Processos gerais e síntese de aminoácidos

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1 Processos gerais e síntese de aminoácidos 1- Um determinado número de moléculas de cada proteína endógena sofre hidrólise durante um dia mas, em geral, um número equivalente é sintetizado. A percentagem de moléculas afectadas por este processo de renovação depende principalmente da proteína em análise mas considerando o conjunto das proteínas de um adulto (cerca de 10 kg de proteínas num adulto normal com 70 kg) cerca de 300 g de proteínas sofrem hidrólise por dia e um valor idêntico sofre re-síntese. Em geral, um indivíduo adulto saudável mantém constante a quantidade total de proteínas endógenas e a velocidade de hidrólise é equivalente à síntese. Um indivíduo que está nestas condições diz-se que está em equilíbrio azotado (ou que tem um balanço azotado nulo). 2- A hidrólise das proteínas endógenas é catalisada por protéases e a dos polipeptídeos formados por peptídases acabando na formação dos aminoácidos constituintes. No caso de proteínas com taxas de renovação elevada (caso das enzimas reguladas por transcrição/tradução) ou com alterações estruturais estes processos hidrolíticos envolvem protéases do citoplasma que estão integradas numa estrutura proteica designada de proteossoma. As proteínas que vão ser degradadas no proteossoma são previamente conjugadas com a ubiquitina (um proteína) numa reacção em que se consome ATP. As proteínas extra-celulares ou associados à membrana são sobretudo degradadas nos lisossomas por protéases designadas catepsinas. Os componentes intracelulares que são degradadas nos lisossomas são previamente reunidos em estruturas rodeadas de uma membrana constituindo os vaculos autofágicos. A actividade de degradação de proteínas intra e extracelulares pelas catepsinas está aumentada em situações fisiológicas (como a involução uterina após o parto), patológicas (como na diabetes mellitus) ou quando um membro é imobilizado com fins terapêuticos aquando de fracturas. 3- A esmagadora maioria dos aminoácidos formados durante a hidrólise das proteínas endógenas é reutilizada na síntese de novas moléculas proteicas mas uma parte dos aminoácidos libertados no catabolismo das proteínas endógenas são transformados de tal forma que ficam excluídos do ciclo de reutilização. Esta perda obrigatória de aminoácidos endógenos (cerca de 25 gramas/dia no adulto) é, em grande parte, uma consequência da presença nas células de enzimas que têm como substratos aminoácidos e catalisam transformações catabólicas irreversíveis incluindo desaminações e oxidações. O azoto dos aminoácidos que sofrem catabolismo é maioritariamente transformado em ureia (que se perde na urina) enquanto o seu esqueleto carbonado (a parte desprovida de azoto) pode ser oxidado a 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 destacaríamos a creatinina, o ácido úrico, o ião amónio e, embora em quantidades muito mais pequenas, aminoácidos (modificados ou não) e catabolitos de hormonas. Também se perdem aminoácidos endógenos nas fezes pois uma parte das proteínas do epitélio intestinal que descama ou das mucinas secretadas (sobretudo do intestino grosso) ou mesmo das enzimas digestivas não são completamente digeridas. A quase totalidade do azoto que ingerimos é azoto proteico. O facto de 16% da massa das proteínas ser azoto permite estabelecer uma relação entre a massa de azoto perdida nas excreções e a massa de proteínas que essa massa de azoto representa. Assim, para converter a massa do azoto excretado em equivalentes de massa de proteínas (ou aminoácidos) multiplica-se a massa do azoto excretado por 6,25 (100/16=6,25). Cerca de 65% do azoto correspondente às perdas obrigatórias de aminoácidos perde-se na urina (40% na forma de ureia, 20% na forma creatinina e amónio e 5% de outros Página 1 de 7

