Metabolismo do azoto dos aminoácidos e ciclo da ureia

Transcrição

1 Metabolismo do azoto dos aminoácidos e ciclo da ureia 1- Embora os aminoácidos nutricionalmente dispensáveis possam, no que refere ao esqueleto carbonado, formar-se a partir da glicose, é uma boa aproximação à realidade afirmar-se que os aminoácidos existentes no sangue e nas células resultam da hidrólise das proteínas endógenas ou das proteínas da dieta. Se pensarmos apenas na porção azotada mesmo os aminoácidos sintetizados endogenamente têm origem nos aminoácidos formados naqueles processos de hidrólise. A maior parte dos aminoácidos libertados aquando da hidrólise das proteínas endógenas são reutilizados na síntese dessas mesmas proteínas ou de outras proteínas mas uma parte sofre catabolismo perdendo o azoto e gerando intermediários não azotados que, em última análise (directa ou indirectamente), vão acabar por oxidar-se a CO Os aminoácidos ou os intermediários a que estes dão origem no decurso do seu catabolismo podem perder os grupos azotados em reacções de desamidação ou desaminação em que se liberta o ião amónio. A concentração plasmática do amónio é, no indivíduo saudável, muito baixa (cerca de 20 µm no sangue sistémico e cerca de 260 µm na veia porta) 1. Quando a concentração de amónio aumenta no plasma (hiperamonémia) provoca alterações neurológicas que podem culminar em coma e morte. No fígado, o amónio tóxico é convertido em ureia não tóxica. Uma situação clínica aguda que cursa com hiperamonémia é, por exemplo, uma hemorragia para dentro do lúmen do sistema digestivo em doentes com cirrose hepática. Outras condições clínicas mais raras que também cursam com hiperamonémia são as causadas por défices congénitos das enzimas do ciclo da ureia. 3- Numa reacção catalisada pela sintétase do carbamil-fosfato I, uma enzima da matriz mitocondrial, forma-se carbamil-fosfato (ver equação 1). Na reacção catalisada por esta sintétase consome-se amónio e CO 2 que se ligam para formar o carbamilo que é fosforilado pelo ATP; o processo também envolve a hidrólise de uma outra molécula de ATP. O carbamil-fosfato vai ser o dador de um dos dois azotos da ureia que se vai formar. Embora, estritamente, não possa ser considerada uma enzima do ciclo da ureia, a relação da sintétase de carbamil-fosfato I com este ciclo é tão íntima que é assim é considerada com muita frequência. NH CO ATP + H 2 O carbamil-fosfato + 2 ADP + Pi (1) 4- No ciclo da ureia intervém uma enzima que, tal como a sintétase de carbamil-fosfato I, está na matriz mitocondrial, a transcarbamílase da ornitina (ver equação 2); as outras três estão no citoplasma e são a sintétase do arginino-succinato, argininosuccínase e argínase (ver equações 3-5). Costuma dizer-se que a ornitina (C5,N2) desempenha, no ciclo da ureia, um papel catalítico porque se consome na primeira reacção (transcarbamílase da ornitina: ver equação 2) e, via citrulina (C6,N3), argininosuccinato (C10,N4) e arginina (C6,N4), se regenera na última (argínase: ver equação 5). É na reacção catalisada pela argínase que se dá a hidrólise da arginina formando-se a ureia e regenerando-se a ornitina, um dos substratos da transcarbamílase da ornitina. Ao longo do ciclo da ureia a estrutura da ornitina vai aceitando os componentes da ureia; como evidenciado pela reacção catalisada pela argínase, a arginina (C6,N4) pode ser entendida como sendo formada por dois resíduos: ornitina (C5,N2) e ureia (C1,N2). Por acção catalítica da transcarbamílase da ornitina, a ornitina aceita o grupo carbamilo do carbamilfosfato gerando citrulina que reage com o aspartato gerando arginino-succinato (sintétase do argininosuccinato: ver equação 3): a formação do arginino-succinato é um processo endergónico acoplado com a hidrólise de ATP a AMP + PPi. Por acção duma líase (argininosuccínase) o arginino-succinato desdobrase em arginina e fumarato (ver equação 4). Como já referido a transcarbamílase da ornitina é uma enzima da matriz mitocondrial enquanto que todas as outras três enzimas do ciclo são citoplasmáticas: assim, o produto da transcarbamílase da ornitina, a citrulina, sai da mitocôndria, enquanto o substrato aminoacídico da mesma enzima, a ornitina, entra para a mitocôndria; os dois processos de transporte são catalisados pelo mesmo transportador. 