Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares; Rui Fontes Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares 1. No contexto do metabolismo dos glicídeos as vias de clivagem e oxidação da glicose, de formação de glicose (gliconeogénese) e de armazenamento (glicogénese) e degradação (glicogenólise) de glicogénio têm maior relevância quantitativa. No entanto, outras vias de menor relevância quantitativa também são importantes. Para perceber isto é importante saber que as glicoproteínas e os glicolipídeos (que são componentes estruturais) contêm derivados aminados e acetilados de glicose e de galactose. No espaço extracelular de diversos órgãos e tecidos também existem glicosaminoglicanos que, para além destes derivados, também contêm resíduos de ácido glicurónico. O ácido glicurónico também aparece ligado a produtos de excreção biliar e urinária. A galactose e a frutose (ou os seus precursores, a lactose e a sacarose) são açúcares que fazem parte da dieta e os seus metabolismos têm características que os diferenciam do metabolismo da glicose. 2. O UDP-glicurónico (uridino difosfato de ácido glicurónico) é o dador de ácido glicurónico na síntese de glicosaminoglicanos e na formação de bilirrubina conjugada e de glicurono-conjugados de xenobióticos. As enzimas envolvidas nestes processos são transférases em que um dos produtos é o UDP e o outro o substrato aceitador adicionado de um resíduo de ácido glicurónico: Equação 1 UDP-glicurónico + X → UDP + glicurónico-X Os glicosaminoglicanos são sintetizados intracelularmente mas existem predominantemente no espaço extracelular de variados tecidos e órgãos para onde são segregados pelas células componentes desses mesmos tecidos. São longos polímeros lineares em que a unidade que se repete é um dissacarídeo que difere nos diferentes tipos de glicosaminoglicanos. Com uma exceção (sulfato de queratano) todos os glicosaminoglicanos podem conter resíduos de ácido glicurónico que se ligam a resíduos de um aminoaçúcar. Alguns glicosaminoglicanos também contêm outro ácido urónico, o L-idurónico, que resulta da epimerização do ácido glicurónico.1 A glicurono-conjugação da bilirrubina e dos xenobióticos é um passo que precede a sua excreção (biliar ou renal). 3. O UDP-glicurónico é sintetizado a partir da glicose. No primeiro passo a glicose é fosforilada formando-se glicose-6-fosfato (cínase da glicose; Equação 2); depois a glicose-6-fosfato sofre isomerização originando glicose-1-fosfato (fosfoglicomútase; Equação 3) que, por ação da pirofosforílase do UDP-glicose, se converte em UDP-glicose (Equação 4). A conversão da UDP-glicose em UDP-glicurónico envolve a desidrogénase do UDP-glicose; na ação catalítica desta enzima ocorre a transferência de quatro eletrões de um resíduo de glicose do UDP-glicose para duas moléculas de NAD+ (Equação 5). O UTP (uridinotrifosfato), substrato na reação expressa pela Equação 4, pode formar-se por fosforilação do UDP (uridinodifosfato) por ação da cínase dos nucleosídeos difosfatos (Equação 6). Equação 2 Equação 3 Equação 4 Equação 5 Equação 6 Glicose + ATP → Glicose-6-fosfato + ADP Glicose-6-fosfato ↔ Glicose-1-fosfato Glicose-1-fosfato + UTP → UDP-glicose + PPi UDP-glicose + 2 NAD+ → UDP-glicurónico + 2 NADH UDP + ATP → ADP + UTP O somatório das Equações 2-5 é a Equação 7. Equação 7 Glicose + ATP + UTP + 2 NAD+ → UDP-glicurónico + ADP + PPi + 2 NADH 1 Em alguns casos (sulfato de dermatano, heparina e sulfato de heparano), já depois da síntese da cadeia, uma percentagem maior ou menor dos resíduos de ácido glicurónico sofre epimeração no carbono 5 convertendo-se em resíduos de ácido Lidurónico. Esta epimerização não ocorre