Metabolismo energetico dei BCAAs
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Metabolismo energetico dei BCAAs

Quali sono le principali fonti di aminoacidi per il metabolismo energetico? Analisi dettagliata del metabolismo energetico degli aminoacidi. Deaminazione e decarbossilazione ossidativa dei BCKA da parte della deidrogenasi

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Metabolismo energetico dei BCAAs

Le proteine e gli aminoacidi forniscono un contributo percentualmente minoritario (fino al 15%) alle richieste energetiche durante l'esercizio fisico, contributo che è comunque significativo in condizioni di elevato e prolungato dispendio energetico.

È noto che gli aminoacidi ramificati leucina, valina e isoleucina (BCAA) contribuiscono al metabolismo energetico durante l'esercizio, e che il loro catabolismo è una fonte di substrati e intermedi (acetil-CoA e succinil-CoA) del ciclo di Krebs e della gluconeogenesi (Figura 1).

Dispendio energetico
Figura 1: Andamento del dispendio energetico in funzione dell'intensità dell'esercizio.

È altresì noto che sono tre le principali fonti di aminoacidi per il metabolismo energetico:

  • le proteine alimentari
  • gli aminoacidi liberi
  • le proteine tissutali endogene

In condizioni normali, durante l'esercizio, le proteine alimentari costituiscono una fonte minoritaria di aminoacidi, in quanto non è comune assumere un pasto iperproteico prima di un esercizio fisico. Tuttavia il pool di aminoacidi liberi nel muscolo è molto elevato e rappresenta un'importante fonte di energia. Nonostante ciò è stato calcolato che la quantità di leucina ossidata durante un esercizio prolungato sia 25 volte superiore a quella presente nel pool di aminoacidi liberi. Questo dato dimostra che la maggiore quantità di aminoacidi che possono essere ossidati deriva dal catabolismo delle proteine endogene (Biagi, Di Giulio, Fiorilli, & Lorenzini, 2010).

Nel muscolo, condizioni quali il digiuno, traumi, ustioni e stati settici si accompagnano ad una massiccia proteolisi. Degli aminoacidi così liberati, hanno particolare importanza come combustibili per la produzione di energia i tre aminoacidi ramificati – leucina, isoleucina e valina – ma anche alanina, aspartato e glutammato.

In particolare, in condizioni di fabbisogno di energia, le proteine muscolari vengono degradate e i gruppi amminici degli amminoacidi liberati e utilizzati per formare glutammina ed alanina a partire da glutammato e piruvato, rispettivamente.

Glutammina ed alanina vengono trasferiti al circolo e veicolati al fegato in larga misura ed al rene. L'aminogruppo in ? della glutammina e quello in a della alanina vengono trasformati in ammoniaca direttamente convogliata a formare urea nel fegato, ed escreta come tale dal rene.(Figura 2)

Azoto
Figura 2: Principali vie di trasporto tra organi diversi dell'azoto proveniente dalla proteolisi muscolare.

Nel fegato e nel rene la catena carboniosa dei due aminoacidi viene utilizzata prevalentemente per formare glucosio nel processo di gluconeogenesi (Devlin, 2009). Dopo un pasto, più del 60% dei BCAA che si trovano nella circolazione sistemica viene captato dal tessuto muscolare.

La prima tappa del metabolismo dei BCAA consiste nella loro deaminazione, una reazione che si verifica quasi esclusivamente nel muscolo. Naturalmente le proteine sono degradate in ogni cellula dell'organismo, tuttavia il tessuto muscolare rappresenta la fonte di gran lunga più importante di aminoacidi liberi destinati ad essere metabolizzati. Il gruppo aminico proveniente da un BCAA è trasferito al 2-ossichetoglutarato per formare glutammato e l'ossiacido corrispondente (BCKA); tale reazione è catalizzata dalla BCAA transaminasi (BCAT). I BCKA possono poi fungere da substrati energetici nel muscolo o in altri organi, come il cervello, i reni, il fegato e il cuore. In questo caso i BCKA vanno incontro a una reazione di decarbossilazione catalizzata da una deidrogenasi specifica (BCKDH) con la formazione di substrati del ciclo dell'acido citrico; è importante notare come questa reazione di decarbossilazione rappresenti una tappa irreversibile e limitante nel metabolismo dei BCAA.

La BCAT è un enzima piridossal fosfato dipendente, in grado di accettare come substrato tutti e tre i BCAA, è largamente distribuito nei tessuti e presenta un'elevata attività nel cuore, nei reni e nell'intestino; è attivo anche nel fegato. Per quanto riguarda il tessuto muscolare, sembra che l'intero metabolismo dei BCAA sia compartimentato a livello mitocondriale anche se l'enzima BCAT è localizzato sia nel citosol che nel mitocondrio.

La seconda tappa, quella limitante, nel metabolismo dei BCAA, è la decarbossilazione ossidativa e irreversibile dei BCKA da parte della deidrogenasi. Questo enzima è un esempio di enzima multicomplesso; la sua attività totale è maggiore nel fegato e nel cervello piuttosto che nel muscolo, è molto alta nel rene e scarsa nell'intestino. L'attività dell'enzima è regolata da una fosforilazione reversibile. Il complesso viene inattivato da una BCKDH chinasi e attivato da una fosfatasi. Studi condotti alla fine degli anni '80 hanno individuato che l'attività del complesso BCKDH aumenta in risposta ad elevati livelli di leucina, a condizioni di acidosi e ad alti livelli di ADP. Contemporaneamente l'attività del complesso diminuisce in seguito all'incremento dell'ATP, dell'acetil-CoA, del piruvato, degli acidi grassi liberi (FFA) e dei corpi chetonici.

La Figura 3 riassume schematicamente il metabolismo dei BCAA e la sua regolazione.

Metabolismo
Figura 3: Rappresentazione schematica del metabolismo dei BCAA e sua regolazione da parte delle BCKDH chinasi e fosfatasi.

Come riportato precedentemente, l'attività del complesso BCKDH è inversamente correlata a quella della BCKDH chinasi. Questo enzima regolatore risponde, a sua volta, alle variazioni nelle concentrazioni di alcuni composti quali l'a-chetoisocaproato (KIC) e gli acidi grassi liberi ed è influenzato dall'esercizio fisico. È noto che l'a-chetoisocaproato ottenuto dalla transaminazione della leucina sia un potente inibitore della chinasi, effetto che i chetoacidi derivanti da valina e isoleucina possiedono in misura molto inferiore. Quindi nel momento in cui si verifica un aumento nella concentrazione di KIC il metabolismo dei BCAA risulta stimolato. Durante attività di resistenza si assiste a un incremento nel catabolismo proteico e aminoacidico; a conferma di ciò è noto da tempo che l'esercizio stimola l'attività della BCKDH.

Studi più recenti hanno indagato come l'esercizio fisico possa influire sull'attività di questo complesso enzimatico, ed è stato notato, in studi sull'animale, che in seguito a una sessione di corsa prolungata l'attività della BCKDH chinasi risulta significativamente ridotta. In maratoneti, al termine di una gara, i livelli plasmatici di BCAA risultano significativamente ridotti e tornano a valori basali solo dopo 16 ore di recupero; questo calo è da imputare a un aumento di 10 volte dell'attività della BCKDH muscolare. Durante l'esercizio la quota di chinasi legata al complesso è diminuita rispetto a quella legata a riposo, inoltre dopo ripetute sessioni di esercizio la quantità di BCKDH chinasi, nei muscoli di ratti allenati, risulta diminuita.

Alcuni studi hanno ipotizzato che la riduzione dell'ATP muscolare, durante l'esercizio, porti alla defosforilazione e quindi all'attivazione della BCKDH. Nel caso in cui ratti vengano alimentati con una dieta carente in proteine e aminoacidi si assiste a una inattivazione della BCKDH in seguito a fosforilazione, che consente all'organismo di conservare i BCAA per la sintesi proteica (Biagi, Di Giulio, Fiorilli, & Lorenzini, 2010).