Catabolismo dos aminoácidos 1

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1 Catabolismo dos aminoácidos 1 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 e aumentar a glicemia. (ii) No caso da leucina os produtos do catabolismo são o acetoacetato e o acetil-coa 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. (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 gerar piruvato e este pode, por acção da desidrogénase do piruvato, gerar acetil-coa que é oxidado a CO 2. O facto de os aminoácidos poderem gerar piruvato, intermediários do ciclo de Krebs, acetoacetato e/ou acetil-coa permite compreender que, sendo oxidados a CO 2, 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. Medindo o valor da ureia e amónio excretados pode estimar-se o valor energético dos aminoácidos que estão a ser oxidados. Num indivíduo em balanço azotado nulo o valor energético dos aminoácidos que sofrem catabolismo é igual ao dos aminoácidos absorvidos. É de notar que, embora os esqueletos carbonados dos aminoácidos sejam completamente oxidados gerando CO 2, 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 (a maioria dos aminoácidos são glicogénicos) que, vertida no plasma, pode ser oxidada por todos os órgãos e tecidos. 3- A via catabólica da alanina (3C,1N) é muito simples e envolve apenas a acção da transamínase da alanina (alanina + α-cetoglutarato piruvato + glutamato) que dá origem ao α-cetoácido correspondente, o piruvato (3C). O piruvato é substrato da gliconeogénese e pode, portanto, originar glicose. 4- A asparagina (4C,2N), por acção da asparagínase, é hidrolisada gerando aspartato (4C,1N) e amoníaco (asparagina + H 2 O aspartato + NH 3 ). O aspartato por transaminação (aspartato + α- cetoglutarato oxalacetato + glutamato) gera oxalacetato (4C) que é um intermediário do ciclo de Krebs. No ciclo da ureia, o aspartato também reage com a citrulina (arginino-succinato sintétase) 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. 1 Foi acordado que, ao discutir-se o catabolismo dos aminoácidos, se devia dar especial atenção à alanina, glutamina, glutamato, asparagina, aspartato, glicina, serina, fenilalanina, tirosina, metionina, cisteína, leucina, isoleucina e valina. Os outros aminoácidos só seriam discutidos num contexto genérico. Página 1 de 7

2 Página 2 de 7 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes 5- De forma semelhante ao caso da asparagina, a glutamina (5C,2N), por acção da glutamínase, dá origem a glutamato (glutamina + H 2 O glutamato + NH 3 ) e o glutamato (5C,1N), por transaminação, gera o intermediário do ciclo de Krebs α-cetoglutarato (glutamato + α-cetoácido α-cetoglutarato + α-aminoácido). No caso do glutamato a formação do α-cetoglutarato (5C) também pode ser o resultado da acção da desidrogénase do glutamato (glutamato + NAD + + H 2 O α-cetoglutarato + NADH + NH 3 ). No catabolismo da glutamina (quer a que se forma a partir das proteínas da dieta quer a que se forma endogenamente) têm particular importância os enterócitos. Nestas células uma grande parte da glutamina converte-se (via glutamato) em α- cetoglutarato e depois em piruvato que, por transaminação, gera alanina que passa para a veia porta e é posteriormente transformada em glicose (e ureia) no fígado. 6- 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 H4folato e do N5,N10-metileno H4folato (serina + H4folato glicina + N5,N10-metileno H4folato + H 2 O). A glicina pode ser oxidada pela acção catalítica do complexo de clivagem de glicina; este complexo usa como aceitador de metilo o H4folato e na reacção forma-se CO 2, NH 3 e também N5,N10-metileno H4folato (glicina + NAD + + H4folato CO 2 + NH 3 + NADH + N5,N10-metileno H4folato). Assim, por acção sequenciada da hidroxi-metiltransférase da serina e do complexo de clivagem de glicina a serina pode ser completamente oxidada formando CO 2 e dois equivalentes de N5,N10-metileno H4folato. A equação soma relativa à clivagem de uma molécula de glicina (formando N5,N10-metileno H4folato) e à subsequente metilação de outra molécula de glicina (consumindo N5,N10-metileno H4folato e formando serina) permite compreender que 2 moléculas de glicina podem converter-se em serina (2 glicina + NAD + serina + NADH + CO 2 + NH 3 ). 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. Um outro processo, mais simples, envolveria a acção da desidrátase da serina (serina piruvato + NH 3 ). Por acção sequenciada da hidroxi-metil-transférase da serina e das enzimas que podem converter a serina em piruvato, a glicina pode também dar origem a piruvato. 7- A cisteína (3C,1N,1S) contém um grupo tiol. 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 também se pode perder 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. Neste processo o grupo tiol é oxidado a sulfato mas, tal como o grupo amina, mantém-se ligado ao esqueleto carbonado. 8- No processo catabólico da metionina (5C,1N,1S) esta começa por reagir com o ATP gerando S- adenosil-metionina (ATP + metionina S-adenosil-metionina + Pi + PPi). Um dos carbonos da metionina (o do metilo ligado ao enxofre) acaba transferido para vários possíveis aceitadores (metil-transférases: S-adenosil-metionina + aceitador S-adenosil-homocisteína + aceitador metilado) formando-se um intermediário contendo adenosina e homocisteína: a S-adenosilhomocisteína. O átomo de enxofre da homocisteína (4C,1N,1S) acaba transferido para a serina (3C,1N) que se converte em cisteína (3C,1N,1S) enquanto o grupo azotado e os carbonos que pertenciam à homocisteína se libertam como NH 3 e α-cetobutirato. Neste processo intervêm sequencialmente duas enzimas: a síntase da cistationina (homocisteína + serina cistationina) e a líase da cistationina (cistationina cisteína + NH 3 + α-cetobutirato). O α-cetobutirato formado pode gerar propionil-coa que, via metilmalonil-coa, leva à formação de succinil-coa que é um intermediário do ciclo de Krebs. Embora a metionina seja um aminoácido nutricionalmente