2 Página 2 de 7 compostos) e cerca de 20% nas fezes. Os restante 15% correspondem às perdas de proteínas inteiras na pele que descama, nas unhas e cabelos que crescem, no fluxo menstrual ou na ejaculação. 4- Num indivíduo em fase de crescimento, que está a engordar ou que, através de exercício físico (ou ingerindo esteróides anabolizantes), está a aumentar a sua massa muscular a quantidade total de proteínas aumenta. O contrário acontece normalmente a partir dos anos de idade, quando se diminui a actividade física ou quando se emagrece voluntariamente, em consequência de má nutrição ou em situações de doença. Contudo, num indivíduo adulto saudável que mantém constante a sua massa muscular a quantidade total de proteínas mantém-se também sensivelmente constante porque os aminoácidos excluídos do ciclo de reutilização são repostos por ingestão e incorporados nas proteínas sintetizadas. Poderia pensar-se que, para repor as perdas obrigatórias de 25 g de aminoácidos/dia, bastaria ingerir uma quantidade equivalente de proteínas. Contudo não é assim porque uma parte substancial dos aminoácidos ingeridos fica sujeita à acção das enzimas catabólicas sofrendo, junto com os endógenos, oxidação e desaminação irreversível; além disto uma parte das proteínas ingeridas não chega a ser absorvida e perde-se nas fezes. Os trabalhos experimentais com seres humanos adultos saudáveis apontam para valores da ordem dos 50 g/dia como o mínimo de proteínas a ingerir para repor as perdas obrigatórias de aminoácidos [1]. Nas situações em que a massa de proteínas endógenas está a aumentar diz-se que há um balanço azotado positivo; na condição contrária diz-se que o balanço azotado é negativo; o balanço azotado é nulo quando não há aumento nem diminuição da massa proteica. 5- Poderia pensar-se que cada uma das moléculas de cada um dos aminoácidos que se perde para o ciclo de reutilização teria de ser substituída por uma molécula igual mas esta ideia, só parcialmente, é verdadeira. (i) Alguns dos aminoácidos excluídos do ciclo não podem ser sintetizados pelo organismo humano pois não dispomos das enzimas indispensáveis para o processo e nestes casos os aminoácidos dizem-se nutricionalmente indispensáveis (ou essenciais). Para substituir um determinado aminoácido nutricionalmente indispensável que sofreu catabolismo é necessário ingerir esse aminoácido. Ou seja, no caso dos aminoácidos nutricionalmente indispensáveis cada molécula perdida tem de ser substituída por uma igual. (ii) Alguns dos aminoácidos excluídos do ciclo podem ser repostos por síntese endógena a partir de intermediários do metabolismo da glicose e nestes casos os aminoácidos dizem-se nutricionalmente dispensáveis (ou não essenciais). No entanto, deve notar-se que embora o esqueleto carbonado provenha da glicose, o grupo azotado vem de outros aminoácidos que terão de ser ingeridos em quantidade suficiente para colmatar as perdas de azoto ureico e não ureico. (iii) Um terceiro grupo de aminoácidos (cisteína e tirosina) forma-se a partir de aminoácidos indispensáveis (metionina e fenilalanina, respectivamente) e poderão classificar-se como semi-indispensáveis [2, 3]. 6- No caso dos aminoácidos sintetizados a partir de intermediários formados no metabolismo da glicose (serina [3C,1N,1OH], glicina [2C,1N], alanina [3C,1N], aspartato [4C,1N], asparagina [4C,2N], glutamato [5C,1N], glutamina [5C,2N], prolina [5C,1N] e arginina [6C,4N]) embora o esqueleto carbonado possa ser formado a partir da glicose os grupos amina resultam da transferência directa ou indirecta de grupos amina de aminoácidos para esses intermediários. Para que um indivíduo adulto tenha a capacidade de manter constante a massa das suas proteínas precisa de absorver, na forma de aminoácidos, tantos átomos de azoto como os que perde na urina, nas fezes, nos genitais ou nos tegumentos. Se a quantidade total de azoto ingerido (na forma de proteínas) não for suficiente para colmatar o azoto excretado o indivíduo fica em balanço azotado negativo. A

3 Página 3 de 7 deficiência de aminoácidos nutricionalmente dispensáveis corresponde a uma ingestão quantitativamente inadequada de proteínas. 7- Através da acção catalítica de variadas enzimas os aminoácidos podem libertar o azoto do seu grupo amina (ou outros átomos de azoto) na forma de amónio (NH 4 + ). O ião amónio é a forma protonada do amoníaco (NH 3 ) e o seu pka é cerca de 9,3. A maioria do amónio (azoto inorgânico) formado dá origem a ureia que se perde na urina mas uma parte pode ser recuperado para o metabolismo por acção catalítica (i) da desidrogénase do glutamato (α-cetoglutarato + NH NADPH glutamato + NADP + + H 2 O) e (ii) da sintétase da glutamina (glutamato + NH ATP glutamina + ADP + Pi). Por acção destas enzimas o azoto inorgânico do amónio pode ser convertido em azoto aminoacídico. 