Catabolismo dos aminoácidos 1 e 2 (duas aulas de grupo)

Catabolismo dos aminoácidos 1 e 2 (duas aulas de grupo) Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes 1- No decurso do seu catabolismo os aminoácidos perdem os seus átomos de azoto que, na sua maioria, são incorporados na ureia e excretados na urina. (i) A porção não azotada das moléculas dos aminoácidos (os esqueletos carbonados) pode, em certos casos (a maioria), gerar intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise. Nestes casos, os aminoácidos dizem-se glicogénicos porque, administrados a um animal em jejum, podem, via gliconeogénese, formar glicose ou glicogénio. Quando se diz que um determinado aminoácido é glicogénico quer-se apenas dizer que, potencialmente, o esqueleto carbonado deste aminoácido pode, convertendo-se em glicose no fígado (e rim), ser indiretamente oxidado pelos tecidos do organismo que consomem glicose. De facto, a ingestão de proteínas e a consequente absorção de aminoácidos não provocam subida na glicemia porque um dos efeitos dos aminoácidos é a estimulação da libertação de insulina nas células β pancreáticas o que estimula a oxidação da glicose e o seu armazenamento na forma de glicogénio [1]. (ii) No caso da leucina os produtos do catabolismo são o acetoacetato e o acetil-coa e não se geram intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise; a leucina não é um aminoácido glicogénico porque nenhum dos produtos formados a partir dela é substrato da gliconeogénese e diz-se cetogénica porque o acetoacetato é um corpo cetónico e o acetil-coa é o precursor dos corpos cetónicos. O outro exemplo de aminoácido cetogénico é a lisina. Quando se diz que um determinado aminoácido é cetogénico quer-se dizer que, potencialmente, o esqueleto carbonado deste aminoácido pode, convertendo-se em acetoacetato e β-hidroxibutitato no fígado, ser indiretamente oxidado pelos tecidos do organismo que consomem corpos cetónicos. (iii) Os aminoácidos que, no decurso do seu catabolismo, se desdobram de tal forma que parte da molécula forma acetoacetato ou acetil-coa e a outra parte intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise costumam ser classificados como simultaneamente glicogénicos e cetogénicos. 2- Os intermediários do ciclo de Krebs podem (via fosfoenolpiruvato) gerar piruvato e este pode, por ação da desidrogénase do piruvato, gerar acetil-coa que é oxidado a CO 2. O facto de os aminoácidos poderem, no seu metabolismo, gerar piruvato, intermediários do ciclo de Krebs, acetoacetato e/ou acetil-coa permite compreender que, sendo oxidados a CO 2, podem contribuir para a síntese de ATP sendo, a par com os glicídeos e os lipídeos, "compostos energéticos". Nas dietas habituais na nossa cultura o valor calórico das proteínas representa cerca de 15% do valor calórico total. Assim, embora a importância energética dos aminoácidos seja menor que a dos glicídeos e lipídeos, o seu valor energético não é negligenciável. É de notar que, embora os esqueletos carbonados dos aminoácidos sejam completamente oxidados gerando CO 2, o processo pode ser indireto: a maioria dos aminoácidos sofre catabolismo no fígado onde o seu azoto origina ureia e o seu esqueleto carbonado acaba por originar glicogénio e glicose (a maioria dos aminoácidos são glicogénicos). Para além do seu papel na síntese de (praticamente) toda a ureia sintetizada no organismo, o fígado tem um importante papel no catabolismo do esqueleto carbonado da maior parte dos aminoácidos estimando-se que metade da energia libertada nos processos oxidativos que decorrem no fígado tenha origem na oxidação de aminoácidos [2]. Uma parte da importância do fígado nos processos oxidativos dos aminoácidos decorre do facto de este órgão receber diretamente os aminoácidos da dieta (via veia porta) captando e oxidando os que estão em excesso relativamente às necessidades. O fígado também oxida glicose (e o seu próprio glicogénio) para fazer face às suas necessidades energéticas e liberta glicose para o plasma (via gliconeogénese e via glicogenólise), mas uma parte desta glicose teve origem no esqueleto carbonado dos aminoácidos. A ulterior oxidação desta glicose nos diversos tecidos do organismo é também, em última análise, uma etapa do processo oxidativo dos aminoácidos. Em termos médios, 1g de proteína, pode originar 0,6 g de glicose; se considerarmos que o cérebro consome cerca de 100-120 g de glicose por dia, deve conclui-se que a ingestão de 100 g de proteína (a ingestão típica diária numa dieta ocidental) pode contribuir para metade do consumo de glicose pelo cérebro [2]. Em condições metabólicas extremas, como o jejum prolongado, o fígado continua a produzir glicose e cerca de ¾ dessa glicose provém da conversão dos aminoácidos que são libertados na proteólise endógena 1. 3- Embora a ureia e o amónio não resultem da oxidação dos esqueletos carbonados dos aminoácidos, o processo de conversão dos aminoácidos em CO 2 ou em glicose ou em corpos cetónicos é concomitante 1 O outro quarto provém da conversão do glicerol libertado na lipólise. Página 1 de 11