nos casos do ácido hialurónico e do sulfato de condroitina. O aminoaçucar pode ser a N-acetil-glicosamina (ácido hialurónico, sulfato de queratano, heparina e sulfato de heparano) ou a N-acetil-galactosamina (sulfato de condroitina e sulfato de dermatano). Com exceção do ácido hialurónico todos os glicosaminoglicanos contêm resíduos de sulfato que, na sua maior parte, estão ligados por ligações sulfoéster a grupos hidroxilo do polímero; no caso da heparina, o sulfato pode substituir alguns dos grupos acetilo da N-acetil-glicosamina havendo, por isso, resíduos de N-sulfilglicosamina. Página 1 de 6 Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares; Rui Fontes O somatório das Equações 1, 6 e 7 (Equação 8) permite compreender que a formação de um conjugado do ácido glicurónico possa ocorrer se gastam 2 “ligações ricas em energia” do ATP e se formam 2 NADH (eventualmente usados na síntese de ATP na fosforilação oxidativa). Equação 8 4. Glicose + 2 ATP + 2 NAD+ + X → glicurónico-X + 2 ADP + PPi + 2 NADH A frutose que é absorvida no intestino pode resultar da hidrólise da sacarose da dieta, mas também da ingestão direta de frutose sobretudo em alimentos que foram processados industrialmente2. A absorção da frutose no intestino e o seu transporte do sangue para as células envolve transportadores de membrana, mas ocorre sempre a favor do gradiente: não há transporte ativo de frutose. No polo apical dos enterócitos e das células tubulares renais o transportador para a frutose é o GLUT5; no polo basal destas mesmas células e nos hepatócitos é o GLUT2 [1]. Na criação do gradiente que possibilita a sua absorção e a sua entrada para as células estão envolvidas enzimas que promovem a sua metabolização. Após a ingestão de frutose, a sua concentração no plasma sobe para valores que podem atingir 0,5 mM (10% do da glicemia), mas desce rapidamente para valores que são mais de 100 vezes inferiores aos da glicemia [2]. As enzimas envolvidas na metabolização específica da frutose (cínase da frutose (Equação 9) e aldólase B (Equação 10)) são mais abundantes no fígado3 sendo neste órgão que a frutose absorvida é maioritariamente captada (GLUT2) e metabolizada [3, 4]. O primeiro passo no seu metabolismo é catalisado pela cínase da frutose que promove a sua fosforilação no carbono 1. A frutose-1-fosfato formada sofre a ação da aldólase B que catalisa a sua cisão formando-se como produtos a dihidroxiacetona-fosfato (um intermediário da glicólise e da gliconeogénese) e o gliceraldeído (Equação 10). A conversão do gliceraldeído no correspondente intermediário fosforilado envolve a ação da cínase das trioses (Equação 11). A Equação 12 é o somatório das reações referidas acima e mostra que a frutose é, numa via metabólica específica, convertida em dihidroxiacetona-fosfato + gliceraldeído-3-fosfato. Equação 9 Equação 10 Equação 11 Equação 12 Frutose + ATP → Frutose-1-fosfato + ADP Frutose-1-fosfato → dihidroxiacetona-fosfato + gliceraldeído Gliceraldeído + ATP → gliceraldeído-3-fosfato + ADP Frutose + 2 ATP → dihidroxiacetona-fosfato + gliceraldeído-3-fosfato + 2 ADP As trioses fosfato formadas (dihidroxiacetona-fosfato e o gliceraldeído-3-fosfato) são interconvertíveis (isomérase das trioses-fosfato; ver Equação 13) e são intermediários da glicólise e gliconeogénese podendo ser convertidas em glicose (via aldólase, fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato, isomérase das hexoses-fosfato e glicose-6-fosfátase)4. A ação da glicose-6-fosfátase (ver Equação 14), libertando glicose livre (e capaz de sair dos hepatócitos via GLUT2) permite prever que haja um aumento na glicemia após a ingestão de frutose. Outros