Catabolismo dos aminoácidos 1 e 2 (duas aulas de grupo)
Propaganda
Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes Catabolismo dos aminoácidos 1 e 2 (duas aulas de grupo) 1- No decurso do seu catabolismo os aminoácidos perdem os seus átomos de azoto que, na sua maioria, são incorporados na ureia e excretados na urina. (i) A porção não azotada das moléculas dos aminoácidos (os esqueletos carbonados) pode, em certos casos (a maioria), gerar intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise. Nestes casos, os aminoácidos dizem-se glicogénicos porque, administrados a um animal em jejum, podem, via gliconeogénese, formar glicose ou glicogénio. Quando se diz que um determinado aminoácido é glicogénico quer-se dizer que, potencialmente, o esqueleto carbonado deste aminoácido pode, convertendo-se em glicose no fígado (e rim), ser indirectamente oxidado pelos tecidos do organismo que consomem glicose. (ii) No caso da leucina os produtos do catabolismo são o acetoacetato e o acetilCoA e não se geram intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise; a leucina não é um aminoácido glicogénico porque nenhum dos produtos formados a partir dela é substrato da gliconeogénese e diz-se cetogénica porque o acetoacetato é um corpo cetónico e o acetil-CoA é o precursor dos corpos cetónicos. O outro exemplo de aminoácido cetogénico é a lisina. Quando se diz que um determinado aminoácido é cetogénico quer-se dizer que, potencialmente, o esqueleto carbonado deste aminoácido pode, convertendose em acetoacetato e -hidroxibutitato no fígado, ser indirectamente oxidado pelos tecidos do organismo que consomem corpos cetónicos. (iii) Os aminoácidos que, no decurso do seu catabolismo, se desdobram de tal forma que parte da molécula forma acetoacetato ou acetil-CoA e a outra parte intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise costumam ser classificados como simultaneamente glicogénicos e cetogénicos. 2- Os intermediários do ciclo de Krebs podem (via fosfoenolpiruvato) gerar piruvato e este pode, por acção da desidrogénase do piruvato, gerar acetil-CoA que é oxidado a CO2. O facto de os aminoácidos poderem, no seu metabolismo, gerar piruvato, intermediários do ciclo de Krebs, acetoacetato e/ou acetilCoA permite compreender que, sendo oxidados a CO2, podem contribuir para a síntese de ATP sendo a par com os glicídeos e os lipídeos "compostos energéticos". Nas dietas habituais na nossa cultura o valor calórico das proteínas representa cerca de 15% do valor calórico total. Assim, embora a importância “energética” dos aminoácidos seja menor que a dos glicídeos e lipídeos, o seu valor energético não é negligenciável. É de notar que, embora os esqueletos carbonados dos aminoácidos sejam completamente oxidados gerando CO2, o processo pode ser indirecto: a maioria dos aminoácidos sofre catabolismo no fígado onde o seu azoto origina ureia e o seu esqueleto carbonado acaba por originar glicose ou glicogénio (a maioria dos aminoácidos são glicogénicos). Para além do seu papel na síntese de (praticamente) toda a ureia sintetizada no organismo, o fígado tem um importante papel no catabolismo do esqueleto carbonado da maior parte dos aminoácidos estimando-se que metade da energia libertada nos processos oxidativos que decorrem no fígado tenha origem na oxidação de aminoácidos [1]. Uma parte da importância do fígado nos processos oxidativos dos aminoácidos decorre do facto de este órgão receber directamente os aminoácidos da dieta (via veia porta) captando e oxidando os que estão em excesso relativamente às necessidades. O fígado oxida glicose (e o seu próprio glicogénio) para fazer face às suas necessidades energéticas e liberta glicose para o plasma (via gliconeogénese e via glicogenólise) mas uma parte desta glicose teve origem no esqueleto carbonado dos aminoácidos. A ulterior oxidação da glicose libertada pelo fígado nos diversos tecidos do organismo é também, em última análise, uma das componentes do processo oxidativo dos aminoácidos. Em termos médios, 1g de proteína, pode originar 0,6 g de glicose; se considerarmos que o cérebro consome cerca de 100-120 g de glicose por dia, deve conclui-se que a ingestão de 100 g de proteína (a ingestão “típica” diária numa dieta ocidental) pode contribuir para metade do consumo de glicose pelo cérebro [1]. 