Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas Índice
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Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas Índice 1- A estrutura das bases púricas e das bases pirimídicas .......................................................................... 1 2- A estrutura e a nomenclatura dos nucleosídeos púricos e pirimídicos ................................................. 1 3- A estrutura e a nomenclatura dos nucleotídeos púricos e pirimídicos .................................................. 2 4- A digestão dos ácidos nucleicos e a absorção e destino metabólico dos nucleosídeos da dieta ........... 2 5- A síntese de novo das purinas ............................................................................................................... 2 6- A síntese de AMP e GMP a partir do inosinato.................................................................................... 2 7- Vias de salvação de bases púricas e de nucleosídeos ........................................................................... 3 8- As cínases de nucleosídeos monofosfato e a cínase de nucleosídeos difosfato.................................... 3 9- A redução dos ribonucleosídeos difosfato pelas formas reduzidas da tioredoxina e glutaredoxina ..... 4 10- O catabolismo dos nucleotídeos púricos .......................................................................................... 4 11- A conversão de AMP em ácido úrico ............................................................................................... 4 12- A conversão da guanosina em ácido úrico ....................................................................................... 5 13- Causas de hiperuricemia e a gota ..................................................................................................... 5 14- A síntese de novo das pirimidinas .................................................................................................... 6 15- A síntese de CTP, de UTP e do 2’-desoxiuridilato a partir de uridina difosfato .............................. 6 16- A síntese do timidilato a partir de 2’-desoxiuridilato e o ciclo do dihidrofolato .............................. 7 17- A fosforibosil-transférase do uracilo e as cínases de nucleosídeos pirimídicos ............................... 7 18- O catabolismo dos nucleosídeos pirimídicos e das bases pirimídicas .............................................. 8 19- A regulação da síntese de nucleotídeos púricos e pirimídicos.......................................................... 8 20- A regulação da redútase dos ribonucleosídeos difosfato .................................................................. 9 21A importância da glutamina quer como substrato na síntese de nucleotídeos quer como nutriente nas células em proliferação rápida................................................................................................................ 9 22- Fármacos inibidores da síntese de nucleotídeos ............................................................................... 9 23- Ação de enzimas do metabolismo dos nucleotídeos no efeito terapêutico do aciclovir ................... 9 1- A estrutura das bases púricas e das bases pirimídicas Os nucleotídeos contêm resíduos de ácido fosfórico, de um açúcar (em geral uma pentose: ribose ou 2'-desoxiribose) e de uma base púrica ou pirimídica. Quer as bases púricas, quer as pirimídicas são anéis aromáticos heterocíclicos contendo átomos de azoto e carbono. As bases púricas podem ser entendidas como constituídas por um anel pirimidina (anel com 6 átomos: 4C,2N) ligado a um anel imidazol (anel com 5 átomos: 3C,2N). São bases púricas a adenina (6-aminopurina), a guanina (2-amino-6-oxipurina), a hipoxantina (6-oxipurina) e a xantina (2,6-dioxipurina). São bases pirimídicas a citosina (2-oxi-4-aminopirimidina), o uracilo (2,4-dioxipirimidina), a timina (2,4dioxi-5-metilpirimidina) e o ácido orótico (2,4-dioxi-6-carboxipirimidina). 