destinos possíveis são a formação de glicogénio, lactato e palmitato (lipogénese), sofrer oxidação completa com produção de CO2 (via glicólise, desidrogénase do piruvato, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa) ou originar glicerol-3-fosfato (via ação da desidrogénase do glicerol-3-fosfato: ver Equação 15) que é um dos precursores na síntese de triacilgliceróis. Equação 13 Equação 14 Equação 15 Dihidroxiacetona-fosfato ↔ gliceraldeído-3-fosfato Glicose-6-fosfato + H2O → Glicose + Pi Dihidroxiacetona-fosfato + NADH ↔ glicerol-3-fosfato + NAD+ Embora as concentrações intracelulares de glicose possam inibir (inibição competitiva) a atividade de fosforilação da frutose no carbono 6 pelas diversas hexocínases dos tecidos (incluindo a hexocínase IV, a hexocínase hepática; ver Equação 16) admite-se que uma parte menor do metabolismo da frutose possa ocorrer via conversão da frutose em frutose-6-fosfato (intermediário da glicólise e gliconeogénese). Equação 16 Frutose + ATP → frutose-6-fosfato + ADP 2 A razão do uso crescente da frutose é o facto deste monossacarídeo ser muito doce, cerca de duas vezes mais doce que a glicose, por exemplo. 3 Também existem nos enterócitos e nas células tubulares renais. Nas células tubulares renais seriam importantes para metabolizar a frutose criando o gradiente necessário para a sua reabsorção. 4 Alguns autores, alargando o conceito clássico de gliconeogénese, incluem na gliconeogénese os processos de formação de glicose a partir de frutose e galactose. Página 2 de 6 Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares; Rui Fontes 5. Embora a glicose seja o glicídeo com o papel mais importante no metabolismo energético dos mamíferos, o nutriente dos espermatozoides é a frutose que é sintetizada a partir da glicose nas vesículas seminais. O processo de síntese de frutose envolve a redução, dependente do NADPH, da glicose a sorbitol (redútase das aldoses; Equação 17) e a oxidação, dependente do NAD+, do sorbitol a frutose (desidrogénase do sorbitol; ver Equação 18). O sorbitol é o poliálcool que resulta da redução do grupo aldeído da glicose.5 O facto de os espermatozoides consumirem frutose e de o líquido seminal conter este açúcar dá aos gâmetas masculinos uma vantagem competitiva sobre outras células (nomeadamente fungos e bactérias) que povoam a vagina normal contribuindo para a sua sobrevivência (e para a sobrevivência dos genes neles contidos). A membrana citoplasmática dos espermatozoides contém GLUT5, o transportador da frutose [1] mas, nestas células, o metabolismo da frutose, ao contrário do que acontece no fígado, envolve a hexocínase (conversão em frutose-6-fosfato; ver Equação 16) [5]. Equação 17 Equação 18 Glicose + NADPH → sorbitol + NADP+ Sorbitol + NAD+ → frutose + NADH 6. A intolerância hereditária à frutose é uma doença congénita rara causada por mutações no gene da aldólase B que a tornam incapaz de catalisar a cisão da frutose-1-fosfato. Os doentes têm episódios agudos de vómitos, dor abdominal e hipoglicemia quando ingerem frutose (ou sacarose). Na patogenia das crises estão alterações das concentrações intra-hepatocitárias de metabolitos como a acumulação de frutose-1fosfato e a depleção de ATP e Pi. Crises repetidas deste tipo podem acontecer em bebés afetados levando eventualmente a lesão hepática e tubular renal. Frequentemente, os doentes (ou os seus pais) aprendem a evitar os alimentos que contêm frutose e a terapêutica é exatamente essa: restrição na ingestão de frutose e sacarose.6 7. A galactose é ingerida ligada à glicose na lactose que, por ação da lactase intestinal, sofre hidrólise. A absorção da galactose nos enterócitos (e, a