Rita luz/3.1 Metabolismo das Proteinas
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Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas Metabolismo das Proteinas Proteínas degradação Aminoácidos desaminação NH3 Glutamato nos tecidos Ureia síntese transporte p/ fígado NH3 Glutamina − O nitrogénio atmosférico, antes de ser utilizado pelos animais tem que ser reduzido de N2 a NH3 (por microorganismos, plantas e descarga eléctrica) e assim pode ser incorporado em aminoácidos e proteínas. − Os seres humanos apenas conseguem sintetizar 11 dos 20 aminoácidos necessários para a síntese de proteínas. Renovação Proteica As proteínas corporais estão em constante síntese e degradação (cerca de 1-2%, sobretudo de origem muscular). Os esqueletos de carbono dos AA são degradados a metabolitos anfibólicos. Balanço azotado: existe quando um adulto saudável com uma dieta variada ingere a mesma quantidade de azoto que excreta. Balanço Azotado = Aporte de N – Perda de N ingesta urina, fezes, transpiração Balanço azotado negativo: é excretado mais azoto que ingerido. Ocorre em jejum e no envelhecimento, em que as cadeias de carbono dos aminoácidos são necessárias para a gliconeogénese e a amónia libertada é excretada na ureia e não é incorporada. Aporte < Saida Balanço azotado positivo: a incorporação de aminoácidos em proteínas é maior que a sua quebra, ocorrendo em períodos de crescimento corporal das crianças e adolescentes, na gravidez e na alimentação após o jejum. Aporte > Saida Págian 1 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas Degradação Proteica A degradação varia com o tipo de proteína e estado fisiológico, dependo de proteases e peptidases (ATP dependentes ou independentes). Existem 3 tipos de mecanismos (2 no citosol e o restante nos lisossomas) 1. As proteínas intracelulares de meia-vida curta e anormais são degradadas no citosol, após identificação e fixação a um oligopéptido, a ubiquitina, sendo a proteólise catalisada por um complexo protease 26S ATP-dependente; Ubiquitina Ubiquitina Proteina Proteina-Ubiquitina ATP AMP+PPi aminoácidos nATP nAMP+PPi 2. As proteínas da membrana, extracelulares ou de meia-vida longa são degradadas nos lisossomas por catepsinas (ATP-independentes) após endocitose. 3. A outra modalidade de degradação proteica extra-lisossomal envolve enzimas Ca2+-dependentes. Aminoácidos Origens: Alimentação Degradação proteica Derivados não-proteicos Destinos: Biossíntese proteica Aminação de cetoácidos Oxidação metabólica do esqueleto carbonado (aa cetogénicos e glicogénicos) Regeneração da glicose Velocidade (rate) de degradação As proteínas são degradadas a diferentes velocidades, de acordo com as necessidades fisiológicas Elevado ritmo de degradação tecidos em rearranjo estrutural (p/ ex. útero durante a gravidez; músculo esquelético na subnutrição grave) Susceptibilidade de uma proteína à degradação semi-vida da proteína (t1/2) tempo que decorre até à redução da quantidade inicial de proteína para metade. Págian 2 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas Catabolismo Geral dos Aminoácidos − Cerca de 75% dos aminoácidos provenientes da degradação proteica são reutilizados na síntese proteica; − Os restantes perdem o seu grupo amina para formar α-cetoácidos, os esqueletos de carbono dos aminoácidos. Os α-cetoácidos podem ser oxidados a CO2 e H2O ou fornecer unidades de 3 a 4 C que podem ser convertidas em glicose pela gliconeogénese; − A degradação oxidativa de aminoácidos pode ocorrer em 3 diferentes circunstâncias metabólicas: 1. Durante a síntese e degradação normal de proteínas celulares; alguns aminoácidos libertados durante a quebra de proteínas podem ser oxidados se não forem necessários para novas sínteses proteicas. 2. Quando uma dieta é rica em proteínas e a quantidade de aminoácidos excede a necessária para síntese o excesso é catabolizado; os aminoácidos não podem ser armazenados. 