1 Para comparação: a concentração plasmática da glutamina é cerca de 6 mm e a dos aminoácidos em que a concentração plasmática é mais baixa (metionina e aspartato) ronda os 20 µm [Bergstrom et al. (1974) J Appl Physiol 36:693-7]. Página 1 de 6

2 ornitina + carbamil-fosfato citrulina + Pi (2) citrulina + aspartato + ATP arginino-succinato + AMP + PPi (3) arginino-succinato arginina + fumarato (4) arginina + H 2 O ureia + ornitina (5) 5- O somatório das reacções catalisadas pelas enzimas do ciclo da ureia e pela sintétase do carbamil-fosfato I pode ser expresso pela seguinte equação soma: CO 2 + NH aspartato + 3 ATP ureia + 2 ADP + AMP + 2 Pi + PPi + fumarato (6) Na estrutura da ureia [OC(NH 2 ) 2 ] o carbono tem origem no CO 2, um dos átomos de azoto tem origem directa no amónio e o outro origem directa no aspartato, cujo esqueleto carbonado origina fumarato durante o processo. 6- O amónio que está na origem do carbamil-fosfato hepático tem origem nos aminoácidos que sofrem catabolismo libertando amónio. Uma parte considerável do amónio (talvez 1/3) utilizado para a síntese de carbamil-fosfato é captado pelo fígado chegando aí, através veia porta, já como amónio. Este amónio foi formado nos enterócitos a partir da glutamina (via acção da glutamínase que catalisa a hidrólise do grupo amida: ver equação 7) ou no lúmen do intestino por acção das bactérias 2. Os restantes 2/3 resultam da acção de enzimas hepáticas que provocam a perda de grupos azotados de aminoácidos na forma de amónio. Exemplos deste tipo de enzimas são a enzima de clivagem da glicina (ver equação 8), a líase da cistationina (ver equação 9), a asparagínase (ver equação 10), a glutamínase (ver equação 7) e a desidrogénase do glutamato (ver equação 11). De notar que o azoto do amónio libertado pela acção da desidrogénase do glutamato poderá ter tido origem última em muitos outros aminoácidos: em reacções de transaminação (quer directamente, quer através de intermediários dos processos catabólicos) quase todos os aminoácidos podem ceder o seu grupo amina ao α-cetoglutarato formando o glutamato. + glutamina + H 2 O glutamato + NH 4 glicina + H4-folato + NAD + + N5,N10-metileno-H4-folato + NADH + CO 2 + NH 4 + cistationina cisteína + α-cetobutirato + NH 4 + asparagina + H 2 O aspartato + NH 4 glutamato + NAD + + α-cetoglutarato + NADH + NH 4 (7) (8) (9) (10) (11) 7- O segundo azoto presente na estrutura da ureia tem origem directa no aspartato: o aspartato ao reagir com a citrulina e ao sair como fumarato deixa ficar azoto no grupo guanidina da arginina que vai sofrer hidrólise e gerar a ureia. No entanto, este segundo azoto pode, indirectamente, ter origem em todos os aminoácidos. A alanina (que é vertida pelos músculos ou pelos enterócitos e é captada pelo fígado) é exemplo de um aminoácido dador de amina para a síntese de aspartato no fígado. Por acção sequenciada da transamínase da alanina (ver equação 12) e da transamínase do aspartato (ver equação 13) o grupo amina que estava na alanina pode originar o grupo amina do aspartato; a sequência envolve como intermediário aminado o glutamato. Sequências similares envolvendo diversas transamínases e a transamínase do aspartato podem explicar a transferência de grupos amina de diversos aminoácidos para o oxalacetato e a formação de aspartato; a equação soma que descreve estes processos é a equação 15 (ver abaixo). Quando a perda de azoto origina amónio (casos da desamidação hidrolítica da glutamina ou da asparagina ou as desaminações oxidativas da glicina ou do glutamato ou a desaminação por acção de líases de diversos aminoácidos; ver equações 7-11) este ião inorgânico pode, por acção da desidrogénase do glutamato (ver equação 14), originar o grupo amina do glutamato. O glutamato formado por aminação do α-cetoglutarato pode, por transaminação, ser dador de amina ao oxalacetato para formar aspartato (ver equação 13); assim, via α-cetoglutarato/glutamato todos os aminoácidos podem contribuir para o azoto que vai ser cedido directamente pelo aspartato na síntese da ureia. 2 É de notar que parte da ureia que circula no sangue passa para o lúmen intestinal onde é reconvertida em amónio pelas bactérias: existe assim um ciclo entero-hepático de azoto envolvendo a ureia e o amónio assim como as enzimas hepáticas do ciclo da ureia e a urease (ureia + H 2 O CO NH 3 ) das bactérias intestinais. Página 2 de 6

3 alanina + α-cetoglutarato piruvato + glutamato (12) glutamato + oxalacetato α-cetoglutarato + aspartato (13) α-cetoglutarato + NH NADPH glutamato + NADP + (14) 8- A equação soma relativa ao processo de síntese de ureia (ver equação 6) mostra que se gastam 4 ligações ricas em energia do ATP durante a síntese de uma molécula de ureia. No entanto também é possível defender um outro ponto de vista. O oxalacetato é aceitador de grupos amina em reacções de transaminação em que se forma o aspartato (equação 15). Na conversão do fumarato (formado no ciclo da ureia) a oxalacetato participam a fumárase e a desidrogénase do malato e a equação soma correspondente a esta conversão é a equação 16. A equação 20 (que é a soma das equações 6 e 15-19) mostra que, tendo em conta os ATPs que se podem formar como consequência da oxidação do fumarato (equações 16 e 17), também se pode pensar que o número de ligações ricas em energia gastas na síntese de uma molécula de ureia é de apenas 1,5 ATPs. CO 2 + NH aspartato + 3 ATP ureia + 2 ADP + AMP + 2 Pi + PPi + fumarato (6) oxalacetato + α-aminoácido aspartato + α-cetoácido (15) fumarato + NAD + oxalacetato + NADH (16) NADH + ½ O 2 + 2,5 ADP + 2,5 Pi NAD + + 2,5 ATP (17) AMP + ATP 2 ADP (18) PPi + H 2 O 2 Pi (19) CO 2 + NH ,5 ATP + α-aminoácido ureia + 1,5 ADP + 1,5 Pi + α-cetoácido (20) No ciclo da ureia gastam-se 4 ligações ricas em energia do ATP mas, porque a reconversão do fumarato em aspartato permite a formação de 2,5 ATPs (admitindo relação P:O de 2,5 para o NADH), o gasto líquido é de apenas 1,5 ATPs. 9- A esmagadora maioria dos aminoácidos é degradada no fígado mas uma parte importante do catabolismo dos aminoácidos ocorre no músculo e nos enterócitos. É de notar que o catabolismo de uma determinada molécula de um determinado aminoácido até CO 2 e ureia pode ser feito por etapas envolvendo vários órgãos. Um bom exemplo é o caso da glutamina que (em parte) é convertida, nos enterócitos, em amónio e alanina (esta conversão pode ocorrer via glutamina glutamato α- cetoglutarato succinil-coa succinato fumarato malato oxalacetato fosfoenolpiruvato piruvato alanina). A alanina é vertida na veia porta e é captada pelo fígado podendo, aqui, ser convertida em glicose (gliconeogénese); se esta glicose for libertada para o sangue pode ser oxidada a CO 2 em todos os órgãos. O amónio formado nos enterócitos a partir da glutamina e o azoto da alanina são, no fígado, convertidos em ureia. 