Processos gerais no metabolismo proteico e síntese de aminoácidos

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1 Processos gerais no metabolismo proteico e síntese de aminoácidos 1- Um determinado número de moléculas de cada proteína endógena sofre hidrólise durante um dia mas, nos indivíduos adultos saudáveis, um número equivalente é sintetizado. A percentagem de moléculas afetadas por este processo de renovação depende principalmente da proteína em análise sendo muito baixa no caso do colagénio (cerca de 0,2% de renovação diária), relativamente modesta no caso das proteínas dos músculos esqueléticos (2% dia -1 ), elevada no caso das proteínas das vísceras (7-15% dia -1 ) e elevadíssima no caso de enzimas reguladas por transcrição/tradução (renovação total em horas). Considerando o conjunto das proteínas de um adulto (cerca de 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 o que representa uma taxa de renovação (turnover) de cerca de 3% (em média, 1 cadáver proteico novo por mês; 100%/3% dia - 1 =33 dias). Apesar da sua modesta taxa de renovação, porque as proteínas dos músculos constituem cerca de metade da massa total de proteínas do organismo, a sua taxa de renovação é responsável por cerca de 1/4 da taxa global. Em geral, um indivíduo adulto saudável mantém constante a quantidade total de proteínas endógenas. De facto, a massa de proteínas endógenas flutua ao longo de um dia aumentando no período pós-prandial e diminuindo durante o jejum. No entanto, tendo em conta a massa total de proteínas, as variações percentuais são mínimas e, além disso, considerando um período de 24h (ou mais) pode dizer-se que a velocidade de hidrólise é, no adulto, igual à de síntese. Um indivíduo que está nestas condições diz-se em equilíbrio azotado (ou que tem um balanço azotado nulo). O uso do adjetivo azotado para referir a existência de um balanço nulo na massa de proteínas endógenas dos adultos resulta do facto de a esmagadora maioria do azoto presente no organismo ser o azoto dos resíduos aminoacídicos das proteínas. 2- A hidrólise das proteínas endógenas é catalisada por protéases (ou endopeptídases) e a dos polipeptídeos formados por peptídases (ou exopeptídases) acabando na libertação dos aminoácidos constituintes. Muitas proteínas citoplasmáticas e do retículo endoplasmático sofrem hidrólise através de um sistema localizado no citoplasma das células e que se designa sistema da ubiquitina-proteossoma. São alvos preferenciais deste sistema as proteínas que têm alterações estruturais, as que têm taxas de renovação elevada (caso das enzimas reguladas por transcrição/tradução, por exemplo), mas também algumas proteínas com taxas de renovação relativamente baixas como as proteínas das miofibrilas musculares. As proteínas que vão ser degradadas por este sistema são primeiramente conjugadas com uma molécula proteica designada por ubiquitina. Este processo envolve um sistema enzimático em que se consome ATP e, em vários ciclos de ubiquitinação, forma-se uma cadeia de moléculas de ubiquitina ligadas à proteína alvo. As proteínas poliubiquitinadas vão ser reconhecidas por uma estrutura proteica em forma de barril designada por proteossoma e é no seu interior que as proteínas poliubiquitinadas vão ser degradadas por diversas protéases libertando polipeptídeos. Estes polipeptídeos saem para o citoplasma onde são hidrolisados por peptídases. Um outro sistema de degradação de proteínas envolve os lisossomas. Neste sistema podem ser degradadas proteínas que vêm do meio extracelular (via endocitose) assim como organelos inteiros e grandes porções de citoplasma (num processo designado por autofagia). Neste sistema as proteínas são digeridas por protéases com ph ótimo ácido que se designam por catepsinas; os aminoácidos libertados acabam por sair para o citoplasma das células. As proteínas segregadas para o lúmen do tubo digestivo ou que resultam da descamação do epitélio são, juntamente com as proteínas da dieta, hidrolisadas pelas protéases e peptídases digestivas. 3- A esmagadora maioria dos aminoácidos formados durante a hidrólise das proteínas endógenas (cerca de 300 g dia -1 ) é reutilizada na síntese de novas moléculas proteicas. No entanto, uma parte não é reutilizada porque uma parte das moléculas dos aminoácidos libertados no catabolismo das proteínas endógenas sofre transformações irreversíveis ficando excluída do ciclo de reutilização. Esta perda obrigatória de aminoácidos endógenos (cerca de 25 g dia -1 no adulto) 1 é, em grande parte, uma consequência da presença, 1 A perda obrigatória de aminoácidos (obligatory aminoacids losses) pode, na prática, ser determinada avaliando as perdas de azoto do organismo num indivíduo que tem uma dieta equilibrada sob todos os pontos de vista exceto um: não ingere proteínas. A ureia difunde do sangue para o lúmen intestinal e, no lúmen do cólon, por ação das bactérias é convertida em amónio; este amónio é reabsorvido e, no fígado, vai ser novamente reconvertido em ureia. Este processo constitui um ciclo entero-intestinal ureia-amónio e retarda a excreção da ureia sintetizada a partir do catabolismo dos aminoácidos. Por isso, é Página 1 de 11