8- Para além de poder ter origem na acção da desidrogénase do glutamato a síntese de glutamato também tem lugar em reacções de transaminação (α-aminoácido + α- cetoglutarato glutamato + α-cetoácido) em que diversos aminoácidos cedem o grupo amina (azoto orgânico) ao α-cetoglutarato gerando glutamato e os α-cetoácidos correspondentes. Assim, o glutamato e a glutamina (via sintétase da glutamina) podem formar-se endogenamente a partir de um intermediário do ciclo de Krebs (o 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. 9- A síntese de alanina e aspartato é o resultado da transferência do grupo amina do glutamato para os α-cetoácidos correspondentes: o piruvato e o oxalacetato, respectivamente. A transamínases da alanina (glutamato + piruvato α-cetoglutarato + alanina) e a transamínase do aspartato (glutamato + oxalacetato α-cetoglutarato + aspartato) catalisam, respectivamente, a formação de alanina e aspartato mas, como estas reacções são fisiologicamente reversíveis, também intervêm nos processos em que estes aminoácidos perdem o grupo α-amina para o α-cetoglutarato. Existem muitas transamínases com especificidades distintas relativamente a um dos substratos mas um deles é sempre o glutamato/α-cetoglutarato (glutamato + α-cetoácido X α-cetoglutarato + aminoácido X). Dependendo do sentido em que a reacção esteja a ocorrer uma reacção de transaminação pode servir para formar um determinado aminoácido à custa da conversão do glutamato em α-cetoglutarato ou para formar glutamato à custa da conversão de um determinado aminoácido no seu α-cetoácido correspondente. Uma característica comum a todas as transamínases é a presença de fosfato de piridoxal (derivado da vitamina B6) como grupo prostético. 10- Transamínases com diferentes especificidades intervém no processo de síntese da serina a partir de 3-fosfoglicerato (um intermediário da glicólise) e da glicina a partir de glioxilato (o α-cetoácido correspondente à glicina). No processo de síntese da serina a partir do 3-fosfoglicerato intervém primeiro uma desidrogénase que converte o grupo hidroxilo do carbono 2 num grupo cetónico levando à formação do 3-fosfohidoxipiruvato que é substrato da transamínase da fosfoserina. A fosfoserina (formada após a reacção de transaminação) é hidrolisada por uma fosfátase com a consequente formação da serina. O glioxilato (aceitador de grupos amina em reacções de transaminação; glioxilato + glutamato glicina + α-cetoglutarato) pode resultar da oxidação (acção de uma oxídase) do glicolato que existe em muitas plantas comestíveis. 11- A reacção catalisada pela hidroximetiltransférase da serina (serina + H4-folato glicina + N5,N10-metileno H4-folato) para além de permitir a síntese de glicina a partir

4 Página 4 de 7 de serina (e o inverso) também permite a metilação do H4-folato: o N5,N10-metileno H4- folato formado nesta reacção é indispensável na síntese de timina e portanto do DNA. O facto de a glicina se poder formar a partir da serina e de esta poder gerar-se a partir de um intermediário da glicólise permite compreender que quer a serina quer a glicina sejam aminoácidos nutricionalmente dispensáveis. 12- A prolina e a arginina podem ser sintetizadas a partir do glutamato. Na via metabólica forma-se o semialdeído do glutamato que pode seguir dois destinos distintos: (i) num deles dá origem à prolina e (ii) no outro origina a ornitina e, posteriormente, a arginina. A conversão do semialdeído do glutamato em ornitina é catalisada por uma transamínase. 13- A arginina (6C,4N) é sintetizada no ciclo da ureia (1C,2N) a partir de ornitina (5C,2N) e esta pode formar-se (via semialdeído do glutamato) a partir do glutamato. A velocidade de formação de arginina é, contudo, inadequada nos indivíduos em crescimento ou em situações em que, após um período em que o indivíduo perdeu proteínas endógenas (por doença ou/e por má nutrição), este se encontra em fase de convalescença a recuperar as proteínas perdidas. Do ponto de vista nutricional, Stipanuk [2, 3] classifica a arginina como um aminoácido condicionalmente dispensável. 14- A asparagina forma-se a partir do aspartato por acção catalítica da sintétase da asparagina (aspartato + glutamina + ATP asparagina + glutamato + AMP + PPi). Ao contrário do caso da síntese da glutamina em que o azoto incorporado é azoto inorgânico o dador do azoto na síntese da asparagina é a glutamina. 