Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares

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1 Metabolismo da galactose, frutose, ácido glicurónico e aminoaçúcares 1. O UDP-glicurónico é o dador de ácido glicurónico na síntese de glicosaminoglicanos e na formação de bilirrubina conjugada e de glicurono-conjugados de xenobióticos. As enzimas envolvidas nestes processos são transférases em que um dos produtos é o UDP e o outro o substrato adicionado de um resíduo de ácido glicurónico: UDP-glicurónico + X UDP + glicurónico-x (1) Os glicosaminoglicanos são sintetizados intra-celularmente mas existem predominantemente no espaço extracelular de variados tecidos e órgãos para onde são segregados pelas células componentes desses mesmos tecidos. São longos polímeros lineares em que a unidade que se repete é um dissacarídeo que difere nos diferentes tipos de glicosaminoglicanos. Com uma excepção (sulfato de queratano) todos os glicosaminoglicanos podem conter resíduos de ácido glicurónico que se ligam a resíduos de um aminoaçucar. Alguns glicosaminoglicanos também contêm outro ácido urónico, o L-idurónico, que resulta da epimerização do ácido glicurónico. 1 A glicurono-conjugação da bilirrubina e dos xenobióticos é um passo que precede a sua excreção (biliar ou renal). 2. O UDP-glicurónico é sintetizado a partir da glicose. No primeiro passo a glicose é fosforilada formando-se glicose-6-p (cínase da glicose; equação 2); depois a glicose-6-p sofre isomerização originando glicose-1-p (fosfoglicomútase; equação 3) que por acção da pirofosforílase do UDP-glicose se converte em UDPglicose (equação 4). A conversão da UDP-glicose em UDP-glicurónico envolve uma desidrogénase dependente do NAD + e a transferência de quatro electrões (equação 5). O UTP (uridino-trifosfato), substrato na reacção 4, pode formar-se por fosforilação do UDP (uridino-difosfato) por acção da cínase dos nucleosídeos difosfatos (equação 6). Glicose + Glicose-6-P + (2) Glicose-6-P Glicose-1-P (3) Glicose-1-P + UTP UDP-glicose + PPi (4) UDP-glicose + 2 NAD + UDP-glicurónico + 2 NADH (5) UDP + + UTP (6) O somatório das equações 2-5 é a equação 7. Glicose + + UTP + 2 NAD + UDP-glicurónico + + PPi + 2 NADH (7) O somatório das equações 1, 6 e 7 (equação 8) permite compreender que na formação de um conjugado do ácido glicurónico (e de uma unidade dissacarídica dos glicosaminoglicanos) se gastam 2 ligações ricas em energia do e se formam 2 NADH (eventualmente usados na síntese de na fosforilação oxidativa). Glicose NAD + + X glicurónico-x PPi + 2 NADH (8) 3. A frutose que é absorvida no intestino pode resultar da hidrólise da sacarose da dieta mas também da ingestão directa de frutose sobretudo em alimentos que foram processados industrialmente 2. A absorção da frutose no intestino e o transporte do sangue para as células envolve transportadores de membrana mas 1 Em alguns casos (sulfato de dermatano, heparina e sulfato de heparano), já depois da síntese da cadeia, uma percentagem maior ou menor dos resíduos de ácido glicurónico sofre epimeração no carbono 5 convertendo-se em resíduos de ácido L- idurónico. Esta epimerização não ocorre nos casos do ácido hialurónico e do sulfato de condroitina. O aminoaçucar pode ser a N-acetil-glicosamina (ácido hialurónico, sulfato de queratano, heparina e sulfato de heparano) ou a N-acetil-galactosamina (sulfato de condroitina e sulfato de dermatano). Com excepção do ácido hialurónico todos os glicosaminoglicanos contêm resíduos de sulfato que, na sua maior parte, estão ligados por ligações sulfoéster a grupos hidroxilo do polímero; no caso da heparina, o sulfato pode substituir alguns dos grupos acetilo da N-acetil-glicosamina havendo, por isso, resíduos de N-sulfilglicosamina. 2 A razão do uso crescente da frutose é o facto deste monossacarídeo ser muito doce, cerca de duas vezes mais doce que a glicose, por exemplo. Página 1 de 6