2 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 CO 2, 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 é de destacar a creatinina, o ácido úrico, o ião amónio e, embora em quantidades muito mais pequenas, aminoácidos (modificados ou não) e catabolitos de hormonas e neurotransmissores que tiveram aminoácidos na sua génese. Também se perdem aminoácidos endógenos nas fezes pois uma parte das proteínas do epitélio intestinal que descama, das mucinas segregadas (glicoproteínas do muco) ou mesmo parte das enzimas digestivas não são completamente digeridas (ou são digeridas pelas bactérias presentes no lúmen do cólon e os produtos usados na síntese proteica bacteriana). O facto de, em média, 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 multiplica-se a massa do azoto excretado por 6,25 (100/16 = 6,25). Tal como acontece na maioria das situações, em condições de ingestão proteica nula mas equilibrada sob todos os outros aspetos, a maioria do azoto sai do organismo na urina. Nestas condições, cerca de 70% do azoto correspondente às perdas obrigatórias de aminoácidos perde-se na urina (50% na forma de ureia e 20% na forma de creatinina, amónio e outros compostos) e cerca de 20% nas fezes; os restantes 10% correspondem às perdas de proteínas inteiras na pele que descama, nas unhas e cabelos que crescem, nas secreções nasais, no fluxo menstrual ou na ejaculação e na ureia que está presente no suor. 4- Poderia pensar-se que, para repor as perdas obrigatórias de 25 g de aminoácidos dia -1, bastaria ingerir uma quantidade equivalente de proteínas, mas não é isso que acontece. A absorção de aminoácidos no intestino, leva a um aumento transitório da sua concentração nas células e a um aumento da velocidade do seu catabolismo: uma parte substancial dos aminoácidos ingeridos fica sujeita à ação das enzimas catabólicas sofrendo, junto com os libertados na hidrólise das proteínas endógenas, 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 -1 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. Porque é uma boa aproximação à realidade considerar que a massa de aminoácidos livres (cerca de 150 g no organismo inteiro) é estacionária, quando o balanço azotado é positivo (negativo, nulo) a massa de azoto ingerido é superior (inferior, igual) à de azoto excretado; caso exista uma diferença entre os valores da síntese e da hidrólise de proteínas endógenas (ou seja, se houver variação na massa global de proteínas endógenas) essa diferença reflete-se numa diferença equivalente entre o azoto ingerido e o azoto excretado. Assim uma outra definição de balanço azotado baseia-se na diferença entre a massa de azoto ingerido e a massa de azoto excretado (ou na diferença entre os valores de massa de proteínas correspondente). Um indivíduo que, durante um determinado período de tempo (uma semana ou um mês, por exemplo), está em balanço azotado nulo e ingere 50 g de proteínas /dia, perde na urina, fezes, pele, nariz e genitais uma massa de azoto equivalente (50 g 0,16 = 8 g de azoto /dia) e a sua massa proteica endógena, embora possa ter sofrido flutuações diárias, não variou no intervalo de tempo considerado. Um indivíduo que num terminado período de tempo excretou, por exemplo, 10 g de azoto em excesso relativamente ao ingerido deverá ter perdido uma massa proteica endógena de 62,5 g (10 g de azoto 6,25 g de proteína/ g de azoto = 62,5 g de proteína). 5- Poderia pensar-se que a massa de proteínas ingeridas seria um importante fator na definição da variação da quantidade de proteínas do organismo. A massa de gordura do organismo aumenta quando o valor calórico da dieta é superior à despesa energética mas, no caso do azoto, o sistema funciona de forma diferente. A massa de proteínas endógenas baixa (balanço azotado negativo) se a ingestão for inferior à quantidade necessária para repor as perdas obrigatórias ( 25 g dia -1 ) e fazer face ao acréscimo de perdas resultante da ingestão (outros 25 g dia -1 ), mas uma ingestão de proteínas acima do montante necessário para cobrir as necessidades ( 50 g dia -1 ) resulta apenas no catabolismo dos aminoácidos excedentários e num necessário esperar vários dias antes de se tornarem patentes as consequências (diminuição da excreção de ureia na urina) da exclusão das proteínas da dieta. Página 2 de 11

3 Página 3 de 11 Processos gerais e síntese de aminoácidos; Rui Fontes aumento da produção de ureia. Ao contrário do que acontece com a massa de gordura, a quantidade de cada uma das proteínas do organismo só depende da dieta na medida em que (i) esta pode constituir um fator limitador da sua síntese e (ii), acessoriamente, na medida em que o aumento da massa de gordura é acompanhado pela formação de vasos sanguíneos, de adipócitos e de tecidos de suporte (que contêm proteínas). Ingerir mais proteínas que as necessárias para repor os aminoácidos que sofreram catabolismo não provoca, por si só, balanço azotado positivo. 