Processos gerais e síntese de aminoácidos

Processos gerais e síntese de aminoácidos; Rui Fontes
Processos gerais e síntese de aminoácidos
1-
Um determinado número de moléculas de cada proteína endógena sofre hidrólise durante
um dia mas, em geral, um número equivalente é sintetizado. A percentagem de moléculas
afectadas por este processo de renovação depende principalmente da proteína em análise
mas considerando o conjunto das proteínas de um adulto (cerca de 10 kg de proteínas num
adulto normal com 70 kg) cerca de 300 g de proteínas sofrem hidrólise por dia e um valor
idêntico sofre re-síntese. Em geral, um indivíduo adulto saudável mantém constante a
quantidade total de proteínas endógenas e a velocidade de hidrólise é equivalente à
síntese. Um indivíduo que está nestas condições diz-se que está em equilíbrio azotado (ou
que tem um balanço azotado nulo).
2-
A hidrólise das proteínas endógenas é catalisada por protéases e a dos polipeptídeos
formados por peptídases acabando na formação dos aminoácidos constituintes. No caso
de proteínas com taxas de renovação elevada (caso das enzimas reguladas por
transcrição/tradução) ou com alterações estruturais estes processos hidrolíticos envolvem
protéases do citoplasma que estão integradas numa estrutura proteica designada de
proteossoma. As proteínas que vão ser degradadas no proteossoma são previamente
conjugadas com a ubiquitina (um proteína) numa reacção em que se consome ATP. As
proteínas extra-celulares ou associados à membrana são sobretudo degradadas nos
lisossomas por protéases designadas catepsinas. Os componentes intracelulares que são
degradadas nos lisossomas são previamente reunidos em estruturas rodeadas de uma
membrana constituindo os vaculos autofágicos. A actividade de degradação de proteínas
intra e extracelulares pelas catepsinas está aumentada em situações fisiológicas (como a
involução uterina após o parto), patológicas (como na diabetes mellitus) ou quando um
membro é imobilizado com fins terapêuticos aquando de fracturas.
3-
A esmagadora maioria dos aminoácidos formados durante a hidrólise das proteínas
endógenas é reutilizada na síntese de novas moléculas proteicas mas uma parte dos
aminoácidos libertados no catabolismo das proteínas endógenas são transformados de tal
forma que ficam excluídos do ciclo de reutilização. Esta perda obrigatória de
aminoácidos endógenos (cerca de 25 gramas/dia no adulto) é, em grande parte, uma
consequência da presença nas células de enzimas que têm como substratos aminoácidos e
catalisam transformações catabólicas irreversíveis incluindo desaminações e oxidações. O
azoto dos aminoácidos que sofrem catabolismo é maioritariamente transformado em
ureia (que se perde na urina) enquanto o seu esqueleto carbonado (a parte desprovida de
azoto) pode ser oxidado a CO2, em última análise contribuindo para a síntese de ATP. O
azoto das proteínas não se perde apenas na forma de ureia. A urina contém outros
compostos azotados que, em última análise, também provêm do metabolismo dos
aminoácidos; dentre estes destacaríamos a creatinina, o ácido úrico, o ião amónio e,
embora em quantidades muito mais pequenas, aminoácidos (modificados ou não) e
catabolitos de hormonas. Também se perdem aminoácidos endógenos nas fezes pois uma
parte das proteínas do epitélio intestinal que descama ou das mucinas secretadas (sobretudo
do intestino grosso) ou mesmo das enzimas digestivas não são completamente digeridas. A
quase totalidade do azoto que ingerimos é azoto proteico. O facto de 16% da massa das
proteínas ser azoto permite estabelecer uma relação entre a massa de azoto perdida nas
excreções e a massa de proteínas que essa massa de azoto representa. Assim, para
converter a massa do azoto excretado em equivalentes de massa de proteínas (ou
aminoácidos) multiplica-se a massa do azoto excretado por 6,25 (100/16=6,25). Cerca de
65% do azoto correspondente às perdas obrigatórias de aminoácidos perde-se na
urina (40% na forma de ureia, 20% na forma creatinina e amónio e 5% de outros
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compostos) e cerca de 20% nas fezes. Os restante 15% correspondem às perdas de
proteínas inteiras na pele que descama, nas unhas e cabelos que crescem, no fluxo
menstrual ou na ejaculação.