com a formação daqueles compostos de excreção. Por isso, a velocidade de degradação dos aminoácidos no seu todo pode ser medida, medindo a velocidade de excreção dos compostos azotados na urina. O azoto da ureia pode constituir entre 60% e 90% (a percentagem aumenta quando dieta é rica em proteínas) do azoto urinário; a ureia, o amónio, a creatinina e o ácido úrico 2 contêm mais de 95% do azoto urinário. Se se considerarem períodos de tempo longos (vários dias) [3], o valor do azoto urinário presente na ureia e no amónio é uma medida da velocidade de oxidação dos aminoácidos e pode servir para estimar a massa e o valor energético dos aminoácidos que estão a ser oxidados. 4- O catabolismo da alanina [3C,1N] é muito simples e envolve apenas a ação da transamínase da alanina (ver Equação 1) que dá origem ao α-cetoácido correspondente, o piruvato [3C]. O piruvato é substrato da gliconeogénese e pode, por isso, originar glicose. A alanina (cujo azoto constitui quase 10% do azoto aminoacídico do plasma) é um veículo de transporte de azoto no plasma. No ciclo da alanina, o piruvato formado na glicólise muscular aceita grupos amina de outros aminoácidos (ver Equação 1) convertendo-se em alanina; a alanina sai dos músculos para o plasma sanguíneo; no fígado é captada e reconvertida em piruvato (ver Equação 1); o piruvato, via gliconeogénese, gera glicose que pode voltar a ser oxidada no músculo. Através da ação das enzimas da gliconeogénese hepática, glicólise muscular e transamínase da alanina nos dois tecidos, o ciclo da alanina participa no transporte de azoto dos músculos para o fígado (onde contribui para a formação de ureia), mas também permite que a glicose que, no músculo, foi apenas oxidada a piruvato, possa ser regenerada no fígado. Do ponto de energético o ciclo da alanina, considerado como um todo, consome ATP (consumo de 6 ligações ricas em energia e 2 NADH no fígado/molécula de glicose formada e formação de 2 ligações ricas em energia e 2 NADH no músculo), mas permite poupar glicose que é um importante substrato nos processos oxidativos cerebrais: tal como o ciclo do lactato (ou de Cori), o ciclo da alanina também pode ser entendido como um processo de transferência de energia do fígado para o músculo; as substâncias que estão a ser oxidadas no fígado permitem a formação de glicose, cuja oxidação nos músculos, gera ATP. É, no entanto, de notar que os ciclos da alanina e do lactato não permitem formar glicose de novo mas apenas recuperar como glicose a glicose que foi oxidada a piruvato (nos músculos) ou cindida a lactato (nos eritrócitos e nos músculos). No cérebro, a glicose é oxidada a CO 2 e, num indivíduo em jejum prolongado (vários dias ou semanas), esta glicose provém maioritariamente da conversão líquida dos aminoácidos endógenos em glicose. Equação 1 alanina α-cetoglutarato piruvato glutamato 5- A asparagina [4C,2N], por ação da asparagínase, é hidrolisada gerando aspartato [4C,1N] e amónio (ver Equação 2). O aspartato por transaminação (ver Equação 3) gera oxalacetato [4C] que é um intermediário do ciclo de Krebs. No ciclo da ureia, o aspartato reage com a citrulina (sintétase do argininosuccinato) originando arginino-succinato. Nesta via metabólica o azoto do aspartato incorpora-se na ureia e o esqueleto carbonato sai como fumarato [4C] que é também intermediário do ciclo de Krebs. Daqui se pode concluir que a asparagina e o aspartato são aminoácidos glicogénicos. Equação 2 asparagina H 2 O aspartato NH 4 Equação 3 aspartato α-cetoglutarato oxalacetato glutamato 6- De forma semelhante ao caso da asparagina, a glutamina [5C,2N], por ação da glutamínase, dá origem a glutamato (ver Equação 4) e o glutamato [5C,1N], por transaminação, gera o intermediário do ciclo de Krebs α-cetoglutarato (ver Equação 5). No caso do glutamato, a formação do α-cetoglutarato [5C] também pode resultar da ação da desidrogénase do glutamato (ver Equação 6). Os processos de hidrólise do grupo amida da glutamina (ver Equação 4) e da asparagina (ver Equação 2) chamam-se, frequentemente, de processos de desamidação porque o grupo químico onde ocorre a hidrólise é o grupo amida presente nos carbonos 5 (caso da glutamina) e 4 (caso da asparagina). Os enterócitos têm particular importância no catabolismo da glutamina (quer na que se forma a partir da hidrólise das proteínas da dieta, quer na que se forma endogenamente). 2 A creatinina forma-se a partir da creatina e fosfocreatina que, por sua vez, se forma a partir da glicina, da arginina e da metionina. A molécula da creatinina contém 3 átomos de azoto sendo que 1 provém diretamente da glicina e 2 da arginina. O ácido úrico forma-se no catabolismo das purinas e a sua molécula contém 4 átomos de azoto: 2 provêm diretamente da glutamina, 1 da glicina e o outro do aspartato. Página 2 de 11