6- Considerando o organismo como um todo, o balanço entre a massa de proteínas que sofre hidrólise e a que é sintetizada é, em grande medida, dependente do que acontece com as proteínas dos músculos. Ao contrário do que acontece com a maioria das proteínas cuja síntese e degradação depende em grande medida de fatores de regulação específicos, as proteínas musculares ou, mais precisamente, as proteínas diretamente envolvidas no processo contrátil (a actina e a miosina), sofrem variações de massa que dependem em grande medida de fatores hormonais e comportamentais. Quando a massa proteica endógena sofre variações positivas ou negativas no seu valor global as proteínas primariamente afetadas são, na esmagadora maioria dos casos, as proteínas musculares. Por isso os fatores que afetam a síntese e a degradação das proteínas musculares são importantes para compreender a regulação do balanço azotado. A hormona do crescimento (também designada por somatotrofina), a testosterona e a insulina são hormonas que afetam positivamente a síntese das proteínas musculares estimulando o processo de iniciação da tradução. Ao mesmo tempo, reforçando o seu contributo para o incremento da massa proteica muscular, têm um papel inibidor na degradação através de ações que envolvem inibição da proteólise que ocorre nos proteossomas. No entanto, num adulto saudável, estas hormonas não provocam, por si só, incrementos na massa proteica muscular. Para aumentar a massa das proteínas de um determinado grupo de músculos há que fazer exercícios de musculação, ou seja, fazer exercícios anaeróbicos utilizando esse grupo de músculos. Este tipo de exercícios (levantamento de peso, corridas de sprint, etc.) provoca aumento do catabolismo durante o exercício mas, durante o repouso que se lhe segue, a síntese proteica é estimulada e, no balanço global, há incremento da massa de proteínas. Algumas moléculas sinalizadoras extracelulares como as hormonas tiroideias, o cortisol e as citosinas inflamatórias têm efeitos opostos e provocam diminuição na massa das proteínas dos músculos. Em consonância com o efeito das hormonas tiroideias no metabolismo basal (as hormonas tiroideias aumentam o metabolismo basal), as hormonas tiroideias também têm um efeito positivo na taxa de síntese proteica (ou seja, aceleram o turnover) mas, considerando o somatório dos dois efeitos antagónicos, o efeito catabólico predomina sobre o anabólico. Como referido acima, a prática de exercícios anaeróbicos também estimula a síntese e a degradação das proteínas musculares mas, neste caso, o somatório é positivo havendo incremento da massa proteica dos músculos envolvidos. 7- Sob efeito das hormonas acima referidas, do exercício e de outros fatores a quantidade total de proteínas do organismo aumenta (balanço azotado positivo) nos indivíduos (i) em fase de crescimento (crianças e adolescentes), (ii) que estão a engordar, (iii) que estão a recuperar após um período de balanço azotado negativo ou (iv) que, através de exercício físico anaeróbico (ou ingerindo esteroides anabolizantes), estão a aumentar a sua massa muscular. Nos indivíduos adultos que estão a engordar a maior parte do aumento da massa corporal deve-se à acumulação de triacilgliceróis no tecido adiposo, mas também ao aumento das proteínas dos vasos que irrigam esse tecido e dos tecidos de sustentação incluindo os músculos. É de esperar que haja balanço azotado negativo (i) a partir dos anos de idade, (ii) quando se diminui a atividade física ou (iii) quando se emagrece voluntariamente, (iv) em consequência de défice nutricional proteico e/ou proteico-calórico ou (v) em situações de doença. A perda de massa muscular associado ao envelhecimento é, pelo menos em parte, uma consequência da diminuição da sensibilidade dos músculos aos efeitos anabólicos do exercício físico mas também à diminuição desse exercício. Grande parte das doenças agudas e crónicas cursam com balanço azotado negativo. Embora a diminuição do apetite e do exercício possam ter um papel na diminuição da massa muscular, não são estes os fatores determinantes na maioria dos casos. A diminuição da massa muscular associada a muitas doenças (cancros, traumatismos acidentais ou cirúrgicos, doenças infecciosas agudas e crónicas, etc.) é uma componente da resposta adaptativa que leva à hidrólise das proteínas musculares, desta forma disponibilizando aminoácidos para a síntese aumentada de proteínas que ocorre no fígado (designadas por proteínas de fase aguda ) ou nos tecidos que estão em processo de cicatrização [2]. Nestes processos participam as citosinas inflamatórias que, direta e indiretamente, provocam aumento nos processos de hidrólise e inibição da síntese das proteínas musculares. As citosinas são produzidas por células do sistema imunológico e aumentam em situação de inflamação. Os efeitos indiretos das citosinas inflamatórias envolvem a diminuição da