4-
Num indivíduo em fase de crescimento, que está a engordar ou que, através de exercício
físico (ou ingerindo esteróides anabolizantes), está a aumentar a sua massa muscular a
quantidade total de proteínas aumenta. O contrário acontece normalmente a partir dos 4050 anos de idade, quando se diminui a actividade física ou quando se emagrece
voluntariamente, em consequência de má nutrição ou em situações de doença. Contudo,
num indivíduo adulto saudável que mantém constante a sua massa muscular a quantidade
total de proteínas mantém-se também sensivelmente constante porque os aminoácidos
excluídos do ciclo de reutilização são repostos por ingestão e incorporados nas proteínas
sintetizadas. Poderia pensar-se que, para repor as perdas obrigatórias de 25 g de
aminoácidos/dia, bastaria ingerir uma quantidade equivalente de proteínas. Contudo não é
assim porque uma parte substancial dos aminoácidos ingeridos fica sujeita à acção das
enzimas catabólicas sofrendo, junto com os endógenos, oxidação e desaminação
irreversível; além disto uma parte das proteínas ingeridas não chega a ser absorvida e
perde-se nas fezes. Os trabalhos experimentais com seres humanos adultos saudáveis
apontam para valores da ordem dos 50 g/dia como o mínimo de proteínas a ingerir para
repor as perdas obrigatórias de aminoácidos [1]. Nas situações em que a massa de
proteínas endógenas está a aumentar diz-se que há um balanço azotado positivo; na
condição contrária diz-se que o balanço azotado é negativo; o balanço azotado é nulo
quando não há aumento nem diminuição da massa proteica.
5-
Poderia pensar-se que cada uma das moléculas de cada um dos aminoácidos que se perde
para o ciclo de reutilização teria de ser substituída por uma molécula igual mas esta ideia,
só parcialmente, é verdadeira. (i) Alguns dos aminoácidos excluídos do ciclo não podem
ser sintetizados pelo organismo humano pois não dispomos das enzimas indispensáveis
para o processo e nestes casos os aminoácidos dizem-se nutricionalmente indispensáveis
(ou essenciais). Para substituir um determinado aminoácido nutricionalmente
indispensável que sofreu catabolismo é necessário ingerir esse aminoácido. Ou seja, no
caso dos aminoácidos nutricionalmente indispensáveis cada molécula perdida tem de ser
substituída por uma igual. (ii) Alguns dos aminoácidos excluídos do ciclo podem ser
repostos por síntese endógena a partir de intermediários do metabolismo da glicose e
nestes casos os aminoácidos dizem-se nutricionalmente dispensáveis (ou não
essenciais). No entanto, deve notar-se que embora o esqueleto carbonado provenha da
glicose, o grupo azotado vem de outros aminoácidos que terão de ser ingeridos em
quantidade suficiente para colmatar as perdas de azoto ureico e não ureico. (iii) Um
terceiro grupo de aminoácidos (cisteína e tirosina) forma-se a partir de aminoácidos
indispensáveis (metionina e fenilalanina, respectivamente) e poderão classificar-se como
semi-indispensáveis [2, 3].
6-
No caso dos aminoácidos sintetizados a partir de intermediários formados no
metabolismo da glicose (serina [3C,1N,1OH], glicina [2C,1N], alanina [3C,1N],
aspartato [4C,1N], asparagina [4C,2N], glutamato [5C,1N], glutamina [5C,2N],
prolina [5C,1N] e arginina [6C,4N]) embora o esqueleto carbonado possa ser formado a
partir da glicose os grupos amina resultam da transferência directa ou indirecta de grupos
amina de aminoácidos para esses intermediários. Para que um indivíduo adulto tenha a
capacidade de manter constante a massa das suas proteínas precisa de absorver, na forma
de aminoácidos, tantos átomos de azoto como os que perde na urina, nas fezes, nos genitais
ou nos tegumentos. Se a quantidade total de azoto ingerido (na forma de proteínas) não for
suficiente para colmatar o azoto excretado o indivíduo fica em balanço azotado negativo. A
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deficiência de aminoácidos nutricionalmente dispensáveis corresponde a uma ingestão
quantitativamente inadequada de proteínas.