Os enterócitos captam glutamina e uma parte da glutamina converte-se (via glutamato) em α- cetoglutarato que, por sua vez, se converte em piruvato via ação de enzimas do ciclo de Krebs, da carboxicínase do fosfoenolpiruvato e da cínase do piruvato; o piruvato, aceitando grupos azotados de outros aminoácidos (transaminação) gera alanina que passa para a veia porta e é posteriormente transformada em glicose (e ureia) no fígado. Assim, os enterócitos convertem três dos cinco carbonos da glutamina em alanina (os outros dois convertem-se em CO 2 ), mas não é este o único destino dos carbonos da glutamina captada nos enterócitos. Um outro é a sua conversão em citrulina (via glutamato, semialdeído do glutamato e ornitina) que passa para a circulação sanguínea e pode ser captada no fígado ou no rim. Nestes processos o azoto do grupo amida da glutamina pode sair como amónio por ação da glutamínase (ver Equação 4); este amónio também passa para a circulação sendo captado pelo fígado e aí convertido em ureia. No entanto um outro destino do azoto do grupo amida da glutamina é a sua incorporação no DNA dos enterócitos. Os enterócitos são células com uma taxa de multiplicação muito elevada (a vida média dos enterócitos é de cerca de 5 dias) um processo que envolve a síntese de DNA e dos nucleotídeos precursores. Nas vias de síntese dos nucleotídeos púricos e pirimídicos, a glutamina é substrato de diversas enzimas que catalisam reações em que os carbonos da glutamina saem como glutamato e o grupo amida se incorpora nos intermediários dessas vias. Equação 4 glutamina H 2 O glutamato NH 4 Equação 5 glutamato α-cetoácido α-cetoglutarato α-aminoácido Equação 6 glutamato NAD H 2 O α-cetoglutarato NADH NH 4 7- Numa reação fisiologicamente reversível a hidroxi-metil-transférase da serina pode catalisar a interconversão da serina [3C,1N] e da glicina [2C,1N]; na reação também ocorre a interconversão do H4- folato e do N5,N10-metileno H4-folato (ver Equação 7). A glicina pode ser oxidada (pelo NAD ) na ação catalítica do complexo de clivagem de glicina; este complexo usa como aceitador de metilo o H4-folato e na reação forma-se NADH, CO 2, NH 4 e também N5,N10-metileno H4-folato (ver Equação 8). Assim, por ação sequenciada da hidroxi-metil-transférase da serina e do complexo de clivagem de glicina, a serina pode ser completamente oxidada formando CO 2 e dois equivalentes de N5,N10-metileno H4-folato. (O N5,N10-metileno H4-folato é substrato na síntese da timidina monofosfato e, portanto, importante para a síntese de DNA.) Se atentarmos neste processo notaremos que a glicina (e indiretamente a serina) são aminoácidos que podem ser oxidados a CO 2 sem a intervenção de enzimas do ciclo de Krebs constituindo, por isso, exceções ao processo oxidativo geral dos nutrientes. Equação 7 Equação 8 serina H4-folato glicina N5,N10-metileno H4-folato H 2 O glicina NAD H4-folato CO 2 NH 4 NADH N5,N10-metileno H4-folato 8- A serina pode, por ação de outras enzimas, formar piruvato. Uma das vias metabólicas em que a serina pode originar piruvato envolve, como primeiro passo, a ação de uma transamínase onde a serina perde o grupo amina. Nesta via metabólica a serina origina, por transaminação, o 3-hidroxipiruvato (o α-cetoácido correspondente à serina; ver Equação 9) que, através da ação de outras enzimas, acaba por gerar 2- fosfoglicerato, um intermediário da glicólise e da gliconeogénese. O 2-fosfoglicerato pode converter-se em glicose (gliconeogénese) ou originar piruvato e ser oxidado. Um outro processo, mais simples, envolveria a ação da desidrátase da serina (ver Equação 10). Por ação sequenciada da hidroxi-metiltransférase da serina (ver Equação 7) e das enzimas que podem converter a serina em 2-fosfoglicerato ou piruvato, a glicina pode também dar origem a piruvato. Equação 9 serina α-cetoglutarato 3-hidroxipiruvato glutamato Equação 10 serina piruvato NH 4 9- A cisteína [3C,1N,1S) contém um grupo tiol e as suas vias catabólicas são diversas e complexas. O grupo tiol é oxidado gerando, maioritariamente, sulfato que é excretado na urina. De notar que o sulfato se forma juntamente com os respetivos protões e que, portanto, o catabolismo da cisteína (e da metionina) tende a acidificar o meio interno. O grupo amina da cisteína pode perder-se em reações de transaminação; neste caso, o piruvato é também um dos produtos gerados no catabolismo da cisteína. Num outro processo alternativo (quantitativamente menos relevante) forma-se taurina (C2,1N,1S) que, fazendo parte dos ácidos biliares, é em última análise, excretada na urina. Na formação da taurina também ocorre oxidação do grupo tiol mas, neste caso, o enxofre e o grupo amina mantêm-se ligados ao esqueleto carbonado. Página 3 de 11

10- A metionina [5C,1N,1S] é um aminoácido que contém um total de 5 carbonos e em que um deles (um grupo metilo) se liga ao resto da cadeia por uma ligação sulfureto (CH 3 -S-CH 2 CH 2 CHNH 2 -COOH). No processo catabólico, a metionina começa por reagir com o ATP gerando S-adenosil-metionina (ver Equação 11). Um dos carbonos da metionina (o do metilo ligado ao enxofre) acaba transferido para vários possíveis aceitadores (por ação de metil-transférases; ver Equação 12) formando-se um intermediário contendo adenosina e homocisteína: a S-adenosil-homocisteína. A S-adenosil-homocisteína é, de seguida, hidrolisada gerando a homocisteína (ver Equação 13). O átomo de enxofre da homocisteína [4C,1N,1S] acaba transferido para a serina [3C,1N,1OH] que se converte em cisteína [3C,1N,1S] enquanto o grupo azotado e os carbonos que pertenciam à homocisteína se libertam como NH 4 e α- cetobutirato. Neste processo intervêm sequencialmente duas enzimas: a síntase da cistationina (ver Equação 14) e a líase da cistationina (ver Equação 15). O α-cetobutirato (numa reação semelhante à que é catalisada pela desidrogénase do piruvato) origina propionil-coa (ver Equação 16) que, via metilmalonil-coa, leva