3- Embora a ureia e o amónio não resultem da oxidação dos esqueletos carbonados dos aminoácidos o processo de conversão dos aminoácidos em CO2 ou em glicose ou em corpos cetónicos é concomitante com a formação daqueles compostos de excreção. Por isso, a velocidade de degradação dos aminoácidos no seu todo pode ser medida, medindo a velocidade de excreção dos compostos azotados na urina. O azoto da ureia pode constituir entre 60% e 90% (a percentagem aumenta quando dieta é rica em proteínas) do azoto urinário; a ureia, o amónio, a creatinina e o ácido úrico1 contêm mais de 95% do azoto urinário. Se 1 A creatinina forma-se a partir da creatina e fosfocreatina que, por sua vez, se forma a partir da glicina, da arginina e da metionina. A molécula da creatinina contém 3 átomos de azoto sendo que 1 provém directamente da glicina e 2 da arginina. Página 1 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes se considerarem períodos de tempo longos (vários dias) [2], o valor do azoto urinário presente na ureia e no amónio é uma medida da velocidade de oxidação dos aminoácidos e pode servir para estimar a massa e o valor energético dos aminoácidos que estão a ser oxidados. 4- O catabolismo da alanina [3C,1N] é muito simples e envolve apenas a acção da transamínase da alanina (ver equação 1) que dá origem ao -cetoácido correspondente, o piruvato [3C]. O piruvato é substrato da gliconeogénese e pode, por isso, originar glicose. A alanina (cujo azoto constitui quase 10% do azoto aminoacídico do plasma) é um veículo de transporte de azoto no plasma. No ciclo da alanina, o piruvato formado na glicólise muscular aceita grupos amina de outros aminoácidos (ver equação 1) convertendo-se em alanina; a alanina sai dos músculos para o plasma sanguíneo; no fígado é captada e reconvertida em piruvato (ver equação 1); o piruvato, via gliconeogénese, gera glicose que pode voltar a ser oxidada no músculo. Através da acção das enzimas da gliconeogénese hepática, glicólise muscular e transamínase da alanina nos dois tecidos, o ciclo da alanina participa no transporte de azoto dos músculos para o fígado (onde contribui para a formação de ureia) mas também permite que a glicose que, no músculo, foi apenas oxidada a piruvato, possa ser regenerada no fígado. Do ponto de energético o ciclo da alanina, considerado como um todo, consome ATP (consumo de 6 ligações ricas em energia e 2 NADH no fígado/molécula de glicose formada e formação de 2 ligações ricas em energia e 2 NADH no músculo) mas permite poupar glicose que é um importante substrato nos processos oxidativos cerebrais: tal como o ciclo do lactato, o ciclo da alanina também pode ser entendido como um processo de transferência de energia do fígado para o músculo; as substâncias que estão a ser oxidadas no fígado permitem a formação de glicose, cuja oxidação nos músculos, gera ATP. É, no entanto, de notar que os ciclos da alanina e do lactato não permitem formar glicose de novo mas apenas recuperar como glicose a glicose que foi oxidada a piruvato (no músculo) ou cindida a lactato (nos eritrócitos). No cérebro, a glicose é oxidada a CO2 e, num indivíduo em jejum prolongado (vários dias ou semanas), esta glicose só pode provir da conversão líquida dos aminoácidos endógenos em glicose. alanina + -cetoglutarato piruvato + glutamato 5- A asparagina [4C,2N], por acção da asparagínase, é hidrolisada gerando aspartato [4C,1N] e amoníaco (ver equação 2). O aspartato por transaminação (ver equação 3) gera oxalacetato [4C] que é um intermediário do ciclo de Krebs. No ciclo da ureia, o aspartato reage com a citrulina (sintétase do argininosuccinato) originando arginino-succinato. Nesta via metabólica o azoto do aspartato incorpora-se na ureia e o esqueleto carbonato sai como fumarato [4C] que é também intermediário do ciclo de Krebs. Daqui se pode concluir que a asparagina e o aspartato são aminoácidos glicogénicos. asparagina + H2O aspartato + NH3 aspartato + -cetoglutarato oxalacetato + glutamato 6- (1) (2) (3) De forma semelhante ao caso da asparagina, a glutamina [5C,2N], por acção da glutamínase, dá origem a glutamato (ver equação 4) e o glutamato [5C,1N], por transaminação, gera o intermediário do ciclo de Krebs -cetoglutarato (ver equação 5). No caso do glutamato a formação do -cetoglutarato [5C] também pode ser o resultado da acção da desidrogénase do glutamato (ver equação 6). Os processos de hidrólise do grupo amida da glutamina (ver equação 4) e da asparagina (ver equação 2) chamam-se, frequentemente, de processos de desamidação. Os enterócitos têm particular importância no catabolismo da glutamina (quer na que se forma a partir da hidrólise das proteínas da dieta quer na que se forma endogenamente). Nos enterócitos, uma parte da glutamina converte-se (via glutamato) em cetoglutarato e depois em piruvato que, por transaminação, gera alanina2 que passa para a veia porta e é posteriormente transformada em glicose (e ureia) no fígado. Os enterócitos são células com uma taxa de multiplicação muito elevada (a vida média dos enterócitos é de 2-5 dias) e a glutamina é também consumida na síntese das purinas e pirimidinas necessárias para a síntese dos ácidos nucleicos. O ácido úrico forma-se no catabolismo das purinas e a sua molécula contém 4 átomos de azoto: 2 provêm directamente da glutamina, 1 da glicina e o outro do aspartato. 