7-
Através da acção catalítica de variadas enzimas os aminoácidos podem libertar o azoto do
seu grupo amina (ou outros átomos de azoto) na forma de amónio (NH4+). O ião amónio é
a forma protonada do amoníaco (NH3) e o seu pKa é cerca de 9,3. A maioria do amónio
(azoto inorgânico) formado dá origem a ureia que se perde na urina mas uma parte pode
ser recuperado para o metabolismo por acção catalítica (i) da desidrogénase do glutamato
(α-cetoglutarato + NH4+ + NADPH → glutamato + NADP+ + H2O) e (ii) da sintétase da
glutamina (glutamato + NH4+ + ATP → glutamina + ADP + Pi). Por acção destas
enzimas o azoto inorgânico do amónio pode ser convertido em azoto aminoacídico.
8-
Para além de poder ter origem na acção da desidrogénase do glutamato a síntese de
glutamato também tem lugar em reacções de transaminação (α-aminoácido + αcetoglutarato ↔ glutamato + α-cetoácido) em que diversos aminoácidos cedem o grupo
amina (azoto orgânico) ao α-cetoglutarato gerando glutamato e os α-cetoácidos
correspondentes. Assim, o glutamato e a glutamina (via sintétase da glutamina) podem
formar-se endogenamente a partir de um intermediário do ciclo de Krebs (o αcetoglutarato); sabendo-se que os intermediários do ciclo de Krebs se podem formar a
partir da glicose (via glicólise e carboxílase do piruvato) conclui-se que o glutamato e a
glutamina são aminoácidos nutricionalmente dispensáveis.
9-
A síntese de alanina e aspartato é o resultado da transferência do grupo amina do
glutamato para os α-cetoácidos correspondentes: o piruvato e o oxalacetato,
respectivamente. A transamínases da alanina (glutamato + piruvato ↔ α-cetoglutarato +
alanina) e a transamínase do aspartato (glutamato + oxalacetato ↔ α-cetoglutarato +
aspartato) catalisam, respectivamente, a formação de alanina e aspartato mas, como estas
reacções são fisiologicamente reversíveis, também intervêm nos processos em que estes
aminoácidos perdem o grupo α-amina para o α-cetoglutarato. Existem muitas
transamínases com especificidades distintas relativamente a um dos substratos mas um
deles é sempre o glutamato/α-cetoglutarato (glutamato + α-cetoácido X ↔ α-cetoglutarato
+ aminoácido X). Dependendo do sentido em que a reacção esteja a ocorrer uma reacção
de transaminação pode servir para formar um determinado aminoácido à custa da
conversão do glutamato em α-cetoglutarato ou para formar glutamato à custa da conversão
de um determinado aminoácido no seu α-cetoácido correspondente. Uma característica
comum a todas as transamínases é a presença de fosfato de piridoxal (derivado da vitamina
B6) como grupo prostético.
10-
Transamínases com diferentes especificidades intervém no processo de síntese da serina a
partir de 3-fosfoglicerato (um intermediário da glicólise) e da glicina a partir de
glioxilato (o α-cetoácido correspondente à glicina). No processo de síntese da serina a
partir do 3-fosfoglicerato intervém primeiro uma desidrogénase que converte o grupo
hidroxilo do carbono 2 num grupo cetónico levando à formação do 3-fosfohidoxipiruvato
que é substrato da transamínase da fosfoserina. A fosfoserina (formada após a reacção de
transaminação) é hidrolisada por uma fosfátase com a consequente formação da serina. O
glioxilato (aceitador de grupos amina em reacções de transaminação; glioxilato +
glutamato ↔ glicina + α-cetoglutarato) pode resultar da oxidação (acção de uma oxídase)
do glicolato que existe em muitas plantas comestíveis.