à formação de succinil-coa que é um intermediário do ciclo de Krebs (ver Equações 17-19). A Equação 20 é a equação soma relativa ao processo de oxidação da metionina a succinil-coa (Equações 11-19). É de notar que, durante o catabolismo da metionina, o seu átomo de enxofre se converte em enxofre da cisteína e que, portanto, este se perde maioritariamente como sulfato aquando do catabolismo da cisteína. O grupo metilo é transferido para aceitadores de metilo. Se admitirmos que o CO 2 que se perde na reação 16 é o mesmo que se incorpora durante a formação do succinil-coa a partir do propionil-coa, poderemos também admitir que os outros 4 carbonos da metionina geram succinil-coa. O facto de o succinil-coa ser um intermediário do ciclo de Krebs explica o caráter glicogénico da metionina. Equação 11 ATP metionina S-adenosil-metionina Pi PPi Equação 12 S-adenosil-metionina aceitador 3 S-adenosil-homocisteína aceitador metilado Equação 13 S-adenosil-homocisteína H 2 O homocisteína adenosina Equação 14 homocisteína serina cistationina Equação 15 cistationina cisteína NH 4 α-cetobutirato Equação 16 α-cetobutirato NAD CoA propionil-coa NADH CO 2 Equação 17 Equação 18 Equação 19 propionil-coa CO 2 ATP D-metil-malonil-CoA ADP Pi D-metil-malonil-CoA L-metil-malonil-CoA L-metil-malonil-CoA succinil-coa Equação 20 metionina 2 ATP aceitador H 2 O serina NAD CoA succinil-coa cisteína aceitador metilado NH 4 NADH adenosina PPi 2 Pi ADP 11- A homocisteína, para além de poder reagir com a serina e formar cistationina (ver Equação 14), também pode aceitar o grupo metilo do N5-metil-H4-folato regenerando-se metionina (síntase da metionina; ver Equação 21). O N5-metil-H4-folato forma-se por redução (dependente do NADPH; ação da redútase do N5,N10-metileno-H4-folato; ver Equação 22) do N5,N10-metileno-H4-folato (maioritariamente gerado no catabolismo da serina e glicina; ver Equação 7 e Equação 8). Equação 21 N5-metil-H4-folato homocisteína H4-folato metionina Equação 22 N5,N10-metileno-H4-folato NADPH N5-metil-H4-folato NADP 12- No catabolismo da tirosina [9C,1N,1OH] a primeira reação é uma transaminação onde o grupo amina é transferido para o α-cetoglutarato formando-se para-hidroxifenilpiruvato [9C] e glutamato (ver Equação 23). (O p-hidroxifenilpiruvato é o α-cetoácido correspondente à tirosina.) Em três reações sequenciais catalisadas por duas oxigénases (um dos substratos é o O 2 ) e uma isomérase, o p-hidroxifenilpiruvato dá origem ao homogentisato [8C], ao maleilo-acetoacetato [8C] e ao fumaril-acetoacetato [8C] (ver Equação 24, Equação 25 e Equação 26). O fumaril-acetoacetato é, de seguida, hidrolisado (ver Equação 27) 3 Entre outros são aceitadores dos grupos metilo da S-adenosilmetionina a fosfatidil-etanolamina (formação de fosfatidilcolina), a noradrenalina (formação de adrenalina), o guanidoacetato (formação de creatina), resíduos de lisina e histidina em proteínas e resíduos de nucleotídeos de ácidos nucleicos. Página 4 de 11

cindindo-se em fumarato [4C] e acetoacetato [4C]. A equação soma que descreve o catabolismo da tirosina é a Equação 28. O facto de a cisão molecular do fumaril-acetoacetato gerar um intermediário do ciclo de Krebs e um corpo cetónico explica a classificação da tirosina no grupo dos aminoácidos simultaneamente glicogénicos e cetogénicos. Porque a fenilalanina [9C,1N] se converte em tirosina (ver abaixo) o catabolismo da fenilalanina gera os mesmos produtos e a mesma classificação se aplica a este aminoácido. A alcaptnúria é causada por uma deficiência congénita de uma enzima envolvida no catabolismo da tirosina, a oxigénase do ácido homogentísico (ver Equação 25). Nesta doença, que não põe em risco a vida, a acumulação de ácido homogentísico causa, como sinal mais relevante, uma urina que escurece em contacto com o ar. Equação 23 tirosina α-cetoglutarato p-hidroxifenilpiruvato glutamato Equação 24 p-hidroxifenilpiruvato O 2 homogentisato CO 2 Equação 25 homogentisato O 2 maleilo-acetoacetato Equação 26 maleilo-acetoacetato fumaril-acetoacetato Equação 27 fumaril-acetoacetato H 2 O fumarato acetoacetato Equação 28 tirosina α-cetoglutarato 2 O 2 H 2 O fumarato acetoacetato glutamato CO 2 13- A fenilalanina [9C,1N] converte-se em tirosina por ação de uma enzima hepática, a hidroxílase da fenilalanina (diretamente dependente da tetrahidrobiopterina; ver Equação 29). Nesta reação a fenilalanina e a tetrahidrobiopterina são oxidadas pelo oxigénio molecular originando, respetivamente, tirosina e dihidrobiopterina; a regeneração da tetrahidrobiopterina ocorre por ação de uma redútase dependente do NADPH (redútase da dihidrobiopterina; ver Equação 30). Quando uma destas enzimas está deficiente ocorre a acumulação de fenilalanina que pode, por transaminação, gerar fenilpiruvato. Um dos produtos a que o fenilpiruvato pode dar origem é o fenilacetato que surge na urina em quantidades elevadas nesta situação patológica (designada por fenilcetonúria). A fenilcetonúria provoca lesões no cérebro em desenvolvimento e, consequentemente, atraso mental grave. A causa das lesões cerebrais e do atraso mental estará, provavelmente, relacionada com as concentrações elevadas de fenilalanina no plasma sanguíneo e com a inibição (competitiva) que estas concentrações provocam na captação de