-ului este, la rândul ei, dezaminată de către adenozin deaminază la inozină. O mare parte de adenozină provine în urma hidrolizei S-adenozilhomocisteinei (SAH), formată din S-adenozilmetionină în urma procesului de metilare. Un caz particular îl prezintă celulele musculare ale miocardului. Ele sunt lipsite de adenilatdeaminază iar AMP produs, în urma contracţiei, este fie hidrolizat la adenozină, care se eliberează în sânge, fie refosforilat până la ATP. Ajungând până la arterele coronare, adenozina cauzează vasodilataţia şi consecutiv creşterea debitului circulator. Deoarece producerea adenozinei creşte proprţional cu hipoxia, efectul ei primeşte semnificaţia unei autoreglări a fluxului sanguin în funcţie de necesităţile miocardului. Desfacerea nucleozidelor poate decurge pe două tipuri de acţiuni enzimatice şi anume hidrolitică şi fosforolitică. Nucleotidazele, într-o reacţie ireversibilă, hidrolizează nuclozidele la baze purinice şi pirimidinice şi riboză (sau dezoxiriboză). N ucleozida + H2O
nucleozidaza B aza
purinica
+ Riboza(dezox iriboza)
pirimidinica
Astfel de enzime sunt răspândite în diferite ţesuturi fără a se cunoaşte numărul şi specificitatea lor exactă. Nucleozifosforilazele scindează cu ajutorul fosfatului anorganic şi eliberează din nucleozide bazele azotate şi ribozo-1-fosfat (sau dezoxiribozo-1-fosfat). Există nucleozid fosforilaze specifice pentru purine şi pentru pirimidine. Purinucleozid fosforilazele nu pot folosi ca substrat adenozina. Din acest motiv este necesar ca AMP şi adenozina să fie în prealabil dezaminate. Acţiunea acestor fosforilaze este reversibilă, ele putând servi şi în biosinteză, deşi sensul fiziologic este catabolic. N u c le o z id a
+
p u r in _ p ir im id in n u c le o z if o s f o r ila z a f o s f at b aza
p u r i n ic a
+
p ir im id in ic a
R 1 _ P (d R 1 _ P )
În digestie se absorb nucleozide, catabolizate în interiorul celulelor intestinale ca produşi finali. Din acest motiv majoritatea bazelor azotate din nucleotidele alimentare nu pot fi utilizate de către organismul uman. Catabolismul bazelor purinice Din catabolismul nucleotidelor purinice rezultă două baze azotate principale: hipoxantina (din inozină) şi guanina (din guanizină). Ele sunt oxidate mai departe până la acid uric, produs final de catabolism la om, primate, păsări şi unele reptile. Guanina este dezaminată, în prealabil, până la xantină de către o xantioxidază sau o xantindehidrogenază. 91
În mod normal, în celule, se formează foarte puţină adenină liberă, provenind din fosforilarea 5’-metioninadenozinei. Adenina nu poate fi catabolizată direct organismul uman fiind lipsit de adenindeaminază, prezentă doar la bacterii şi nevertebrate, care s-o transforme în hipoxantină. Cea mai mare parte din adenină este utilizată în căile de recuperare. În cazul unor deficite enzimatice ereditare sau în aportul alimentar crescut, excesul de adenină este oxidat de către xantinoxidază la 8-hidroxixantină şi apoi la 2,8dihidroxiadenină, substanţă puţin solubilă, care formează calculi renali. OH
OH N
N
fosfomonoesteraza
N
N