11-
A reacção catalisada pela hidroximetiltransférase da serina (serina + H4-folato ↔
glicina + N5,N10-metileno H4-folato) para além de permitir a síntese de glicina a partir
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de serina (e o inverso) também permite a metilação do H4-folato: o N5,N10-metileno H4folato formado nesta reacção é indispensável na síntese de timina e portanto do DNA. O
facto de a glicina se poder formar a partir da serina e de esta poder gerar-se a partir de um
intermediário da glicólise permite compreender que quer a serina quer a glicina sejam
aminoácidos nutricionalmente dispensáveis.
12-
A prolina e a arginina podem ser sintetizadas a partir do glutamato. Na via metabólica
forma-se o semialdeído do glutamato que pode seguir dois destinos distintos: (i) num
deles dá origem à prolina e (ii) no outro origina a ornitina e, posteriormente, a arginina.
A conversão do semialdeído do glutamato em ornitina é catalisada por uma transamínase.
13-
A arginina (6C,4N) é sintetizada no ciclo da ureia (1C,2N) a partir de ornitina (5C,2N)
e esta pode formar-se (via semialdeído do glutamato) a partir do glutamato. A velocidade
de formação de arginina é, contudo, inadequada nos indivíduos em crescimento ou em
situações em que, após um período em que o indivíduo perdeu proteínas endógenas (por
doença ou/e por má nutrição), este se encontra em fase de convalescença a recuperar as
proteínas perdidas. Do ponto de vista nutricional, Stipanuk [2, 3] classifica a arginina como
um aminoácido condicionalmente dispensável.
14-
A asparagina forma-se a partir do aspartato por acção catalítica da sintétase da
asparagina (aspartato + glutamina + ATP → asparagina + glutamato + AMP + PPi). Ao
contrário do caso da síntese da glutamina em que o azoto incorporado é azoto inorgânico o
dador do azoto na síntese da asparagina é a glutamina.
15-
A tirosina diz-se semi-indispensável porque é sintetizada a partir de fenilalanina, um
aminoácido nutricionalmente indispensável. Uma deficiência nutricional de tirosina pode
ser colmatada desde que ocorra a ingestão de fenilalanina em quantidade adequada para
satisfazer as necessidades dos dois aminoácidos. A reacção de formação da tirosina é
catalisada pela hidroxílase da fenilalanina, uma oxigénase de função mista (fenilalanina +
tetrahidrobiopterina + O2 → tirosina + dihidrobiopterina + H2O). Para que o processo
possa continuar a dihidrobiopterina formada é reduzida pelo NADPH numa reacção
catalisada por uma redútase (dihidrobiopterina + NADPH → tetrahidrobiopterina +
NADP+).
16-
O átomo de enxofre da cisteína (3C,1N,1S) tem origem na metionina (5C,1N,1S), um
aminoácido indispensável. Tal como no caso da tirosina também a cisteína é um
aminoácido semi-indispensável: as necessidades nutricionais de cisteína podem ser
colmatadas desde que ocorra a ingestão de metionina em quantidade adequada para
satisfazer as necessidades dos dois aminoácidos. Os carbonos da cisteína têm origem na
serina. O processo de síntese da cisteína é complexo porque se relaciona com a complexa
via metabólica da degradação da metionina. Durante o catabolismo da metionina forma-se
um intermediário que contém ainda 4 carbonos da metionina e o seu grupo tiol, a
homocisteína. Este intermediário reage com a serina formando-se um composto
(cistationina) que contém o átomo de enxofre entre os carbonos que derivaram da
homocisteína e da serina. A clivagem da cistationina origina cisteína (3 carbonos e azoto
derivados da serina e o enxofre da homocisteína) e NH3 e α-cetobutirato (derivados da
homocisteína).
17-
Oito (valina, leucina, isoleucina, treonina, metionina, lisina, fenilalanina, triptofano)
dos aminoácidos que fazem parte da estrutura das proteínas são, classicamente,
classificados como nutricionalmente indispensáveis. Com três excepções (treonina,
lisina e triptofano) existem, contudo, transamínases que (com maior ou menor eficácia)
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são capazes de catalisar a troca entre o grupo cetónico dos α-cetoácidos correspondentes e
o grupo amina do glutamato [3]. Embora absurdo do ponto de vista económico, seria
possível usar os α-cetoácidos correspondentes para substituir na dieta uma grande parte
dos aminoácidos nutricionalmente indispensáveis. No caso da histidina também não
existem, nos mamíferos, vias metabólicas de síntese, mas a deficiência deste aminoácido
só se torna aparente após relativamente longos períodos de dietas sem histidina [4]. É
possível que na origem desta resistência esteja a capacidade de formar histidina a partir de
carnosina, um dipeptídeo (β-alanil-histidina) abundante no tecido muscular. Embora
alguns livros de texto classifiquem a histidina num grupo à parte, de acordo com Kopple e
Swendseid [4], a histidina é um aminoácido nutricionalmente indispensável.
18-
Tal como os aminoácidos dispensáveis também os aminoácidos indispensáveis sofrem
catabolismo e se perdem nas fezes e nos tegumentos a uma velocidade que é própria de
cada um. Para assegurar a manutenção da massa de proteínas do organismo há, não só que
ingerir uma quantidade total de aminoácidos adequada (50 g/dia em média no adulto
saudável com 70 kg), mas também que repor todos e cada um dos aminoácidos
indispensáveis que se perderam. Tendo em conta as necessidades mínimas de cada um dos
aminoácidos indispensáveis foram inventadas proteínas padrão: uma proteína padrão é
uma proteína que, ingerida na quantidade mínima indispensável para repor as perdas
obrigatórias de aminoácidos totais, contém a quantidade mínima de cada aminoácido
indispensável para repor a perda individual de cada um destes aminoácidos [5]. Se uma
dieta contiver como único constituinte proteico uma proteína que não contém um
aminoácido indispensável (caso da gelatina que não contém triptofano) a capacidade dessa
dieta para colmatar as necessidades aminoacídicas é nula. Todas as proteínas endógenas
contém pelo menos um resíduo de triptofano e, por isso, nenhuma proteína pode ser
sintetizada na ausência de triptofano e o mesmo poderia ser dito relativamente a cada
um dos outros aminoácidos indispensáveis. Porque, ao contrário do que acontece no caso
dos lipídeos e dos glicídeos, não fazemos reservas de proteínas, quando se ingere como
única proteína gelatina a quantidade de azoto perdido é igual à perda obrigatória somada a
toda a gelatina ingerida cujos aminoácidos são também perdidos. No caso da gelatina o
aminoácido limitante da sua qualidade dietética é o triptofano mas no caso de outras
proteínas como, por exemplo, nas proteínas do trigo e outros cereais o aminoácido
limitante é a lisina. No caso das proteínas do trigo a lisina não está ausente mas existe
numa quantidade menor que a prevista nas proteínas padrão. A percentagem de lisina nas
proteínas de trigo é cerca de metade da percentagem de lisina numa proteína padrão: assim,
para colmatar as necessidades de lisina usando exclusivamente proteínas de trigo haveria
que ingerir não 50 g de proteína de trigo mas o dobro deste valor [2, 6].
19-
Os aminoácidos hidroxiprolina e hidroxilisina constituem casos especiais pois existem na
estrutura do colagénio (a proteína mais abundante dos mamíferos) mas não existem no
RNA codificador do colagénio codões para estes aminoácidos. A síntese da hidroxiprolina
e da hidroxilisina ocorre por acção de oxigénases do retículo endoplasmático (hidroxílases
da prolina e da lisina) que catalisam a hidroxilação de resíduos de prolina e lisina do
colagénio durante o processo de acabamento pós-tradução (resíduo prolil ou lisil + O2 + αcetoglutarato → resíduo hidroxiprolil ou hidroxilisil + succinato + CO2). A vitamina C é
um cofactor das hidroxílases da prolina e da lisina e a deficiência de vitamina C leva à
formação de colagénio anormal.