outros aminoácidos neutros (nomeadamente tirosina e triptofano) ao nível da barreira hematoencefálica [4]. Estas complicações graves podem ser prevenidas com uma dieta pobre em fenilalanina durante, pelo menos, os primeiros 6-8 anos de vida. Em Portugal colhe-se sangue a todos os bebés recém-nascidos sendo um dos objetivos detetar (e tratar) precocemente esta doença. A doença é autossómica recessiva e tem uma incidência relativamente elevada (1/13000 nascimentos). Desconhece-se o motivo da alta incidência das mutações sendo legítimo especular que poderá estar relacionado com seleção positiva dos heterozigotos em situações em que a fenilalanina escasseia (ou escasseava) na dieta. Equação 29 fenilalanina tetrahidrobiopterina O 2 tirosina dihidrobiopterina H 2 O Equação 30 dihidrobiopterina NADPH tetrahidrobiopterina NADP 14- O catabolismo dos aminoácidos ramificados valina [5C,1N], isoleucina [6C,1N] e leucina [6C,1N] iniciase com a perda dos grupos α-amina em reações de transaminação (ver Equação 31, Equação 32 e Equação 33). Os esqueletos carbonados correspondentes formados são α-cetoácidos ramificados que, pela ação catalítica de uma desidrogénase com atividade semelhante às desidrogénases que catalisam a oxidação descarboxilativa do piruvato, α-cetoglutarato e α-cetobutirato, originam acis-coa ramificados distintos (ver Equação 34). Subsequentemente as vias metabólicas divergem. (1) No catabolismo da valina o produto final é o succinil-coa que se forma a partir do propionil-coa via metil-malonil-coa (ver Equações 17-19). Assim, a valina leva à formação de um intermediário do ciclo de Krebs e é um aminoácido glicogénico. (2) Um dos intermediários do catabolismo da leucina é o hidroxi-metil-glutaril- CoA. Este composto é também um intermediário do ciclo de Lynen e a sua cisão (por ação da líase do hidroxi-metil-glutaril-coa) gera acetoacetato e a acetil-coa. A classificação da leucina como aminoácido cetogénico deriva do facto de um dos produtos do seu catabolismo ser o acetoacetato (um corpo cetónico) e de a acetil-coa (o outro produto), quando formado no fígado, poder também originar acetoacetato (ciclo de Lynen). (3) No catabolismo da isoleucina, um dos intermediários (o α-metilacetoacetil-coa) sofre cisão tiolítica originando acetil-coa e propionil-coa; num processo já referido a propósito dos catabolismos da metionina e da valina, o propionil-coa gera succinil-coa (ver Equações 17-19). Assim, porque da cisão do intermediário α-metil-acetoacetil-coa se gera acetil-coa e um Página 5 de 11

composto (propionil-coa) que é glicogénico, a isoleucina costuma classificar-se como um aminoácido simultaneamente glicogénico e cetogénico. Equação 31 Equação 32 Equação 33 Equação 34 leucina α-cetoglutarato α-ceto-isocaproato glutamato isoleucina α-cetoglutarato α-ceto-β-metil-valerato glutamato valina α-cetoglutarato α-ceto-isovalerato glutamato α-cetoácido ramificado CoA NAD acil-coa ramificado CO 2 NADH Ao contrário do que acontece com a maioria dos outros aminoácidos que sofrem o seu catabolismo no fígado, no intestino ou no rim, uma grande parte dos aminoácidos ramificados sofre catabolismo nos músculos esqueléticos e cardíaco. Pelo menos a primeira reação em que estes aminoácidos intervêm (a de transaminação; ver Equação 31, Equação 32 e Equação 33) é um processo que é mais ativo nos músculos. O azoto do grupo amina destes aminoácidos sai dos músculos incorporado na alanina e na glutamina 4. 15- (1) O catabolismo da arginina [6C,4N] está intimamente associado ao seu papel como intermediário do ciclo da ureia. Neste ciclo, a hidrólise da arginina (pela argínase) leva à formação de ornitina [5C,2N] e ureia [(NH 2 ) 2 CO]. A ornitina contém um grupo amina no carbono 5 e é substrato de uma transamínase; no processo catalítico, o grupo amina converte-se num grupo aldeído formando-se o semialdeído do glutamato (ver Equação 35). A oxidação do grupo aldeído do semialdeído do glutamato leva à formação de glutamato que, como já referido, se pode converter em α-cetoglutarato (ver Equação 5 e Equação 6). (2) O catabolismo da prolina [5C,1N] está relacionado com o da arginina na medida em que um intermediário comum é o semialdeído do glutamato. Assim, quer a arginina, quer a prolina são aminoácidos glicogénicos. Equação 35 α-cetoácido ornitina α-aminoácido semialdeído do glutamato 16- O primeiro passo no catabolismo da histidina [6C,3N] é a sua desaminação que, ao contrário do que é mais comum, é catalisada por uma líase, a histídase (ver Equação 36). O urocanato formado ainda contém dois átomos de azoto que são constituintes do anel imidazol. A via catabólica leva, a dado passo do processo, à formação do formimino-glutamato (Figlu); o segundo átomo de azoto (e um dos carbonos) é transferido desse intermediário para o H4folato formando-se, nessa reação, N5-formimino-H4folato e glutamato (ver Equação 37). O azoto do grupo formimino do N5-formimino-H4folato perde-se na forma de amónio gerando N5,N10-metenil-H4folato (ver Equação 38) que intervém na síntese das bases púricas. O glutamato, como já referido, pode gerar α-cetoglutarato e, por isso, a histidina é um aminoácido glicogénico. Equação 36 histidina urocanato NH 4 Equação 37 formimino-glutamato (Figlu) H4folato N5-formimino-H4folato glutamato