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Dott. Antonio Sartini - 22/04/2011

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La leucina ed i suoi metaboliti, ruolo nella sintesi e nella degradazione proteica, il

razionale d’uso nell’integrazione alimentare.

La perdita di massa magra corporea (Lean Body Mass - LBM) può inficiare sia la

funzionalità dell’organismo che la salute. In condizioni normali si può osservare perdita di

LMB con l’avanzare dell’età, con un regime alimentare inadeguato, con la mancanza di

attività fisica ed anche negli atleti in condizioni di sovrallenamento (over-training)1.

Condizioni patologiche come il cancro o l’HIV possono portare a perdita di LMB causata

da depauperamento muscolare, stessa cosa si osserva nella convalescenza post-

chirurgica. Interessante notare che l’allenamento alla forza e/o programmi e strategie di

integrazione nutrizionale hanno dimostrato di controbilanciare queste condizioni di

catabolismo muscolare.2 Quindi esiste un equilibrio dinamico tra segnali anabolici (di

sintesi) e segnali catabolici (di degradazione) nel processo che porta al guadagno o alla

perdita di LMB.3 Nel turnover delle proteine muscolari sono implicati numerosi fattori, un

elenco dei quali è riportato in figura 1.

FATTORI SINTESI PROTEICA PROTEOLISI AZIONE

ORMONALI

Insulina Aumento Diminuzione Deposito proteine IGF-1 Aumento Diminuzione Deposito proteine GH Aumento No effetti Deposito proteine

Glucagone Diminuzione No effetti Atrofia Glucocorticoidi No effetti Aumento Atrofia Agonosti β adrenergici Aumento Diminuzione Deposito proteine Adrenalina ? Aumento Atrofia Ormoni tiroidei (norm) Aumento Aumento + Deposito proteine Ormoni tiroidei (eccesso) Aumento + - Aumento +++ Atrofia

SUBSTRATI/METABOLITI

Glucosio No effetti Diminuzione Deposito proteine Corpi chetonici No effetti Diminuzione Deposito proteine Glutammina Aumento Diminuzione Deposito proteine Arginina Aumento Diminuzione Deposito proteine BCAA Aumento Diminuzione Deposito proteine

ATTIVITA’ FISICA Lavoro contrattile Aumento Diminuzione Deposito proteine Inattività Diminuzione Aumento Atrofia Stretch passivo Aumento No effetti Deposito proteine

MEDIATORI

PROINFIAMMATORI

Prostaglandine E 2 No effetti Aumento Atrofia Prostaglandine F 2α Aumento No effetti Deposito proteine Interleuchina 1β Diminuzione Aumento Atrofia Interleuchina 6 Diminuzione Aumento Atrofia Tumor necrosis factor α Diminuzione Aumento Atrofia Interferon γ ? Aumento Atrofia Ciliar Neurotrophic factor ? Aumento Atrofia Proteolysis induct glyc-prot Aumento Aumento Atrofia

Figura 1: Fattori implicati nella regolazione del turnover delle proteine muscolari (Fonte Paoli A. 4, 2010)


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La risposta cronica adattativa all’esercizio fisico contro-resistenza promuove un

incremento delle dimensioni muscolari e della forza. L’attivazione delle fibre muscolari per

produrre forza portano ad una conseguente cascata di eventi che includono risposte

ormonali ed immunitarie, stimolazione di pathway di segnalazione della cellula muscolare

ed infine, incremento della sintesi proteica5 6. Globalmente, questa risposta promuove un

accrescimento delle proteine muscolari ed aumenta le capacità di produzione della forza.

Anche se l’esercizio fisico contro-resistenza in stato di digiuno aumenta la sintesi di

proteine, il bilancio proteico netto rimane negativo se non vengono forniti nutrienti7 . In

particolare, sembra che l’assunzione di amino acidi essenziali indirizza un incremento

netto della sintesi proteica muscolare dopo esercizio fisico contro-resistenza8. Gli

aminoacidi essenziali (Essential Amino Acids – EAA) svolgono due funzioni critiche per la

sintesi proteica:

1) Gli EAA sono substrati per la sintesi proteica perché la translazione dell’mRNA non

può progredire a meno che l’intera varietà di amino acidi non sia immediatamente

disponibile, il che sottolinea l’importanza dell’assunzione di EAA (quelli cioè che

non possono essere sintetizzati De Novo),

2) Gli EAA sono segnali per la sintesi proteica.