2- A estrutura e a nomenclatura dos nucleosídeos púricos e pirimídicos Por hidrólise dos nucleotídeos (saída dos resíduos fosfato) geram-se nucleosídeos púricos (adenosina, guanosina, inosina, xantosina) ou pirimídicos (citidina, uridina, timidina e orotidina) que contêm uma base e uma ose ligados por uma ligação glicosídica de tipo N. No caso dos nucleosídeos púricos, as palavras que os designam terminam em “osina” e a ligação glicosídica envolve o átomo N9 da base. A inosina é o nucleosídeo que contém hipoxantina; nos outros casos a relação entre as designações da base púrica e do nucleosídeo respetivo é óbvia. No caso dos Página 1 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes nucleosídeos pirimídicos as palavras que os designam terminam em “dina” e a ligação glicosídica envolve o átomo N1 da base. 3- A estrutura e a nomenclatura dos nucleotídeos púricos e pirimídicos Os nucleosídeos monofosfato (NMP) são os nucleotídeos mais simples e designam-se de acordo com o nucleosídeo constituinte: adenilato (AMP), guanilato (GMP), inosinato (IMP), xantinilato (XMP), citidilato (CMP), uridilato (UMP), timidilato (TMP) e orotidilato (OMP). Se não se específica o contrário subentende-se que o fosfato está ligado (ligação fosfoéster) no hidroxilo 5’ da pentose. 4- A digestão dos ácidos nucleicos e a absorção e destino metabólico dos nucleosídeos da dieta Os ácidos nucleicos constituintes da dieta são hidrolisados no lúmen intestinal por ação de nucléases pancreáticas e fosfátases intestinais formando-se nucleosídeos que são absorvidos. Contudo, a quase totalidade das purinas e a maior parte das pirimidinas que os constituem não são incorporados nos ácidos nucleicos do organismo, mas antes degradadas na mucosa intestinal e no fígado sendo os produtos do seu catabolismo (ácido úrico no caso das purinas e CO2 + ureia + β aminoisobutirato no caso das pirimidinas) excretados [1]. 5- A síntese de novo das purinas Na síntese de novo das purinas todas as enzimas são citoplasmáticas e todos os intermediários contêm ribose-5-fosfato. O primeiro nucleotídeo formado é a inosina-5’-fosfato (IMP ou inosinato) cuja base é a hipoxantina (6-oxipurina). Sendo uma via complexa destacamos apenas alguns passos do processo. Na primeira reação a ribose-5-fosfato, formada na via das pentoses-fosfato, funciona como aceitador dos fosfatos β-γ do ATP que se ligam no carbono 1 da ribose gerando-se fosfo-ribosilpirofosfato (PRPP); esta reação é catalisada pela síntase do PRPP (ver Equação 1). Na segunda reação ocorre rotura da ligação formada na primeira reação e transferência do azoto do grupo amida da glutamina para o carbono 1 da ribose formando-se 5-fosforibosilamina; esta reação é catalisada pela amido-fosforibosil-transférase da glutamina (ver Equação 2). O azoto N9 do anel purina deriva assim da glutamina. Equação 1 Equação 2 ribose-5-fosfato + ATP → PRPP + AMP PRPP + glutamina → 5-fosforibosilamina + glutamato + PPi Sucessivamente vão-se incorporando a glicina (que origina os átomos C4, C5 e N7 das purinas), uma unidade monocarbonada cedida pelo N10-formil-H4-folato (C8), outro azoto do grupo amida da glutamina (N3), o CO2 (C6), o grupo amina do aspartato (N1) e outra unidade monocarbonada cedida pelo N10-formil-H4-folato (C2). A equação geral que descreve o processo da síntese de novo das purinas entre ribose-5fosfato e IMP é a Equação 3. Essa equação evidencia que a formação de alguns dos intermediários fosforibosilo da via metabólica está acoplada com a rotura de ligações fosfoanidrido do ATP, que os carbonos do aspartato saem na forma de fumarato e que o N10-formil-H4-folato se converte em H4folato e a glutamina em glutamato. Equação 3 ribose-5-fosfato + 5 ATP + 2 glutamina + glicina + aspartato + 2 N10-formil-H4-folato + CO2 → IMP + AMP + 4 ADP + PPi + 4 Pi + 2 glutamato + 2 H4-folato + fumarato 6- A síntese de AMP e GMP a partir do inosinato É a partir do IMP que se formam quer o AMP (por aminação do carbono 6), quer o GMP (oxidação dependente do NAD+ e posterior aminação do carbono 2). O dador do grupo 6-amina do AMP é o aspartato. Na formação do AMP a partir do IMP intervém a sintétase de adenilosuccinato (ver Equação 4); o adenilosuccinato formado sofre, de seguida, a ação de uma líase desdobrando-se em AMP e fumarato (líase do adenilosuccinato; ver Equação 5). A equação soma que descreve a síntese de AMP a partir de IMP é a Equação 6. Página 2 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes Equação 4 Equação 5 Equação 6 IMP + aspartato + GTP → adenilosuccinato + GDP + Pi adenilosuccinato → AMP + fumarato IMP + aspartato + GTP → AMP + GDP + Pi + fumarato O dador do grupo 2-amina do GMP é a glutamina; na formação do GMP a partir do IMP intervém a desidrogénase do IMP que origina XMP (ver Equação 7); o intermediário XMP funciona, de seguida, como aceitador do grupo amina da glutamina (sintétase do guanilato; ver Equação 8). A equação soma que descreve a síntese de GMP a partir de IMP é a Equação 9. Equação 7 Equação 8 Equação 9 IMP + NAD+ → XMP + NADH XMP + glutamina + ATP → GMP + glutamato + AMP + PPi IMP + NAD+ + glutamina + ATP → GMP + NADH + glutamato + AMP + PPi Curiosamente, no processo de aminação (carbono 6) do IMP e consequente formação do AMP consome-se “uma ligação rica em energia do GTP” (ver Equação 4 e Equação 6) enquanto no processo de aminação (carbono 2) que origina o GMP se consomem “duas ligações ricas em energia do ATP” (ver Equação 8 e Equação 9; notar que o PPi formado vai sofrer hidrólise subsequente). 