H2N -2 O3PO
H2C
H2O
O
P
purin_nucleozid fosforilaza
N
N
H2N HO
H2C
O
O
O
OH N
N
N
HN
N H
N
H2N
N H
O
N H
N
N
HN
guanaza
xantina guanina
OH
OH N
N
N
N -2
O3PO
H2C
fosfomonoesteraza
H2C
O
purin_nucleozid fosforilaza
O
O N N H
N
HN N
N H
R_1_P
P
OH OH inozina
OH
N
N
N HO
P
OH OH inozin_5'_fosfat
N
N
N
H2O
O
R_1_P
P
OH OH guanizina
OH OH guanizin_5'_fosfat
H2N
N
N
N
NAD+ NADH +H+ HN O H2O +O2 H2O2
N H xantina
hipoxantina
92
N H
N H
În organismul uman xantinoxidaza se găseşte mai ales în mucoasa intestinală şi în ficat, restul organelor prezentând doar urme de activitate. În consecinţă purinele din alimente formează direct acid uric, iar sursa majoră de acid uric endogen este ficatul. O parte din acidul uric este excretat în intestin prin bilă. În general acidul uric din organismul uman (în jur de 1,2g) provine din trei surse principale: 1.din nucleotidele alimentare 2.catabolismul purinelor endogene 3.transformarea directă a IMP sintetizat de novo Concentraţia normală de acid uric în ser este ceva mai mare la bărbaţi (6,97,5mg/dl) decât la femei (5,7-6,6 mg/dl). Hiperurinemii apar în guta primară şi secundară, hipouricemii în deficienţele de xantinoxidază ereditară sau în cadrul unei insuficienţe hepatice. Eliminarea urinară este între 400 şi 800 mg/24 ore variind şi în funcţie de alimentaţie. Rinichiul uman elimină acidul uric într-un proces destul de complicat. La nivelul glomerulilor este filtrat, apoi reabsorbit în tubii contorţi distali. O serie de medicamente interferează cu aceste procese renale. O
O N
HN O
N H
N H
H 2O
+
O
2
H 2O
2
HN O
NA D+
NA DH
xan t in a
+
H+
N H ac id u r ic
H N O N H
În afara semnificaţiei sale de produs final al catabolismului purinic, acidul uric serveşte pentru eliberarea amoniacului la păsări şi unele reptile, fiind puţin solubile acestea se elimină sub formă de pastă economisindu-se apă. Astfel de animale se numesc uricotelice şi nu posedă enzimele necesare formării de uree. Mamiferele, cu excepţia primatelor, descompun în continuare acidul uric în prezenţă de uricază la alantoină pe care o elimină prin urină. La alte specii degradarea merge mai departe prin acţiunea alantoinazei la acid alantoic, sau continuă datorită alantoicazei până la uree şi acid glioxilic. Deci, flora intestinală descompune ureea cu ureează la dioxid de carbon şi amoniac, la unele nevertebrate.
93
O H N
HN O
ur icaza O
N H
N H acid ur ic
H 2N O
O
H2N
NH
O O2
N H
CO2
H2O
H 2O 2
H 2O
alantoina
O
H 2O
COOH
N H2
+
alantoicaza
O
N N H H acid alantoic
N H
H2N
C O O H N H2
alantoinaza O
+
N H2
H2N
O
C HO acid glioxilic
ur eea ur eaza
2
+
(C O 2
2N H 3)
La om se elimină prin urină în mod normal şi cantităţi mici de hipoxantină, xantină şi adenină. Bazele purinice minore, de exemplu, 7-metilguanina, nu pot fi catabolizate şi se elimină ca atare. Nucleotide
AMP dezaminaz ă
Riboză-5-fosfat
H 2O H 2O
Riboză-5-fosfat Riboză-5-fosfat
AMP
IMP
H 2O
nucleotidaz ă
H 2O
Riboză-5-fosfat
XMP
nucleotidză
nucleotidază
P1
nucleotidază
P1
P1
P1 P1 adenozină
GMP
H 2O
guanozină Adenosin- dezaminaz ă
H 2O
p1
xantozină
inozină