3 indispensável existe um mecanismo que permite "salvar" metionina em processo catabólico: a homocisteína é aceitadora do grupo metilo do N5-metil-H4folato regenerando-se metionina (síntase da metionina: N5-metil-H4folato + homocisteína H4folato + metionina). O N5-metil- H4folato forma-se por redução (dependente do NADPH) do N5,N10-metileno-H4folato (maioritariamente gerado no catabolismo da serina e glicina). 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. 9- No catabolismo da tirosina (9C,1N) a primeira reacção é uma transaminação onde o grupo amina é transferido para o α-cetoglutarato formando-se para-hidroxifenilpiruvato e glutamato. Numa sequência complexa de reacções o para-hidroxifenilpiruvato dá origem a um intermediário (fumaril-acetoacetato) que é hidrolisado cindindo-se em fumarato (que é um intermediário do ciclo de Krebs) e acetoacetato (que é um corpo cetónico que no seu catabolismo gera acetil-coa). Os mesmos produtos também se formam no catabolismo da fenilalanina (9C,1N) porque este aminoácido se converte em tirosina. A alcaptnúria é causada por uma deficiência de uma enzima envolvida no catabolismo da tirosina, a oxigénase do ácido homogentísico. 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. 10- A fenilalanina (9C,1N) converte-se em tirosina por acção de uma enzima hepática, a hidroxílase da fenilalanina (fenilalanina + tetrahidrobiopterina + O 2 tirosina + dihidrobiopterina + H 2 O). Nesta reacção a 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: dihidrobiopterina + NADPH tetrahidrobiopterina + NADP + ). 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 com o objectivo de 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. 11- O catabolismo dos aminoácidos ramificados valina (5C,1N), isoleucina (6C,1N), e leucina (6C,1N) inicia-se com a perda dos grupos α-amina em reacções de transaminação. Os esqueletos carbonados correspondentes formados são α-cetoácidos ramificados que, pela acção catalítica de uma desidrogénase com actividade semelhante à que catalisa a oxidação descarboxilativa do piruvato, α-cetoglutarato e α-cetobutirato, originam acil-coa ramificados distintos (α-cetoácidos ramificado + CoA + NAD + acil-coa ramificado + CO 2 + NADH). Subsequentemente as vias metabólicas divergem. No catabolismo da valina o produto final é o succinil-coa. Um dos intermediários da via catabólica da isoleucina sofre cisão (neste caso tiolítica) originando acetil- CoA e propionil-coa; num processo já referido a propósito do catabolismo da metionina o propionil-coa gera succinil-coa. Tal como no caso da isoleucina também um dos intermediários da via catabólica da leucina (o hidroxi-metil-glutaril-coa) sofre cisão (por acção da líase do hidroxi-metil-glutaril-coa) e, neste caso, os compostos gerados são o acetoacetato e a acetil- CoA. 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 é Página 3 de 7