7- Vias de salvação de bases púricas e de nucleosídeos Para além de poderem ter origem na síntese de novo, os nucleotídeos púricos também podem formar-se (1) a partir das bases guanina, hipoxantina e adenina ou (2) a partir dos nucleosídeos. A síntese a partir das bases envolve transferência de ribose-5-fosfato do PRPP para as bases: base púrica + PRPP → NMP + PPi. Nos mamíferos existem duas enzimas com este tipo de atividade: a fosforibosil-transférase da guanina e da hipoxantina (ver Equação 10) e a fosforibosiltransférase da adenina (ver Equação 11). Equação 10 guanina ou hipoxantina + PRPP → GMP ou IMP + PPi Equação 11 adenina + PRPP → AMP + PPi A síntese de nucleotídeos a partir dos nucleosídeos envolve a ação de diversas cínases dos nucleosídeos que catalisam a transferência do fosfato terminal do ATP para o carbono 5’ do resíduo de ribose (ou desoxiribose) dos diversos nucleosídeos levando à formação de nucleosídeos monofosfato (ver Equação 12). As reações catalisadas pelas fosforibosil-transférases e pelas cínases de nucleosídeos também se designam por “vias de salvação” (ou “de recuperação”) pois permitem recuperar, respetivamente, bases e nucleosídeos a nucleotídeos. Na ausência destas “vias de salvação” as bases guanina, hipoxantina e xantina assim como todos os nucleosídeos (resultantes de nucleotídeos) continuariam o seu processo catabólico com formação de ácido úrico que se perde na urina. Embora o processo de síntese de novo de nucleotídeos púricos seja pouco ativo, os processos que levam à degradação destes a nucleosídeos e às bases, assim como as "vias de salvação" são, em muitos tecidos, processos importantes e com atividade elevada. Equação 12 ATP + nucleosídeo → ADP + NMP 8- As cínases de nucleosídeos monofosfato e a cínase de nucleosídeos difosfato Quer no caso dos nucleotídeos púricos quer no caso dos pirimídicos, a conversão dos nucleotídeos que contêm um resíduo de fosfato (nucleosídeos monofosfato; NMP) em nucleosídeos difosfato (NDP) e destes em nucleosídeos trifosfato (NTP) envolve a ação de cínases que catalisam a transferência do fosfato terminal do ATP para os substratos aceitadores. A cínase de nucleosídeos difosfato (ver Equação 13) é muito inespecífica quer relativamente à base, quer ao açúcar mas, na conversão dos nucleosídeos monofosfato em nucleosídeos difosfato (ver Equação 14) intervêm diversas cínases com diferentes especificidades; a cínase do adenilato (ver Equação 15) é um exemplo deste tipo de cínases. Página 3 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes Equação 13 ATP + NDP ↔ ADP + NTP Equação 14 ATP + NMP ↔ ADP + NDP Equação 15 ATP + AMP ↔ 2 ADP Na síntese de ATP a partir de ADP tem particular relevância a síntase de ATP da membrana interna da mitocôndria. A diminuição do número de fosfatos dos nucleotídeos pode envolver múltiplas enzimas como, por exemplo, fosfátases específicas e inespecíficas. A hidrólise dos nucleosídeos monofosfato é catalisada por fosfátases que se designam de 5’-nucleotídases (ver Equação 16): a ação das 5’nucleotídases leva à formação de nucleosídeos. Equação 16 NMP + H2O → nucleosídeo + Pi 9- A redução dos ribonucleosídeos difosfato pelas formas reduzidas da tioredoxina e glutaredoxina Os derivados 2’-desoxinucleotídeos (quer púricos quer pirimídicos) formam-se por ação da redútase dos ribonucleosídeos difosfato e os agentes redutores diretos são duas proteínas: as formas reduzidas da tioredoxina e da glutaredoxina (ver Equação 17). A manutenção da tioredoxina e da glutaredoxina nas formas reduzidas depende, em última instância, do NADPH e da ação catalítica de oxi-redútases específicas. Na ação da redútase da tioredoxina o redutor direto é o NADPH (ver Equação 18) mas, na ação da redútase da glutaredoxina, o redutor direto é o glutatião (ver Equação 19). A redução do GSSG formado aquando da ação da redútase da glutaredoxina é catalisada pela redútase do glutatião, uma enzima em que o agente redutor é o NADPH (ver Equação 20). Equação 17 NDP + tioredoxina reduzida ou glutaredoxina reduzida → 2’-dNDP + tioredoxina oxidada ou glutaredoxina oxidada Equação 18 tioredoxina oxidada + NADPH → tioredoxina reduzida + NADP+ Equação 19 glutaredoxina oxidada + 2 GSH → glutaredoxina reduzida + GSSG Equação 20 GSSG + NADPH → 2 GSH + NADP+ A redução dos NDPs ocorre no hidroxilo 2’. São substratos da redútase dos ribonucleosídeos difosfato o ADP, o GDP, o UDP e o CDP. Como será explicado adiante, os nucleotídeos da timina (TMP, TDP e TTP) formam-se a partir do 2’-dUDP ou do 2’-dCDP. Quando não se especifica o contrário subentende-se que a pentose da timidina e dos nucleotídeos da timina é a 2’-desoxiribose; nos outros casos subentende-se que é a ribose. 