2 Esta conversão poderá ocorrer via glutamina glutamato -cetoglutarato succinil-CoA succinato fumarato malato oxalacetato fosfoenolpiruvato piruvato alanina. Página 2 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes glutamina + H2O glutamato + NH3 glutamato + -cetoácido -cetoglutarato + -aminoácido glutamato + NAD+ + H2O -cetoglutarato + NADH + NH3 7- Numa reacção fisiologicamente reversível a hidroxi-metil-transférase da serina pode catalisar a interconversão da serina [3C,1N] e da glicina [2C,1N]; na reacção também ocorre a interconversão do H4-folato e do N5,N10-metileno H4-folato (ver equação 7). A glicina pode ser oxidada pela acção catalítica do complexo de clivagem de glicina; este complexo usa como aceitador de metilo o H4-folato e na reacção forma-se CO2, NH3 e também N5,N10-metileno H4-folato (ver equação 8). Assim, por acção sequenciada da hidroxi-metil-transférase da serina e do complexo de clivagem de glicina, a serina pode ser completamente oxidada formando CO2 e dois equivalentes de N5,N10-metileno H4-folato. Se atentarmos neste processo notaremos que a glicina (e indirectamente a serina) são aminoácidos que podem ser oxidados a CO2 sem a intervenção de enzimas do ciclo de Krebs constituindo, por isso, excepções ao processo oxidativo geral dos nutrientes. serina + H4-folato glicina + N5,N10-metileno H4-folato + H2O glicina + NAD+ + H4-folato CO2 + NH3 + NADH + N5,N10-metileno H4-folato 8- (4) (5) (6) (7) (8) A serina pode, por acção de outras enzimas, formar piruvato. Uma das vias metabólicas em que a serina pode originar piruvato envolve, como primeiro passo, a acção de uma transamínase onde a serina perde o grupo amina. Nesta via metabólica a serina origina, por transaminação, o 3-hidroxipiruvato (o -cetoácido correspondente à serina; ver equação 9) que através da acção de outras enzimas acaba por gerar fosfoenolpiruvato. O fosfoenolpiruvato pode converter-se em glicose (gliconeogénese) ou originar piruvato e ser oxidado. Um outro processo, mais simples, envolveria a acção da desidrátase da serina (ver equação 10). Por acção sequenciada da hidroxi-metil-transférase da serina (ver equação 7) e das enzimas que podem converter a serina em fosfoenolpiruvato ou piruvato, a glicina pode também dar origem a piruvato. serina + -cetoglutarato 3-hidroxipiruvato + glutamato serina piruvato + NH3 (9) (10) 9- A cisteína [3C,1N,1S) contém um grupo tiol e as suas vias catabólicas são diversas e complexas. O grupo tiol é oxidado gerando, em última análise, sulfato que é excretado na urina. De notar que o sulfato se forma juntamente com os respectivos protões e que, portanto, o catabolismo da cisteína (e da metionina) tende a acidificar o meio interno. O grupo amina da cisteína pode perder-se em reacções de transaminação; neste caso, o piruvato é também um dos produtos gerados no catabolismo da cisteína. Num outro processo alternativo (quantitativamente menos relevante) forma-se taurina (C2,1N,1S) que, fazendo parte dos ácidos biliares, é em última análise, excretada na urina. Na formação da taurina também ocorre oxidação do grupo tiol mas, neste caso, o enxofre e o grupo amina mantêm-se ligados ao esqueleto carbonado. 10- A metionina [5C,1N,1S] é um aminoácido que contém um total de 5 carbonos e em que um deles (um grupo metilo) se liga ao resto da cadeia por uma ligação sulfureto (CH3-S-CH2CH2CHNH2-COOH). No processo catabólico a metionina começa por reagir com o ATP gerando S-adenosil-metionina (ver equação 11). Um dos carbonos da metionina (o do metilo ligado ao enxofre) acaba transferido para vários possíveis aceitadores (por acção de metil-transférases; ver equação 12) formando-se um intermediário contendo adenosina e homocisteína: a S-adenosil-homocisteína. A S-adenosil-homocisteína é, de seguida, hidrolisada gerando a homocisteína (ver equação 13). O átomo de enxofre da homocisteína [4C,1N,1S) acaba transferido para a serina [3C,1N,1OH] que se converte em cisteína [3C,1N,1S) enquanto o grupo azotado e os carbonos que pertenciam à homocisteína se libertam como NH3 e -cetobutirato. Neste processo intervêm sequencialmente duas enzimas: a síntase da cistationina (ver equação 14) e a líase da cistationina (ver equação 15). O -cetobutirato (numa reacção semelhante à que é catalisada pela desidrogénase do piruvato) origina propionil-CoA (ver equação 16) que, via metil-malonil-CoA, leva à formação de succinil-CoA que é um intermediário do ciclo de Krebs (ver equações 17-19). A equação 20 é a equação soma (equações 11-19) relativa ao processo de oxidação da metionina a succinil-CoA. É de notar que, durante o catabolismo da metionina, o seu átomo de enxofre se converte em enxofre da cisteína e que, portanto, este se perde maioritariamente como sulfato na urina aquando do catabolismo da cisteína. Página 3 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes O grupo metilo é transferido para aceitadores de metilo. Se admitirmos que o CO2 que se perde na reacção 16 é o mesmo que se incorpora durante a formação do succinil-CoA a partir do propionil-CoA, poderemos também admitir que os outros 4 carbonos da metionina geram succinil-CoA. O facto do succinil-CoA ser um intermediário do ciclo de Krebs explica o carácter glicogénico da metionina. 