reabsorção nas células tubulares renais) envolve a ação da SGLT1 (transporte ativo secundário dependente do Na+). A galactose absorvida é rapidamente convertida em glicose (e glicogénio) e estes processos ocorrem maioritariamente no fígado; as concentrações plasmáticas de galactose após ingestão de grandes quantidades de galactose ou em jejum são semelhantes às apontadas acima para o caso da frutose [6, 7]. Tal como no caso da frutose o primeiro passo é o seu transporte via GLUT2 seguido da sua fosforilação no carbono 1; a enzima envolvida denomina-se cínase da galactose (ou galactocínase; Equação 19). A transférase de uridilato da galactose-1-fosfato (ou uridiltransférase da galactose-1-fosfato; Equação 20) catalisa a transferência de um resíduo de uridilato (UMP) entre a UDP-glicose e a galactose-1-fosfato; um dos produtos formados é a UDP-galactose e o outro a glicose-1-fosfato. A reação de isomerização da UDP-galactose em UDP-glicose é catalisada pela UDPgalactose-4-epimérase (Equação 21). Equação 19 Equação 20 Equação 21 Galactose + ATP → Galactose-1-fosfato + ADP Galactose-1-fosfato + UDP-glicose ↔ UDP-galactose + Glicose-1-fosfato UDP-galactose ↔ UDP-glicose O somatório das Equações 19-21 é a Equação 22. Esta Equação mostra que a galactose se converte em glicose-1-fosfato e que não é errado dizer-se que o par UDP-galactose/UDP-glicose (interconvertíveis por ação da epimérase) tem um papel “catalítico” (ou pseudocatalítico) neste processo de conversão. Equação 22 Galactose + ATP → Glicose-1-fosfato + ADP A ação sequenciada da fosfoglicomútase operando sobre a glicose-1-fosfato formada (Equação 3) e da glicose-6-fosfátase sobre a glicose-6-fosfato (Equação 14) permite compreender que se pode formar glicose a partir da galactose ingerida e que a glicemia aumente quando se ingere galactose. A glicose-1-fosfato 5 A redútase das aldoses também existe no cristalino do olho e pensa-se que a acumulação de sorbitol neste tecido é, pelo menos, uma das causas das cataratas dos doentes diabéticos. 6 O défice de cínase da frutose é outra deficiência que pode ocorrer no metabolismo da frutose, mas não é uma verdadeira doença. Os afetados não têm qualquer sintoma e as únicas anomalias são, aquando da ingestão de frutose, a excessiva excreção renal de frutose (daí a designação clássica de “frutosúria essencial”), subidas mais marcadas na frutosemia e uma metabolização lenta (via hexocínase) da fração da frutose ingerida que não se perde na urina. Página 3 de 6 Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares; Rui Fontes também pode ser substrato para a síntese de UDP-glicose (Equação 4) que é o dador de unidades de glicose na síntese de glicogénio, de glicoproteínas e de glicolipídeos. É comum pensar-se que a galactose pode ser convertida em galactose-6-fosfato por ação das hexocínases dos tecidos. Contudo, esta ideia é errada: a atividade das hexocínases na galactose é, mesmo in vitro, praticamente nula [8]. 8. Para além da lactose, muitos componentes estruturais dos tecidos (como glicoproteínas, glicolipídeos e proteoglicanos) contêm resíduos de galactose. A UDP-galactose é o dador de galactose aquando da ação de galactosil-transférases (Equação 23) que participam na síntese desses componentes estruturais e, no caso do tecido mamário em fase de lactação, na de lactose. Nestas ações catalíticas, o carbono anomérico da galactose que estava ligado ao fosfato β da UDP passa a estar ligado a uma proteína, a outro resíduo glicídico ou a um lipídeo. Equação 23 UDP-galactose + X → UDP + galactose-X Embora a UDP-galactose possa ter origem na galactose da dieta (galactose → galactose-1-fosfato → glicose-1-fosfato → UDP-glicose ↔ UDP-galactose; ver Equações 19, 20, 4 e 21), a esmagadora maioria das moléculas de UDP-galactose consumidas nos processos de biossíntese é sintetizada a partir da glicose. Nesta síntese participam hexocínases (no caso do fígado, a hexocínase IV) que catalisam a formação de glicose-6-fosfato (ver Equação 24), a fosfoglicomútase (Equação 3) e a pirofosforílase da UDP-glicose (Equação 4). A UDP-glicose (formada por ação sequenciada destas 3 enzimas: glicose → glicose-6-fosfato → glicose-1-fosfato → UDP-glicose) pode, por ação da mesma isomérase que, no fígado, participa na conversão da galactose da dieta em glicose (epimérase da UDP-galactose; Equação 21), levar à formação de UDP-galactose. Assim se compreende que a galactose (e a lactose) não seja um nutriente essencial (é dispensável na dieta). Equação 24 9. Glicose + ATP → glicose-6-fosfato + ADP Na glândula mamária inativa existe uma galactosil-transférase que está normalmente envolvida na síntese de glicoproteínas (Equação 23). Imediatamente após o parto começa a sintetizar-se na glândula mamária uma outra proteína (lactalbumina) que se liga à galactosil-transférase. O complexo galactosil-transféraselactalbumina tem atividade catalítica e designa-se como síntase da lactose porque catalisa a formação de lactose (Equação 25): a lactalbumina modifica a atividade da galactosil-transférase no que diz respeito ao substrato aceitador que passa a ser a glicose. Equação 25 UDP-galactose + glicose → lactose + UDP 10. Estão descritas patologias congénitas raras causadas por alterações nos genes codificadores da galactocínase, da uridil-transférase da galactose-1-fosfato e da 4-epimérase da UDP-galactose que causam défice de cada uma destas enzimas [9]. Todas estas alterações causam aumento da galactose no plasma sanguíneo quando se ingere galactose (ou lactose) e por isso são conhecidas pela designação de galactosemias. No entanto, porque se conhece há mais tempo (desde 1935) e porque tem consequências mais graves, quando se diz simplesmente “galactosemia” o mais provável é estar a falar-se do défice de uridil-transférase da galactose-1-fosfato. No défice de uridil-transférase da galactose-1-fosfato ocorre bloqueio da conversão galactose-1-fosfato → glicose-1-fosfato o que leva à acumulação de galactose-1fosfato e galactose nas células. Não se sabe a patogenia da maior parte das alterações que podem manifestar-se nestes doentes (atraso de crescimento, insuficiência hepática, anomalias no sistema nervoso central, alterações renais, disfunção ovárica, etc.) mas sabe-se porque é que desenvolvem cataratas. Quando se acumula galactose nas células do cristalino a redútase das aldoses presente nestes tecidos converte a galactose em galactitol, o polialcool correspondente à galactose (ver Equação 26). O galactitol acumula-se nas células do cristalino e, porque tem poder osmótico, provoca a acumulação secundária de água que está na origem da opacificação do cristalino. No caso do défice de galactocínase acumula-se galactose mas não galactose-1-fosfato e a única alteração é o desenvolvimento de cataratas que tem a mesma etiologia. O tratamento é, em ambos os casos, uma dieta restritiva onde a galactose (e lactose) está totalmente proibida. A dieta pode curar e previne o desenvolvimento das cataratas. Esta dieta também previne o desenvolvimento da insuficiência hepática e a morte precoce nos casos de défice de uridil-transférase da galactose-1-fosfato mas outras anomalias não são prevenidas. De notar que a galactose é nutricionalmente Página 4 de 6 Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares; Rui Fontes dispensável já que a UDP-galactose pode