2 ocorre sempre a favor do gradiente: não há transporte activo de frutose. No pólo apical dos enterócitos e das células tubulares renais o transportador para a frutose é o GLUT5; no pólo basal destas mesmas células e nos hepatócitos é o GLUT2 [1]. Na criação do gradiente que possibilita a sua absorção e a sua entrada para as células estão envolvidas enzimas que promovem a sua metabolização. Após a ingestão de frutose, a sua concentração no plasma sobe para valores que podem atingir 0,5 mm (10% do da glicemia) mas desce rapidamente para valores que são mais de 100 vezes inferiores aos da glicemia [2]. As enzimas envolvidas na metabolização específica da frutose (cínase da frutose (equação 9) e aldólase B (equação 10)) são mais abundantes no fígado 3 sendo neste órgão que a frutose absorvida é maioritariamente captada (GLUT2) e metabolizada [3, 4]. O primeiro passo no seu metabolismo é catalisado pela cínase da frutose que promove a sua fosforilação no carbono 1. A frutose-1-fosfato formada sofre a acção da aldólase B que catalisa a sua cisão formando-se como produtos a dihidroxiacetona-fosfato (um intermediário da glicólise e da gliconeogénese) e o gliceraldeído (equação 10). A conversão do gliceraldeído no correspondente intermediário fosforilado envolve a acção da cínase das trioses (equação 11). A equação 12 é o somatório das reacções referidas acima e mostra que a frutose é, no fígado, convertida em dihidroxiacetona-p + gliceraldeído-3-p. Frutose + Frutose-1-P + (9) Frutose-1-P dihidroxiacetona-p + gliceraldeído (10) Gliceraldeído + gliceraldeído-3-p + (11) Frutose + 2 dihidroxiacetona-p + gliceraldeído-3-p + 2 (12) As trioses fosfato formadas (dihidroxiacetona-fosfato e o gliceraldeído-3-fosfato) são inter-convertíveis (isomérase das trioses-fosfato; ver equação 13) e são intermediários da glicólise e gliconeogénese podendo ser convertidas em glicose (via aldólase, fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato, isomérase das hexoses-fosfato e glicose-6-fosfátase) 4. Outros destinos possíveis são a formação de glicogénio, lactato e palmitato (lipogénese), sofrer oxidação completa com produção de CO 2 (via glicólise, desidrogénase do piruvato, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa) ou originar glicerol-3-p (via acção da desidrogénase do glicerol-3p: ver equação 14) que é um dos precursores na síntese de triacilgliceróis. Dihidroxiacetona-P gliceraldeído-3-p (13) dihidroxiacetona-fosfato + NADH glicerol-3-p + NAD + (14) Embora as concentrações intracelulares de glicose possam inibir (inibição competitiva) a actividade de fosforilação da frutose no carbono 6 pelas diversas hexocínases dos tecidos (incluindo a hexocínase IV, a hexocínase hepática; ver equação 15) admite-se que uma parte menor do metabolismo da frutose possa ocorrer via conversão da frutose em frutose-6-fosfato (intermediário da glicólise e gliconeogénese). Frutose + frutose-6-p + (15) 4. Embora a glicose seja o glicídeo com o papel mais importante no metabolismo energético dos mamíferos, o nutriente dos espermatozóides é a frutose que é sintetizada a partir da glicose nas vesículas seminais. O processo de síntese de frutose envolve a redução, dependente do NH, da glicose a sorbitol (redútase das aldoses; equação 16) e a oxidação, dependente do NAD +, do sorbitol a frutose (desidrogénase do sorbitol; ver equação 17). O sorbitol é o polialcool que resulta da redução do grupo aldeído da glicose. 5 O facto de os espermatozóides consumirem frutose e de o líquido seminal conter este açúcar dá aos gâmetas masculinos uma vantagem competitiva sobre outras células (nomeadamente fungos e bactérias) que povoam a vagina normal contribuindo para a sua sobrevivência (e para a sobrevivência dos genes neles contidos). A membrana citoplasmática dos espermatozóides contém GLUT5, o transportador da frutose [1], mas nestas células, o metabolismo da frutose, ao contrário do que acontece no fígado, envolve a hexocínase (conversão em frutose-6-p; ver equação 15) [5]. 3 Também existem nas células tubulares renais onde seriam importantes para metabolizar a frutose criando o gradiente necessário para a sua reabsorção. 4 Alguns autores, alargando o conceito clássico de gliconeogénese, incluem na gliconeogénese os processos de formação de glicose a partir de frutose e galactose. 5 A redútase das aldoses também existe no cristalino do olho e pensa-se que a acumulação de sorbitol neste tecido é, pelo menos, uma das causas das cataratas dos doentes diabéticos. Página 2 de 6