Diversi studi recenti hanno messo in evidenza il ruolo deli EAA come segnali indipendenti

per l’iniziazione della traduzione9 10 11. Per esempio, l’assunzione di EAA prima e dopo

esercizio fisico contro –resistenza potenzia l’attivazione esercizio-indotta della proteina

ribosomiale S6 chinasi 70-kDa, un enzima importante per aumentare l’efficienza

traduzionale e la sintesi proteica dopo esercizio12 13. Ulteriormente sembra che la leucina

abbia un ruolo primario e non-insulino dipendente nello stimolare questa via metabolica14.

Diversi studi hanno verificato che diete ad alto tenore proteico stimolano la sintesi proteica

ed alcuni dei benefici promossi da questo tipo di alimentazione sulla composizione

corporea possono essere attribuiti ad un elevato consumo di amino acidi a catena

ramificata ( Branched Chain Amino Acids – BCAA) che includono la Leucina (Leu), la

Valina (Val) e la Isoleucina (Ile) 15 16 17. In accordo con questa ipotesi, un elevato consumo

di proteine non incrementa solo la disponibilità dei substrati (aminoacidi) per la sintesi

proteica, ma stimola anche i processi anabolici osservati dopo elevato consumo di

proteine18.


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La leucina in particolare ha dimostrato di modulare il tasso di sintesi proteica, in particolar

modo stimolando l’attività delle proteine coinvolte nel processo di traduzione, che è

cruciale nelle cellule per il controllo della sintesi proteica19 20 21 22 23. Questa modulazione

può coinvolgere l’attivazione di specifici pathway intracellulari coinvolti a loro volta nella

sintesi proteica e che includono l’attivazione della via metabolica del “bersaglio nei

mammiferi della rapamicina (mTOR)”. E’ stato osservato che l’mTOR risponde

immediatamente a qualsiasi modificazione nel consumo di aminoacidi e di energia24 25.Quando la scorta aminoacidica, in particolar modo la leucina, è elevata, l’mTOR

interagisce con altre proteine per formare complessi proteici in modo da fosforilare i loro

componenti-chiave, che sono a turno responsabili per la traduzione dell’mRNA in proteine.

Questi complessi includono il legame con il fattore di iniziazione eucariotico 4E nella

regione cap; l’attivazione tramite fosforilazione della della proteina ribosomiale 70kDa- S6

kinasi-1(S6K1); e l’elungazione del fattore eIF226 27. D’altronde, la deplezione del pool di

aminoacidi intracellulare, o la loro rimozione dal mezzo di comunicazione extracellulare

provoca la soppressione della sintesi proteica28. Comunque, come la leucina moduli questi

eventi molecolari non è stato ancora del tutto chiarito29.

Tuttavia, nell’ultimo decennio si sono consolidati gli studi sul ruolo metabolico della leucina

e dei suoi metaboliti nello stimolare la crescita proteica e di conseguenza l’incremento

della massa muscolare. La L-leucina (Leu), rientra molto spesso nelle formulazioni di

integratori alimentari utilizzati nello sport, ma anche in alimenti speciali per l’infanzia, per il

sostentamento negli stati di malnutrizione e, non ultimo, nelle formulazioni per la nutrizione

artificiale, enterale e parenterale. Una delle principali conseguenze del riconoscimento del

ruolo di protagonista della leucina come segnale non-insulino dipendente nella sintesi

proteica è l’aumento della proporzione con cui viene inserita nelle formulazioni alimentari.

Mentre per decenni il suo rapporto rispetto agli altri BCAA, valina (Val) e isoleucina(Ile), è

sempre stato “2:1:1” , in cui la leucina veniva introdotta con proporzioni doppie rispetto agli

altri ramificati, ora è possibile vedere integratori nutrizionali con rapporti “8:1:1” o alimenti

speciali specificatamente “fortificati” con aggiunta di leucina. Non ultimo, si vedono ormai

in commercio, quali principi nutritivi a se stanti o in formulazioni varie, i metaboliti della

leucina quali il α-Keto-iso-caproato (KIC) o il β-idrossi-β-metilbutirrato(HMB).