10- O catabolismo dos nucleotídeos púricos No processo catabólico, os nucleosídeos monofosfato (NMP) sofrem hidrólise na ligação fosfoéster (5’-nucleotídase) formando-se os respetivos nucleosídeos (ver Equação 16); a partir do AMP forma-se adenosina e a partir do GMP, guanosina. As vias catabólicas seguidas pela adenosina e pela guanosina são algo distintas mas, em ambos os casos, o produto final é o urato, uma substância em que o anel purina se mantém intacto e que é excretada na urina. 11- A conversão de AMP em ácido úrico A adenosina formada pela ação da 5’-nucleotídase é desaminada a inosina por ação catalítica de uma hidrólase: a desamínase da adenosina (ver Equação 21). De facto, a conversão do AMP em inosina também pode seguir uma sequência em que o primeiro passo é a desaminação (catalisada pela desamínase do AMP; ver Equação 22) e o segundo a hidrólise (ver Equação 23) do fosfoéster do IMP, o nucleotídeo formado pela desamínase do AMP. Ou seja, na conversão de AMP em inosina, a sequência de reações pode seguir um caminho em que primeiro ocorre a hidrólise do grupo fosfato (ver Equação 16) e depois a desaminação hidrolítica do grupo 6-amina (ver Equação 21) ou o inverso (ver Equação 22 e Equação 23). Página 4 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes Equação 21 adenosina + H2O → inosina + NH4+ Equação 22 AMP + H2O → IMP + NH4+ Equação 23 IMP + H2O → inosina + Pi A inosina formada perde a pentose e gera hipoxantina por ação de uma fosforílase de nucleosídeos; ou seja, a fosforílase catalisa a fosforólise da inosina ficando o fosfato que reagiu ligado ao carbono 1 da ribose e libertando-se a base hipoxantina (ver Equação 24). Equação 24 inosina + Pi → hipoxantina + ribose-1-fosfato As oxidações da hipoxantina a xantina e da xantina a ácido úrico são da responsabilidade de uma mesma enzima: a oxiredútase da xantina. De facto, o produto do gene codificador da enzima é uma desidrogénase dependente do NAD+ (desidrogénase da xantina; ver Equação 25 e Equação 26) que se pode converter numa oxídase (oxídase da xantina; ver Equação 27 e Equação 28). Aparentemente, in vivo, podem coexistir as duas formas da enzima [2]. Equação 25 Equação 26 Equação 27 Equação 28 hipoxantina + NAD+ → xantina + NADH xantina + NAD+ → urato + NADH hipoxantina + O2 → xantina + H2O2 xantina + O2 → urato + H2O2 A ribose-1-fosfato formada aquando da ação da fosforílase pode sofrer isomerização a ribose5-fosfato (ver Equação 29). Equação 29 ribose-1-fosfato ↔ ribose-5-fosfato Assim, a formação de urato a partir de AMP pode ocorrer via AMP → adenosina → inosina → hipoxantina → xantina → urato ou via AMP → IMP → inosina → hipoxantina → xantina → urato. 12- A conversão da guanosina em ácido úrico No processo catabólico da guanosina (formada pela ação da 5’-nucleotídase; ver Equação 16) há, relativamente ao caso da adenosina, uma inversão na sequência das reações e forma-se diretamente xantina em vez de hipoxantina. Aqui é a própria guanosina que sofre fosforólise gerando a guanina (ver Equação 30) e é a base (e não a guanosina ou o GMP) que sofre desaminação hidrolítica (guanase ou desamínase da guanina; ver Equação 31). Da ação da guanase (ver Equação 31) resulta a formação da xantina que, por ação da oxiredútase da xantina, origina o urato (ver Equação 26 e Equação 28). Assim, a formação de urato a partir de GMP ocorre via GMP → guanosina → guanina → xantina → urato. Equação 30 guanosina + Pi → guanina + ribose-1-fosfato Equação 31 guanina + H2O → xantina + NH4+ 13- Causas de hiperuricemia e a gota O ácido úrico é excretado na urina1. À condição em que, quer por excesso de formação, quer por défice de excreção (mais frequente) a sua concentração aumenta no plasma dá-se o nome de hiperuricemia. Uma das causas possíveis de hiperuricemia é o aumento da velocidade de destruição celular como a que ocorre em neoplasias durante a quimioterapia ou a radioterapia. Uma causa rara de hiperuricemia é o síndrome de Lesch-Nyhan que se deve a alterações no gene que codifica a 1 O ácido úrico constitui sempre uma pequena percentagem do azoto excretado. A quantidade de ácido úrico excretado é de cerca de 4 mmol/dia (o que corresponde a 16 mmol de N /dia). Se admitirmos balanço azotado