Equação 38 N5-formimino-H4folato N5,N10-metenil-H4-folato NH 4 17- O processo catabólico da treonina [4C,1N,1OH] nos seres humanos é incerto [3-4], mas sabe-se que a treonina não é substrato em reações de transaminação. Uma das vias metabólicas possíveis envolve a cisão da molécula de treonina: dois dos seus carbonos e o azoto dariam origem a glicina (que pode gerar piruvato) e os outros dois carbonos ao resíduo acetato da acetil-coa. A reação envolveria a ação catalítica de um complexo enzimático designado por complexo de clivagem da treonina (ver Equação 39). Numa outra via metabólica alternativa a treonina sofre desaminação por ação catalítica da desidrátase da serina 4 Embora seja controverso, admite-se que na formação do esqueleto carbonado da glutamina no músculo possam intervir conjuntamente os produtos de todos os aminoácidos ramificados. No ciclo de Krebs, o succinato (formado a partir da valina e isoleucina) pode gerar oxalacetato que, reagindo com a acetil-coa (eventualmente proveniente do catabolismo da isoleucina e leucina), pode formar citrato e sequencialmente α-cetoglutarato. O α-cetoglutarato poderá aceitar grupos amina na primeira reação do catabolismo dos aminoácidos ramificados (ver Equação 31, Equação 32 e Equação 33) formando glutamato. O glutamato pode gerar glutamina (ação catalítica da sintétase da glutamina: glutamato NH 3 ATP glutamina ADP Pi) incorporando NH 3 formado no catabolismo de outros aminoácidos. A glutamina é o aminoácido mais abundante no plasma sanguíneo constituindo por si só quase 1/3 do azoto aminoacídico do plasma e, conjuntamente com a alanina (ciclo da alanina), um veículo de transporte de azoto dos músculos para o fígado. Página 6 de 11

originando-se NH 4 e α-cetobutirato (ver Equação 40). O processo de conversão do α-cetobutirato em succinil-coa (intermediário do ciclo de Krebs) já foi referido (ver equações 16-19). Devido à existência das dúvidas apontadas a treonina é, às vezes, classificada como glicogénica e, outras, como simultaneamente glicogénica e cetogénica. Equação 39 treonina CoA NAD acetil-coa glicina NADH Equação 40 treonina α-cetobutirato NH 4 18- No catabolismo da lisina [6C,2N], o grupo amina terminal é transferido para o α-cetoglutarato gerando-se glutamato e o semialdeído do α-aminoadipato. O processo envolve oxiredútases e poderia, em última análise, ser entendido como uma transaminação ; no entanto, não é catalisado por uma transamínase do tipo das que operam no caso dos outros aminoácidos. O semialdeído do α-aminoadipato é oxidado a α- aminoadipato que já é substrato de uma transamínase clássica; é na ação catalítica desta transamínase que o grupo α-amina se perde para o α-cetoglutarato (Equação 41). O produto final do catabolismo da lisina é o acetoacetil-coa (intermediário da síntese dos corpos cetónicos) e por isso a lisina é classificada como um aminoácido cetogénico. O acetoacetil-coa pode ser cindido pela ação da tiólase gerando acetil-coa. Equação 41 α-aminoadipato α-cetoglutarato α-cetoadipato glutamato 19- A primeira enzima envolvida no catabolismo do triptofano [11C,2N] é uma oxigénase cuja ação leva à rotura do anel indole. Embora o triptofano possa gerar acetoacetil-coa, na via catabólica do triptofano ocorrem reações laterais que podem levar à formação de produtos alternativos. A cinurenina é o primeiro intermediário da via catabólica que pode ser substrato em processos reativos alternativos. Num destes processos a cinurenina leva à formação de 3-hidroxiantranilato e alanina; no outro gera-se ácido cinurénico que é excretado na urina. Porque, no seu catabolismo, pode gerar alanina (que gera piruvato) e acetoacetil-coa, o triptofano é classificado como um aminoácido simultaneamente glicogénico e cetogénico. Na via metabólica que converte o 3-hidroxiantranilato em acetoacetil-coa forma-se um intermediário que, em reações alternativas, pode gerar o ribonucleotídeo do ácido nicotínico, precursor na síntese do NAD e do NADP. 20- De acordo com o critério referido no ponto 1 seriam classificados como aminoácidos cetogénicos a leucina e a lisina. A tirosina e a fenilalanina (que originam fumarato e acetoacetato), o triptofano (que origina alanina e acetocetil-coa) e a isoleucina (que origina succinil-coa e acetil-coa) seriam classificados como simultaneamente cetogénicos e glicogénicos. Seriam aminoácidos glicogénicos: a asparagina e o aspartato (que originam oxalacetato ou fumarato), a glutamina, o glutamato, a arginina, a ornitina, a prolina e a histidina (que originam α-cetoglutarato), a alanina, a serina, a glicina e a cisteína (que originam piruvato) e a metionina e a valina (que originam succinil-coa). De facto, mesmo durante o período absortivo, uma parte dos hepatócitos (os hepatócitos peri-portais) continua a formar glicose-6- fosfato a partir dos aminoácidos glicogénicos (e simultaneamente glicogénicos e cetogénicos) absorvidos, armazenando os carbonos correspondentes a estes aminoácidos na forma de glicogénio; é a chamada glicogénese indireta [5]. Como já referido, este glicogénio pode, via glicogenólise, fornecer glicose-6- fosfato para oxidação nas mesmas células ou, via glicose-6-fosfátase, libertar glicose para o plasma sanguíneo. 