Scopo di questo lavoro è quindi approfondire i meccanismi biologici molecolari che stanno

alla base del razionale d’uso di integratori nutrizionali contenti Leucina e/o i suoi metaboliti,

Kic e HMB.


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Il METABOLISMO DELLA LEUCINA

Differentemente dagli altri aminoacidi che vengono degradati nel fegato, i BCAA (leucina,

isoleucina e valina), allo stesso modo dell’alanina, del glutammato e dell’aspartato,

vengono ossidati nel muscolo scheletrico30. Tra i tre BCAA la leucina ha un marcato e più

elevato tasso di ossidazione se paragonata a valina e isoleucina. Gli enzimi coinvolti nel

catabolismo della leucina includono le aminotransferasi per aminoacidi a catena ramificata

(BCAT) mitocondriali e citosoliche ed il complesso enzimatico chetoacido a catena

ramificata deidrogenasi (BCKDH)31. Dalla reazione catalizzata dal BCAT, che è reversibile,

l’aminoacido è transaminato e convertito nel rispettivo chetoacido, il α-keto-iso-caproato

(KIC). Simultaneamente a questa reazione, si verifica la conversione dell’α – ketoglutarato

(un accettore di azoto derivato dai BCAA) in glutammato. Questa reazione è in grado di

promuovere la sintesi di altri aminoacidi, come l’alanina e la glutammina. Dopo la reazione

catalizzata dal BCAT, il chetoacido subisce la decarbossilazione ossidativa, una reazione

irreversibile mediata dal BCKDH. Questo complesso enzimatico si trova sulla faccia

interna della membrana mitocondriale. Da questa reazione il KIC è convertito

nell’isovaleril-CoA che è ossidato da due differenti deidrogenasi, generando acetil-CoA e

aceto acetato come prodotto finale32. Si veda la figura n. 2

Fig. 2 Il metabolismo della Leucina. Adattato da Smith, Marks e Liberman (2005) 33


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Nei mammiferi il complesso BCKDH presenta tre enzimi: l’α-chetoacido decarbossilasi

(E1), costituito dalle subunità 2α e 2β, la diidrolipoil-transacetilasi (E2) e la diidrolipoil-

deidrogenasi (E3)34. Nei tessuti, l’attività di questo complesso è regolata da un ciclo di

fosforilazione e de fosforilazione catalizzate da specifiche chinasi e fosfatasi. Lo stato di

fosforilazione è controllato dall’attività della BCKDH chinasi(BCKDHK). Questo enzima

pruomuove l’inattivazione del complesso BCKDH attraverso la fosforilazione dell’unità

E1α. L’attivazione del complesso BCKDH può essere ottenuta rapidamente tramite

l’inibizione del BCKDHK promossa dal chetoacido della leucina o dai suoi analoghi

strutturali tra i quali l’octanoato, l’α-cloroisocaproato e l’acido clorofibrico. Il processo di de

fosforilazione è invece mediato dalla BCKDH fosfatasi (BCKDHP) che è resposabile

dell’attivazione del complesso BCKDH che avviene de fosforilando la sub-unità E1α 35 36.

L’attività di questo complesso è influenzata dagli ormoni, dal diabete, dall’esercizio, dal

digiuno, da acidosi o diete ipoproteiche, ed è dipendente dal tessuto37.

La conversione reversibile della leucina in KIC avviene nelle cellule muscolari ad opera

delle citate BCAT mitocondriali e citosoliche. Una volta prodotto il KIC viene escreto dal

muscolo e trasportato nel fegato dove è trasformato per il 95 % dalla BCKDH

mitocondriale in Isovaleril-coA. Approssimativamente il 5% di tutta la L-leucina del KIC

prodotto viene metabolizzato a HMB da un enzima citosolico chiamato KIC-diossigenasi .

Circa il 10-40 % dell’HMB prodotto viene escreto con le urine il restante viene trasformato

in HMG-coA38 39.