nulo e uma ingestão de 100 g diárias de proteínas a massa de azoto excretado será de 16 g/dia (pouco mais de 1 mole de N) e a percentagem do azoto total excretado que sai na forma de ácido úrico seria inferior a 2 % [0,016 mol / (16g/14g) mol = 1,4 %]. Página 5 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes fosforibosil-transférase da hipoxantina e guanina (ver Equação 10). Nesta doença, a baixa atividade da enzima prejudica a via de salvação das bases púricas hipoxantina e guanina havendo excesso de produção de ácido úrico e alterações neurológicas de patogenia desconhecida (que incluem atraso mental e comportamentos anormais de automutilação). Na ausência de qualquer patologia, a concentração normal de urato no plasma encontra-se perto do limite de solubilidade. Quando, devido a concentração elevada, o ácido úrico precipita na sinovial de articulações pode haver uma resposta inflamatória que provoca dor; esta condição patológica denomina-se gota. O tratamento da gota e das hiperuricemias de qualquer causa pode incluir a administração de alopurinol, um fármaco que inibe a oxiredútase da xantina (ver Equações 25-28). Aquando da administração de alopurinol, as concentrações plasmáticas de hipoxantina e de xantina aumentam anormalmente mas, porque são mais solúveis que o urato, não precipitam. 14- A síntese de novo das pirimidinas A via da síntese de novo dos nucleotídeos pirimídicos envolve, como primeiro passo, uma sintétase de carbamil-fosfato citoplasmática (sintétase de carbamil-fosfato II) em que o dador de azoto é a glutamina (ver Equação 32). A segunda reação é catalisada pela transcarbamílase do aspartato (ver Equação 33). O carbamil-aspartato sofre a ação de uma desidrátase formando o dihidro-orotato que é o primeiro composto cíclico da via metabólica (ver Equação 34). O dihidro-orotato é substrato da desidrogénase do dihidro-orotato que catalisa a sua oxidação a orotato (ver Equação 35). A desidrogénase do dihidro-orotato é uma enzima que contém FMN como grupo prostético e que se situa na face externa da membrana interna da mitocôndria tendo o centro ativo voltado para o espaço intermembranar [3]. Os eletrões que resultam da oxidação do dihidro-orotato, via FMN, reduzem a ubiquinona a ubiquinol e via complexos III e IV da cadeia respiratória acabam por reduzir o oxigénio a H2O. O orotato formado vai reagir com o PRPP gerando o primeiro nucleotídeo desta via metabólica: o orotidilato (OMP); a reação é catalisada pela fosforibosil-transférase do orotato (ver Equação 36). O OMP por descarboxilação gera o UMP (ver Equação 37). Equação 32 Equação 33 Equação 34 Equação 35 Equação 36 Equação 37 CO2 + glutamina + 2 ATP → carbamil-fosfato + 2 ADP + Pi + glutamato carbamil-fosfato + aspartato → carbamil-aspartato + Pi carbamil-aspartato → dihidro-orotato + H2O dihidro-orotato + ubiquinona → orotato + ubiquinol orotato + PRPP → OMP + PPi OMP → UMP + CO2 Por ação catalítica de uma cínase o UMP pode ser fosforilado a UDP (ver Equação 14) que está na origem quer do CTP, quer do TMP. Com exceção da desidrogénase do dihidro-orotato todas as enzimas da via de síntese dos nucleotídeos pirimídicos se situam no citoplasma das células. Os átomos N1, C4, C5 e C6 do anel pirimidina têm origem no aspartato; o átomo N3 tem origem no grupo amida da glutamina e o átomo C2, no CO2. A equação soma relativa à síntese do UDP (síntese de PRPP incluída; ver Equação 1) é a Equação 38. As 4 moléculas de ATP que se consomem na síntese de uma molécula de UDP a partir de ribose-5-fosfato, CO2, glutamina e aspartato são utilizadas nas ações catalíticas da síntase do PRPP (ver Equação 1), da sintétase de carbamil-fosfato II (ver Equação 32; 2 ATPs) e da cínase do UMP (ver Equação 14). (Uma molécula de CO2 é consumida na ação da sintétase de carbamil-fosfato II, mas forma-se outra na descarboxilação do OMP). Equação 38 ribose-5-fosfato + glutamina + aspartato + 4 ATP + ubiquinona → UDP + glutamato + AMP + PPi + 3 ADP + 2 Pi + ubiquinol 15- A síntese de CTP, de UTP e do 2’-desoxiuridilato a partir de uridina difosfato (i) O CTP forma-se por aminação do carbono 4 do UTP por ação da sintétase do CTP (o dador do grupo amina é a glutamina que sai como glutamato; ver Equação 39). O UTP, que é substrato desta sintétase, forma-se por fosforilação do UDP (ação da cínase de nucleosídeos difosfato; ver Equação 13). Página 6 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes (ii) O TMP forma-se por metilação do carbono 5 do 2’-dUMP e o 2’-dUMP também tem origem no UDP. Por ação da redútase dos ribonucleosídeos difosfato (ver Equação 17) o UDP converte-se em 2’-dUDP