ser formada a partir da glicose via ação da 4-epimérase da UDPgalactose7 Equação 26 Galactose + NADPH → galactitol + NADP+ 11. As oses aminadas são importantes constituintes de glicoproteínas, glicolipídeos e glicosaminoglicanos. Tal como no caso da glicose, da galactose e do ácido glicurónico o substrato dador das oses aminadas para a síntese destes compostos são derivados contendo o resíduo UDP. As transférases envolvidas catalisam reações análogas às descritas pelas Equações 1 e 23. As oses aminadas formam-se a partir da frutose-6fosfato que, por ação de uma transférase, aceita a porção azotada do grupo amida da glutamina gerando a glicosamina-6-fosfato (Equação 27). A transformação da glicosamina-6-fosfato em UDP-glicosamina ocorre através de transformações semelhantes às que sofre a glicose-6-fosfato quando se converte em UDPglicose: isomerização a glicosamina-1-fosfato e aceitação do resíduo uridilato do UTP (Equação 28 e Equação 29). É frequente que o grupo amina esteja acetilado (ligação amida); a acetilação do grupo amina ocorre através da transferência do grupo acetilo da acetil-coenzima A para a glicosamina-6-fosfato (Equação 30). A formação da UDP-N-acetil-galactosamina (ou da UDP-galactosamina) ocorre por isomerização da UDP-N-acetil-glicosamina (ou da UDP-glicosamina), numa reação análoga à descrita pela Equação 21. Equação 27 Equação 28 Equação 29 Equação 30 Frutose-6-fosfato + glutamina → glicosamina-6-fosfato + glutamato Glicosamina-6-fosfato (ou N-acetil-glicosamina-6-fosfato) → Glicosamina-1-fosfato (ou N-acetil-glicosamina-1-fosfato) Glicosamina-1-fosfato (ou N-acetil-glicosamina-1-fosfato) + UTP → UDP-glicosamina (ou UDP-N-acetil-glicosamina) + PPi Glicosamina-6-fosfato + acetil-CoA → N-acetil-glicosamina-6-fosfato + CoA 1. Douard, V. & Ferraris, R. P. (2008) Regulation of the fructose transporter GLUT5 in health and disease, Am J Physiol Endocrinol Metab. 295, E227-37. 2. Chong, M. F., Fielding, B. A. & Frayn, K. N. (2007) Mechanisms for the acute effect of fructose on postprandial lipemia, Am J Clin Nutr. 85, 1511-20. 3. Bais, R., James, H. M., Rofe, A. M. & Conyers, R. A. (1985) The purification and properties of human liver ketohexokinase. A role for ketohexokinase and fructose-bisphosphate aldolase in the metabolic production of oxalate from xylitol, Biochem J. 230, 5360. 4. 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(1995) Disorders of galactose metabolism. in The metabolic and molecular bases of inherited disease. (Scriver, C., Beaudet, A., Sly, W. & Valle, D., eds) pp. 967-1000, McGraw-Hill, New York. 7 Os doentes com défice de 4-epimérase da UDP-galactose são muitíssimo raros e a doença é mal compreendida. Nos casos de deficiência mais grave a restrição absoluta de galactose não é possível porque, para estes doentes, a galactose é nutricionalmente indispensável. Página 5 de 6 Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares; Rui Fontes Galactose Lançadeiras do malato ou do glicerol-3-fosfato → Fosforilação oxidativa Glicogénio UDP ATP 2 NAD+ ADP 2 NADH UDP-Glicurónico X UDP-Glicose Galactose-1-fosfato H2O 2 Pi PPi UDP Pi UTP Glicurónico-X UDP-Galactose UDP-N-acetil-glicosamina Glicose-1-fosfato PPi ATP ADP Glicose UTP UDP-N-acetilgalactosamina Glicose-6-fosfato Pi ATP N-acetil-glicosamina-1fosfato H 2O glutamina glutamato ADP Glicosamina-6fosfato Frutose-6-fosfato Frutose ATP Pi ADP Acetil-CoA ATP CoA N-acetilglicosamina- 6fosfato ADP H2O Frutose-1,6-bisfosfato Frutose-1-fosfato Dihidroxiacetonafosfato Gliceraldeído-3fosfato Gliceraldeído Pi + ADP + NAD+ ADP ATP QH2 NADH ATP + NADH Fosfoenolpiruvato ADP Q ATP NAD+ Piruvato Glicerol-3-fosfato Página 6 de 6