4 sensibilidade aos efeitos anabolizantes da insulina e da somatotrofina e à estimulação da secreção de cortisol. A diminuição da secreção de insulina no pâncreas também pode ser um fator determinante. Neste contexto, é clássico referir que, antes da introdução da terapêutica insulínica, os doentes com diabetes tipo 1 morriam num estado de caquexia: as proteínas dos músculos iam desaparecendo enquanto os aminoácidos constituintes se iam convertendo em glicose que, em grande parte, se perdia na urina. 8- Num indivíduo adulto saudável que mantém constante a sua massa muscular, é de prever que a quantidade total de proteínas também se mantém mais ou menos constante: nestas condições, os aminoácidos excluídos do ciclo de reutilização são repostos por ingestão e incorporados nas proteínas sintetizadas existindo balanço azotado nulo. Quando a ingestão proteica não é suficiente para repor os aminoácidos que sofrem catabolismo há balanço azotado negativo. No caso das crianças o balanço azotado é fisiologicamente positivo, mas uma ingestão deficiente de proteínas provoca atraso no crescimento. Em situações de subnutrição proteica pode surgir uma doença designada de kwashiorkor em que, além do atraso de crescimento, há edemas nos membros e ascite (líquido no espaço entre os dois folhetos do peritoneu). O edema e a ascite são provocados pela diminuição da produção de albumina no fígado. A albumina é a proteína mais abundante no plasma sanguíneo e tem efeito osmótico que contrabalança a pressão hidráulica que favorece a saída de líquido do plasma para o espaço extracelular. Quando a concentração plasmática de albumina baixa este fator de retenção de líquido no plasma diminui e passa a predominar a pressão hidráulica provocando edema e ascite. A perda de massa muscular que ocorre em situações de défice nutricional proteico-calórico como o que acontece nas situações de greve de fome é mais marcada que a simples omissão das proteínas da dieta de um indivíduo. No défice nutricional proteico-calórico, para além da perda obrigatória de aminoácidos, há uma perda adicional que é adaptativa e resulta da diminuição da insulina. Quando um indivíduo inicia uma greve de fome a hidrólise das proteínas musculares fica aumentada e fornece ao fígado aminoácidos que são usados como substratos na síntese de glicose. Porque o glicogénio se esgota em um ou dois dias de jejum, a gliconeogénese tem, neste processo, um papel determinante na síntese da glicose que é oxidada no cérebro. No entanto, à medida que o tempo de jejum se prolonga a proteólise muscular diminui porque há diminuição da secreção de hormonas tiroideias. Esta diminuição da proteólise relativamente ao que acontecia nos primeiros dias de jejum, acompanha-se duma diminuição da necessidade de fornecer glicose ao cérebro: à medida que o jejum se prolonga aumenta a síntese de corpos cetónicos que podem substituir até 2/3 das necessidades energéticas do cérebro. 9- 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 pela ingestão de 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. O esqueleto carbonado da alanina, por exemplo, provém do piruvato, mas o azoto da alanina tem de vir doutro aminoácido. (iii) Um terceiro grupo de aminoácidos (cisteína e tirosina) forma-se a partir de aminoácidos indispensáveis (metionina e fenilalanina, respetivamente) e poderão classificar-se como semi-indispensáveis 2 [1]. 10- No caso dos aminoácidos sintetizados a partir de intermediários do 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 azotados (amina, amida ou guanidina) resultam da transferência direta ou indireta de grupos amina (ou amida) de aminoácidos para esses intermediários. Para que um 2 Quem classifica faz um exercício de organização dos conhecimentos da forma que lhe dá mais jeito. Também é frequente chamarem à cisteína e à tirosina condicionalmente indispensáveis porque só são indispensáveis se a dieta for pobre em metionina e fenilalanina, respetivamente. 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5 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, nas secreções nasais ou na pele. 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. Em geral, um défice de aminoácidos nutricionalmente dispensáveis corresponde a uma ingestão quantitativamente inadequada de proteínas: na presença de azoto aminoacídico em quantidade suficiente para formar os grupos azotados o organismo pode sintetizar um aminoácido nutricionalmente dispensável a partir de intermediários do metabolismo glicídico e, nesta síntese, todos os outros aminoácidos são, em última análise, potenciais dadores de azoto. 11- Através da ação catalítica de variadas enzimas, os aminoácidos podem libertar o azoto do seu grupo amina (ou de outros grupos azotados) na forma de amónio (NH 4 + ). O ião amónio é a forma protonada do amoníaco (NH 3 ); o seu pka é cerca de 9,3, predominando, por isso, a forma protonada, quer no meio interno, quer na urina. 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 ação catalítica (i) da desidrogénase do glutamato (ver Equação 1) e (ii) da sintétase da glutamina (ver Equação 2). Por ação destas enzimas o azoto inorgânico do amónio pode ser convertido em azoto aminoacídico. O glutamato [5C,1N] é um aminoácido dicarboxílico com 5 carbonos e difere do α-cetoglutarato por ter, em vez do grupo cetónico, um grupo amina no carbono 2. A glutamina [5C,2N] difere do glutamato porque, em vez do grupo carboxílico em C5, tem um grupo amida nesse carbono. Equação 1 Equação 2 α-cetoglutarato + NH NADPH glutamato + NADP + + H 2 O glutamato + NH ATP glutamina + ADP + Pi 12- Para além de poder ter origem na ação da desidrogénase do glutamato (ver Equação 1), a síntese de glutamato também tem lugar em reações de transaminação (ver Equação 3) 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; ver Equação 2) podem formar-se endogenamente a partir de um intermediário do ciclo de Krebs (o α-cetoglutarato); 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. Equação 3 α-aminoácido X + α-cetoglutarato glutamato + α-cetoácido X 13- A alanina [3C,1N] difere do piruvato porque, em vez do grupo cetónico no carbono 2, tem um grupo amina; o aspartato [4C,1N] difere do oxalacetato pela mesma razão. 