que, por ação da cínase de nucleosídeos difosfato, origina o 2’-dUTP (Equação 13). O 2’-dUMP pode formar-se a partir do 2’-dUTP por ação catalítica de uma hidrólase específica que atua na ligação entre os fosfatos α e β do 2’-dUTP (ver Equação 40). Uma outra via metabólica que também se inicia no UDP e origina 2’-dUMP tem como intermediário o CTP que foi formado na ação catalítica da sintétase do CTP (ver Equação 39). O CTP é desfosforilado a CDP, o CDP é reduzido a 2’-dCDP pela ação da redútase dos ribonucleosídeos difosfato (ver Equação 17) e o 2’-dCDP é desfosforilado a 2’-dCMP que, por ação da desamínase do 2’-dCMP, sofre desaminação hidrolítica no carbono 4 originando o 2’-dUMP (ver Equação 41). Equação 39 UTP + glutamina + ATP → CTP + glutamato + ADP + Pi Equação 40 2’-dUTP + H2O → 2’-dUMP + PPi Equação 41 2’-dCMP + H2O → 2’-dUMP + NH4+ Assim, dependendo das enzimas envolvidas, as sequências que levam à formação de 2’dUMP a partir de UDP podem ser UDP → 2’-dUDP → 2’-dUTP → 2’-dUMP ou UDP → UTP → CTP → CDP → 2’-dCDP → 2’-dCMP → 2’-dUMP. 16- A síntese do timidilato a partir de 2’-desoxiuridilato e o ciclo do dihidrofolato A reação de conversão do 2’-dUMP em TMP é catalisada pela síntase do timidilato (ou síntase do TMP) e consiste na metilação do 2’-dUMP pelo N5,N10-metileno-H4-folato (ver Equação 42). Nesta reação, ao contrário do que acontece na generalidade das reações de transferência de unidades monocarbonadas que envolvem o ácido fólico, o produto da reação não é o H4-folato, mas o dihidrofolato (H2-folato). Ao contrário do H4-folato, o H2-folato não é aceitador de unidades monocarbonadas; por isso, a manutenção do processo metabólico exige a redução do H2-folato a H4-folato que ocorre à custa da oxidação do NADPH e é catalisada pela redútase do dihidrofolato (ver Equação 43). O N5,N10-metileno-H4-folato, dador do grupo metilo na síntese do TMP, pode formar-se por ação de diversas enzimas onde se destacam a hidroxi-metil-transférase da serina (ver Equação 44) e a enzima de clivagem da glicina (ver Equação 45). É costume agrupar as reações em que o N5,N10-metilenoH4-folato se converte em H2-folato (e o 2’-dUMP gera timidilato, ver Equação 42), o H2-folato se reduz a H4-folato (ver Equação 43) e este último é novamente metilado a N5,N10-metileno-H4-folato (ver Equação 44 e Equação 45) sob a denominação de ciclo do dihidrofolato (N5,N10-metileno-H4folato → H2-folato → H4-folato → N5,N10-metileno-H4-folato). Equação 42 Equação 43 Equação 44 Equação 45 2’-dUMP + N5,N10-metileno-H4-folato → TMP + H2-folato H2-folato + NADPH → H4-folato + NADP+ serina + H4-folato ↔ glicina + N5,N10-metileno-H4-folato glicina + NAD+ + H4-folato → NH3 + CO2 + N5,N10-metileno-H4-folato + NADH 17- A fosforibosil-transférase do uracilo e as cínases de nucleosídeos pirimídicos Tal como no caso dos nucleosídeos das purinas também os nucleosídeos das pirimidinas (contendo diferentes bases e ribose ou desoxiribose) podem ser “salvos” por ação de cínases de nucleosídeos (ver Equação 12). A “salvação” das bases pirimidinas (não ligadas à ribose ou à desoxiribose) é um processo pouco ativo mas, à semelhança do que acontece no caso das bases púricas adenina, guanina e hipoxantina, também o uracilo pode ser “salvo” por ação da fosforibosil-transférase do uracilo (ver Equação 46). (O orotato é, como já referido, um intermediário da via da síntese de novo das pirimidinas e a fosforibosil-transférase do orotato participa nessa via; ver Equação 36). Equação 46 uracilo + PRPP → UMP + PPi Página 7 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes 18- O catabolismo dos nucleosídeos pirimídicos e das bases pirimídicas O catabolismo dos nucleotídeos pirimídicos envolve a prévia libertação das bases (citosina, uracilo e timina) por ação sequenciada de fosfátases que atuam nos nucleotídeos (5’-nucleotídase incluída; ver Equação 16) formando os nucleosídeos correspondentes e de fosforílases que atuam nos (2’-desoxi)nucleosídeos catalisando a sua fosforólise (com libertação das bases correspondentes e de (2-desoxi)ribose-1-fosfato; ver Equação 47). Equação 47 citidina ou uridina ou timidina + Pi → citosina ou uracilo ou timina + ribose-1-fosfato ou 2’-desoxiribose-1-fosfato No caso da citidina e da citosina o catabolismo envolve a desaminação hidrolítica formandose, respetivamente, uridina e uracilo (ver Equação 48). Equação 48 citidina (ou citosina) + H2O → uridina (ou uracilo) + NH4+ No catabolismo das bases pirimídicas, ao contrário do que acontece no caso das bases púricas, o anel sofre rotura formando-se CO2, amónio e β-aminoácidos que podem sofrer a ação de