20-
O caso do aminoácido carboxiglutamato (constituinte de várias proteínas como a
protrombina e outras proteínas envolvidas no processo de coagulação sanguínea) tem
algumas semelhanças com os casos da hidroxiprolina e hidroxilisina já que a sua formação
resulta da transformação de resíduos de glutamato após a síntese da proteína. A
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transformação envolve a actividade de uma oxigénase [resíduo de glutamato + O2 +
vitamina K (forma hidroquinona) → resíduo de glutamato na forma de carbanião +
vitamina K (forma epóxido)] e uma reacção não enzímica (resíduo de glutamato na forma
de carbanião + CO2 → resíduo de carboxiglutamato). A regeneração da forma
hidroquinona da vitamina K a partir da forma epóxido envolve a acção de oxiredútases.
21-
Em algumas proteínas (como a peroxídase do glutatião) existem resíduos de selenocisteína,
um aminoácido semelhante à cisteína e à serina. Na selenocisteína em vez do átomo de
enxofre do grupo tiol (caso da cisteína) ou do átomo de oxigénio do grupo hidroxilo (caso
da serina) existe um átomo de selénio. A síntese da selenocisteína ocorre a partir da serina
quando esta está ligada a um tRNA que tem como anticodão a sequência ACU (tRNASec).
A reacção é catalisada por uma transférase (seleno-fosfato + seril-tRNASec →
selenocistinil-tRNASec + Pi) em que o dador de selénio é o seleno-fosfato (“selénio
activado”). O codão correspondente ao tRNASec (UGA) é normalmente um codão de
terminação mas em determinados RNA mensageiros contendo sequências específicas
(como é o caso do RNAm codificador da peroxídase do glutatião) este codão liga-se ao
anticodão do selenocistinil-tRNASec ocorrendo a incorporação do aminoácido
selenocisteína na estrutura da proteína em processo de síntese.
1. Rand, W. M., Uauy, R. & S., S. N. (1984) Protein-Energy-Requirement Studies in Developing Countries: Results of
International Research in FOOD AND NUTRITION BULLETIN SUPPLEMENT (UNIVERSITY, T. U. N., ed),
http://www.unu.edu/Unupress/unupbooks/80481e/80481E00.htm, Tokyo 150, Japan.
2. Fuller, M. F. (2000) Protein and amino acid requirements in Biochemical and physiological aspects of human nutrition
(Stipanuk, M. H., ed) pp. 287-04, W.B. Saunders Company, Philadelphia.
3. Stipanuk, M. H. (2006) Biochemical, Physiological, Molecular Aspects of Human Nutrition, 2nd edn, Sunders, Elsevier., St.
Louis.
4. Kopple, J. D. & Swendseid, M. E. (1975) Evidence that histidine is an essential amino acid in normal and chronically uremic
man, J Clin Invest. 55, 881-91.
5. Young, V. R. & el-Khoury, A. E. (1995) Can amino acid requirements for nutritional maintenance in adult humans be
approximated from the amino acid composition of body mixed proteins?, Proc Natl Acad Sci U S A. 92, 300-4.
6. Schaafsma, G. (2000) The protein digestibility-corrected amino acid score, J Nutr. 130, 1865S-7S.
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glicose
cisteína
metionina
3-P-glicerato
colina
serina
glicina
glioxilato
treonina
piruvato
alanina
aspartato
oxalacetato
asparagina
prolina
arginina
ornitina
Semiladeído
do glutamato
α-ceto-glutarato
glutamato
fenilalanina
glutamina
tirosina
prolina
hidroxiprolina
lisina
hidroxilisina
glutamato
carboxiglutamato
Selenocistinil-t-RNASec
Seril-t-RNASec
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