3 glicose + NH sorbitol + N + (16) sorbitol + NAD + frutose + NADH (17) 5. A intolerância hereditária à frutose é uma doença congénita rara causada por uma alteração no gene da aldólase B. A aldólase B dos indivíduos com intolerância hereditária à frutose, sendo capaz de catalisar com eficácia as conversões próprias da glicólise e gliconeogénese (frutose-1,6-bisfosfato gliceraldeído-3-p + dihidroxiacetona-p) não é capaz de cindir a frutose-1-fosfato (ver equação 10) [4]. Os doentes têm episódios agudos de vómitos e hipoglicemia quando ingerem frutose (ou sacarose). Na patogenia das crises estão alterações das concentrações intra-hepatocitárias de metabolitos como a acumulação de frutose-1-p e a depleção de e Pi. Na maioria dos casos, os doentes (ou os seus pais) aprendem a evitar os alimentos que contêm frutose e a terapêutica é exactamente essa: restrição na ingestão de frutose e sacarose A galactose é ingerida ligada à glicose na lactose que, por acção da lactase intestinal, sofre hidrólise. A absorção da galactose nos enterócitos (e, a reabsorção nas células tubulares renais) envolve a acção da SGLT1 (transporte activo secundário dependente do Na + ). A galactose absorvida é rapidamente convertida em glicose (ou glicogénio) e estes processos ocorrem maioritariamente no fígado; as concentrações plasmáticas de galactose após ingestão de grandes quantidades de galactose ou em jejum são semelhantes às apontadas acima para o caso da frutose [6, 7]. Tal como no caso da frutose o primeiro passo é o seu transporte via GLUT2 seguido da sua fosforilação no carbono 1; a enzima envolvida denomina-se cínase da galactose (ou galactocínase; equação 18). A transférase de uridilato da galactose-1-fosfato (ou uridiltransférase da galactose-1-p; equação 19) catalisa a transferência de um resíduo de uridilato (UMP) entre a UDP-glicose e a galactose-1-p; um dos produtos formados é a UDP-galactose e o outro a glicose-1-fosfato. A reacção de isomerização da UDP-galactose em UDP-glicose é catalisada pela UDP-galactose-4- epimérase (equação 20). Galactose + Galactose-1-P + (18) Galactose-1-P + UDP-glicose UDP-galactose + Glicose-1-P (19) UDP-galactose UDP-glicose (20) O somatório das equações é a equação 21. Esta equação mostra que a galactose se converte em glicose-1-fosfato e que não é errado dizer-se que o par UDP-galactose/UDP-glicose (inter-convertíveis por acção da epimérase) tem um papel catalítico (ou pseudo catalítico) neste processo de conversão. Galactose + Glicose-1-P + (21) O acção sequenciada da fosfoglicomútase operando sobre a glicose-1-fosfato formada (equação 3) e da glicose-6-fosfátase sobre a glicose-6-fosfato (equação 22) permite compreender que se pode formar glicose a partir da galactose ingerida e que a glicemia aumente quando se ingere galactose. Glicose-6-P + H 2 O Glicose + Pi (22) A glicose-1-fosfato também pode ser substrato para a síntese de UDP-glicose (equação 4) que é o dador de unidades de glicose na síntese de glicogénio, de glicoproteínas e de glicolipídeos. É comum pensar-se que a galactose pode ser convertida em galactose-6-p por acção das hexocínases dos tecidos. Contudo, esta ideia é errada: a actividade das hexocínases na galactose é, mesmo in vitro, praticamente nula [8]. 7. Para além da lactose, muitos componentes estruturais dos tecidos (como glicoproteínas, glicolipídeos e proteoglicanos) contêm resíduos de galactose. A UDP-galactose é o dador de galactose aquando da acção de galactosil-transférases (equação 23) que participam na síntese desses componentes estruturais e, no caso do 6 O deficit de cínase da frutose não é uma verdadeira doença. Os afectados não têm qualquer sintoma e as únicas anomalias são, aquando da ingestão de frutose, a excessiva excreção renal de frutose (daí a designação clássica de frutosúria essencial ), subidas mais marcadas na frutosemia e uma metabolização lenta da frutose (via hexocínase) que não se perde na urina. Página 3 de 6