Purin P -nucleotid fosforilază (PNP) 1
NH 4 (ADA)
Riboză – 1 - fosfat
PNP
Riboză– 1 - fosfat hipoxantin e O2
p1
Riboză– 1 - fosfat Xantin- oxidază
+ H 2O
O2 xantine + H 2O
Guanin- dezaminaz ă
O2 H 2
NH Xantin-cfdfdsffsd oxidază Acid uric
94
guanină
H 2O H 2O
4
O2 H 2
()
Biosinteza de novo a nucleotidelor purinice Nucleotidele purinice pot fi sintetizate în citoplasmă printr-o succesiune de 10 reacţii enzimatice, heterociclul bazei fiind construit direct din ribozo-5-fosfat. Primul compus purinic format este un nucleotid, acidul inozinic (IMP), nu o purină liberă. 1. Prima etapă este catalizată de o aminotransferază care trece gruparea aminică a glutaminei pe PRPP (fosforibozopirofosfat) pentru a forma fosforibozil amina. Enzima are proprietăţi allosterice şi este etapa principală de reglare a biosintezei de novo. O HO
P
O H2C
OH
O
O
O
P
O
OH
O
P
OH
aminotransferaza HO
OH
P
H2C
OH Gln +H2O
O
NH2
Glu +PP
OH OH
OH OH
2. În a doua etapă prin hidroliza ATP se asigură energia necesară condensării glicocolului cu fosforibozilamina pentru a da fosforibozil-glicinamida, sub acţiunea unei sintetaze. Reacţia este reversibilă dar produsul reacţiei este îndepărtat în mod continuu deplasând echilibrul. CH2 O
O HO
P
H2C
OH
O
sintetaza
NH2 +
HOOC
CH2
NH2 ATP
HO
Mg
ADP
OC
P
H2C
OH
+ 2
NH2
O
NH
+P
OH OH
OH OH
3.De pe N5, N10 –metenil-tetrahidrofolat, o transferază, trece, folosind o moleculă de apă, o grupă formil pe atomul de azot provenit din glicocol. În acest fel se completează atomii din ciclul pentatomic al purinei.
C H2 O HO
P OH
NH2
C H2
OC H2C
O
O NH
OH OH
transferaza
HO
P OH
N 5N 10_ metilen T HF T HF
95
OC H2C
O
NH CH
NH
OH OH
O
4.Fosforibozil - N – formilglicina din etapa precedentă se transformă prin acţiunea unei sintetaze care schimbă CO a amidei cu NH provenit de la glutamină. Reacţia necesită hidroliza ATP. Produsul format este fosforibozil-N-formil glicinamidină. C H2 O HO
P
NH
OC H2C
O
OH
CH
O
Gln
Glu M g+2
NH
HO
O
HN
P
H2C
OH
P A T P H2O
C H2
NH
C
CH
O
NH
O
A DP OH OH
OH OH
5.Utilizând energia liberă eliberată prin hidroliza unui rest fosfat din ATP, o altă sintetază închide ciclul de cinci atomi şi formează 5’-fosforibozil-5-aminoimidazol. Grupa =NH adăugată, în reacţia anterioară, apare acum ca un substituient amino al ciclului.
HO
O
HN
P
H 2C
OH
C H2
NH
C
CH
O
O HO
NH
H 2N
P
H 2C
OH
M g +2 ATP
O
A DP
HC
NH
C
CH
O
N
+P
OH OH
OH OH
6.În etapa următoare se adaugă un grup carboxil din dioxid de carbon. Carboxilaza este enzima care formează, astfel, 5’-fosforibozil-5-aminoimidazol-4carboxilat nu are ca grupare prostetică biotina şi diferă ca mecanism de alte enzime care adaugă grupări carboxil. O HO
P OH
H2N H2C
HC
NH
C
CH
O
N
car boxilaza CO2
HO
HO O C
C
NH
O
H2N
C
CH
P
H2C
OH
OH OH
O
N
OH OH
7.O sintetază condensează acidul aspartic cu produsul anterior de reacţie consumând o legătură macroergică din ATP. Condensarea are loc între grupa amino a acidului aspartic şi carboxilul imidazolului. Intermediarul 5-fosforibozil-4-(N-succincarboxamid)-5-aminoimidazol, care rezultă, serveşte pentru introducerea atomului N1 din inelul purinic.