3. Durante o jejum ou nos diabetes mellitus, quando os carbohidratos estão indisponíveis ou a ser incorrectamente utilizados, as proteínas celulares são utilizadas para a obtenção de energia. Destinos metabólicos dos grupos amina: − O excesso pode ser excretado directamente ou ser convertido em ureia ou ácido úrico para excreção, dependendo do organismo. − O excesso de amónia gerado em tecidos extrahepáticos viaja até ao fígado, para ser convertido na forma em que é excretada. − NH3 não é excretado sob a forma de NH4+ porque é tóxico para o organismo e é altamente solúvel em água, pelo que originaria rapidamente a desidratação nos animais terrestres. glicose 75% Proteínas cetoácidos aa Corpos cetónicos CO2 e H2O 25% NH3 Ureia Págian 3 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas 1. Transaminação − Assim que os aminoácidos chegam ao fígado, ocorre a remoção dos grupos amina, promovida pelas aminotransferases ou transaminases. − O grupo amina é transferido para o carbono α do cetoglutarato, libertando o α-cetoácido análogo ao aminoácido. − O efeito das reacções de transaminação é juntar os grupos amina de diferentes aminoácidos na forma de L-glutamato. − O glutamato funciona como dador de grupo amina para as vias biossintéticas ou vias de excreção que levam à eliminação de produtos nitrogenados. − O esqueleto carbonado formado é utilizado em intermediários metabólicos (acetil-CoA, piruvato, intermediários do ciclo de Krebs) com potencial de formação de ácidos gordos, corpos cetónicos e glicose. − Pares AA – KA: Alanina – Piruvato Glutamato – -cetoglutarato Aspartato – Oxaloacetato α-cetoglutarato + L-aminoacidos L-glutamato + α-cetoácido aminotransferase A transaminação de aa essenciais é indirecta, uma vez que o organismo não consegue sintetizar o cetoácido correspondente. Aminotransferase Muitas são específicas para o α-cetoglutarato como grupo aceptor, mas diferente na especificidade para os L-aminoácidos. Todas as aminotrasnferases têm o fosfato piridoxal como grupo prostético (derivado da vitamina B6). Págian 4 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas 2. Remoção dos grupos amina 2.1 Desaminação oxidante do glutamato Nos hepatócitos, o glutamato é transportado do citosol para a mitocôndria, onde sofre desaminação oxidativa, catalisada pela L-glutamato desidrogenase. Glutamato + NAD(P)+ α-cetoglutarato + NH4++ NAD(P)H + H+ L-glutamato desidrogenase − A combinada acção de aminotransferases e glutamato desidrogenase é referida como transdesaminação. − O α-cetoglutarato formado pode ser utilizado no ciclo de Krebs e para síntese de glicose. Glutamato desidrogenase: − Catalisa a reacção inversa, reacção da incorporação, apenas quando o ião amónio está em excesso, por exemplo, na região perivenosa do figado. − A sua actividade é influenciada por uma complexa rede de moduladores alostéricos Moduladores positivos: GDP, ADP Moduladores negativos: GTP, ATP 2.1 Desaminação por aminoácidos-oxidases: − Processo irreversível − 1º Ocorre uma desidrogenação do aminoácido a iminoácido, em que a reacção catalisada por uma flavoproteína, e os 2 H retirados ao substrato vão reduzir o FAD ou FMN. − Depois o iminoácido hidrolisa-se em α-cetoácido e amoníaco. − A coenzima reduzida é geralmente reoxidade pelo oxigénio molecular a H2O. − No entanto outros aceitadores de electrões podem permitir a reoxidação do FADH2. − As aminoácidos-oxidases são enzimas estereoespecíficas, e apenas as aminoácido-oxidases L catalisam a desaminação oxidante dos aminoácidos proteicos. NH4+ Aminoácido Iminoácido FAD α-cetoácidos FADH2 Aminoácido Oxidases Págian 5 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas 3. Transporte e transformação do amoníaco − A amónia é tóxica para os tecidos animais, e o excesso é convertido num composto não tóxico antes de ser transportado dos tecidos extrahepáticos para o fígado ou rins, pela circulação sanguínea. − A amónia livre combina-se com o glutamato, originando glutamina pela acção da glutamina sintetase, em 2 etapas: γ-Glutamil P L-Glutamato ATP ADP Glutamina NH4+ Pi Glutamina Sintetase − A glutamina em excesso em relação à necessária para biossíntese é transportada no sangue para o fígado e rins para processamento. − A amónia é apenas libertada nas mitocôndrias do fígado/rins, onde a enzima glutaminase converte a glutamina a glutamato e NH4+. − No fígado esta reacção fornece outra fonte de amónia que pode ser utilizada para a síntese de ureia. − O glutamato pode ser depois processado pela glutamato desidrogenase, libertando mais amónia e produzindo esqueletos de carbono para obtenção de energia. Glutamato Glutamina H2O NH4+ Glutaminase Págian 6 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas Ciclo da glicose-alanina − A alanina também desempenha um papel especial no transporte de grupo amina para o fígado numa forma não tóxica − O glutamato também pode transferir o seu grupo α-amina ao piruvato, um produto prontamente disponível da glicose do músculo, pela