Fig. 3 Fonte : Nissen SL, Abumrad NN ( 1997)


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La leucina ha dimostrato di stimolare la sintesi delle proteine muscolari e di attenuare la

proteolisi muscolare. L’effetto della leucina è mimato dal KIC, tuttavia sembra che questo

effetto dipenda dalla riconversione del KIC in Leucina 40. Viceversa alcuni dei benefici

attribuiti alla leucina sono stati attribuiti alla conversione della stessa in HMB41 42 43 44.

Infatti l’HMB avrebbe di essere anticatabolico ed efficace nel l’attenuare l’atrofia muscolare

durante lo stress da esercizio fisico45 46 47, in certi tipi di cancro 48 49, nello scompenso

cardiaco congestizio, nella sepsi e nell’HIV50 51.

EFFETTO PARADOSSO DELLA LEUCINA

Una dieta sbilanciata contenete elevate concentrazioni di leucina di solio provoca una

riduzione dei livelli corporei di valina ed isoleucina. Questo fenomeno è conosciuto come

“Leucine paradox”. Questa situazione potrebbe essere parzialmente spiegata

dall’attivazione dell’ossidazione dei BCAA, tramite il complesso BCKDH, che porta ad una

regolazione negativa del BCKDHK, cocomitante ad un effetto inibitorio del KIC su questo

enzima. Questi due fattori promuovono l’attivazione della BCKDH, provocando deplezione

di chetoacidi a partire da altri aminoacidi, soprattutto valina ed isoleucina. D’altra parte si

dovrebbe tener conto che la somministrazione di leucina stimola la sintesi proteica ed

inibisce la degradazione di proteine. Entrambe queste situazioni influenzano

indirettamente i livelli di valina ed isoleucina52

CONTROLLO DELLA SINTESI PROTEICA

La sintesi proteica nelle cellule eucariotiche è principalmente regolata nel passaggio di

inizio e di elongazione della traduzione, tramite i fattori di inizio eIF2 ed eIF453 54 55 56 57 .

Ci sono due punti di controllo nell’inizio della traduzione :

1. Il legame del metionil-tRNA alla sub unità ribosomiale 40S. Questo processo è

regolato dal fattore eucaristico di iniziazione 2 (eIF2) ed inibito quando eIF2 è

fosforilato sulla sub unità α.

2. Legame del mRNA alla sub unità 43S. Questo processo è stimolato dall’attivazione

del bersaglio della rapamicina nei mammiferi (mTOR) che fosforilando la proteina di

legame per eIF4E (4EPB1), permette la dissociazione di eIF4E, che è libero di

unirsi con il eIF4G per formare la forma attiva del complesso eIF4F, permettendo il

legame con il cappuccio 5’ di metilguanosina (5’-cap) .


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Uno schema riassuntivo della sintesi delle proteine o traduzione è riportato in fig. 4

Fig. 4 Schema riassuntivo della traduzione dell’informazione genica

(fonte : http://www.biocarta.com/pathfiles/h_eifpathway.asp)

Le cellule eucariotiche richiedono almeno 12 fattori di inizio, per un totale di oltre 25

catene polipeptidiche. Parecchi di questi eIF (ad es. eIF1, eIF2 ed eIF3) legano la sub

unità 40S, preparando la stessa sub unità a legarsi all’mRNA. Anche il tRNAi iniziatore,

legato alla metionina,si attacca alla sub unità 40S prima di interagire con l’mRNA. Il tRNA

si inserisce nel sito P della sub unità minore (40S) in associazione con eIF2-GTP. Una

volta realizzati queti eventi, la sub unità minore del ribosoma con i suoi fattori di inizio


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associati ed il tRNA caricato (che insieme costituiscono il complesso di pre-inizio 43S) , è

pronta per cercare l’estremità 5’ dell’mRNA, che porta il cappuccio di metilguanosina. Il

complesso 43S viene inizialmente indirizzato verso l’mRNA con l’aiuto di un gruppo di

fattori di inizio che sono già legati all’mRNA. Tra questi fattori: eIF4E si lega al cappuccio

all’estremità 5’ dell’mRNA eucariotico; eIF4A si muove lungo l’estremità de5’ del

messaggio rimuovendo tutte le regioni a doppio filamento che interferirebbero con lo

scorrimento del del complesso 43S lungo l’mRNA; eIF4G serve da collegamento tra

l’estremità 5’ incappucciata e quella 3’ poliadenilata dell’mRNA, convertendo un mRNA

lineare in un messaggio circolare. Una volta che il complesso 43S si è legato all’estremità

5’ dell’mRNA, il complesso scorre lungo il messaggio finchè raggiunge una sequenza

riconoscibile di nucleotidi (tipicamente 5’-CCACCAUGC-3’) che contiene il codone di inizio

AUG. Una volta che il complesso 43S ha raggiunto il codone AUG appropriato, eIF2-GTP

viene idrolizzato, eIF2-GDP ( e altri eIF associati) viene rilasciato e la sub unità maggiore

(60S) si unisce al complesso per completare la fase di inizio58.

INFLUENZA DELLA LEUCINA SUL MECCANISMO DI SINTESI PROTEICA

L’effetto anabolico della leucina sulla sintesi proteica è di grande interesse nutrizionale per

attenuare la perdita di massa magra che si verifica in stati catabolici ed in condizioni

fisiologiche specifiche come l’invecchiamento59. Sono stati condotti molti studi per chiarire

questo effetto, come precedentemente osservato, la leucina, oltre a servire da diretto

substrato per la sintesi proteica, può contribuire ulteriormente stimolando questo processo,

esercitando un effetto positivo sulla fosforilazione delle proteine coinvolte nella fase

iniziale della traduzione dell’mRNA60.

La leucina esercita un effetto sulla regolazione a breve termine delle a livello della

traduzione nella sintesi proteica. Questo effetto è sinergico con l’insulina, che è un ormone

anabolico con un ruolo chiave nel mantenimento della sintesi proteica muscolare.

Ciononostante, l’insulina da sola non è in grado di ripristinare completamente il tasso di

sintesi proteica nel muscolo nella fase di post-assorbimento, richiedendo l’assunzione di

amino acidi o proteine per ristabilire completamente l’effetto anabolico61 62.

La leucina ha anche un ruolo insulino-secretagogo. L’assunzione orale di Leucina provoca

un lieve e transitorio incremento dei livelli sierici di insulina, che stmola anche la sintesi

proteica indotta da questo amino acido63 64. Sebbene i livelli basali di insulina sono

importanti a potenziare l’effetto mediato dalla leucina65, questo aminoacido agisce come


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un segnale nutritivo che regola la sintesi proteica negli adipociti, allo stesso modo che in

altre cellule, attraverso un meccanismo non-insulino-dipendente66. Questo risultato può

essere la conseguenza di una azione diretta (effetto della leucina) o indiretta (ad opera di

metaboliti della leucina come il KIC) sul tessuto adiposo, come è stato già osservato in

cellule isolate. In aggiunta, questi effetti sono stati osservati in studi in vitro e in vivo con

l’infusione di norleucina un composto analogo alla leucina che non stimola la secrezione di

insulina, ne è incorporato nella struttura proteica67 68 69.

Ci sono specifiche vie metaboliche che favoriscono le sintesi proteiche, come la crescita e

la proliferazione cellulare, come il pathway mediato dalla proteina mTOR. Questa via

metabolica è stimolata da mitogeni, inclusi insulina e BCAA ma in particolar modo dalla

leucina70. Comunque il meccanismo che è alla base di tale effetto non è del tutto chiaro.

La via di amplificazione del segnale inizia con il legame dell’insulina al suo recettore. Una

volta attivato il recettore dell’insulina fosforila la tirosina di molti substrati proteici. Alcuni di

questi substrati appartengono alla famiglia di substrati dei recettori dell’insulina, le proteine

di attracco IRS71 72. La fosforilazione delle proteine IRS per la tirosina crea siti di

riconoscimento per per un certo numero di molecole come l’enzima fosfatidil-inositol-3-

chinasi (PI 3-K). Si verifica una stretta associazione tra questo enzima ed il substrato

recettore dell’insulina-1 (IRS-1)73. La proteina bersaglio per questo enzima è la Akt/PKB,

che è responsabile per la regolazione del trasporto del glucosio. Nei tessuti periferici la

fosforilazione dell’Akt/PKB promuove un certo numero di effetti come la traslocazione del

trasportatore di glucosio tipo 4(GLUT-4) verso la membrana plasmatica, la regolazione

della sintesi proteica, il metabolismo cellulare e la progressione del ciclo cellulare.74

