17.2 Degradação de aminoácidos

Embora ainda bastante desconhecido, o mecanismo de identificação de proteínas alteradas é muito eficiente: a meia-vida da hemoglobina é de 120 dias, mas uma hemoglobina modificada, como a hemoglobina falciforme, tem a meia-vida reduzida para apenas 12 min.

 

17.2 Degradação de aminoácidos

A oxidação de aminoácidos não é efetuada por uma via única, diferentemente do que acontece com os carboidratos e os lipídios. A degradação dos carboidratos processa-se pela glicólise — algumas reações específicas transformam qualquer deles em intermediários desta via. Situação semelhante ocorre com os ácidos graxos, componentes dos triacilgliceróis: quando a cadeia carbônica não é alifática e/ou contém ramificações, reações adicionais convertem-na em compostos intermediários do ciclo de Lynen. Como os aminoácidos são constituídos por cadeias laterais com estruturas variadas, sua oxidação processa-se por vias também variadas. Há, entretanto, um padrão seguido na oxidação de todos eles: inicialmente há remoção do grupo amino e, a seguir, oxidação da cadeia carbônica remanescente. Nos mamíferos, o grupo amino é convertido a ureia e as 20 cadeias carbônicas resultantes são convertidas a compostos comuns ao metabolismo de carboidratos e lipídios.

 

17.2.1 Remoção do grupo amino dos aminoácidos

O grupo amino da maioria dos aminoácidos é coletado inicialmente como

glutamato

O grupo amino de onze aminoácidos — alanina, arginina, aspartato, cisteína, fenilalanina, glutamato, isoleucina, leucina, tirosina, triptofano e valina — é retirado por um processo comum, que consiste na transferência deste grupo para o α-cetoglutarato, formando glutamato; a cadeia carbônica do aminoácido é convertida ao α-cetoácido correspondente:

Aminoácido + α-Cetoglutarato ⇋ α-Cetoácido + Glutamato

 

Este tipo de reação é catalisada por aminotransferases, também chamadas transaminases, enzimas presentes no citosol e na mitocôndria e

que têm como coenzima piridoxal-fosfato (Figura 17.2). Esta coenzima participa de diversas outras reações do metabolismo de aminoácidos e é derivada da vitamina B 6 (piridoxina).

 

Figura 17.2 Reação geral de transaminação. Inicialmente, o grupo amino de um aminoácido é transferido ao piridoxal-fosfato, que é convertido a piridoxamina-fosfato; a seguir é doado ao a-cetoglutarato, produzindo glutamato.

 

As aminotransferases dos tecidos de mamíferos aceitam diferentes aminoácidos como substratos doadores de grupo amino — o nome da aminotransferase deriva do aminoácido pelo qual a enzima tem maior afinidade. Dois exemplos importantes são (1) alanina aminotransferase, também conhecida por alanina transaminase (ALT) ou transaminase glutâmico-pirúvica (TGP):

e (2) aspartato aminotransferase, também chamada de aspartato transaminase (AST) ou transaminase glutâmico-oxalacética (TGO):

 

O glutamato é, portanto, um produto comum às reações de transaminação, constituindo um reservatório temporário de grupos amino, provenientes de muitos aminoácidos.

A dosagem de aminotransferases no sangue é uma importante ferramenta para diagnóstico médico. Na vigência de dano a algum órgão ou tecido (infarto do miocárdio, hepatite etc.), as enzimas extravasam das

células e sua concentração no plasma aumenta (Seção 5.5 — Tabelas 5.6 e

5.7).

 

Em uma segunda etapa, os grupos amino originam aspartato e/ou amônia

O glutamato formado segue dois caminhos importantes: uma nova transaminação ou uma desaminação.

A remoção do grupo amino do próprio glutamato por transaminação é possível porque as reações catalisadas pelas aminotransferases são facilmente reversíveis, pois têm constante de equilíbrio próxima de 1. Por ação da aspartato aminotransferase, o grupo amino do glutamato é transferido para o oxaloacetato, formando aspartato, o segundo depositário do grupo amino dos aminoácidos:

 

A aspartato aminotransferase é a aminotransferase mais ativa na maioria dos tecidos de mamíferos, evidenciando a importância da transaminação entre glutamato e aspartato.