10- O músculo é um importante local de degradação dos aminoácidos ramificados (valina, leucina e isoleucina). No processo de degradação destes aminoácidos o seu grupo amina pode acabar como azoto da alanina ou da glutamina. Embora constituam apenas 10% dos aminoácidos das proteínas musculares, a alanina e a glutamina constituem, em conjunto, mais de metade dos aminoácidos libertados pelos músculos. (1) A alanina é uma forma de transporte de azoto e de carbonos do músculo para o fígado sendo este transporte um dos componentes do chamado ciclo da alanina. A alanina libertada pelo músculo resulta de reacções de transaminação em que intervém o piruvato formado na glicólise muscular; esta alanina é captada pelo fígado servindo o azoto para a síntese de ureia e o esqueleto carbonado para a síntese de glicose que, libertada no fígado, pode ser usada como combustível pelo músculo (ciclo da alanina). (2) Embora não seja consensual [1], admite-se que o esqueleto carbonado de algumas das moléculas da glutamina libertada pelo músculo tenha origem na valina e na isoleucina 3. No seu catabolismo estes dois aminoácidos geram succinil-coa; no ciclo de Krebs o succinil-coa pode formar α-cetoglutarato que, aceitando um grupo amina em reacções de transaminação, gera glutamato e (via sintétase da glutamina) glutamina. Na origem dos grupos azotados da glutamina estariam quer os 3 O músculo também liberta para o sangue α-cetoácidos ramificados que se originam por acção da transamínase dos aminoácidos ramificados e um outro α-cetoácido que é intermediário no catabolismo da valina (β-hidroxi-isobutirato): estas moléculas podem ser captadas pelo fígado e completarem aí o processo catabólico com formação de glicose (casos dos α-cetoácidos derivados da valina e isoleucina) e corpos cetónicos (casos dos α-cetoácidos derivados da isoleucina e leucina) ou sofrer oxidação completa (a CO 2 ) no próprio fígado. Página 3 de 6

4 aminoácidos ramificados (que podem ceder o grupo amina para formar o grupo α-amina da glutamina) quer outros aminoácidos que possam sofrer desaminação no músculo e ceder o NH 4 + (que é substrato da sintétase da glutamina) para formar o grupo 5-amida da glutamina. A glutamina, libertada pelo músculo, pode ser directa ou indirectamente (via alanina e amónio formados nos enterócitos a partir da glutamina) captada pelo fígado onde os carbonos podem gerar glicose e os azotos ureia. 11- Para além da ureia, um importante composto azotado da urina é o ião amónio (NH 4 + ). A maior parte do amónio excretado na urina forma-se nas células tubulares renais por acção da glutamínase (ver equação 7) e da desidrogénase do glutamato (ver equação 11): o rim capta glutamina do plasma (com origem no músculo e, em situações de acidose, também no fígado) e usa os seus azotos para formar o amónio que excreta na urina. O valor do pka do ião amónio é de cerca de 9,3 encontrando-se por isso na forma protonada em phs fisiológicos. O ião amónio formado é segregado para o lúmen tubular representando uma forma de excreção de protões. A síntese e secreção de amónio pelo rim têm um papel homeostático na regulação do ph do meio interno aumentando em situações de acidose. Para se compreender esta última afirmação é útil escrever a equação que descreve o somatório dos processos que levam à oxidação completa da glutamina (C 5 H 11 O 3 N 2 ) com geração de amónia de forma a pôr em evidência que se gastam protões durante o processo (ver equação 21) 4. De notar que a oxidação da glutamina com geração de ureia não tem as mesmas consequências no que se refere ao consumo de protões (ver equação 22). C 5 H 11 O 3 N 2 + 4,75 O 2 + 2H + 2 NH CO 2 + 2,5 H 2 O (21) C 5 H 11 O 3 N 2 + 4,75 O 2 CON 2 H CO 2 + 3,5 H 2 O (22) 12- Para além da ureia e do amónio urinários existem outras formas de eliminar o azoto que foi obtido através da ingestão de proteínas. Essas outras formas são a eliminação urinária de creatinina (formada com azoto da arginina e da glicina) e de ácido úrico (formado com azoto das purinas que por sua vez veio da glicina, do aspartato e da glutamina) e a eliminação de proteínas inteiras e outros produtos azotados nas fezes, tegumentos e secreções genitais e nasais. No seu conjunto cerca de 16% da massa das proteínas é azoto. No adulto, com 70 kg de peso e com