4 tecido mamário em fase de lactação, na de lactose. Nestas acções catalíticas, o carbono anomérico da galactose que estava ligado ao fosfato da UDP passa a estar ligado a uma proteína, a outro resíduo glicídico ou a um lipídeo. UDP-galactose + X UDP + galactose-x (23) Embora a UDP-galactose possa ter origem na galactose da dieta (galactose galactose-1-p glicose-1-p UDP-glicose UDP-galactose; ver equações 18, 19, 4 e 20), a esmagadora maioria das moléculas de UDP-galactose consumidas nos processos de biossíntese é sintetizada a partir da glicose. Nesta síntese participam hexocínases (no caso do fígado, a hexocínase IV) que catalisam a formação de glicose-6-p (ver equação 24), a fosfoglicomútase (equação 3) e a pirofosforílase da UDP-glicose (equação 4). A UDP-glicose (formada por acção sequenciada destas 3 enzimas: glicose glicose-6-fosfato glicose-1-fosfato UDPglicose) pode, por acção da mesma isomérase que, no fígado, participa na conversão da galactose da dieta em glicose (epimérase da UDP-galactose; equação 20), levar à formação de UDP-galactose. Assim se compreende que a galactose (e a lactose) não seja um nutriente essencial (é dispensável na dieta). Glicose + glicose-6-p + (24) 8. Na glândula mamária inactiva existe uma galactosil-transférase que está normalmente envolvida na síntese de glicoproteínas (equação 23). Imediatamente após o parto começa a sintetizar-se na glândula mamária uma outra proteína (lactalbumina) que se liga à galactosil-transférase. O complexo galactosil-transféraselactalbumina tem actividade catalítica e designa-se como síntase da lactose porque catalisa a formação de lactose (equação 25): a lactalbumina modifica a actividade da galactosil-transférase no que diz respeito ao substrato aceitador que passa a ser a glicose. UDP-galactose + glicose lactose + UDP (25) 9. Estão descritas patologias congénitas raras causadas por alterações nos genes codificadores da galactocínase, da uridil-transférase da galactose-1-fosfato e da UDP-galactose-4-epimérase que causam deficit de cada uma destas enzimas [9]. Todas estas alterações causam aumento da galactose no plasma sanguíneo quando se ingere galactose (ou lactose) e por isso são conhecidas pela designação de galactosemias. No entanto, porque se conhece há mais tempo (desde 1935) e porque tem consequências mais graves, quando se diz simplesmente galactosemia o mais provável é estar a falar-se do deficit de uridil-transférase da galactose-1-fosfato. No deficit de uridil-transférase da galactose-1-fosfato ocorre bloqueio da conversão galactose-1-fosfato glicose-1-fosfato o que leva à acumulação de galactose-1-fosfato e galactose nas células. Não se sabe a patogenia da maior parte das alterações que podem manifestar-se nestes doentes (atraso de crescimento, insuficiência hepática, anomalias no sistema nervoso central, alterações renais, disfunção ovárica, etc.) mas sabe-se porque é que desenvolvem cataratas. Quando se acumula galactose nas células do cristalino a redútase das aldoses presente nestes tecidos converte a galactose em galactitol, o polialcool correspondente à galactose (ver equação 26). O galactitol acumula-se nas células do cristalino e porque tem poder osmótico provoca a acumulação secundária de água que está na origem da opacificação do cristalino. No caso do deficit de galactocínase acumula-se galactose mas não galactose-1-fosfato e a única alteração é o desenvolvimento de cataratas que tem a mesma etiologia. O tratamento é, em ambos os casos, uma dieta restritiva onde a galactose (e lactose) está totalmente proibida. A dieta pode curar e previne o desenvolvimento das cataratas. Esta dieta também previne o desenvolvimento da insuficiência hepática e a morte precoce nos casos de deficit de uridil-transférase da galactose-1-fosfato mas outras anomalias não são prevenidas. De notar que a galactose é nutricionalmente dispensável já que a UDP-galactose pode ser formada a partir da glicose via acção da UDP-galactose-4-epimérase. 