A desaminação do glutamato libera seu grupo amino como NH3 (amônia), que se converte em NH + 4 (íon amônio) no pH fisiológico. Esta reação é catalisada pela glutamato desidrogenase, uma enzima mitocondrial, encontrada principalmente no fígado, que é um exemplo raro de enzima que utiliza NAD+ ou NADP+ como coenzima:

 

A glutamato desidrogenase é específica para glutamato, e não se conhecem desidrogenases análogas para qualquer outro aminoácido. Portanto, para que o grupo amino dos aminoácidos seja liberado como NH + 4 deve antes estar presente no glutamato.

A ação combinada das aminotransferases e da glutamato desidrogenase

(Figura 17.3) resulta na convergência do grupo amino da maioria dos aminoácidos para dois compostos únicos: NH + 4e aspartato.

Figura 17.3 A ação conjunta das transaminases (T) e da glutamato desidrogenase (GD) permite canalizar o nitrogênio da maioria dos aminoácidos para aspartato e NH +. 4

 

Alguns aminoácidos são desaminados por reações especiais

As vias de degradação de nove aminoácidos — asparagina, glicina, glutamina, histidina, lisina, metionina, prolina, serina e treonina —, ao contrário dos outros onze, não se iniciam com transaminação com α-cetoglutarato, e seu grupo amino é removido por reações particulares a cada um deles. Entretanto, um aspecto comum do metabolismo destes aminoácidos é a forma de remoção do grupo amino: ao longo das vias de degradação, o grupo amino (ou grupo amida, no caso de asparagina e glutamina) ou é liberado como NH + 4, ou forma glutamato, que pode originar aspartato.

Desta forma, na degradação dos 20 aminoácidos, o grupo amino é

convertido finalmente em NH4+ e aspartato, os precursores da ureia (Figura

17.4).

Figura 17.4 Conversão do grupo amino dos aminoácidos em ureia: o grupo amino de 11 aminoácidos é coletado, por meio de transaminases (T), como glutamato. Do glutamato é convertido a NH + 4 pela glutamato desidrogenase (GD) ou a aspartato; outros 9 aminoácidos originam glutamato, NH + 4 e aspartato por vias especiais. O esquema mostra o papel central do glutamato no caminho do nitrogênio dos aminoácidos até a ureia.

 

A ureia é sintetizada a partir de NH +, aspartato e CO

4 2

Os dois átomos de nitrogênio presentes na ureia são provenientes de NH + 4 e aspartato, e o átomo de carbono, de CO2. Em mamíferos, a ureia é produzida no fígado, sendo transportada para o rim e excretada na urina.

A síntese (Figura 17.5) inicia-se na matriz mitocondrial, com a formação de carbamoil-fosfato a partir de bicarbonato e amônio, que consome duas moléculas de ATP. As reações subsequentes compõem o ciclo da ureia ou ciclo de Krebs-Henseleit. O carbamoil-fosfato, ainda na mitocôndria, condensa-se com ornitina, originando citrulina; a citrulina é transportada para o citosol, onde reage com aspartato, formando arginino-succinato; este se decompõe em arginina e fumarato; a arginina é hidrolisada, produzindo ureia e regenerando ornitina, que retorna à mitocôndria. A analogia do ciclo da ureia com o ciclo de Krebs é evidente: a ornitina tem papel semelhante ao do oxaloacetato e o carbamoil-fosfato equivale à acetil-CoA.

A soma da reação de produção de carbamoil-fosfato com as reações do ciclo da ureia mostra a equação geral da síntese de ureia a partir de NH + 4, aspartato e HCO – 3:

Aspartato + NH + 4 + HCO – 3 + 3 ATP + H2O Ureia + Fumarato + 2

ADP + 2P + AMP + PP + 4H+ i i

Figura 17.5 Ciclo da ureia. As enzimas envolvidas são: (1) carbamoil-fosfato sintetase I, (2) ornitina transcarbamoilase, (3) argininossuccinato sintetase, (4) argininossuccinato liase e (5) arginase. As duas primeiras enzimas são mitocondriais, e as restantes, citoplasmáticas. A migração de ornitina e citrulina entre estes compartimentos é mediada por translocases específicas (indicadas nas setas tracejadas). A enzima 1, a rigor, não faz parte do ciclo da ureia.

A síntese de uma molécula de ureia consome, portanto, quatro ligações fosfato ricas em energia, uma vez que o pirofosfato é prontamente hidrolisado. Todavia, o aspartato consumido no ciclo da ureia pode ser regenerado pelo fumarato formado nesta via. O fumarato pode ser convertido a oxaloacetato, por reações idênticas às do ciclo de Krebs, catalisadas, entretanto, por isoenzimas citosólicas. O oxaloacetato, por

transaminação, forma aspartato (Figura 17.6). Este acoplamento inclui a produção de 1 NADH, na reação da malato desidrogenase, a partir do qual são sintetizados 3 ATP na fosforilação oxidativa. Assim, no cômputo geral há gasto de apenas uma ligação rica em energia para a síntese de ureia.