enzimas catabólicas (convertendo-se em CO2, amónio e/ou ureia) ou serem parcialmente excretados intactos na urina; no caso da timina o β-aminoácido formado é o β -aminoisobutirato. A Equação 49 e a Equação 50 são equações soma relativas aos catabolismos do uracilo e da timina. É de notar que, embora se tratem de vias catabólicas, ocorre, durante o processo, um passo redutor em que se consome NADPH. O amónio é transformado em ureia mas, dada a baixa taxa no metabolismo dos nucleotídeos relativamente à dos aminoácidos, o seu contributo para esta formação é relativamente pequeno. Equação 49 uracilo + NADPH + 2 H2O → NADP+ + alanina-β + CO2 + NH4+ Equação 50 timina + NADPH + 2 H2O → NADP+ + β-aminoisobutirato + CO2 + NH4+ 19- A regulação da síntese de nucleotídeos púricos e pirimídicos As atividades das enzimas que catalisam as vias de síntese de novo e de recuperação (“salvação”) das bases púricas e pirimídicas têm mecanismos de regulação de que os mais estudados são os mecanismos alostéricos. (i) Uma reação comum às vias metabólicas de síntese de novo dos nucleotídeos púricos e pirimídicos é a síntese do PRPP (ver Equação 1). Esta reação é um dos pontos de controlo da velocidade de síntese de novo dos nucleotídeos púricos e pirimídicos, mas também nas vias de “salvação” que envolvem fosforibosil-transférases (o PRPP é o substrato dador de ribose-5-fosfato na ação destas enzimas). A síntase do PRPP é inibida por nucleotídeos quer púricos, quer pirimídicos. (ii) Na via de síntese de novo das purinas existem outros passos de regulação de que destacamos os catalisados pela amido-fosforibosil-transférase da glutamina (ver Equação 2), pela sintétase de adenilosuccinato (Equação 4) e pela desidrogénase do IMP (ver Equação 7). A amido-fosforibosil-transférase da glutamina, a primeira enzima específica do processo de síntese das purinas, é inibida pelos nucleotídeos púricos e estimulada pelo PRPP. O PRPP é substrato da enzima, mas o valor do seu Km é superior ao das suas concentrações fisiológicas; por isso, a amido-fosforibosil-transférase da glutamina é sensível às variações fisiológicas da concentração do PRPP. No processo de síntese de AMP a partir de IMP a “primeira” enzima (a sintétase de adenilosuccinato; ver Equação 4) é inibida pelo produto final, o AMP. De modo semelhante, no processo de síntese de GMP a partir de IMP, a “primeira” enzima (a desidrogénase do IMP; ver Equação 7) é inibida pelo GMP. (iii) Na via da síntese das pirimidinas são de destacar os passos catalisados pela sintétase de carbamil-fosfato II (ver Equação 32) e pela transcarbamílase do aspartato (ver Equação 33). A sintétase de carbamil-fosfato II (ver Equação 32) é ativada pelo PRPP e inibida pelo UTP e a transcarbamílase do aspartato (ver Equação 33) é ativada pelo ATP e inibida pelo CTP. Página 8 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes 20- A regulação da redútase dos ribonucleosídeos difosfato A redútase dos ribonucleosídeos difosfato só está ativa aquando da fase S do ciclo celular (síntese de DNA). A sua atividade é regulada de forma muito complexa envolvendo ações inibidoras e ativadoras dos diversos nucleotídeos (quer contendo ribose, quer já contendo desoxiribose) relativamente às reações de redução dos diferentes nucleosídeos difosfato que são substratos da enzima. Esta regulação faz com que o consumo dos diferentes 2’-desoxiribonucleosídeos trifosfato (2’-dNTP) na síntese de DNA seja compensada pela síntese e que não haja nem excesso nem défice de nenhum dos 2’-dNTPs. 21- A importância da glutamina quer como substrato na síntese de nucleotídeos quer como nutriente nas células em proliferação rápida As células em multiplicação rápida como são as células das criptas das vilosidades intestinais, os linfócitos em fase de proliferação (em resposta a desafios de natureza imunológica), as células precursoras dos eritrócitos e dos leucócitos na medula óssea, assim como as células da raiz dos cabelos têm atividades de síntese de nucleotídeos púricos e pirimídicos muito elevadas. Estas sínteses sustentam as atividades das polimérases de DNA e RNA. Nestas células a síntese proteica também é elevada e tudo isto contribui para explicar a sua elevada despesa energética. Nestes tipos celulares, os principais nutrientes são a glutamina2 e a glicose3 que sustentam o alto consumo energético. No entanto, algumas das moléculas de glicose e de glutamina que são consumidas nestas células têm por destino a síntese de nucleotídeos. A glicose, através da via das pentoses, leva à formação de ribose-5-fosfato que é usada na síntese de PRPP (ver Equação 1) e a glutamina é substrato de várias enzimas, quer na síntese de nucleotídeos púricos (ver Equação 2 e Equação 8), quer na de nucleotídeos pirimídicos (ver Equação 32 e Equação 39). 