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, respetivamente. A transamínase da alanina (ver Equação 4) e a transamínase do aspartato (ver Equação 5) catalisam, respetivamente, a formação de alanina e aspartato mas, como estas reações 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 o outro substrato é (quase) sempre o glutamato/αcetoglutarato (ver Equação 3). Dependendo do sentido em que a reação esteja a ocorrer uma reação 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 (e a muitas outras enzimas envolvidas no metabolismo aminoacídico) é a presença de piridoxal-fosfato (derivado da vitamina B6) como grupo prostético 3. Equação 4 Equação 5 glutamato + piruvato α-cetoglutarato + alanina glutamato + oxalacetato α-cetoglutarato + aspartato 3 No decurso do ciclo catalítico o piridoxal-fosfato que está, no início do ciclo, ligado ao grupo 6-amina de um resíduo de lisina da transamínase, converte-se em piridoxamina-fosfato, mas, no final do ciclo, regenera-se a forma original. Com quatro exceções (lisina, prolina, triptofano e arginina) existem transamínases que (com maior ou menor eficácia) são capazes de catalisar a troca entre o grupo cetónico dos α-cetoácidos correspondentes e o grupo amina do glutamato. Página 5 de 11

6 14- A serina [3C,1N,1OH] é um aminoácido que contém 3 carbonos e um grupo hidroxilo em C3. A glicina [2C,1N] é o aminoácido mais simples e contém apenas 2 carbonos. Transamínases com diferentes especificidades intervêm no processo de síntese da serina a partir de 3-fosfoglicerato (um intermediário da glicólise) e da glicina a partir de glioxilato (contém um grupo aldeído em vez do grupo amina no carbono α). 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- fosfohidroxipiruvato (ver Equação 6) que é substrato da transamínase da fosfoserina (ver Equação 7). A fosfoserina (formada após a reação de transaminação) é hidrolisada por uma fosfátase com a consequente formação da serina (ver Equação 8). O glioxilato (aceitador de grupos amina em reações de transaminação em que a alanina é o dador da amina; ver Equação 9) pode resultar da oxidação do glicolato (que existe em muitas plantas comestíveis) por ação da oxídase do glicolato (ver Equação 10) 4. Equação 6 3-fosfoglicerato + NAD + 3-fosfohidroxipiruvato + NADH Equação 7 glutamato + 3-fosfohidroxipiruvato α-cetoglutarato + fosfoserina Equação 8 fosfoserina + H 2 O serina + Pi Equação 9 alanina + glioxilato piruvato + glicina Equação 10 glicolato + O 2 glioxilato + H 2 O A reação catalisada pela hidroximetiltransférase da serina (ver equação 11) para além de permitir a síntese de glicina a partir de serina (e o inverso) também permite a metilação do tetrahidro-folato (H4- folato): o N5,N10-metileno-H4-folato formado nesta reação é indispensável na síntese de timina e, portanto, do DNA. O facto de a glicina se poder formar a partir da serina (ver Equação 11) e de esta poder gerar-se a partir de um intermediário da glicólise (3-fosfoglicerato; ver Equação 6, Equação 7 e Equação 8) permite compreender que, quer a serina, quer a glicina sejam aminoácidos nutricionalmente dispensáveis. Equação 11 serina + H4-folato glicina + N5,N10-metileno H4-folato 16- A prolina [5C,1N] é o único aminoácido em que o grupo amina é uma amina secundária (que liga os carbonos 2 e 5). A arginina [6C,4N] contém 6 carbonos mas um deles faz parte da estrutura do grupo guanidina [1C;3N] que se liga ao carbono 5. Quer a prolina quer a arginina podem ser sintetizadas a partir do glutamato. O glutamato pode, por redução do grupo carboxílico C5, originar o semialdeído do glutamato e este composto pode seguir dois destinos distintos: (i) num deles (por redução dependente do NADPH) dá origem à prolina e (ii) no outro origina a ornitina que, via ação catalítica das enzimas do ciclo da ureia, se converte em arginina. A conversão do semialdeído do glutamato em ornitina é catalisada pela transamínase da ornitina (ver Equação 12). Equação 12 glutamato + semialdeído do glutamato α-cetoglutarato + ornitina 17- A arginina [6C,4N] é sintetizada no ciclo da ureia. A arginina é um intermediário desse ciclo, concretamente o intermediário que sofre hidrólise por ação da argínase levando à formação de ureia [1C,2N] e ornitina [5C,2N]. No ciclo da ureia a ornitina converte-se em citrulina [6C,3N] que, por sua vez origina arginino-succinato [10C,4N]; é o arginino-succinato que regenera a arginina. Assim, a ornitina, a citrulina, o arginino-succinato e a arginina são intermediários do ciclo da ureia. No entanto, a arginina é também um dos aminoácidos constituintes das proteínas e, quando é utilizada na síntese proteica, a concentração de arginina poderia baixar pondo em risco o