acção da alanina aminotransferase. − A alanina formada passa para o sangue e viaja até ao fígado. − No citosol dos hepatócitos, a alanina aminotransferase transfere o grupo amina da alanina para o α-cetoglutarato, formando piruvato e glutamato. − O glutamato entra na mitocôndria onde a reacção da glutamato desidrogenase liberta NH4+, ou pode sofrer transaminação com o oxaloacetato para formar aspartato, outro dador de azoto na síntese da ureia. − A utilização da alanina para transportar amónia do músculo esquelético para o fígado é outro exemplo da economia intrínseca dos organismos vivos. Glicose Glicose Piruvato Piruvato Ureia Lactato α-aminoácido NH3 α-cetoácido Alanina Alanina Sangue Figado Músculo A contracção vigorosa dos músculos, efectuada em condições anaeróbias, produz piruvato e lactato (glicólise) e amónia (clivagem de proteínas). Estes produtos regressam ao fígado, onde o piruvato e o lactato são incorporados na glicose, que regressa aos músculos, e a amónia é convertida em ureia para excreção. O ciclo da glicose-alanina, em conjunto com o ciclo de cori, realiza esta transacção. O fardo energético da gliconeogénese é imposto então ao fígado sendo todo o ATP disponível no músculo utilizado para a contracção muscular. Em situação de hiperamoniémia: esgotamento das reservas de glutamato utilização do -KG para sintetizar novo glutamato depleção do ciclo de Krebs formação de oxaloacetato a partir do piruvato por carboxilação (piruvato carboxicinase). Consequências: menor energia disponível para os processos cerebrais; glutamato é um importante neurotransmissor excitatório distúrbios do funcionamento nervoso Págian 7 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas 4. Ciclo da Ureia Ocorre em 2 compartimentos 3 aminoácidos: ornitina; citrulina; arginina Intermediários do ciclo de Krebs: oxaloacetato, fumarato, cetoglutarato. Gasto de 3 ATP por 2 NH4+ incorporados − Nos organismo ureotélicos a amónia depositada nas mitocôndrias dos hepatócitos é convertida em ureia no ciclo da ureia. − A ureia passa para a corrente sanguínea e depois para o rim e é excretado na urina. − O ciclo da ureia começa na mitocondria do fígado, mas os 3 passos subsequentes ocorrem no citosol; o ciclo ocorre em 2 compartimentos. − O 1º grupo amina que entra no ciclo da ureia é derivado da amónia na matriz mitocondrial. − O fígado também recebe amónio, através da veia porta do intestino. − O NH4+, qualquer que seja a fonte, é imediatamente usado em conjunto com CO2 (como HCO3-) produzido na respiração mitocondrial para formar carbamoil fosfato na matriz. Esta reacção ATP dependente é catalizada pela carbamoil fosfato sintetase I, uma enzima reguladora. NH4+ + HCO3- + 2ATP Carbamoil fosfato + 2ADP carbamoil fosfato sintetase I O carbomoil fosfato entra agora no ciclo da ureia, que tem 4 passos enzimáticos: 1. O carbomoil fosfato doa o seu grupo carbamoil à ornitina para formar citrulina, com libertação de Pi. A ornitina desempenha um papel semelhante ao do oxaloacetato no Ciclo de Krebs, aceitando material em cada volta do ciclo. A reacção é catalizada pela ornitina transcarbamoilase e a citrulina resultante passa da mitocôndria ao citosol Carbamoil fosfato + ornitina citrulina ornitina transcarbamoilase 2. O 2º grupo amina é introduzido pelo aspartato por uma condensação entre o grupo amina do aspartato e o grupo carbonil da citrulina, formando argininosuccinato. Esta reacção é catalizada pela argininasuccinato sintetase, requer ATP e tem o citrulil-AMP como intermediário Citrulina + ATP citrulil-AMP + PPi + Aspartato argininasuccinato + AMP Argininasuccinato sintetase 3. A argininasuccinato é então clivada reversívelmente pela argininasuccinato liase, originanto arginina e fumarato (que entra posteriormente na mitocôndria para servir como intermediário do CAC) Argininasuccinato Arginina + Fumarato Argininasuccinato liase Págian 8 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas 4. Por fim, a arginase cliva a arginina para formar ureia e ornitina. A ornitina é transportada para a mitocôndria para iniciar outra volta do ciclo da ureia. Arginina + H2O Ureia + ornitina Arginase NH4+ + HCO32ATP 2ADP + Pi Carbamoil-P sintase I Carbamoil-P ATP Pi + H2O AMP + PPi Citrulina Aspartato Ornitina Transcarbamoilase Arginina succinato sintase Ornitina Arginase Ureia Argininosuccinato α-cetoglutarato glutamato Oxaloacetato Arginina succinato liase Arginina Fumarato Ciclo de Krebs H2O