11- ATP + metionina S-adenosil-metionina + Pi + PPi S-adenosil-metionina + aceitador3 S-adenosil-homocisteína + aceitador metilado S-adenosil-homocisteína + H2O homocisteína + adenosina homocisteína + serina cistationina cistationina cisteína + NH3 + -cetobutirato -cetobutirato + NAD+ + CoA propionil-CoA + NADH + CO2 (11) (12) (13) (14) (15) (16) propionil-CoA + CO2 + ATP D-metil-malonil-CoA + ADP + Pi D-metil-malonil-CoA L-metil-malonil-CoA L-metil-malonil-CoA succinil-CoA (17) (18) (19) metionina + 2 ATP + aceitador + H2O + serina + NAD+ + CoA succinil-CoA + cisteína + aceitador metilado + NH3 + NADH + adenosina + PPi +Pi (20) A homocisteína, para além de poder reagir com a serina e formar cistationina (ver equação 14), também pode aceitar o grupo metilo do N5-metil-H4-folato regenerando-se metionina (síntase da metionina; ver equação 21). O N5-metil-H4-folato forma-se por redução (dependente do NADPH; acção da redútase do N5,N10-metileno-H4-folato; ver equação 22) do N5,N10-metileno-H4-folato (maioritariamente gerado no catabolismo da serina e glicina; ver equações 7 e 8). N5-metil-H4-folato + homocisteína H4-folato + metionina N5,N10-metileno-H4-folato + NADPH N5-metil-H4-folato + NADP+ 12- No catabolismo da tirosina [9C,1N,1OH] a primeira reacção é uma transaminação onde o grupo amina é transferido para o -cetoglutarato formando-se para-hidroxifenilpiruvato [9C] e glutamato (ver equação 23). Em três reacções sequenciais catalisadas por duas oxigénases (um dos substratos é o O2) e uma isomérase, o p-hidroxifenilpiruvato dá origem ao homogentisato [8C], ao maleilo-acetoacetato [8C] e ao fumaril-acetoacetato [8C] (ver equações 24-26). O fumaril-acetoacetato é, de seguida, hidrolisado (ver equação 27) cindindo-se em fumarato [4C] e acetoacetato [4C]. A equação soma que descreve o catabolismo da tirosina é a equação 28. O facto de a cisão molecular do fumaril-acetoacetato gerar um intermediário do ciclo de Krebs e um corpo cetónico explica a classificação da tirosina no grupo dos aminoácidos “simultaneamente glicogénicos e cetogénicos”. Porque a fenilalanina [9C,1N] se converte em tirosina (ver abaixo) o catabolismo da fenilalanina gera os mesmos produtos e a mesma classificação se aplica a este aminoácido. A alcaptnúria é causada por uma deficiência congénita de uma enzima envolvida no catabolismo da tirosina, a oxigénase do ácido homogentísico (ver equação 25). Nesta doença, que não põe em risco a vida, a acumulação de ácido homogentísico causa, como sinal mais relevante, uma urina que escurece em contacto com o ar. tirosina + -cetoglutarato p-hidroxifenilpiruvato + glutamato p-hidroxifenilpiruvato + O2 homogentisato + CO2 homogentisato + O2 maleilo-acetoacetato maleilo-acetoacetato fumaril-acetoacetato fumaril-acetoacetato + H2O fumarato + acetoacetato tirosina + -cetoglutarato + 2 O2 + H2O fumarato + acetoacetato + glutamato + CO2 13- (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) A fenilalanina [9C,1N] converte-se em tirosina por acção de uma enzima hepática, a hidroxílase da fenilalanina (directamente dependente da tetrahidrobiopterina; ver equação 29). Nesta reacção a 3 Entre outros são aceitadores dos grupos metilo da S-adenosilmetionina a fosfatidil-etanolamina (formação de fosfatidilcolina), a noradrenalina (formação de adrenalina), o guanidoacetato (formação de creatina), resíduos de lisina e histidina em proteínas e resíduos de nucleotídeos de ácidos nucleicos. Página 4 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes fenilalanina e a tetrahidrobiopterina são oxidadas pelo oxigénio molecular originando, respectivamente, tirosina e dihidrobiopterina; a regeneração da tetrahidrobiopterina ocorre por acção de uma redútase dependente do NADPH (redútase da dihidrobiopterina; ver equação 30). Quando uma destas enzimas está deficiente ocorre a acumulação de fenilalanina que pode, por transaminação, gerar fenilpiruvato. Um dos produtos a que o fenilpiruvato pode dar origem é o fenilacetato que surge na urina em quantidades elevadas nesta situação patológica (designada de fenilcetonúria). Embora se desconheça a razão, a fenilcetonúria provoca lesões no cérebro em desenvolvimento e, consequentemente, atraso mental grave. A situação pode ser prevenida com uma dieta pobre em fenilalanina durante, pelo menos, os primeiros 6-8 anos de vida. Em Portugal colhe-se sangue a todos os bébés recém-nascidos sendo um dos objectivos detectar (e tratar) precocemente esta doença. A doença é autossómica recessiva e tem uma incidência relativamente elevada (1/13000 nascimentos). Desconhece-se o motivo da alta incidência do gene