uma dieta equilibrada do ponto de vista calórico, mesmo na ausência de ingestão de proteínas, um mínimo de cerca de 25g de aminoácidos são diariamente perdidos ( perdas obrigatórias de aminoácidos ). Porque o catabolismo dos aminoácidos fica acelerado quando se ingerem proteínas, para manter balanço azotado nulo, há que ingerir mais aminoácidos do que aqueles que são obrigatoriamente perdidos no contexto de uma dieta proteica nula. As estimativas actuais apontam para valores na ordem dos 0,66 g kg -1 dia -1 (46 g/dia num adulto de 70 kg) como correspondendo ao valor de ingestão proteica que supre as necessidades em 50% dos indivíduos adultos [2]. 13- Em geral, recomenda-se uma ingestão diária de, pelo menos, 0,83 g de proteínas por kg de peso (58 g num indivíduo adulto de 70 kg). Pelo menos no sentido que damos à palavra reserva quando falamos do glicogénio e da gordura dos adipócitos, os mamíferos não fazem reservas de aminoácidos nem de proteínas. Embora em resposta ao aumento da insulina no período pós-prandial haja um aumento da síntese proteica e diminuição da degradação (acontecendo o contrário quando a insulina desce) esta variação cíclica diária na massa proteica é muito pequena ( 0,3%) e, além disso, as proteínas têm sempre papeis biológicos que ficam comprometidos sempre que a massa de proteínas desce de forma apreciável. Em geral a morte sobrevém quando, em consequência de jejum ou má nutrição, se perdem cerca de 50% das proteínas endógenas [3]. No caso do glicogénio hepático 24 horas sem ingestão de glicídeos são suficientes para que este praticamente se esgote. No caso da gordura do tecido adiposo existem patologias congénitas compatíveis com a vida (lipodistrofias) em que este tecido está praticamente ausente. Um adulto saudável que não faz musculação, não está a recuperar de uma situação em que perdeu proteínas endógenas, nem está a engordar, está em equilíbrio azotado (tem um balanço azotado nulo) e em resposta a um aumento da ingestão de proteínas aumenta o catabolismo dos aminoácidos. Para o total do azoto eliminado também contribui o azoto das proteínas das células da pele ou das mucosas que no seu processo de renovação cíclica descamam assim como as proteínas da dieta cujo digestão e absorção é incompleta. A digestão incompleta de proteínas é mais marcada no caso das proteínas dos alimentos vegetais. Dependendo da dieta as perdas nas fezes podem constituir cerca de 4 De notar que a mesma equação também pode ser escrita pondo em destaque que se forma bicarbonato: C 5 H 11 O 3 N 2 + 4,75 O 2 2 NH CO 2 + 0,5 H 2 O + 2 HCO - 3. Página 4 de 6

5 20% do total do azoto eliminado diariamente sendo que o restante é, quase todo 5, eliminado na urina. A percentagem de azoto eliminado como ureia varia com a quantidade de proteínas ingeridas aumentando quando aumenta a quantidade de proteínas na dieta. Nas dietas típicas do ocidente cerca de 85% do azoto urinário é azoto ureico sendo o restante componente de diversos compostos azotados da urina (ácido úrico, creatinina, amónia, hipurato, fenil-acetil-glutamina, etc.). Assim, se admitirmos que à ingestão de 100 g/dia de proteínas (a ingestão média nos EUA) corresponde uma absorção de 80 g/dia a eliminação de ureia poderia ser de cerca de 23g/dia (80g * 0,16 * 60/28 * 0,85) A velocidade com que o azoto dos aminoácidos é convertido em ureia depende da velocidade de desaminação e oxidação dos aminoácidos (catabolismo dos aminoácidos) e da actividade das enzimas do ciclo da ureia. Muitas das enzimas envolvidas no catabolismo dos aminoácidos têm Kms superiores às concentrações em que estes existem nas células, admitindo-se, por este motivo, que são sensíveis a variações na sua concentração [4]. Em todas as células do organismo, mas particularmente no fígado que recebe directamente os aminoácidos libertados aquando da digestão intestinal, o