funcionamento do ciclo. No entanto, tal como acontece no ciclo de Krebs, quando uma molécula de um intermediário sai do ciclo, uma outra molécula de outro intermediário é formado a partir de compostos que não fazem parte do ciclo. A reação que diretamente alimenta a formação de intermediários do ciclo da ureia já foi referida (ver Equação 12): é catalisada pela transamínase da ornitina e permite a formação da ornitina a partir de semialdeído do 4 A glicina também pode formar-se a partir da colina (que resulta, maioritariamente, da hidrólise das lecitinas). Nesta via metabólica a colina é oxidada no grupo hidroxilo formando-se betaína (trimetilglicina). A betaína é dadora de um metilo à homocisteína formando-se dimetilglicina (betaína + homocisteína dimetilglicina + metionina) que por sua vez pode ceder os dois restantes metilos ao tetrahidrofolato (H4-folato) gerando-se a glicina (dimetilglicina + H4-folato sarcosina + N5,N10-metileno-H4-folato; sarcosina + H4-folato glicina + N5,N10-metileno-H4-folato). Página 6 de 11

7 glutamato. A ureia é apenas sintetizada no fígado pois é neste órgão que existe a argínase, uma hidrólase que catalisa a formação de ureia a partir da arginina. Embora o ciclo da ureia completo só exista no fígado, as enzimas que levam, a partir da glutamina (via glutamato) à formação de ornitina e à conversão desta em citrulina também existem nos enterócitos. Os enterócitos captam glutamina do plasma e uma parte desta glutamina é convertida em citrulina. A citrulina formada nos enterócitos passa para o plasma sanguíneo e pode ser captada pelo fígado mas também pelo rim. As enzimas do ciclo da ureia que catalisam a conversão sequenciada de citrulina em arginino-succinato e deste em arginina (sintétase do argininosuccinato e arginino-succínase) existem nestes dois órgãos e levam à formação de arginina. As enzimas do ciclo da ureia, para além do seu papel no catabolismo de todos os aminoácidos também têm um papel anabólico: a síntese de arginina. Estudos em leitões mostraram que a velocidade de formação líquida de arginina (massa formada subtraída da parte que se converte em ureia e ornitina) é inadequada para sustentar adequadamente a síntese proteica que está aumentada devido ao crescimento rápido que ocorre nos mamíferos bebés. Embora não existam evidências que o mesmo aconteça nos bebés humanos [3] admite-se que possa ser assim e, por isso, a arginina é, frequentemente, classificada como um aminoácido condicionalmente indispensável [1]. 18- A asparagina [4C,2N] difere do aspartato [4C,1N] porque, em vez do grupo carboxílico em C4, tem um grupo amida nesse carbono. De forma semelhante ao que acontece no caso da glutamina e do glutamato, a asparagina forma-se a partir do aspartato por ação catalítica da sintétase da asparagina (ver Equação 13). No entanto, ao contrário do caso da síntese da glutamina em que o azoto incorporado é azoto inorgânico, na síntese da asparagina, o dador do azoto é a glutamina. Além disso, na reação catalisada pela sintétase da asparagina, forma-se AMP e PPi e não ADP e Pi como no caso da sintétase da glutamina (ver Equação 2). Equação 13 aspartato + glutamina + ATP asparagina + glutamato + AMP + PPi 19- A fenilalanina [9C,1N] contém um anel benzénico; a tirosina [9C,1N,1OH] deriva da fenilalanina por hidroxilação desse anel benzénico. É frequente classificar-se a tirosina como semi-indispensável porque é sintetizada a partir da 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 reação de formação da tirosina é catalisada pela hidroxílase da fenilalanina, uma oxigénase de função mista (ver Equação 14). Para que o processo possa continuar a dihidrobiopterina formada é reduzida pelo NADPH numa reação catalisada por uma redútase (ver Equação 15). Equação 14 fenilalanina + tetrahidrobiopterina + O 2 tirosina + dihidrobiopterina + H 2 O Equação 15 dihidrobiopterina + NADPH tetrahidrobiopterina + NADP 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 pode ser classificada como semiindispensável: 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 (ver Equações 16-21). Durante o catabolismo da metionina forma-se um intermediário (homocisteína) que contém ainda 4 carbonos da metionina mas que, em vez do grupo metilo ligado ao carbono 4 por uma ligação sulfureto, contém um grupo tiol. Este intermediário (homocisteína) reage com a serina formando-se um composto (cistationina) que contém o átomo de enxofre entre os carbonos que derivaram da homocisteína e os que derivaram da serina (ver Equação 19). A clivagem da cistationina (ver Equação 20) origina cisteína (3 carbonos e azoto derivados da serina e o enxofre da homocisteína) assim como NH 3 e α-cetobutirato (derivados da homocisteína). Equação 16 ATP + metionina S-adenosil-metionina + Pi + PPi Equação 17 S-adenosil-metionina + aceitador S-adenosil-homocisteína + aceitador metilado Equação 18 S-adenosil-homocisteína + H 2 O homocisteína + adenosina Equação 19 homocisteína + serina cistationina Equação 20 cistationina cisteína + NH 3 + α-cetobutirato Equação 21 α-cetobutirato + NAD + + CoA propionil-coa + NADH + CO 2 Página 7 de 11

8 Embora a metionina seja um aminoácido nutricionalmente indispensável, existem duas enzimas que permitem "salvar" metionina em processo catabólico: a síntase da metionina (ver Equação 22) e a metiltransférase da betaína-homocisteína (ver Equação 23). Em ambos os casos há regeneração da metionina a partir da homocisteína que é aceitadora do grupo metilo do N5-metil-H4-folato (no caso da síntase da metionina) ou de um grupo metilo da betaína (no caso da metil-transférase da betaína-homocisteína). O N5-metil-H4-folato forma-se por redução dependente do NADPH que é catalisada pela redútase do N5,N10-metileno-H4-folato (ver Equação 24). A betaína resulta da oxidação da colina num processo que envolve uma oxídase e uma desidrogénase e cuja equação soma é a Equação 25. Equação 22 N5-metil-H4-folato + homocisteína H4-folato + metionina Equação 23 betaína + homocisteína dimetilglicina + metionina Equação 24 N5,N10-metileno-H4-folato + NADPH N5-metil-H4-folato + NADP + Equação 25 colina + O 2 + NAD + betaína + H 2 O 2 + NADH 21- Oito (valina, leucina, isoleucina, treonina, metionina, lisina, fenilalanina, triptofano) dos 20 aminoácidos 5 que são incorporados nas proteínas aquando da sua síntese são, classicamente, classificados como nutricionalmente indispensáveis. No entanto, excetuando os casos da lisina e do triptofano, existem transamínases que (com maior ou menor eficácia) são capazes de catalisar a troca entre o grupo cetónico dos α-cetoácidos correspondentes e o grupo amina do glutamato. Embora absurdo do ponto de vista económico e muito pouco eficaz na esmagadora maioria dos casos, seria possível usar os α-cetoácidos correspondentes para substituir na dieta uma grande parte dos aminoácidos nutricionalmente indispensáveis. As Equações mostram as reações de transaminação que envolvem os aminoácidos ramificados. Estas reações são fisiologicamente reversíveis, mas isto não significa que os aminoácidos ramificados sejam nutricionalmente dispensáveis. O α-ceto-isocaproato, α-ceto-β-metil-valerato e o α- ceto-isovalerato formam-se (por transaminação) no primeiro passo do catabolismo dos aminoácidos correspondentes (que fazem parte das proteínas) e a reação em que a mesma transamínase catalisa a reação inversa apenas significa a recuperação de metabolitos intermediários do processo catabólico desses aminoácidos. No caso da histidina também não existem, nos mamíferos, vias metabólicas de síntese, mas a exclusão deste aminoácido na dieta só provoca sintomas de défice (surge anemia) após um mês [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. Equação 26 Equação 27 Equação 28 α-ceto-isocaproato + glutamato leucina + α-cetoglutarato α-ceto-β-metil-valerato + glutamato isoleucina + α-cetoglutarato α-ceto-isovalerato + glutamato valina + α-cetoglutarato 22- Tal como os aminoácidos dispensáveis também os aminoácidos indispensáveis sofrem catabolismo a uma velocidade que depende da atividade intrínseca das enzimas envolvidas e da concentração do aminoácido em causa. Para assegurar a manutenção da massa de proteínas do organismo há, não só que ingerir uma quantidade total de aminoácidos adequada (em média 50 g dia -1 num adulto saudável com 70 kg), mas também que repor cada uma das moléculas 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 azoto, contém a quantidade mínima de cada aminoácido indispensável para repor a perda individual de cada um destes aminoácidos [1]. 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 contêm 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. Quando, no contexto de uma dieta equilibrada sob o ponto de vista energético, se ingere como única proteína gelatina nenhum dos aminoácidos que resultam da sua hidrólise intestinal 5 Ou 21, se considerarmos também o caso da selenocisteína. Página 8 de 11

9 pode ser usado na síntese proteica porque falta o triptofano. Nestas circunstâncias, com a exceção do triptofano, todos os aminoácidos aumentam de concentração aumentando a velocidade da sua oxidação. 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 [1, 5]. 23- Um parâmetro que costuma ser utilizado para avaliar a qualidade dietética das proteínas é o índice químico. Para calcular o índice químico de uma proteína começa-se por determinar a percentagem de cada um dos aminoácidos essenciais na proteína em questão (massa de aminoácido essencial/100 g de proteína). Depois comparam-se essas percentagens com as percentagens correspondentes numa proteína padrão dividindo, para cada aminoácido essencial, a percentagem na proteína em análise pela percentagem na proteína padrão. A cada aminoácido essencial vai, assim, corresponder uma determinada fração que será inferior a 1 se a proteína em análise for menos rica nesse aminoácido que a proteína padrão. A fração de valor mais baixo é o índice químico da proteína em questão e o aminoácido correspondente é o aminoácido limitante dessa proteína. No caso das proteínas do trigo, como já referido, o aminoácido limitante é a lisina, o índice químico é pouco superior a 0,5 e para alimentar um indivíduo adulto saudável, usando exclusivamente, proteínas de trigo, a ingestão proteica deveria ser cerca do dobro (1/0,5 = 2) da que seria necessária se o índice químico das proteínas da dieta fosse 1 ou superior