21- Com as exceções da glicina e da serina (via glicina) que podem ser completamente oxidados a CO 2 pela ação do complexo de clivagem da glicina, a oxidação completa dos aminoácidos implica, mesmo no caso dos aminoácidos glicogénicos e dos simultaneamente glicogénicos e cetogénicos, a formação de acetil- CoA e o envolvimento das enzimas do ciclo de Krebs. Quando um determinado aminoácido é oxidado de forma completa num órgão em que não há gliconeogénese, o intermediário do ciclo de Krebs formado no catabolismo desse aminoácido é oxidado via conversão desse intermediário em oxalacetato (ciclo de Krebs) e posterior conversão deste em fosfoenolpiruvato (carboxicínase do fosfoenolpiruvato), piruvato (cínase do piruvato) e acetil-coa (desidrogénase do piruvato) 5. 5 De facto, é possível que esta via direta de oxidação dos aminoácidos glicogénicos possa também ocorrer no fígado quando, durante a fase absortiva, há elevadas concentrações de aminoácidos na veia porta e estes são (com exceção dos aminoácidos ramificados) maioritariamente captados pelo fígado. Admite-se assim que, quando a refeição é rica em proteínas e uma parte dos aminoácidos estão, no fígado, a ser usados como substratos na síntese de glicogénio hepático (via gliconeogénese, Página 7 de 11

22- No metabolismo da serina, da glicina, da histidina e da metionina intervêm derivados do folato. (a) No catabolismo da serina e da glicina o H4-folato é aceitador de unidades monocarbonadas formandose o N5,N10-metileno-H4-folato (ver Equação 7 e Equação 8) que, por sua vez, é dador de unidades monocarbonadas à 2'-desoxi-uridina monofosfato (2'd-UMP) sintetizando-se timidina monofosfato (TMP); ver Equação 42). O dihidrofolato (H2-folato) que se forma no processo é reduzido a H4-folato pela redútase do dihidrofolato (ver Equação 43). Equação 42 N5,N10-metileno-H4-folato 2'-desoxi-uridina monofosfato H2-folato timidina monofosfato Equação 43 H2-folato NADPH H4-folato NADP (b) O carbono do grupo metileno (N 5 - CH 2 N 10 ) do N5,N10-metileno-H4-folato tem número de oxidação zero. Numa reação de redução catalisada pela redútase do N5,N10-metileno-H4-folato este composto dá origem ao N5-metil-H4-folato (ver Equação 22) que é capaz de transferir o grupo metilo (N 5 -CH 3 ; o carbono do grupo metilo tem número de oxidação 2) para a homocisteína e formar metionina (síntase da metionina: ver Equação 21; esta síntase tem como cofactor a vitamina B12). Assim, via metilação do H4-folato pela glicina ou pela serina e subsequente redução do metileno-h4-folato a metil- H4-folato forma-se o dador de metilo para a regeneração da metionina. A metionina ativada (Sadenosil-metionina; ver Equação 11) é dador de metilos aquando da síntese de variados compostos como, por exemplo, a fosfatidil-colina a partir de fosfatidil-etanolamina e a adrenalina a partir da noradrenalina (ver Equação 12). Nestas reações, em que intervém como dador de metilo a S-adenosil-metionina, formase a S-adenosil-homocisteína que, ao ser hidrolisada, gera homocisteína (ver Equação 13). Como já referido, a homocisteína pode ser metilada pelo N5-metil-H4-folato regenerando a metionina (ver Equação 21). (c) O N5,N10-metileno-H4-folato (formado no catabolismo da serina e glicina; ver Equação 7 e Equação 8) pode ser oxidado por desidrogénases do N5,N10-metileno-H4-folato e gerar N5,N10-metenilo-H4- folato (ver Equação 44). O N5,N10-metenilo-H4-folato (assim como a sua forma hidratada N10-formil- H4-folato que resulta de hidrólise intramolecular) é dador de unidades monocarbonadas durante o processo de síntese dos nucleotídeos púricos. O carbono do grupo metenilo do N5,N10-metenilo-H4- folato (N 5 CH = N 10 ) tem número de oxidação 2. O carbono do grupo formimino do N5-formimino- H4-folato (N 5 CH = NH) e o do grupo formilo do N10-formil-H4-folato (O = CH - N 10 ) também têm número de oxidação 2. O N5-formimino-H4-folato pode (por desaminação) dar origem ao N5,N10- metenilo-h4-folato e este (por hidratação) pode originar o N10-formil-H4-folato. O N5-formimino-H4- folato forma-se durante o catabolismo da histidina aquando da transferência do grupo formimino do formimino-glutamato (Figlu) para o H4-folato (ver Equação 37). Equação 44 N5,N10-metileno-H4-folato NADP ou NAD N5,N10-metenilo-H4-folato NADPH ou NADH 23- No seu processo catabólico, a perda dos átomos de azoto dos aminoácidos pode ocorrer em diferentes tipos de reações. (1) Nos casos da glutamina e da asparagina o azoto do grupo amida sai como NH 4 por hidrólise e o processo chama-se desamidação (ver Equação 2 e Equação 4). (2) O grupo α-amina do glutamato e da glicina pode perder-se por desaminação oxidativa formando-se também NH 4. No primeiro caso está envolvida a desidrogénase do glutamato e no segundo a enzima de clivagem da glicina (ver Equação 6 e Equação 8). (No caso da serina, a possibilidade de se poder converter em glicina explica que a desaminação oxidativa também possa estar indiretamente implicada na perda do seu grupo amina.) um processo designado de glicogénese indireta), o ATP consumido no processo provenha da oxidação da parte restante dos aminoácidos que estão a ser diretamente oxidados via conversão em acetil-coa [Newsholme e Leech (2010) Functional Biochemistry in Health and Disease]. De facto, se pensarmos no processo na sua globalidade, a existência desta via direta de oxidação dos aminoácidos é indistinguível de um processo em que o glicogénio formado nos hepatócitos a partir de aminoácidos sofre oxidação completa nos mesmos hepatócitos onde se forma; a conversão do fosfoenolpiruvato em glicogénio e deste em fosfoenolpiruvato seria um ciclo de substrato (em sentido lato). Página 8 de 11