sendo legítimo especular que poderá estar relacionado com selecção positiva dos heterozigotos em situações em que a fenilalanina escasseia(va) na dieta. fenilalanina + tetrahidrobiopterina + O2 tirosina + dihidrobiopterina + H2O dihidrobiopterina + NADPH tetrahidrobiopterina + NADP+ 14- (29) (30) O catabolismo dos aminoácidos ramificados valina [5C,1N], isoleucina [6C,1N], e leucina [6C,1N] inicia-se com a perda dos grupos -amina em reacções de transaminação (ver equações 31-33). Os esqueletos carbonados correspondentes formados são -cetoácidos ramificados que, pela acção catalítica de uma desidrogénase com actividade semelhante à que catalisa a oxidação descarboxilativa do piruvato, -cetoglutarato e -cetobutirato, originam acis-CoA ramificados distintos (ver equação 34). Subsequentemente as vias metabólicas divergem. (1) No catabolismo da valina o produto final é o succinil-CoA que se forma a partir do propionil-CoA via metil-malonil-CoA. Assim, a valina leva à formação de um intermediário do ciclo de Krebs e é um aminoácido glicogénico. (2) Um dos intermediários do catabolismo da leucina é o hidroxi-metil-glutaril-CoA. Este composto é também um intermediário do ciclo de Lynen e a sua cisão (por acção da líase do hidroxi-metil-glutaril-CoA) gera acetoacetato e a acetil-CoA. A classificação da leucina como aminoácido cetogénico deriva do facto de um dos produtos do seu catabolismo ser o acetoacetato (um corpo cetónico) e de a acetil-CoA (o outro produto), quando formado no fígado, poder originar também (ciclo de Lynen) acetoacetato. (3) No catabolismo da isoleucina, um dos intermediários (o -metil-acetoacetil-CoA) sofre cisão tiolítica originando acetil-CoA e propionil-CoA; num processo já referido a propósito dos catabolismos da metionina, da valina e dos ácidos gordos ramificados, o propionil-CoA gera succinil-CoA. Assim, porque da cisão do intermediário -metil-acetoacetil-CoA se gera acetil-CoA e um composto (propionil-CoA) que é glicogénico, a isoleucina costuma classificar-se como um aminoácido “simultaneamente glicogénico e cetogénico”. Ao contrário do que acontece com a maioria dos outros aminoácidos que sofrem o seu catabolismo no fígado, no intestino ou no rim, uma grande parte dos aminoácidos ramificados sofre catabolismo nos músculos esqueléticos e cardíaco. Pelo menos a primeira reacção em que estes aminoácidos intervêm (a de transaminação; ver equações 31-33) é um processo que é mais activo nos músculos. O azoto do grupo amina destes aminoácidos sai dos músculos incorporado na alanina e na glutamina4. leucina + -cetoglutarato -ceto-isocaproato + glutamato isoleucina + -cetoglutarato -ceto--metil-valerato + glutamato valina + -cetoglutarato -ceto-isovalerato + glutamato -cetoácido ramificado + CoA + NAD+ acil-CoA ramificado + CO2 + NADH 4 (31) (32) (33) (34) Embora seja controverso, admite-se que na formação do esqueleto carbonado da glutamina no músculo possam intervir conjuntamente os produtos de todos os aminoácidos ramificados. No ciclo de Krebs, o succinato (formado a partir da valina e isoleucina) pode gerar oxalacetato que, reagindo com a acetil-CoA (eventualmente proveniente do catabolismo da isoleucina e leucina), pode formar citrato e sequencialmente -cetoglutarato. O -cetoglutarato poderá aceitar grupos amina na primeira reacção do catabolismo dos aminoácidos ramificados (ver equações 31-33) formando glutamato. O glutamato pode gerar glutamina (acção catalítica da sintétase da glutamina: glutamato + NH3 + ATP glutamina + ADP + Pi) incorporando NH3 formado no catabolismo de outros aminoácidos. A glutamina é o aminoácido mais abundante no plasma sanguíneo constituindo por si só quase 1/3 do azoto aminoacídico do plasma e, conjuntamente com a alanina (ciclo da alanina), um veículo de transporte de azoto dos músculos para o fígado. Página 5 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes 15- O catabolismo da arginina [6C,4N] está intimamente associado ao seu papel como intermediário do ciclo da ureia. Neste ciclo a hidrólise da arginina (pela argínase) leva à formação de ornitina [5C,2N] e ureia [(NH2)2CO]. A ornitina contém um grupo amina no carbono 5 e é substrato de uma transamínase; no processo catalítico o grupo amina converte-se num grupo aldeído formando-se o semialdeído do glutamato (ver equação 35). A oxidação do grupo aldeído do semialdeído do glutamato leva à formação de glutamato que, como já referido, pode converter-se em -cetoglutarato. O catabolismo da prolina [5C,1N] está relacionado com o da arginina na medida em que um intermediário comum é o semialdeído do glutamato. Assim, quer a arginina quer a prolina são aminoácidos glicogénicos. -cetoácido + ornitina -aminoácido + semialdeído do glutamato 16- O primeiro passo no catabolismo da histidina [6C,3N] é a sua desaminação que, ao contrário do que é mais comum, é catalisada por uma líase, a histídase (ver equação 36). O urocanato formado ainda contém dois átomos de azoto que são constituintes do anel imidazol. A via catabólica leva, a dado passo do processo, à formação do formimino-glutamato (Figlu); o segundo átomo de azoto (e um dos carbonos) é transferido desse intermediário para o H4folato formando-se, nessa reacção, N5-formimino-H4folato e glutamato (ver equação 37). O azoto do grupo formimino do N5-formimino-H4folato perde-se na forma de amoníaco gerando N5,N10-metenil-H4folato (ver equação 38) que intervém na síntese das bases púricas. O glutamato, como já referido, pode gerar -cetoglutarato e, por isso, a histidina é um aminoácido glicogénico. histidina urocanato + NH3 formimino-glutamato (Figlu) + H4folato N5-formimino-H4folato + glutamato N5-formimino-H4folato N5,N10-metenil-H4-folato + NH3 17- (39) (40) No catabolismo da lisina [6C,2N] o grupo amina terminal é transferido para o -cetoglutarato gerando-se glutamato e o semialdeído do -aminoadipato. O processo envolve várias enzimas e poderia, em última análise, ser entendido como “uma transaminação”; no entanto, não é catalisado por uma transamínase do tipo das que operam no caso dos outros aminoácidos. O semialdeído do -aminoadipato é oxidado a aminoadipato que já é substrato de uma transamínase clássica; é na acção catalítica desta transamínase que o grupo -amina se perde para o -cetoglutarato (equação 41). O produto final do catabolismo da lisina é o acetoacetil-CoA (intermediário da síntese dos corpos cetónicos) e por isso a lisina é classificada como um aminoácido cetogénico. O acetoacetil-CoA pode ser cindido pela acção da tiólase gerando acetil-CoA. -aminoadipato + -cetoglutarato -cetoadipato + glutamato 19- (36) (37) (38) O processo catabólico da treonina [4C,1N,1OH] nos seres humanos é incerto [3-4] mas sabe-se que a treonina não é substrato em reacções de transaminação. Uma das vias metabólicas possíveis envolve a cisão da molécula de treonina: dois dos seus carbonos e o azoto dariam origem a glicina (que pode gerar piruvato) e os outros dois carbonos ao resíduo acetato da acetil-CoA. A reacção envolveria a acção catalítica de um complexo enzimático designado por complexo de clivagem da treonina (ver equação 39). Numa outra via metabólica alternativa a treonina sofre desaminação por acção catalítica da desidrátase da serina originando-se NH3 e -cetobutirato (ver equação 40). O processo de conversão do cetobutirato em succinil-CoA (intermediário do ciclo de Krebs) já foi referido (ver equações 16-19). Devido à existência das dúvidas apontadas a treonina é, às vezes, classificada como glicogénica e, outras, como simultaneamente glicogénica e cetogénica. treonina + CoA + NAD+ acetil-CoA + glicina + NADH treonina -cetobutirato + NH3 18- (35) (41) A primeira enzima envolvida no catabolismo do triptofano [11C,2N] é uma oxigénase cuja acção leva à rotura do anel indole. Embora o triptofano possa gerar acetoacetil-CoA, na via catabólica do triptofano ocorrem reacções laterais que podem levar à formação de produtos alternativos. A cinurenina é o primeiro intermediário da via catabólica que pode ser substrato em processos reactivos alternativos. Num destes processos a cinurenina leva à formação de 3-hidroxiantranilato e alanina; no outro gera-se ácido cinurénico que é excretado na urina. Porque no seu catabolismo o triptofano pode gerar alanina (que gera piruvato) e acetoacetil-CoA é classificado como sendo um aminoácido simultaneamente glicogénico e Página 6 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes cetogénico. Na via metabólica que converte o 3-hidroxiantranilato em acetoacetil-CoA forma-se um intermediário que, em reacções alternativas, pode gerar o ribonucleotídeo do ácido nicotínico, precursor na síntese do NAD+ e do NADP+. 20- De acordo com o critério referido no ponto 1 seriam classificados como aminoácidos cetogénicos a leucina e a lisina. A tirosina e a fenilalanina (que originam fumarato e acetoacetato), o triptofano (que origina alanina e acetocetil-CoA) e a isoleucina (que origina succinil-CoA e acetil-CoA) seriam classificados como simultaneamente cetogénicos e glicogénicos. Seriam aminoácidos glicogénicos: a asparagina e o aspartato (que originam oxalacetato ou fumarato), a glutamina, o glutamato, a arginina, a ornitina, a prolina e a histidina (que originam -cetoglutarato), a alanina, a serina, a glicina e a cisteína (que originam piruvato) e a metionina e a valina (que originam succinil-CoA). De facto, mesmo durante o período absortivo, uma parte dos hepatócitos (os hepatócitos peri-portais) continua a formar glicose-6fosfato a partir dos aminoácidos glicogénicos (e simultaneamente glicogénicos e cetogénicos) absorvidos, armazenando os carbonos correspondentes a estes aminoácidos na forma de glicogénio [3]. Como já referido, este glicogénio pode, via glicogenólise, fornecer glicose-6-fosfato para oxidação nas mesmas células ou, via glicose-6-fosfátase, libertar glicose para o plasma sanguíneo. 21- Com excepção da glicina e da serina (via glicina) que podem ser completamente oxidados a CO2 pela acção do complexo de clivagem da glicina, a oxidação completa dos aminoácidos implica, mesmo no caso dos aminoácidos glicogénicos e dos simultaneamente glicogénicos e cetogénicos, a formação de acetilCoA e o envolvimento das enzimas do ciclo de Krebs. Quando um determinado aminoácido é oxidado de forma completa num órgão em que não há gliconeogénese o intermediário do ciclo de Krebs formado no catabolismo desse aminoácidos é oxidado via conversão desse intermediário em oxalacetato (ciclo de Krebs) e posterior conversão deste em fosfoenolpiruvato (carboxicínase do fosfoenolpiruvato), piruvato (cínase do piruvato) e acetil-CoA (desidrogénase do piruvato)5. 22- No metabolismo da serina, da glicina, da histidina e da metionina intervém derivados do folato. (a) No catabolismo da serina e da glicina o H4-folato é aceitador de unidades monocarbonadas formandose o N5,N10-metileno-H4-folato (ver equações 7 e 8) que, por sua vez, é dador de unidades monocarbonadas à 2'-desoxi-uridina monofosfato (2'd-UMP) sintetizando-se timidina monofosfato (TMP); ver equação 42). O dihidrofolato (H2-folato) que se forma no processo é reduzido a H4-folato pela redútase do dihidrofolato (ver equação 43). N5,N10-metileno-H4-folato + 2'-desoxi-uridina monofosfato H2-folato + timidina monofosfato H2-folato + NADPH H4-folato + NADP+ (42) (43) (b) O carbono do grupo metileno (N5 - CH2 – N10) do N5,N10-metileno-H4-folato tem número de oxidação zero. Numa reacção de redução catalisada pela redútase do N5,N10-metileno-H4-folato este composto dá origem ao N5-metil-H4-folato (ver equação 22) que é capaz de transferir o grupo metilo (N5-CH3; o carbono tem número de oxidação –2) para a homocisteína e formar metionina (síntase da metionina: ver equação 21; esta síntase tem como cofactor a vitamina B12). Assim, via metilação do H4folato pela glicina ou pela serina e subsequente redução do metileno-H4-folato a metil-H4-folato forma-se o dador de metilo para a regeneração da metionina. A metionina “activada” (S-adenosil-metionina; ver equação 11) é dador de metilos aquando da síntese de variados compostos como, por exemplo, a fosfatidilcolina a partir de fosfatidil-etanolamina (ver equação 12). Nestas reacções, em que intervém como dador de metilo a S-adenosil-metionina, forma-se a S-adenosil-homocisteína que ao ser hidrolisada gera 5 De facto, é possível que esta via directa de oxidação dos aminoácidos glicogénicos possa também ocorrer no fígado quando, durante a fase absortiva, há elevadas concentrações de aminoácidos na veia porta e estes são (com excepção dos aminoácidos ramificados) maioritariamente captados pelo fígado. Admite-se assim que, quando a refeição é rica em proteínas e uma parte dos aminoácidos estão, no fígado, a ser usados como substratos na síntese de glicogénio hepático (via gliconeogénese), o ATP consumido no processo provenha da oxidação da parte restante dos aminoácidos que estão a ser directamente oxidados via conversão em acetil-CoA [Newsholme e Leech (2010) Functional Biochemistry in Health and Disease]. De facto, se pensarmos no processo na sua globalidade, a existência desta via directa de oxidação dos aminoácidos é indistinguível de um processo em que o glicogénio formado nos hepatócitos a partir de aminoácidos sofre oxidação completa nos mesmos hepatócitos onde se forma; a conversão do fosfoenolpiruvato em glicogénio e deste em fosfoenolpiruvato seria um ciclo de substrato (em sentido lato). Página 7 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes homocisteína (ver equação 13). Como já referido, a homocisteína pode ser metilada pelo N5-metil-H4folato regenerando a metionina (ver equação 21). (c) O N5,N10-metileno-H4-folato (formado no catabolismo da serina e glicina; ver equações 7 e 8) pode ser oxidado por desidrogénases do N5,N10-metileno-H4-folato e gerar N5,N10-metenilo-H4-folato (ver equação 44). O N5,N10-metenilo-H4-folato (assim como a sua forma hidratada N10-formil-H4-folato que resulta de hidrólise intramolecular) é dador de unidades monocarbonadas durante o processo de síntese dos nucleotídeos púricos. O carbono do grupo metenilo do N5,N10-metenilo-H4-folato (N5 – CH = N10) tem número de oxidação +2. O carbono do grupo formimino do N5-formimino-H4-folato (N5 – CH = NH) e o do grupo formilo do N10-formil-H4-folato (O = CH - N10) também têm número de oxidação +2. O N5-formimino-H4-folato pode (por desaminação) dar origem ao N5,N10-metenilo-H4-folato e este (por hidratação) pode originar o N10-formil-H4-folato. O N5-formimino-H4-folato forma-se durante o catabolismo da histidina aquando da transferência do grupo formimino do formimino-glutamato para o H4-folato. N5,N10-metileno-H4-folato + NADP+ ou NAD+ N5,N10-metenilo-H4-folato + NADPH ou NADH(44) 23- No seu processo catabólico, a perda dos átomos de azoto dos aminoácidos pode ocorrer em diferentes tipos de reacções. (1) Nos casos da glutamina e da asparagina o azoto do grupo amida sai como NH3 por hidrólise e o processo chama-se desamidação (ver equações 2 e 4). (2) O grupo -amina do glutamato e da glicina pode perder-se por desaminação oxidativa formando-se também NH3. No primeiro caso está envolvida a desidrogénase do glutamato e no segundo a enzima de clivagem da glicina (ver equações 6 e 8). (3) No caso do glutamato um processo alternativo para a perda do grupo -amina é o envolvimento de reacções de transaminação em que diversos -cetoácidos podem funcionar como aceitadores do grupo amina do glutamato. As reacções de transaminação são catalisadas por transamínases e a maioria dos aminoácidos pode perder o grupo -amina em reacções catalisadas por transamínases em que os aminoácidos funcionam como dadores do grupo amina ao -cetoglutarato. Para além do caso do glutamato são especialmente relevantes para a perda do seu grupo amina os processos de transaminação da alanina (ver equação 1), do aspartato (ver equação 3), da serina (ver equação 9), tirosina (ver equação 23) e dos aminoácidos ramificados (ver equações 31-33). A transferência directa do grupo -amina do aminoácido não transformado em reacções catalisadas por transamínases não ocorre normalmente (ou não parece ter importância fisiológica) no catabolismo da glicina, da treonina, da metionina, da lisina, da arginina, da histidina, da prolina, do triptofano e da fenilalanina. Contudo, é de salientar, que a análise das vias metabólicas permite compreender a importância deste tipo de reacções na perda dos grupos -amina de muitos dos aminoácidos acima referidos: nos casos da lisina, da arginina, da prolina, do triptofano, da fenilalanina e cisteína são catabolitos -aminados destes aminoácidos que perdem o grupo amina em reacções de transaminação clássicas. Os grupos amina terminais da ornitina (formada a partir da arginina) e da lisina também se perdem em reacções que se podem designar de "transaminação": no caso da ornitina a transamínase envolvida na perda do grupo 5-amina é semelhante às outras transamínases; no caso da lisina a reacção de transferência do grupo 6-amina para o -cetoglutarato envolve uma oxiredútase. (4) Nos casos da serina, da treonina e da histidina a perda do grupo amina pode ser catalisado por líases (a desidrátase da serina e a histídase são líases; ver equações 10, 40 e 36). Um dos intermediários no catabolismo da metionina, a cistationina, também perde o grupo -amina por acção de uma líase (ver equação 15). (5) A histidina contém, no anel imidazol, dois azotos sendo que um deles gera o grupo amina do glutamato; o outro sai ligado a uma unidade monocarbonada gerando N5-formimino-H4-folato que por desaminação não hidrolítica (uma líase; ver equação 38) dá origem a amoníaco. (6) A maior parte do azoto do anel indole do triptofano perde-se como amoníaco por desaminação oxidativa de um intermediário do processo catabólico. (7) A arginina contém quatro azotos; dois dos azotos perdem-se na forma de ureia por acção hidrolítica da argínase. 24- Uma maioria esmagadora dos átomos de azoto dos aminoácidos acaba por ser excretado na urina na forma de ureia. No ciclo da ureia, a arginina [6C,4N] gera directamente ureia quando se cinde por acção hidrolítica da argínase em ornitina [5C,2N] e ureia [1C,2N]. O azoto dos outros aminoácidos, quer directamente (desamidação hidrolítica, desaminação oxidativa ou acção de líases), quer indirectamente (via transaminações com o -cetoglutarato e subsequente desaminação oxidativa do glutamato formado (ver equação 6)), origina NH4+ que é precursor de um dos dois azotos da ureia. O outro azoto da ureia provém directamente do aspartato mas, porque o azoto de todos os aminoácidos pode ser incorporado no Página 8 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes grupo amina do glutamato e este pode transaminar com o oxalacetato para formar aspartato (ver equação 3), compreende-se que também este “segundo azoto” pode, em última análise, provir de todos os aminoácidos. 1. Frayn, K. N. (2003) Metabolic regulation. A human perspective., 2nd edn, Blackwell Science, Oxford. 2. Matthews, D. E. (2006) Proteins and aminoacids in Modern Nutrition in Health and Disease (Shils, M. E., ed) pp. 23-61, Lippincott, Phyladelphia. 3. Stipanuk, M. H. (2006) Biochemical, Physiological, Molecular Aspects of Human Nutrition, 2nd edn, Sunders, Elsevier., St. Louis. 4. House, J. D., Hall, B. N. & Brosnan, J. T. (2001) Threonine metabolism in isolated rat hepatocytes, Am J Physiol Endocrinol Metab. 281, E1300-7. Página 9 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes Página 10 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes Página 11 de 11