22- Fármacos inibidores da síntese de nucleotídeos As células em multiplicação rápida são sensíveis a fármacos que interferem na multiplicação celular; por isso, estes fármacos são usados na quimioterapia de neoplasias ou como imunossupressores. Nalguns destes fármacos o seu mecanismo de ação é a interferência no metabolismo das purinas e das pirimidinas. (i) O mais conhecido é o metotrexato cuja ação é a inibição da redútase do dihidrofolato (ver Equação 43) desta forma bloqueando o processo de reaproveitamento do dihidrofolato para a síntese do TMP. O metotrexato é um análogo estrutural do N5,N10-metileno-H4-folato e liga-se à redútase do dihidrofolato no centro ativo da enzima. (ii) Um outro exemplo é a 6-mercaptopurina que, de facto, é um pró-fármaco: só tem ação depois de convertida no respetivo nucleosídeo monofosfato por ação da fosforibosil-transférase da hipoxantina e guanina (ver Equação 10). O ribonucleosídeo monofosfato da 6-mercaptopurina é um potente inibidor de, pelo menos, três enzimas da via de síntese das purinas nomeadamente: a amidofosforibosil-transférase da glutamina (ver Equação 2), a sintétase de adenilosuccinato (Equação 4) e a desidrogénase do IMP (ver Equação 7). O ribonucleotídeo da 6-mercapotopurina tem analogias estruturais com substratos destas enzimas: o PRPP no caso da amido-fosforibosil-transférase da glutamina e o IMP nos outros dois casos. 23- Ação de enzimas do metabolismo dos nucleotídeos no efeito terapêutico do aciclovir Alguns antivirais também são pró-fármacos. O aciclovir, usado no tratamento do herpes, é um análogo da guanosina em que o resíduo de (desoxi)ribose está substituído por um outro resíduo que não têm um grupo hidroxilo numa posição correspondente ao 3’-OH da (desoxi)ribose. 2 No caso da glutamina a oxidação pode ser incompleta envolvendo a sua conversão em aspartato, em alanina ou em lactato. Em todos estes casos o primeiro passo no catabolismo da glutamínase consiste na ação da glutamínase que catalisa a formação do glutamato. Outros passos comuns envolvem a ação da desidrogénase do glutamato (ou de uma transamínase), da desidrogénase α-cetoglutarato, da sintétase do succinil-CoA, da desidrogénase do succinato, da fumárase e da desidrogénase do malato o que explica a síntese de ATP (via cadeia respiratória e síntase de ATP) e a produção de CO2. O aspartato pode formar-se por ação da transamínase do aspartato usando como substratos glutamato e oxalacetato (produto da ação da desidrogénase do malato). A formação de piruvato resulta ou da ação da enzima málica no malato ou das ações sequenciadas da carboxicínase do fosfoenolpiruvato (no oxalacetato) e da cínase do piruvato (no fosfoenolpiruvato). A alanina pode formar-se por ação da transamínase do piruvato e o lactato por ação da desidrogénase do lactato: em ambos há conversão do piruvato formado. 3 Nestas células grande parte da glicólise é de tipo anaeróbica havendo, por isso, uma produção elevada de lactato. Página 9 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes A ação terapêutica do aciclovir só se pode exercer depois deste composto sofrer fosforilação a aciclovir monofosfato e esta fosforilação só ocorre nas células infetadas pelo vírus: a cínase que catalisa esta reação é a cínase de timidina codificada pelo genoma viral. O processo só ocorre nas células infetadas porque a cínase de timidina do hospedeiro não reconhece o aciclovir. O aciclovir monofosfato formado é, de seguida, fosforilado por cínases do hospedeiro em aciclovir trifosfato que se incorpora no DNA do vírus mas, porque o aciclovir não tem um hidroxilo na posição 3’, esta incorporação provoca a terminação da síntese do DNA viral. 1. Berthold, H. K., Crain, P. F., Gouni, I., Reeds, P. J. & Klein, P. D. (1995) Evidence for incorporation of intact dietary pyrimidine (but not purine) nucleosides into hepatic RNA, Proc Natl Acad Sci U S A. 92, 10123-7. 2. Nishino, T., Okamoto, K., Eger, B. T. & Pai, E. F. (2008) Mammalian xanthine oxidoreductase - mechanism of transition from xanthine dehydrogenase to xanthine oxidase, Febs J. 275, 3278-89. 3. Rawls, J., Knecht, W., Diekert, K., Lill, R. & Loffler, M. (2000) Requirements for the mitochondrial import and localization of dihydroorotate dehydrogenase, Eur J Biochem. 267, 2079-87. Página 10 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes Página 11 de 12 Síntese e degradação de bases púricas e pirimídicas - Rui Fontes Página 12 de 12