15- A tirosina diz-se semi-indispensável porque é sintetizada a partir de fenilalanina, um aminoácido nutricionalmente indispensável. Uma deficiência nutricional de tirosina pode ser colmatada desde que ocorra a ingestão de fenilalanina em quantidade adequada para satisfazer as necessidades dos dois aminoácidos. A reacção de formação da tirosina é catalisada pela hidroxílase da fenilalanina, uma oxigénase de função mista (fenilalanina + tetrahidrobiopterina + O 2 tirosina + dihidrobiopterina + H 2 O). Para que o processo possa continuar a dihidrobiopterina formada é reduzida pelo NADPH numa reacção catalisada por uma redútase (dihidrobiopterina + NADPH tetrahidrobiopterina + NADP + ). 16- O átomo de enxofre da cisteína (3C,1N,1S) tem origem na metionina (5C,1N,1S), um aminoácido indispensável. Tal como no caso da tirosina também a cisteína é um aminoácido semi-indispensável: as necessidades nutricionais de cisteína podem ser colmatadas desde que ocorra a ingestão de metionina em quantidade adequada para satisfazer as necessidades dos dois aminoácidos. Os carbonos da cisteína têm origem na serina. O processo de síntese da cisteína é complexo porque se relaciona com a complexa via metabólica da degradação da metionina. Durante o catabolismo da metionina forma-se um intermediário que contém ainda 4 carbonos da metionina e o seu grupo tiol, a homocisteína. Este intermediário reage com a serina formando-se um composto (cistationina) que contém o átomo de enxofre entre os carbonos que derivaram da homocisteína e da serina. A clivagem da cistationina origina cisteína (3 carbonos e azoto derivados da serina e o enxofre da homocisteína) e NH 3 e α-cetobutirato (derivados da homocisteína). 17- Oito (valina, leucina, isoleucina, treonina, metionina, lisina, fenilalanina, triptofano) dos aminoácidos que fazem parte da estrutura das proteínas são, classicamente, classificados como nutricionalmente indispensáveis. Com três excepções (treonina, lisina e triptofano) existem, contudo, transamínases que (com maior ou menor eficácia)

5 Página 5 de 7 são capazes de catalisar a troca entre o grupo cetónico dos α-cetoácidos correspondentes e o grupo amina do glutamato [3]. Embora absurdo do ponto de vista económico, seria possível usar os α-cetoácidos correspondentes para substituir na dieta uma grande parte dos aminoácidos nutricionalmente indispensáveis. No caso da histidina também não existem, nos mamíferos, vias metabólicas de síntese, mas a deficiência deste aminoácido só se torna aparente após relativamente longos períodos de dietas sem histidina [4]. É possível que na origem desta resistência esteja a capacidade de formar histidina a partir de carnosina, um dipeptídeo (β-alanil-histidina) abundante no tecido muscular. Embora alguns livros de texto classifiquem a histidina num grupo à parte, de acordo com Kopple e Swendseid [4], a histidina é um aminoácido nutricionalmente indispensável. 18- Tal como os aminoácidos dispensáveis também os aminoácidos indispensáveis sofrem catabolismo e se perdem nas fezes e nos tegumentos a uma velocidade que é própria de cada um. Para assegurar a manutenção da massa de proteínas do organismo há, não só que ingerir uma quantidade total de aminoácidos adequada (50 g/dia em média no adulto saudável com 70 kg), mas também que repor todos e cada um dos aminoácidos indispensáveis que se perderam. Tendo em conta as necessidades mínimas de cada um dos aminoácidos indispensáveis foram inventadas proteínas padrão: uma proteína padrão é uma proteína que, ingerida na quantidade mínima indispensável para repor as perdas obrigatórias de aminoácidos totais, contém a quantidade mínima de cada aminoácido indispensável para repor a perda individual de cada um destes aminoácidos [5]. Se uma dieta contiver como único constituinte proteico uma proteína que não contém um aminoácido indispensável (caso da gelatina que não contém triptofano) a capacidade dessa dieta para colmatar as necessidades aminoacídicas é nula. Todas as proteínas endógenas contém pelo menos um resíduo de triptofano e, por isso, nenhuma proteína pode ser sintetizada na ausência de triptofano e o mesmo poderia ser dito relativamente a cada um dos outros aminoácidos indispensáveis. Porque, ao contrário do que acontece no caso dos lipídeos e dos glicídeos, não fazemos reservas de proteínas, quando se ingere como única proteína gelatina a quantidade de azoto perdido é igual à perda obrigatória somada a toda a gelatina ingerida cujos aminoácidos são também perdidos. No caso da gelatina o aminoácido limitante da sua qualidade dietética é o triptofano mas no caso de outras proteínas como, por exemplo, nas proteínas do trigo e outros cereais o aminoácido limitante é a lisina. No caso das proteínas do trigo a lisina não está ausente mas existe numa quantidade menor que a prevista nas proteínas padrão. A percentagem de lisina nas proteínas de trigo é cerca de metade da percentagem de lisina numa proteína padrão: assim, para colmatar as necessidades de lisina usando exclusivamente proteínas de trigo haveria que ingerir não 50 g de proteína de trigo mas o dobro deste valor [2, 6]. 