96
HO O C
COOH
C H2 CH
HO
HO O C
C
NH
O
H2N
C
CH
P
H2C
A DP ATP M n+2 C O O H sintetaza
N
O
OH
NH
+
HO O C
C H2
CH
+
P HO
CO
C
O
H2N
P
H2C
OH
NH
C
CH N
O
N H2 OH OH
OH OH
8. Produsul reacţiei anterioare este scindat de către o liază la 5 –fosforibozil-4carboxamid-aminoimidazol şi acid fumaric. Reacţiile 7 şi 8 se aseamănă sintezei argininei din citrulină din ciclul ureogenetic HOO C
C H2
C OOH
CH HN HO
CO
O
H2N
P
H2C
C
NH
C
CH
O
OH
H2N
adenilatsuccinat liaza
N
HO
acid fumaric
CO
O
H2N
P
H2C
OH
C
NH
C
CH N
O
OH OH
OH OH
9.În etapa următoare este transferată o grupă formil de pe N10 formil tetrahidrofolat ducând la 5-fosforibozil-4-carboxamid-5-formamidoimidazol, care conţine toţi atomii ciclului purinic. H2N HO
CO
C
O
H2N
P
H2C
OH
NH
C O
H2N
N 10 _f or mil CH T HF T HF N
f or miltr ansf er aza
P
CO
O HC
HN
O
H2C
OH OH
C
NH
C
CH N
O
OH OH
10. În fine, în ultima etapă prin eliminare de apă de către ciclohidrolază se închide şi inelul de şase atomi ducând la apariţia primului nucleotid purinic, acidul inozinic (IMP). O H N H 2N P
C O
O HC
HN
O
H2C
C
N H
C
C H
O
O H
N
N N c ic lo h id r o laza _C O
P
O
N
H2C
O
2
O H
O H
97
O H
Se poate observa că pentru sinteza IMP se consumă şase legături macroergice, considerând şi formarea PRPP. Aspecte de patologie din metabolismul nucleotidelor Guta este una din cele mai răspândite boli de metabolism cu o frecvenţă de 0,3% din populaţia Europei. Sub acestă denumire sunt incluse un grup heterogen de boli caracterizate toate prin hiperuricemie, care duce la depunerea uratului de sodiu în sinoviala articulaţiilor, atacuri acute de artrite, formarea de depozite masive de urat şi apariţia urolitiazei. Hiperuricemia poate apărea din numeroase cauze, unele determinate genetic, altele dobândite. Nu orice uricemie duce la apriţia gutei. În unele cazuri aceasta poate persista toată viaţa fără a provoca modificări patologice. Guta poate să fie primară, ca boală ereditară de metabolism în sine, sau secundară dezvoltându-se ca o consecinţă a altor boli ereditare sau dobândite. Guta secundară poate să apară în deficienţă de glucozo-6-fosfatază sau în deficienţa totală a hipoxantin-guanin fosforibozil transferazei, precum şi în boli de distrugeri celulare masive: anemii hemolitice, leucemii, policitemii, etc. Tratamentul cu medicamente citotoxice în neoplazii poate declanşa apariţia secundară a gutei, ceea ce impune asocierea acestora cu inhibitori ai xantinoxidazei. O altă posibilitate a gutei secundare este în urma unei afecţiuni renale cu scăderea capacităţii de excreţie. În majoritatea cazurilor de gută primară se cunoaşte defectul enzimatic cauzal, putându-se evidenţia doar diferite situaţii generale. Astfel poate să fie vorba de: 1. o hiperproducţie endogenă crescută a acidului uric 2. o scădere a eliminării renale 3. o scădere a proteinei serice de vehiculare: α1 - α2 –globulina de legare a uratului. Xantinuria ereditară este o boală relativ blîndă, adesea asimptomatică ce se datorează deficitului de xantinoxidază. Bolnavii pot prezenta hiperuricemie şi hiperuricozurie cu eliminări renale de xantină şi hipoxantină. Xantina fiind mai puţin solubilă decât acidul uric poate forma calculi renali.
98