aumento de aminoácidos livres pode ser uma consequência de aumento da ingestão de proteínas na dieta. A velocidade de síntese de ureia é mínima quando a dieta não contém proteínas mas contém glicídeos e é, em termos calóricos, capaz de colmatar a despesa energética. Comparativamente com esta situação, o catabolismo dos aminoácidos e a síntese de ureia é maior quando a ingestão alimentar é nula (apenas água). Neste último caso, a proteólise endógena está aumentada fornecendo aminoácidos como substratos da gliconeogénese. Se o tempo de jejum se prolonga por vários dias parte da despesa energética do cérebro pode passar a ser colmatada pelos corpos cetónicos. No entanto, mesmo nesta situação, cerca de metade da despesa energética do cérebro deriva da oxidação da glicose e a gliconeogénese é essencial para formar a glicose que é consumida pelo cérebro. Embora esta adaptação ao jejum (síntese de corpos cetónicos) permita que a degradação das proteínas endógenas diminua à medida que o tempo de jejum total se prolonga, a síntese de glicose no jejum total está em grande parte 7 dependente da degradação das proteínas endógenas e da conversão dos aminoácidos glicogénicos em glicose. Acompanhando o aumento da síntese de corpos cetónicos, durante o jejum prolongado diminui a formação de T3 (hormona tiroideia) e esta diminuição provoca diminuição da degradação das proteínas endógenas [4]. 15- A conversão dos aminoácidos em glicose ou a sua oxidação directa (via acetil-coa) é acompanhada da formação de ureia. No caso da sintétase de carbamil-fosfato I, a actividade depende estritamente da presença de um activador alostérico: o N-acetil-glutamato. A enzima responsável pela síntese deste composto denomina-se síntase do N-acetil-glutamato (ver equação 23) e está activada, provocando activação da sintétase de carbamil-fosfato I, quando a dieta é rica em proteínas. acetil-coa + glutamato N-acetil-glutamato + CoA (23) 16- Um outro factor que pode influenciar a velocidade de oxidação e catabolismo dos aminoácidos é a composição aminoacídica da dieta. Se uma dieta é deficiente num aminoácido essencial a síntese proteica está prejudicada e aumenta a concentração de aminoácidos livres. Existem aminoácidos que, em condições normais, seriam usados na síntese proteica e que, nestas circunstâncias, vão sofrer catabolismo. Uma dieta deficiente num aminoácido essencial provoca aumento do catabolismo dos outros aminoácidos. 1. Stipanuk, M. H. (2006) Biochemical, Physiological, Molecular Aspects of Human Nutrition, 2nd edn, Sunders, Elsevier., St. Louis. 2. Rand, W. M., Pellett, P. L. & Young, V. R. (2003) Meta-analysis of nitrogen balance studies for estimating protein requirements in healthy adults, Am J Clin Nutr. 77, Dulloo, A. G., Gubler, M., Montani, J. P., Seydoux, J. & Solinas, G. (2004) Substrate cycling between de novo lipogenesis and lipid oxidation: a thermogenic mechanism against skeletal muscle lipotoxicity and glucolipotoxicity, Int J Obes Relat Metab Disord. 28 Suppl 4, S Frayn, K. N. (2003) Metabolic regulation. A human perspective., 2nd edn, Blackwell Science, Oxford. 5 Cerca de 0,3-0,5 g de azoto (correspondente a 2-3 g de proteínas) é eliminado por dia nos tegumentos (descamação da pele e formação de pelos e unhas), no suor, nas secreções nasais e genitais e nas perdas ao lavar os dentes. 6 16% é a percentagem média da massa de azoto nas proteínas; 60/28 é a razão entre a massa molecular da ureia e a massa dos átomos de azoto na ureia. 7 Se ignoramos a glicose que se refaz a partir da reciclagem da alanina e do lactato nos ciclos da alanina e do lactato, parte da glicose formada de novo durante o jejum total resulta da conversão hepática do glicerol libertado aquando da hidrólise dos triacilgliceróis do tecido adiposo. Página 5 de 6

6 Página 6 de 6 Metabolismo do azoto e ciclo da ureia Rui Fontes