19- Os aminoácidos hidroxiprolina e hidroxilisina constituem casos especiais pois existem na estrutura do colagénio (a proteína mais abundante dos mamíferos) mas não existem no RNA codificador do colagénio codões para estes aminoácidos. A síntese da hidroxiprolina e da hidroxilisina ocorre por acção de oxigénases do retículo endoplasmático (hidroxílases da prolina e da lisina) que catalisam a hidroxilação de resíduos de prolina e lisina do colagénio durante o processo de acabamento pós-tradução (resíduo prolil ou lisil + O 2 + α- cetoglutarato resíduo hidroxiprolil ou hidroxilisil + succinato + CO 2 ). A vitamina C é um cofactor das hidroxílases da prolina e da lisina e a deficiência de vitamina C leva à formação de colagénio anormal. 20- O caso do aminoácido carboxiglutamato (constituinte de várias proteínas como a protrombina e outras proteínas envolvidas no processo de coagulação sanguínea) tem algumas semelhanças com os casos da hidroxiprolina e hidroxilisina já que a sua formação resulta da transformação de resíduos de glutamato após a síntese da proteína. A

6 transformação envolve a actividade de uma oxigénase [resíduo de glutamato + O 2 + vitamina K (forma hidroquinona) resíduo de glutamato na forma de carbanião + vitamina K (forma epóxido)] e uma reacção não enzímica (resíduo de glutamato na forma de carbanião + CO 2 resíduo de carboxiglutamato). A regeneração da forma hidroquinona da vitamina K a partir da forma epóxido envolve a acção de oxiredútases. 21- Em algumas proteínas (como a peroxídase do glutatião) existem resíduos de selenocisteína, um aminoácido semelhante à cisteína e à serina. Na selenocisteína em vez do átomo de enxofre do grupo tiol (caso da cisteína) ou do átomo de oxigénio do grupo hidroxilo (caso da serina) existe um átomo de selénio. A síntese da selenocisteína ocorre a partir da serina quando esta está ligada a um trna que tem como anticodão a sequência ACU (trna Sec ). A reacção é catalisada por uma transférase (seleno-fosfato + seril-trna Sec selenocistinil-trna Sec + Pi) em que o dador de selénio é o seleno-fosfato ( selénio activado ). O codão correspondente ao trna Sec (UGA) é normalmente um codão de terminação mas em determinados RNA mensageiros contendo sequências específicas (como é o caso do RNAm codificador da peroxídase do glutatião) este codão liga-se ao anticodão do selenocistinil-trna Sec ocorrendo a incorporação do aminoácido selenocisteína na estrutura da proteína em processo de síntese. 1. Rand, W. M., Uauy, R. & S., S. N. (1984) Protein-Energy-Requirement Studies in Developing Countries: Results of International Research in FOOD AND NUTRITION BULLETIN SUPPLEMENT (UNIVERSITY, T. U. N., ed), Tokyo 150, Japan. 2. Fuller, M. F. (2000) Protein and amino acid requirements in Biochemical and physiological aspects of human nutrition (Stipanuk, M. H., ed) pp , W.B. Saunders Company, Philadelphia. 3. Stipanuk, M. H. (2006) Biochemical, Physiological, Molecular Aspects of Human Nutrition, 2nd edn, Sunders, Elsevier., St. Louis. 4. Kopple, J. D. & Swendseid, M. E. (1975) Evidence that histidine is an essential amino acid in normal and chronically uremic man, J Clin Invest. 55, Young, V. R. & el-khoury, A. E. (1995) Can amino acid requirements for nutritional maintenance in adult humans be approximated from the amino acid composition of body mixed proteins?, Proc Natl Acad Sci U S A. 92, Schaafsma, G. (2000) The protein digestibility-corrected amino acid score, J Nutr. 130, 1865S-7S. Página 6 de 7

7 glicose cisteína metionina colina 3-P-glicerato serina glicina glioxilato piruvato alanina treonina oxalacetato aspartato asparagina prolina arginina Semiladeído do glutamato ornitina α-ceto-glutarato glutamato glutamina fenilalanina tirosina prolina hidroxiprolina lisina hidroxilisina glutamato carboxiglutamato Seril-t-RNA Sec Selenocistinil-t-RNA Sec Página 7 de 7