7 galactose + NH galactitol + N + (26) 10. As oses aminadas são importantes constituintes de glicoproteínas, glicolipídeos e glicosaminoglicanos. Tal como no caso da glicose, da galactose e do ácido glicurónico o substrato dador das oses aminadas para a síntese destes compostos são derivados contendo o resíduo UDP. As transférases envolvidas catalisam 7 Os doentes com deficit de UDP-galactose-4-epimérase são muitíssimo raros e a doença é mal compreendida. Nos casos de deficiência mais grave a restrição absoluta de galactose não é possível porque, para estes doentes, a galactose é nutricionalmente indispensável. Página 4 de 6

5 reacções análogas às descritas pelas equações 1 e 23. As oses aminadas formam-se a partir da frutose-6- fosfato que, por acção de uma transférase, aceita um grupo amida da glutamina gerando a glicosamina-6- fosfato (equação 27). A transformação da glicosamina-6-fosfato em UDP-glicosamina ocorre através de transformações semelhantes às que sofre a glicose-6-fosfato quando se converte em UDP-glicose: isomerização a glicosamina-1-fosfato e aceitação do resíduo uridilato do UTP (equações 28 e 29). É frequente que o grupo amina esteja acetilado (ligação amida); a acetilação do grupo amina ocorre através da transferência do grupo acetilo da acetil-coenzima A para a glicosamina-6-fosfato (equação 30). A formação da UDP-N-acetil-galactosamina (ou da UDP-galactosamina) ocorre por isomerização da UDP-N-acetilglicosamina (ou da UDP-glicosamina), numa reacção análoga à descrita pela equação 20. Frutose-6-P + glutamina glicosamina-6-p + glutamato (27) Glicosamina-6-P (ou N-acetil-glicosamina-6-P) Glicosamina-1-P (ou N-acetil-glicosamina-1-P) (28) Glicosamina-1-P (ou N-acetil-glicosamina-1-P) +UTP UDP-glicosamina (ou UDP-N-acetil-glicosamina) + PPi (29) Glicosamina-6-P + acetil-coa N-acetil-glicosamina-6-P + CoA (30) 1. Douard, V. & Ferraris, R. P. (2008) Regulation of the fructose transporter GLUT5 in health and disease, Am J Physiol Endocrinol Metab. 295, E Chong, M. F., Fielding, B. A. & Frayn, K. N. (2007) Mechanisms for the acute effect of fructose on postprandial lipemia, Am J Clin Nutr. 85, Bais, R., James, H. M., Rofe, A. M. & Conyers, R. A. (1985) The purification and properties of human liver ketohexokinase. A role for ketohexokinase and fructose-bisphosphate aldolase in the metabolic production of oxalate from xylitol, Biochem J. 230, Gitzelmann, R., Steinman, B. & Van der Berghe, G. (1995) Disorders of fructose metabolism in The metabolic and molecular bases of inherited disease. (Scriver, C., Beaudet, A., Sly, W. & Valle, D., eds) pp , McGraw-Hill, New York. 5. Jones, A. R. & Connor, D. E. (2000) Fructose metabolism by mature boar spermatozoa, Reprod Fertil Dev. 12, Schadewaldt, P., Hammen, H. W., Loganathan, K., Bodner-Leidecker, A. & Wendel, U. (2000) Analysis of concentration and (13)C enrichment of D-galactose in human plasma, Clin Chem. 46, Sunehag, A., Tigas, S. & Haymond, M. W. (2003) Contribution of plasma galactose and glucose to milk lactose synthesis during galactose ingestion, J Clin Endocrinol Metab. 88, Grossbard, L. & Schimke, R. T. (1966) Multiple hexokinases of rat tissues. Purification and comparison of soluble forms, J Biol Chem. 241, Segal, S. & Berry, G. T. (1995) Disorders of galactose metabolism. in The metabolic and molecular bases of inherited disease. (Scriver, C., Beaudet, A., Sly, W. & Valle, D., eds) pp , McGraw-Hill, New York. Página 5 de 6

6 Galactose UDP Glicogénio 2 NAD + 2 NADH Lançadeiras do malato ou do glicerol-3-p Fosforilação oxidativa Galactose-1-P UDP-Glicose UDP-Galactose PPi H 2 O UTP 2 Pi Pi UDP-Glicurónico X UDP Glicurónico-X Glicose-1-P UDP-N-acetil-glicosamina PPi UTP Glicose Pi H 2 O Glicose-6-P UDP-N-acetilgalactosamina N-acetil- Glicosamina-1-P glutamina glutamato Acetil-CoA CoA Frutose Frutose-6-P Pi Glicosamina-6-P N-acetil- Glicosamina-6-P H 2 O Frutose-1-P Frutose-1,6-bisP Di-hidroxi-acetona-P Gliceraldeído-3-P Pi + + NAD + Gliceraldeído QH2 Fosfoenolpiruvato + NADH Q NAD + NADH Glicerol-3-P Piruvato Página 6 de 6