La leucina stimola la sintesi proteica anche modulando elementi coinvolti nella via di

segnalazione metabolica dell’insulina tramite PI3-K (vedi fig. 5). Pertanto questo amino

acido inibisce il segnale dell’insulina75, possibilmente attivando l’mTOR, che stimola la

fosforilazione dell’IRS-1 e di conseguenza riduce l’attività del PI3-K76.

Inoltre, questa proteina riduce anche l’azione inibitoria del complesso di sclerosi tuberosa

(TSC1/TSC2). L’inibizione di questo complesso permetta l’attivazione della proteina

chinasi Rheb (Ras homologue-enriched in brain), che conduce alla fosforilazione

dell’mTOR ed alla attivazione della della proteina ribosomiale S6, favorendo la sintesi del

RNA, di proteine ribosomi ali e di fattori di elongazione77.

La leucina esplica effetti anche sulla regolazione della proteina S6K1, sulla proteina 1

legante il fattore di iniziazione eucariotico 4E (4E-BP1), che sono coinvolti nella fase di

inizio della traduzione proteica.78


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La leucina stimola l’attività dell’mTOR che fosforila e quindi inibisce la 4E-BP1. La

dissociazione del complesso 4E-BP1 promuove la formazione del fattore di iniziazione

eucaristico 4E (eIF4E) che è di importanza cruciale per l’iniziazione del processo di

traduzione. Inoltre la leucina stimola un secondo fattore di iniziazione il 4G (eIF4G)

attraverso il una via metabolica indipendente dall’mTOR. L’associazione di questi due

fattori, il eIF4E e il eIF4G, forma il complesso ribosomiale eIF4F, che regola l’iniziazione

della traduzione79 80. Quindi la leucina è in grado di stimolare la sintesi di complessi che

sono responsabili per il processo di traduzione delle proteine e di conseguenza aumenta

la capacità cellulare di sintesi proteica81 82.

Per quanto finora riportato l’mTOR gioca un ruolo cruciale nella regolazione della sintesi

delle proteine muscolari. La proteina TOR è una serina/treonina chinasi ed è un membro

della famiglia delle chinasi fosfatidilinositol chinasi correlate (PIKK)83. L’mTOR esiste in

Fig. 5 Regolazione della via metabolica dell’mTOR tramite insulina e leucina (fonte: Hinault et all. 2006)


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due distinti complessi proteici, il complesso mTOR -1 (mTORC1) ed il complesso mTOR-

2(mTORC2)84 85 86 87. L’mTORC1 regola il tasso di sintesi proteica e di crescita cellulare in

modo rapamicina dipendente88 89 (vedi fig. 6). Il complesso mTORC 1 è formato

dall’mTOR, dal Raptor,mLST8(GβL),PRAS40 e dal FKBP38 90 91. La proteina di struttura

Raptor recluta i substrati per l’mTOR ed è essenziale affinché possa esercitare la sua

attività fisiologica92 93. La proteina mLST8 lega il dominio della mTOR chinasi attivandone

l’attività indipendentemente da Raptor94, anche se non sembra sia indispensabile per

l’attività del mTORC1. La proteina PRAS40 agisce come regolatore negativo di mTORC1

sia legando direttamente il domino chinasico quindi inibendo l’attività chinasica95, sia

associandosi con Raptor inibendone la capacità di attivazione96 97 98. L’insulina esplica il

suo effetto inibitorio sul mTORC1 fosforilando il PRAS40 che attivato esercita il suo effetto

inibitorio. Anche la proteina FKBP38 esplica attività inibitrica sul mTORC 1. Una sovra

espressione di FKBP38 inibisce la fosforilazione della S6K1, dellaS6 e della 4EPBP199.

Il substrato proteico di mTORC1 più caratterizzato sono le S6K1 e la 4EBP1 che è in

grado di fosforilare 100 101. Fosforilando la S6K1 si ha un incremento della biogenesi

ribosomiale. Il 4EBP1 è un repressore traduzionale che, se fosforilato, non esrcita la sua

azione inibitrice sulla traduzione. Infatti se defosforilato il 4EBP1 è in grado di legare e

quindi di inibire il eIF4E. Quando l’mTOR fosforila il 4EBP1, libera il eIF4E che è in grado

di dare inizio alla traduzione.

La S6K1 è in grado di stimolare anche la fase di elongazione della traduzione, fosforilando

e quindi inattivando la eEF2chinasi che a sua volta quando è attiva fosforila inibendola, il

fattore eucariotico di elongazione 2(eEF2)102.

La Rheb (Res-homolog enriched in brain) è una piccola GTPasi che agisce come

regolatore positivo dell’mTORC1 ed è indispensabile per l’attività dell’mTOR. La S6K1 e la

4EBP1 non possono essere fosforilate se manca la Rheb mentre una sovra espressione

della stessa stimola la fosforilazione e quindi l’attività di S6K1 e 4EBP1103 104 105.

Infine la TSC1/TSC2 integrano una varietà di segnali quali quelli dell’insulina, dei fattori di

crescita e dello stato di energia ed agiscono come regolatori negativi dell’mTORC1106


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Figura 6 Regolazione dell’mTORC1. Fonte: Kim (2009)107

Sono stai studiate le ipotesi che la leucina influisse sull’mTORC1 tramite un sistema

recettoriale di membrana o tramite un meccanismo specifico di assorbimento tuttavia allo

stato attuale non ci sono evidenze che possano supportare tale possibilità. L’inibizione del

sistema di trasporto degli L aminoacidi non inibisce l’attività leucina indotta

dell’mTORC1108. E’ stato anche ipotizzato un meccanismo di rigonfiamento della cellula

aminoacido-indotto. Infatti alcuni aminoacidi entrano nella cellula tramite trasportatori Na+ -

dipendente, l’accumulo di Na+ e di aminoacidi intracellularmente aumenterebbe

l’osmolarità109 . Il rigonfiamento cellulare ha dimostrato essere già da solo uno stimolo per

la sintesi proteica ed esercita una azione inibitoria sulla degradazione proteica110, tuttavia

il più efficace trasportatore di leucina, il sistema trasportatore di L aminoacidi è Na+-


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indipendente. Tutto ciò suggerisce che sia la concentrazione aminoacidica intracellulare o

un recettore intracellulare a regolare la via metabolica di segnalazione del mTORC 1111.

E’ stato inoltre proposto un meccanismo di attivazione dell’mTORC1 tramite i vari

metaboliti della leucina incluso l’ATP. Infatti la leucina può essere metabolizzata a KIC,

come già riferito, e finire a produrre ATP nel ciclo di Krebs, allo stesso tempo stimola

anche la glutammato-deidrogenasi (GDH)112con un risultato simile. La deplezione di ATP

inibisce la fosforilazione del S6K1 e del 4EBP1113 114. C’è da dire però che la

concentrazione di ATP non viene influenzata da una stimolazione o da privazione di amino

acidi a breve termine115.

Anche trattamento con un inibitore delle amino trasferasi reversibili(BCAT) l’acido amino

acetico (AOAA) inibisce la fosforilazione del della S6K1 nel trattamento con leucina delle

cellule β del pancreas116.

Come già riportato il metabolita KIC è in grado di fosforilare il 4EBp1 in assenza di leucina

anche se in maniera minore rispetto alla leucina ed la sua attività viene inibita dalla

presenza di AOAA. Inoltre la norleucina ,che è un analogo della leucina ma non viene

incorporata nella sintesi proteica, è efficace tanto quanto la leucina nel fosforilare la

4EBP1, questo suggerisce che potrebbe esserci uno specifico recettore intracellulare117.

Fig. 6 Meccanismi proposti per l’azione della L-Leu su mTORC1. Fonte: Kim(2009)


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Sebbene non sia ancora conosciuto l’esatto meccanismo appare ovvio che gli amino acidi

regolano l’attività dell’mTORC1 e quindi la ricerca si è concentrata su questo tipo di

regolazione. La presenza di aminoacidi non cambiano l’interazione tra Rheb-Raptor o tra

Rheb-mTOR118, né l’interazione tra mLST8-mTOR è influenzata dagli aminoacidi.

Anche la presenza o meno di TSC1/TSC2 non è rilevante ai fini della regolazione

dell’mTORC1119 120. Tra i meccanismi proposti quello che sembra essere più interessante

è quello secondo cui gli aminoacidi agirebbero modulando l’interazione tra mTOR e

Raptor. Infatti la privazione di aminoacidi causa un legame più stretto tra mTOR e Raptor,

ciò inibisce l’attività chinasica dell’mTOR, mentre la presenza di aminoacidi stimola tale

attività allentando il legame tra mTOR e Raptor121.

Rimangono comunque da investigare ipotesi che coinvolgono diversi altri tipi di proteine.

Ultimamente l’interesse della ricerca farmaceutica è rivolto ad un altro metabolita della

leucina il già citato HMB.

L’HMB interrompe due vie metaboliche di degradazione proteica come riportato in fig. 7

Fig. 7 Azione anticatabolica dell’HMB (Fonte: www.abbotnutrition.com)

La perdita di massa magra (LBM) associata a malattie croniche, a malattie acute, a

patologie oncologiche o a emorragie croniche è il risultato dell’aumento nella circolazione

di citochine infiammatorie o di segnali metabolici che aumentano la degradazione

proteica122 123 124. Per esempio il TNF –α (Tumor necrosis factor), l’INF –γ (interferone γ),

l’AngII (Angiotensina II), il LPS (Lipopolisaccaride) o il PIF (Proteolysis-inducing factor). La

cascata infiammatoria attivata dalle citochine attiva il fattore nucleare kB(NFkB) il quale a


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sua volta, accumulandosi nel nucleo della cellula muscolare, è in grado di aumentare la

produzione di proteosomi, enzimi che, a loro volta, incrementano la degradazione proteica.

Inoltre il TNF-α, l’INF-γ, l’Ang-II e la LPS attivano la CASPASI-8 che a sua volta attiva la

CASPASI-3 riducendo la sintesi proteica nel nucleo. L’HMB è in grado di inibire la

CASPASI 8 125 126.

L’HMB esercita anche un’azione diretta sulla sintesi proteica attivando l’mTOR. Viene

sostenuta l’ipotesi che l’HMB sia il metabolita attivo della Leucina che attiva la via

metabolica dell’mTOR 127. Tuttavia questo meccanismo deve ancora essere chiarito.

Da quanto si è potuto ricavare da una analisi della letteratura reperibile, il razionale d’uso

di integratore nutrizionali a base di L-leucina trova giustificazione nelle evidenze

scientifiche che riguardano l’azione di questo amino acido sulla sintesi proteica. Tuttavia è

ancora prematuro considerare una certezza l’esatto meccanismo di azione sulla via

metabolica del mTORC1. Comunque che sia la leucina la più importante tra gli aminoacidi

essenziali non sembra esserci dubbio, tuttavia la sua capacità di stimolare la sintesi

proteica beneficia di un effetto sinergico degli altri aminoacidi anche se sembrerebbe in

quantità e proporzioni minori di quanto si è sempre presupposto.

Il KIC a sua volta sembra agire in virtù del fatto che può essere reversibilmente

transaminato a Leucina e quindi avendo una azione equivalente, anche se leggermente

minore, per una applicazione alimentare andrebbe indagato soprattutto in funzione della

biodisponibilità e del costo di produzione.

L’HMB infine è quello che sta subendo la maggiore spinta industriale farmaceutica sembra

avere una azione maggiore sulla sintesi proteica rispetto alla leucina ma sicuramente è più

vicino al concetto di farmaco che non di nutriente. Essendo un metabolita prodotto in

bassa percentuale dal metabolismo della leucina, sarebbe giusto interrogarsi su quanto

sia logico e sicuro integrare qualcosa di cui l’organismo stesso ne limita la produzione.

Antonio Sartini


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