a 1 (como acontece no caso da maioria das proteínas de origem animal). No caso da gelatina o índice químico é zero e é impossível obter uma ingestão proteica adequada usando exclusivamente esta proteína. Na realidade é muito pouco comum que a dieta seja tão monótona que apenas contemple uma única espécie vegetal. Na maioria dos casos o aminoácido limitante num determinado alimento não é o mesmo em dois alimentos de natureza distinta. Porque o aminoácido limitante num determinado alimento pode não ser o aminoácido limitante noutro alimento, a ingestão conjunta dos dois alimentos resulta num índice químico conjunto mais próximo de 1 (ou mesmo superior a 1). Um exemplo clássico de complementaridade entre proteínas é a mistura feijão e arroz. Os aminoácidos limitantes da proteína do feijão são os aminoácidos sulfurados cisteína e metionina e o índice químico é 0,91; o aminoácido limitante no caso do arroz é a lisina e o índice químico é 0,87. No entanto, uma mistura 50:50 de proteínas de feijão e arroz resulta num índice químico superior a 1. Quando o índice químico é superior a 1 não significa que seja suficiente ingerir menos proteínas que as necessárias no caso de o índice químico ser 1: para manter o organismo em balanço azotado nulo, a massa de azoto proteico ingerido deve ser sempre suficiente para contrabalançar as perdas. Um outro fator que influencia a qualidade dietética das proteínas dos alimentos é a sua digestibilidade, ou seja, a percentagem dos aminoácidos das proteínas que acabam de facto absorvidos no tubo digestivo. Em geral, devido ao facto de uma parte das proteínas estar em grânulos que não são atacados nos processos digestivos, a digestibilidade das proteínas de origem vegetal é menor que as de origem animal. O fator digestibilidade também é afetado pelos processos culinários. 24- Em algumas proteínas (como a peroxídase do glutatião) existem resíduos de selenocisteína [3C,1N,1Se], 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 específico que se denomina trna Sec (Sec é a abreviatura de selenocisteína). A reação é catalisada por uma transférase (ver Equação 29) em que o dador de selénio é o seleno-fosfato ( selénio ativado ). O codão correspondente ao anticodão do trna Sec é normalmente um codão de terminação (UGA) 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 selenocisteinil-trna Sec ocorrendo a incorporação do aminoácido selenocisteína na estrutura da proteína em processo de síntese. Equação 29 seleno-fosfato + seril-trna Sec selenocisteinil-trna Sec + Pi 25- Os aminoácidos hidroxiprolina [5C,1N,1OH] e hidroxilisina [6C,2N,1OH] constituem casos especiais pois existem na estrutura do colagénio (a proteína mais abundante dos mamíferos) mas não existem no Página 9 de 11

10 RNA codificador do colagénio codões para estes aminoácidos. A síntese da hidroxiprolina e da hidroxilisina ocorre por ação 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 (ver Equação 30). 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. Equação 30 resíduo prolil ou lisil + O 2 + α-cetoglutarato resíduo hidroxiprolil ou hidroxilisil + succinato + CO O caso do aminoácido carboxiglutamato [6C,1N] (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 transformação envolve a atividade de uma oxigénase (ver Equação 31) e uma reação não enzímica (ver Equação 32). Na ação da oxigénase o oxigénio molecular oxida a vitamina K que passa da forma hidroquinona à forma epóxido; simultaneamente, o carbono C4 de resíduos de glutamato da proteína ioniza-se a carbanião (carga -1) que é aceitador de CO 2. A regeneração da forma hidroquinona da vitamina K a partir da forma epóxido envolve a ação de oxiredútases. Equação 31 Equação 32 resíduo de glutamato + O 2 + vitamina K (forma hidroquinona) resíduo de glutamato na forma de carbanião + vitamina K (forma epóxido) resíduo de glutamato na forma de carbanião + CO 2 resíduo de carboxiglutamato 1. Levesque, C. L. & Ball, R. O. (2012) Protein and amino acid requirements in Biochemical, physiological and molecular aspects of human nutrition (Stipanuk, M. H. & Caudill, M. A., eds) pp , Elsevier, St. Louis. 2. Kotler, D. P. (2000) Cachexia, Ann Intern Med. 133, Wu, G., Bazer, F. W., Davis, T. A., Kim, S. W., Li, P., Marc Rhoads, J., Carey Satterfield, M., Smith, S. B., Spencer, T. E. & Yin, Y. (2009) Arginine metabolism and nutrition in growth, health and disease, Amino Acids. 37, 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, Schaafsma, G. (2000) The protein digestibility-corrected amino acid score, J Nutr. 130, 1865S-7S. Página 10 de 11

11 glicose betaína ou N5-metil-H4-Folato cisteína betaína colina homocisteína cistationina dimetil-glicina metionina sarcosina 3-fosfoglicerato 3-fosfohidroxipiruvato 3-fosfoserina serina glicina glioxilato glicolato piruvato alanina treonina oxalacetato aspartato asparagina prolina ureia arginina Ciclo de Krebs semiladeído do glutamato NH 3 + NAD(P)H NAD(P) + ornitina argininosuccinato Carbamilfosfato Ciclo da ureia citrulina α-ceto-glutarato glutamato glutamina fenilalanina tirosina prolina hidroxiprolina lisina hidroxilisina glutamato carboxiglutamato Seril-t-RNA Sec Selenocisteinil-t-RNA Sec Página 11 de 11