A regulação do ciclo da ureia está descrita no Capítulo 20.

 

Figura 17.6 Esquema geral da síntese de ureia, mostrando o balanço energético do processo. A regeneração do aspartato a partir de fumarato formado no ciclo da ureia envolve a participação das seguintes enzimas citosólicas: (1) fumarase, (2) malato desidrogenase e (3) transaminase; forma-se um NADH que produz 3 ATP pela fosforilação oxidativa, reduzindo a energia consumida na síntese da ureia.

 

A ureia é o principal produto de excreção do metabolismo nitrogenado de mamíferos terrestres; aves e répteis excretam ácido úrico, e peixes, amônia. A quantidade de ureia excretada por um ser humano adulto com dieta equilibrada é cerca de 30 g por dia. Este valor aumenta proporcionalmente ao aumento da quantidade de proteína ingerida, já que não há reserva de proteínas e todo o nitrogênio excedente será transformado em ureia.

Nos seres humanos, 90% do nitrogênio urinário estão sob a forma de

ureia. O restante (Tabela 17.2) aparece sob a forma de creatinina (resultante da degradação de creatina), urato (proveniente da degradação de purinas) e íon amônio. Apesar de NH + 4 representar uma pequena porcentagem do nitrogênio urinário, sua excreção equivale à eliminação de H+, contribuindo de maneira decisiva para a manutenção do pH plasmático. A produção de amônia e sua excreção como NH + 4 na urina possibilita a eliminação de ácidos fortes, como o ácido sulfúrico gerado no catabolismo de cisteína e metionina ou de cetoácidos, cuja concentração aumenta muito na acidose metabólica; na alcalose, o teor de NH + 4 da urina diminui.

 

Tabela 17.2 Compostos nitrogenados excretados por um homem adulto.

Composto Quantidade excretada (g/dia)

Ureia 30

NH 1 0,7 4

Creatinina 1,4

Urato 0,8

 

A amônia é tóxica para os tecidos animais

A conversão da maior parte do NH + 4 em ureia é fundamental para manter baixas as concentrações deste íon no organismo animal. Quando há restrição na formação de ureia, a concentração plasmática de NH + se eleva 4 no sangue e nos tecidos (hiperamonemia). É o que acontece nos defeitos

hereditários do ciclo da ureia (Seção 17.3) e na insuficiência hepática grave, que pode ser causada por hepatite ou cirrose — a hiperamonemia ocasiona uma encefalopatia que pode resultar em coma, e morte. O mecanismo preciso da notável toxicidade da amônia é obscuro. Postula-se que o NH + 4em excesso reagiria com α-cetoglutarato formando glutamato, na

reação catalisada pela glutamato desidrogenase (Seção 17.2.1); o glutamato reagiria com NH + 4, formando glutamina, por ação da glutamina sintetase (descrita a seguir). As duas enzimas são abundantes no cérebro e o acúmulo de glutamina resultaria em edema por efeito osmótico, aumento da pressão intracraniana e hipóxia cerebral. Ainda mais, o grande consumo de α-cetoglutarato resultaria em depleção desse intermediário do ciclo de Krebs, com redução da velocidade de oxidação da glicose, a principal fonte de ATP para o cérebro. A hiperamonemia comprometeria também a transmissão do impulso nervoso, por interferir no funcionamento de neurotransmissores e seus receptores.

 

Glutamina e alanina são os transportadores de amônia para o fígado

Devido à sua toxicidade e por ser convertido em ureia no fígado, o NH + 4 produzido nos outros tecidos deve ser incorporado em compostos não tóxicos e que atravessem membranas com facilidade, e assim ser levado àquele órgão — estes compostos são os próprios aminoácidos. De fato, as principais formas de transporte são glutamina e alanina.

A glutamina é sintetizada a partir de NH + 4, glutamato e ATP, em uma reação catalisada pela glutamina sintetase:

 

Uma vez no fígado, o grupo amida da glutamina é hidrolisado pela glutaminase, liberando NH + 4, que pode ser consumido pelo ciclo da ureia.

 

O rim também expressa glutaminase — a presença desta enzima permite a produção da amônia urinária, desempenhando um papel fundamental no equilíbrio ácido-base.