Enzimas do ciclo da ureia: − São sintetizadas em elevados níveis de jejum ou em dietas com elevado teor proteico. − Numa pequena escala a regulação alostérica de pelos menos um enzimachave ajusta o fluxo através do ciclo da ureia. − A 1ª enzima do ciclo é alostérica, activada pelo N-acetilglutamato, que é sintetizada do acetil-CoA e glutamato pela N-acetilglutamato sintetase (e que é activada pela arginina) Se o ciclo da ureia for visto isoladamente a síntese de uma molécula de ureia requer 4 grupos fosfato de alta energia (2ATP para fazer carbamoil fosfato + 1ATP para síntese de argininasuccinato) 2NH4+ + HCO3- + 3ATP4- + H2O ureia + 2ADP3- + 4Pi + AMP2- + 5H+ Contudo, o ciclo da ureia também provoca a conversão de oxaloacetato em fumarato (via aspartato) e a regeneração do oxaloacetato, que produz NADH na reacção da malato desidrogenase Págian 9 de 11 Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas Relações entre o ciclo da ureia e o ciclo de Krebs − O fumarato produzido na reacção de argininasuccinato liase, intermediário do ciclo de Krebs, pode ser convertido a malato e a oxaloacetato no citosol, e estes intermediários podem ser metabolizados no citosol ou transportados para a mitocôndria, sendo utilizados no ciclo de Krebs. − O aspartato formado na mitocôndria por transaminação entre oxaloacetato e glutamato pode ser transportado para o citosol, onde serve como dador de azoto no ciclo da ureia na reacção catalizada pela argininasuccinato sintetase. − Estas reacções constituem o desvio aspartato-argininasuccinato, que fornece ligações entre as vias separadas pelas quais os grupos amina e os esqueletos de carbono são processados. Problemas Metabólicos do Ciclo da Ureia Todos os problemas do ciclo da ureia têm como consequência a intoxicação por amónia e envolvem o mesmo tipo de sintomas: vómitos, evitamento de alimentos ricos em proteínas, ataxia intermitente, irritabilidade, letargia e atraso mental. O tratamento das 5 patologias referidas seguidamente é também semelhante dieta pobre em proteínas e repartida em várias pequenas refeições ao longo do dia, para que não haja picos de amónia no sangue ao longo do dia. Hiperamoniémia tipo I deficiência da carbamoil fosfato sintase I, hereditária, da qual são conhecidos 24 tipos diferentes. Hiperamoniémia tipo II defeito na ornitina transcarbamoilase, hereditária. níveis de glutamina no sangue, LCR e urina consequência do da síntese de glutamina, devido à acumulação de amónia nos tecidos. Citrulinémia doença muito rara, defeito na argininossuccinato sintase. Manifestações clínicas: excreção de citrulina na urina, citrulina no plasma e LCR. O fornecimento de arginina aumenta a excreção de citrulina. O fornecimento de benzoato transfere o azoto da amónia para o hipurato, através da glicina. Argininossuccinicacidúria doença muito rara, que consiste na ausência de argininossuccinase. argininossuccinato (ArgSuc) no sangue, na urina e no LCR, associado ao aparecimento de penugem em todo o corpo. A urina pode também apresentar grânulos, constituídos por derivados cíclicos do ArgSuc. Tem início precocemente (até aos 2A) e é fatal. Tal como na citrulinémia, a administração de arginina e benzoato aumenta a excreção de azoto. Hiperargininémia arginina no sangue e no LCR, arginase nos eritrócitos, excreção de arginina, ornitina, lisina e cistina na urina ( lisina-cistinúria), devida à competição entre a arginina, a lisina e a cistina na reabsorção tubular renal. Tratamento dieta pobre em proteínas. Págian 10 de 11 squema formação glutamina suportada pelo ciclo Krebs – de é Bioquimica Fisiológica Metabolismo das Proteinas de Glutaminólise intestinal − A glutaminólise intestinal consiste na oxidação parcial da glutamina em células que se dividem rapidamente, como os enterócitos. − A glutamina é convertida a glutamato na matriz mitocondrial, passa depois para o citosol, onde ocorre uma transaminação. − Assim obtém-se energia e moléculas percursoras da síntese de pirimidinas e purinas, necessários para estas células se dividirem rapidamente. − Os carbonos e NH4+ formandos são libertados na corrente sanguínea na forma de alanina. − Uma das enzimas (glutamato redutase ATP-dependente) necessária para exacta conversão existe apenas nos enterócitos. Glutamina Glutamina NH4+ NH4+ Glutamato Glutamato Piruvato Piruvato CO2 α-cetoglutarato CO2 Malato CO2 Alanina Acetil-CoA Ciclo de Krebs Mitocôndria α-cetoglutarato Citosol Págian 11 de 11