(3) No caso do glutamato um processo alternativo para a perda do grupo α-amina é o envolvimento de reações de transaminação em que diversos α-cetoácidos podem funcionar como aceitadores do grupo amina do glutamato. As reações de transaminação são catalisadas por transamínases e a maioria dos aminoácidos pode perder o grupo α-amina em reações catalisadas por transamínases em que os aminoácidos funcionam como dadores do grupo amina ao α-cetoglutarato. Para além do caso do glutamato são especialmente relevantes para a perda do seu grupo amina os processos de transaminação da alanina (ver Equação 1), do aspartato (ver Equação 3), da serina (ver Equação 9), tirosina (ver Equação 23) e dos aminoácidos ramificados (ver Equação 31, Equação 32 e Equação 33). A transferência direta do grupo α-amina do aminoácido não transformado em reações catalisadas por transamínases não ocorre normalmente (ou não parece ter importância fisiológica) no catabolismo da glicina, da treonina, da metionina, da lisina, da arginina, da histidina, da prolina, do triptofano e da fenilalanina. Contudo, é de salientar, que a análise das vias metabólicas permite compreender a importância deste tipo de reações na perda dos grupos α-amina de muitos dos aminoácidos acima referidos: nos casos da lisina, da arginina, da prolina, do triptofano, da fenilalanina e cisteína são catabolitos α-aminados destes aminoácidos que perdem o grupo amina em reações de transaminação clássicas. Os grupos amina terminais da ornitina (formada a partir da arginina) e da lisina também se perdem em reações que também se podem designar por "reações de transaminação". No caso da ornitina a transamínase envolvida na perda do grupo 5-amina é semelhante às outras transamínases. No caso da lisina a reação de transferência do grupo 6-amina para o α-cetoglutarato envolve uma oxiredútase e o termo transaminação só em sentido lato pode ser aplicado.. (4) Nos casos da serina, da treonina e da histidina a perda do grupo α-amina pode ser catalisado por líases (a desidrátase da serina e a histídase são líases; ver Equação 10, Equação 40 e Equação 36). Um dos intermediários no catabolismo da metionina, a cistationina, também perde o grupo α-amina por ação de uma líase (a cistationínase é uma líase; ver Equação 15). (No caso da glicina, a possibilidade de se poder converter em serina explica que a transaminação também possa estar indiretamente implicada na perda do seu grupo amina.) (5) A histidina contém, no anel imidazol, dois azotos sendo que um deles gera o grupo α-amina do glutamato; o outro sai ligado a uma unidade monocarbonada gerando N5-formimino-H4-folato que por desaminação não hidrolítica (uma líase; ver Equação 38) dá origem a amónio. (6) A maior parte do azoto do anel indole do triptofano perde-se como amónio por desaminação oxidativa de um intermediário do processo catabólico. (7) A arginina contém quatro azotos; dois dos azotos perdem-se na forma de ureia por ação hidrolítica da argínase. Os outros dois azotos ficam incorporados na ornitina que pode perder o azoto 5-amina por transaminação gerando simultaneamente semialdeído do glutamato (ver Equação 35); por sua vez, o semialdeído do glutamato pode ser oxidado a glutamato. 24- A esmagadora maioria dos átomos de azoto dos aminoácidos acaba por ser excretado na urina na forma de ureia. No ciclo da ureia, a arginina [6C,4N] gera diretamente ureia quando se cinde por ação hidrolítica da argínase em ornitina [5C,2N] e ureia [1C,2N]. O azoto dos outros aminoácidos, quer diretamente (desamidação hidrolítica, desaminação oxidativa ou ação de líases), quer indiretamente (via transaminações com o α-cetoglutarato e subsequente desaminação oxidativa do glutamato formado (ver Equação 6), origina NH 4 que é precursor de um dos dois azotos da ureia. O outro azoto da ureia provém diretamente do aspartato mas, porque o azoto de todos os aminoácidos pode ser incorporado no grupo amina do glutamato e este pode transaminar com o oxalacetato para formar aspartato (ver Equação 3), compreende-se que também este segundo azoto pode, em última análise, provir de todos os aminoácidos. 1. Gannon, M. C. & Nuttall, F. Q. (2010) Amino acid ingestion and glucose metabolism--a review, IUBMB Life. 62, 660-8. 2. Frayn, K. N. (2003) Metabolic regulation. A human perspective., 2nd edn, Blackwell Science, Oxford. 3. Matthews, D. E. (2006) Proteins and aminoacids in Modern Nutrition in Health and Disease (Shils, M. E., ed) pp. 23-61, Lippincott, Phyladelphia. 4. van Spronsen, F. J., Hoeksma, M. & Reijngoud, D. J. (2009) Brain dysfunction in phenylketonuria: is phenylalanine toxicity the only possible cause?, J Inherit Metab Dis. 32, 46-51. 5. Stipanuk, M. H. (2006) Biochemical, Physiological, Molecular Aspects of Human Nutrition, 2nd edn, Sunders, Elsevier., St. Louis. Página 9 de 11

Página 10 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes

Página 11 de 11 Catabolismo dos aminoácidos; Rui Fontes