4 oxidado nos músculos esqueléticos e cardíaco. O azoto do grupo amina destes aminoácidos sai dos músculos incorporado na alanina e na glutamina. 12- 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 acetil-coa), o triptofano (que origina alanina e acetil-coa) e a isoleucina (que origina succinil-coa e acetil-coa) seriam classificados como simultaneamente cetogénicos e glicogénicos 2. 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 α-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-6-p a partir dos aminoácidos glicogénicos e simultaneamente glicogénicos e cetogénicos absorvidos, armazenando os carbonos correspondentes a estes aminoácidos na forma de glicogénio [1]. 13- Com excepção da glicina e da serina (via glicina) que podem ser completamente oxidados a CO 2 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 acetil-coa e o envolvimento das enzimas do ciclo de Krebs. 14- No metabolismo da serina, da glicina, da histidina e da metionina intervém derivados do folato. (a) No catabolismo da serina e da glicina o H4folato é aceitador de unidades monocarbonadas formando-se o N5,N10-metileno-H4folato que é dador de unidades monocarbonadas à 2'-desoxiuridina monofosfato (2'd-UMP) sintetizando-se timidina monofosfato (TMP). (b) O carbono do grupo metileno (N 5 - CH 2 N 10 ) do N5,N10-metileno-H4folato tem número de oxidação zero. Numa reacção de redução catalisada pela redútase do N5,N10-metileno-H4folato este composto dá origem ao N5-metil-H4folato (N5,N10-metileno-H4folato + NADPH N5-metil-H4folato + NADP + ) que é capaz de transferir o grupo metilo (N 5 -CH 3 ; o carbono tem número de oxidação 2) para a homocisteína e formar metionina (síntase da metionina: homocisteína + N5-metil-H4folato metionina + H4folato; 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 (Sadenosil-metionina) é dador de metilos aquando da síntese de variados compostos como, por exemplo, a fosfatidil-colina a partir de fosfatidil-etanolamina. Nas reacções em que intervém como dador de metilo a S-adenosil-metionina forma-se a S-adenosil-homocisteína (S-adenosil-metionina + aceitador S-adenosil-homocisteína + aceitador-metilado) que ao ser hidrolisada gera homocisteína. Como já referido, a homocisteína, sendo substrato da síntase da metionina, é metilada pelo N5-metil-H4folato regenerando a metionina. (c) O N5,N10-metileno-H4folato pode ser oxidado por desidrogénases do N5,N10-metileno-H4folato e gerar N5,N10-metenilo-H4folato (N5,N10-metileno-H4folato + NADP + ou NAD + N5,N10-metenilo-H4folato + NADPH ou NADH). O N5,N10-metenilo-H4folato (assim como a sua forma hidratada N10-formil-H4folato) é dador de unidades monocarbonadas durante o processo de síntese dos nucleotídeos púricos. O carbono do grupo metenilo do N5,N10-metenilo-H4folato (N 5 CH = N 10 ) tem número de oxidação +2. O carbono do grupo formimino do N5-formimino-H4folato (N 5 CH = NH) e o do grupo formilo do N10-formil-H4folato (O = CH - N 10 ) também têm número de oxidação +2. O N5-formimino-H4folato pode (por desaminação) dar origem ao N5,N10-metenilo-H4folato e este (por hidratação) pode originar o N10-formil-H4folato. O N5-formimino-H4folato forma-se durante o catabolismo da histidina aquando da transferência do grupo formimino do formiminoglutamato para o H4-folato. 2 Devido à existência de dúvidas no metabolismo da treonina esta é, às vezes, classificada como glicogénica e, outras, como simultaneamente glicogénica e cetogénica. Página 4 de 7

5 15- 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 amoníaco por hidrólise e o processo chama-se desamidação. (2) O grupo α-amina do glutamato e da glicina pode perder-se por desaminação oxidativa formando-se amoníaco. No primeiro caso está envolvida a desidrogénase do glutamato e no segundo a enzima de clivagem da glicina. (3) No caso do glutamato um processo alternativo para a perda do grupo α-amina é o envolvimento de reacções de transaminação em que diversos α-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 α-amina em reacções catalisadas por transamínases em que os aminoácidos funcionam como dadores do grupo amina ao α- cetoglutarato. Para além do caso do glutamato são especialmente relevantes para a perda do seu grupo amina os processos de transaminação da alanina, do aspartato, da tirosina, da serina e dos aminoácidos ramificados (valina, isoleucina e leucina). A transferência directa do grupo α-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, da hidroxiprolina, 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 α-amina de muitos dos aminoácidos acima referidos: nos casos da lisina, da arginina, da prolina, da hidroxiprolina, do triptofano, da fenilalanina e cisteína são catabolitos α-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 α-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 é uma líase). Uma dos intermediários no catabolismo da metionina, a cistationina, também perde o grupo α-amina por acção de uma líase. (5) A histidina contém, no anel imidazol, dois azotos sendo que um deles gera o grupo α-amina do glutamato; o outro sai ligado a uma unidade monocarbonada gerando formimino-h4-folato que por desaminação não hidrolítica (uma líase) 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. 1. Stipanuk, M. H. (2006) Biochemical, Physiological, Molecular Aspects of Human Nutrition, 2nd edn, Sunders, Elsevier., St. Louis. Página 5 de 7

6 Página 6 de 7 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes

7 Página 7 de 7 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes