Aula 01
Katiucha Rocha
Bioquímica
Humana
Diretora Editorial ANDRÉA CÉSAR PEDROSA
Projeto Gráfico MANUELA CÉSAR ARRUDA
Autor
EDUARDO NASCIMENTO DE ARRUDA Desenvolvedor
CAIO BENTO GOMES DOS SANTOS
Olá. Meu nome é Katiucha Rocha. Sou formada em Ciências Biológicas, com mestrado e doutorado em Ciências Biológicas – Farma- cologia e Pós-doutorado em Farmacologia. Possuo uma experiência técnico-profissional na área de bioquímica de mais de 4 anos. Sou apaixonado pelo que faço e adoro transmitir minha experiência de vida àqueles que estão iniciando em suas profissões. Por isso fui convidada pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores independentes.
Estou muito feliz em poder ajudar você nesta fase de muito estudo e trabalho. Conte comigo!
Katiucha Rocha
INTRODUÇÃO:
para o início do desenvolvimen- to de uma nova competência;
DEFINIÇÃO:
houver necessidade de se apresentar um novo conceito;
NOTA:
quando forem necessários obser- vações ou comple- mentações para o seu conhecimento;
IMPORTANTE:
as observações escritas tiveram que ser prioriza- das para você;
EXPLICANDO MELHOR:
algo precisa ser melhor explicado ou detalhado;
VOCÊ SABIA?
curiosidades e inda- gações lúdicas sobre o tema em estudo, se forem necessárias;
SAIBA MAIS:
textos, referências bibliográficas e links para aprofun- damento do seu conhecimento;
REFLITA:
se houver a neces- sidade de chamar a atenção sobre algo a ser refletido ou discutido sobre;
ACESSE:
se for preciso aces- sar um ou mais sites para fazer download, assistir vídeos, ler textos, ouvir podcast;
RESUMINDO:
quando for preciso se fazer um resumo acumulativo das últimas abordagens;
ATIVIDADES:
quando alguma ativi- dade de autoapren- dizagem for aplicada;
TESTANDO:
quando o desen- volvimento de uma competência for concluído e questões forem explicadas;
Olá. Meu nome é Manuela César de Arruda. Sou a responsável pelo pro- jeto gráfico de seu material. Esses ícones irão aparecer em sua trilha de aprendizagem toda vez que:
SUMÁRIO
Compreendendo como são formadas as proteínas 10 O que é um aminoácido e como ocorre a construção uma
proteína 10
Classificação dos aminoácidos quanto
a cadeia lateral 13
Aminoácidos essenciais e não essenciais 16 Aminoácidos com propriedades únicas 16
Estrutura das proteínas 18
Proteínas Fibrosas e Globulares 20
Principais funções proteicas 20
Explicando o Funcionamento das Enzimas 24
Enzimas 24
Equação de Michaelis – Menten 26
Inibição da atividade enzimática 27
Cofatores enzimáticos 28
Digestão, absorção e excreção de proteínas 31
Digestão e absorção de proteínas 31
Degradação de aminoácidos 33
Ciclo da Ureia 35
Síntese Proteica 37
DNA e RNA 38
Processo de Transcrição Gênica 39
RNA 39
RNAs polimerases em eucariotos 39
Etapas da Transcrição 39
Modificações Pós Transcricionais 41
Processo de Tradução: Expressão da Informação
Genética 41
Ativação de Aminoácidos 42
Etapas de Iniciação, Alongamento e Terminação 42 Modificações Pós-Traducionais e Endereçamento de
Proteínas 44
Desnaturação, dobramento incorreto e consequências 45
UNIDADE
01
Você sabia que proteínas constituem a forma de expressão da informação genética sendo fundamentais a sobrevivência de um organismo? Proteínas são macromoléculas que atuam em praticamente todas as atividades biológicas. As principais funções de proteínas compreendem a atividade hormonal, catálise biológica, contração muscular, função estrutural, transporte, defesa contra patógenos, coagulação, entre outras. Proteínas também podem ser definidas como polímeros de aminoácidos apresentando vários tamanhos e quatro níveis de organização. Os aminoácidos são provenientes da síntese e degradação de proteínas não necessárias ao metabolismo, da dieta rica em proteínas ou da síntese de novo. O excedente de aminoácidos não pode ser armazenado no corpo humano e, portanto, é excretado por uma via interessante como será discutido no decorrer dos capítulos. Entendeu?
Ao longo desta unidade letiva você vai mergulhar neste universo!
INTRODUÇÃO
Olá. Seja muito bem-vindo à Unidade 1. Nosso objetivo é auxiliar você no atingimento dos seguintes objetivos de aprendizagem:
1. Compreender como são formadas as proteínas, com enfoque em estrutura, principais funções e propriedades.
2. Entender como funcionam as enzimas e sua importância para as vias metabólicas.
3. Aprender sobre digestão, absorção e degradação de aminoácidos.
4. Conhecer e identificar todos os mecanismos envolvidos na síntese proteica e as consequências da formação errônea da cadeia polipeptídica.
Então? Preparado para uma viagem sem volta rumo ao conhecimento?
Ao trabalho!
OBJETIVOS
Compreendendo como são formadas as proteínas
INTRODUÇÃO:
Ao término deste capítulo você será capaz de entender como funciona a construção de proteínas. Saberá o que são aminoácidos, quais suas principais propriedades e como estas propriedades afetam a conformação de proteínas.
Descobrirá quais são suas principais funções e como elas são fundamentais a sobrevivência de um organismo.
Isto será fundamental para o exercício de sua profissão. E então? Motivado para desenvolver estes objetivos? Então vamos lá. Avante!
O que é um aminoácido e como ocorre a construção uma proteína
Proteínas são polímeros de aminoácidos cuja sequência é responsável por determinar sua estrutura tridimensional e suas propriedades específicas. Atualmente encontramos na natureza aproximadamente setecentos aminoácidos, mas apenas 20 deles são utilizados pelos seres vivos na produção de proteínas.
Um aminoácido é composto por grupamento amino (-NH2), grupamento carboxila (-COOH), cadeia lateral ou R e um átomo de hidrogênio, todos ligados a um carbono alfa (C-α) (Figura 1). Os aminoácidos utilizados na construção de proteínas são isômeros do tipo L (Levogiro), considerado o isômero biologicamente ativo. As designações D (dextrogiro) e L (levogiro) referem-se à configuração do carbono alfa ao qual o grupo amino está ligado. Dessa maneira, quando o aminoácido tem seu grupo amino em uma projeção de Fischer voltado para a esquerda é chamado de L-aminoácido; enquanto o aminoácido que apresenta o grupo amino voltado para direita é chamado de D-aminoácido como demonstrado na Figura 2.
Figura 1 - Principais estruturas componentes de aminoácidos
Fonte: Adaptado de NELSON & COX, 2011.
A prolina é considerada um iminoácido porque possui um grupamento imino (-NH) em substituição ao grupamento amino (-NH2) presente nos demais nos aminoácidos.
Figura 2 - Isomeria óptica da alanina em comparação com gliceraldeído
Fonte: Adaptado de CHAMPE et al., 2006.
Na síntese proteica, um aminoácido é ligado o outro até a formação completa do peptídeo. A união entre dois aminoácidos origina um dipeptídeo, assim como a união entre três aminoácidos forma um tripeptídeo e essas reações ocorrem sucessivamente até a formação de um polímero longo, contínuo e não ramificado chamada cadeia polipeptídica. A ligação entre aminoácidos ocorre com a junção do grupamento carboxila de um aminoácido com o grupamento amino do aminoácido adjacente, liberando de uma molécula de água durante a reação. A junção entre aminoácidos é chamada ligação peptídica (Figura 3). A ligação peptídica constitui um tipo de ligação covalente rígida, planar, a qual não pode ser rompida por processos de desnaturação.
Após a construção da proteína, essa molécula apresentará uma estrutura amino livre denominada região amino-terminal ou N-terminal escrita no lado esquerdo da molécula, bem como uma região denominada carboxi-terminal ou C-terminal escrita no lado direito da molécula. Portanto, a sequência correta de leitura da proteína é extremidade N-terminal para extremidade C-terminal. Cada aminoácido que compõe uma proteína é denominado resíduo.
Figura 3 - Ligação peptídica
Fonte: o autor.
Seguiremos agora com a classificação dos aminoácidos quanto a sua cadeia lateral R, discutindo as principais características de cada grupo de aminoácidos e suas implicações na estrutura da proteína. Em seguida serão discutidas as classificações baseadas em necessidades estruturais (aminoácidos essenciais e não essências) e fecharemos o assunto explicando a respeito dos aminoácidos chamados especiais.
IMPORTANTE:
Os aminoácidos são nomeados com base nas três primeiras letras de seu nome em inglês (Tabela 1). A abreviatura de apenas uma letra também pode ser utilizada por textos científicos, mas o usual é a abreviatura de três letras utilizadas para descrever de forma prática a sequência de aminoácidos das proteínas.
Tabela 1: Nomenclatura dos aminoácidos contendo abreviaturas de uma letra e de três letras.
Classificação dos aminoácidos quanto a cadeia lateral
Os aminoácidos diferem entre si pela cadeia lateral R e com base em suas cadeias podem ser divididos em aminoácidos polares e carregados positivamente (Básicos); polares e carregados negativamente (Ácidos); polares e não carregados; apolares ou hidrofóbicos.
Iniciaremos a discussão com estudo dos aminoácidos polares e carregados. Estes aminoácidos apresentam cadeia lateral totalmente carregada em solução aquosa em pH fisiológico (pH≈7,4) e por esta razão podem formar ligações iônicas com outras substâncias celulares.
Aminoácidos podem apresentar-se carregados positivamente quando o grupamento amino de sua cadeia lateral aceita um próton (-NH3+) em solução com pH fisiológico. Dentre estes aminoácidos encontram-se lisina, arginina, histidina. Aminoácidos cuja cadeia lateral doa prótons, apresentam carga elétrica negativa em solução neutra
sendo classificados como aminoácidos carregados negativamente (-COO-). Representam este grupo aspartato ou ácido aspártico e glutamato ou ácido glutâmico (Figura 4).
SAIBA MAIS:
Ponto isoelétrico ou pH isoelétrico – haverá apenas uma forma dipolar, ou seja, o grupamento amino com carga positiva (forma catiônica) ou o grupamento ácido carboxílico com carga negativa (forma aniônica) presentes ao mesmo tempo neutralizando as cargas elétricas do aminoácido.
Esse dipolo é denominado Zwitterion (do alemão = híbrido).
Alguns aminoácidos apresentam cadeia lateral não-polar (apolar) tornando-o muito hidrofóbico e impedindo sua interação com água.
Neste grupo encontram-se aminoácidos com:
Cadeia alifática (aberta) hidrocarbonada: leucina, alanina, isoleucina, valina e prolina.
Anel aromático: fenilalanina, triptofano;
Tioéster: metionina
Hidrogênio: glicina
Este tipo de cadeia lateral proporciona o dobramento de proteínas por meio de interações hidrofóbicas e ligações do tipo Van der Walls.
Aminoácidos com cadeias R polares e não carregados podem formar pontes de hidrogênio com outras moléculas e são poucos reativos. Estão representados neste grupo aminoácidos com cadeias laterais contendo:
Hidroxila: serina, treonina, tirosina;
Grupo amida: asparagina e glutamina
Sulfidrila: cistéina
Todos os aminoácidos e suas diferenças quanto a cadeia lateral R estão representados na Figura 4.
Figura 4 – Aminoácidos com cadeias polares carregadas negativamente.
Aminoácidos com cadeias polares carregadas positivamente, aminoácidos apolares, aminoácidos com cadeias polares e não carregadas
Fonte: Adaptado de CHAMPE et al., 2006.
As interações entre cadeias laterais de aminoácidos intramole- culares e intermoleculares como ligações iônicas, interações hidrofóbicas, formação de pontes de hidrogênio, ligação de Van der Walls são fundamentais para determinar o nível de organização das proteínas.
Aminoácidos essenciais e não essenciais
Podemos classificar os aminoácidos de acordo com as necessi- dades estruturais como essenciais e não essenciais.
Parte dos aminoácidos é sintetizada pelo organismo humano para suprir as necessidades celulares, entretanto, os aminoácidos ditos essenciais não podem ser sintetizados e devem necessariamente ser supridos pela dieta.
Os aminoácidos essenciais são isoleucina, valina, leucina, fenilalanina, lisina, arginina, metionina, triptofano, treonina. Podemos encontrá-los em proteínas contidas em alimentos como carnes vermelhas, peixes, ovos, soja, leite, granola, entre outros.
Aminoácidos com propriedades únicas
Os aminoácidos com propriedades únicas ou aminoácidos especiais compreendem principalmente: selenocisteína, hidroxilisina, hidroxiprolina, ornitina, citrulina e γ-carboxiglutamato.
O mineral selênio é incorporado na forma de selenocisteína no sítio ativo de diversas proteínas originando selenoproteínas. A principal selenoproteína é a glutationa peroxidase, enzima protetora de organelas celulares contra danos oxidativos. A segunda maior selenoproteína conhecida é a chamada iodotironina desiodase responsável pela conversão catalítica do pró-hormônio tiroxina (T4) em sua forma ativa triiodotironina (T3).
Hidroxilisina e hidroxiprolina são formadas a partir da hidroxilação de resíduos prolil e lisil em presença de vitamina C. Esses aminoácidos especiais são necessários a formação de colágeno, proteína estrutural e mais abundante no organismo. Deficiência de vitamina C pode causar o escorbuto pela má-formação da proteína colágeno.
Ornitina e Citulina são aminoácidos básicos utilizados apenas no ciclo da ureia que será discutido no decorrer da unidade.
A carboxilação de resíduos de glutamato capacita as proteínas de coagulação a se ligarem ao cálcio, permitindo assim a interação com os fosfolipídios das membranas de plaquetas e células endoteliais, o que, por sua vez, possibilita o processo de coagulação sanguínea normal (DAS DORES et al., 2001). A vitamina K é cofator da enzima gama glutamil-
SAIBA MAIS:
Cisteínas são aminoácidos que contém grupamentos sulfidrila (SH) formadores de pontes dissulfeto (S-S), as quais auxiliam na estabilização de proteínas. Glutamato é o aminoácido mais abundante no sistema nervoso central (SNC) agindo como um neurotransmissor excitatório, atuando também no desenvolvimento neural, aprendizado, memória, plasticidade neuronal, tem papel no desenvolvimento da depressão e ansiedade. Ele não atravessa a barreira hematoencefálica, portanto, precisa ser sintetizado no tecido nervoso a partir de glicose via ciclo de Krebs ou glutamina (produzido nas células da glia e captado por neurônios). No sistema nervoso central, mais precisamente em neurônios, o glutamato através de ação enzimática é convertido também em γ-aminobutírico (GABA) que funciona como neurotransmissor inibitório neste sistema. GABA tem dois tipos de receptores, GABAa e GABAb. Fármacos ansiolíticos e sedativos como os benzodiazepínicos (Exemplo: diazepam) atuam nos receptores GABAa reforçando a ação do neurotransmissor inibitório no SNC. (RANG & DALE, 2008). Triptofano: um aminoácido essencial através de atividade enzimática é convertido a 5-Hidroxitriptamina ou serotonina no SNC. A disponibilidade desse aminoácido constitui o principal fator associado a regulação na síntese do neurotransmissor.
Fármacos que bloqueiam a recaptação de serotonina como a Fluoxetina permitem que este neurotransmissor fique por mais tempo na fenda sináptica atuando na melhoria do humor e perda de apetite. A tirosina é precursora de neurotransmissor dopamina, bem como hormônios secretados na medula da glândula adrenal (ou suprarrenal) adrenalina e noradrenalina.
carboxilase responsável pela carboxilação e, portanto, imprescindível ao processo de coagulação.
Além dos aminoácidos descritos acima a glicina e prolina também possuem propriedades únicas. A Glicina é o aminoácido mais flexível que os demais, possibilitando a movimentação do polipeptídeo. A prolina é um aminoácido hidrofóbico que não é compatível com uma estrutura secundária (NOVELLI, 2005).
Estrutura das proteínas
As proteínas apresentam níveis de organização os quais descrevem os tipos de interação ou arranjos realizados por estas moléculas. Existem quatro níveis de organização ou estruturas: primária, secundária, terciária e quaternária (Figura 5).
A estrutura primária corresponde a sequência de aminoácidos na cadeia polipeptídica. Essa estrutura é definida pela informação genética contida no DNA e expressa através do processo de tradução durante a síntese proteica.
SAIBA MAIS:
Para calcular o número de diferentes peptídeos ou proteínas possíveis de serem formados, basta utilizar a equação 20n (20 corresponde ao número de diferentes aminoácidos que podem participar da estrutura proteica e enquanto n = é o número de aminoácidos na cadeia) (NOVELLI, 2005).
O arranjo regular entre os aminoácidos que estão próximos uns dos outros na sequência linear da proteína é denominado estrutura secundária. Dois tipos de estruturas secundárias são mais comuns: alfa hélice (α-Hélice) e folha beta-pregueada (folha β-pregueada).
A α-Hélice consiste em uma cadeia polipeptídica central em formato espiral, compacto, cujas cadeias laterais estendem-se para fora do eixo central em uma disposição helicoidal e a cadeia peptídica principal forma a parte interna da estrutura. A estrutura em hélice é estabilizada por grande número de pontes de hidrogênio intra-cadeia formadas entre hidrogênios do grupamento amida e oxigênio do grupamento carbonila na cadeia peptídica principal. Cada volta completa de uma α-Hélice contém 3,6 aminoácidos e em todas as proteínas a torção da hélice é voltada para o lado direito. Aminoácidos carregados positivamente geralmente são encontrados a três resíduos de distância dos aminoácidos carregados negativamente formando assim pares iônicos entre eles e estabilizando a molécula.
A folha β-pregueada pode ser formada em uma única cadeia polipeptídica que se dobra sobre si mesma ou por duas ou mais cadeias. São formando por pontes de hidrogênio intra-cadeia ou inter- cadeia perpendiculares ao polipeptídeo. Cada segmento da cadeia polipeptídica na folha β-pregueada apresenta uma conformação dobrada ou pregueada. As cadeias adjacentes em folha β-pregueada podem ser tanto paralelas quanto antiparalelas iguais ou opostas respectivamente.
A estrutura primária de uma cadeia polipeptídica determina sua estrutura terciária, e corresponde ao arranjo tridimensional total de todos os aminoácidos de uma proteína. A estrutura terciária é estabilizada por ligações covalentes entre diversas cadeias laterais da proteína. Esse tipo de estrutura é mantido por pontes dissulfeto, ligações iônicas e interações hidrofóbicas.
Pontes dissulfeto são ligações covalentes formadas por grupos sulfidrila (-SH) de dois resíduos de cisteína impedindo a desnaturação da proteína no meio extracelular. As interações hidrofóbicas acontecem porque os aminoácidos hidrofóbicos tendem a ficar localizados no interior da molécula de proteína associando-se a outros aminoácidos hidrofóbicos. Grupos carregados negativamente cadeia lateral de alguns aminoácidos podem interagir com grupos carregados positivamente na cadeia lateral de outros aminoácidos promovendo interações iônica entre eles. Aminoácidos com cadeias laterais polares ou com carga tendem a ficar na superfície da molécula em contato com a solução aquosa. Cadeias laterais de aminoácidos contendo hidrogênio ligado a oxigênio ou nitrogênio podem formar pontes de hidrogênio com o oxigênio dos grupos carboxila ou carbonila das ligações peptídicas.
SAIBA MAIS:
Peptídeos são moléculas que contêm no máximo 50 aminoácidos em sua cadeia; polipeptídios são formados por cadeias contendo entre 50 a 100 aminoácidos enquanto proteínas possuem cadeias polipeptídicas contendo no mínimo 100 aminoácidos.
Proteínas compostas por várias subunidades são chamadas de proteínas com estrutura quaternária. Essas subunidades são unidas por ligações não-covalentes como pontes de hidrogênio, ligações iônicas e interações hidrofóbicas. As subunidades podem funcionar independentemente umas das outras ou cooperativamente.
Proteínas podem conter outras moléculas ligadas à sua estrutura sendo denominadas de proteínas conjugadas. Exemplos: lipoproteínas, quando associada a lipídeos; glicoproteínas, quando moléculas de carboidratos estão ligadas a proteínas, entre outros.
Considerando os níveis organizacionais mais elevados (terciário e quaternário) podemos classificar as proteínas em dois grandes grupos:
fibrosas e globulares.
Proteínas Fibrosas e Globulares
Proteínas fibrosas têm suas cadeias polipeptídicas arranjadas em longos filamentos insolúveis em água. Estas proteínas são utilizadas na produção de estruturas que garantem suporte, forma e proteção externa ao organismo. Elas possuem grande número de ligações covalentes entre as cadeias polipeptídicas. As cadeias apresentam-se enroladas sobre si como
“cordas” multi-helicoidais formando um arranjo supramolecular que lhe confere grande resistência. Um exemplo de proteína fibrosa é o colágeno, uma molécula rígida, longa onde três cadeias polipeptídicas estão torcidas uma ao redor da outra semelhante a uma corda de tripla hélice.
Proteínas globulares possuem cadeias polipeptídicas dobradas em forma esférica ou globular. Elas estão dobradas mais compactamente do que proteínas fibrosas. Dentre o grupo encontram-se enzimas, proteínas transportadoras, motoras, reguladoras, imunoglobulinas, bem como proteínas com diversas outras funções. Um bom exemplo de proteína globular é a hemoglobina presente em hemácias.
Principais funções proteicas
As proteínas são responsáveis pelo transporte de oxigênio para os tecidos por meio da hemoglobina presente nos eritrócitos (hemácias) e reserva de oxigênio no músculo através da mioglobina. A hemoglobina é
composta pela porção globina, com 4 cadeias de aminoácidos (2 cadeias α-globinas e duas cadeias β-globinas) e grupamento heme contendo átomos de Fe2+ aos quais se ligam os átomos de oxigênio. A interação entre as subunidades presentes na hemoglobina induz alterações na conformação da proteína e afetam sua afinidade pelo oxigênio.
Hemoglobina é responsável pelo transporte de oxigênio dos pulmões até os capilares dos tecidos, bem como 23% do transporte de dióxido de carbono (ligado a porção globina) dos tecidos para os pulmões.
IMPORTANTE:
Hemoglobinopatias – as principais hemoglobinopatias incluem anemia falciforme, doença da hemoglobina C e talassemia. A anemia falciforme constitui uma alteração genética que promove modificações nas cadeias β-globina sem prejuízo as cadeias α-globinas. A alteração genética provoca a troca do aminoácido ácido glutâmico pelo aminoácido valina nas cadeias β-globina resultando em hemácias longas, finas, em formato de foice, com reduzido tempo de vida (de 120 dias para 20 dias apenas). É uma doença homozigota recessiva de maior incidência em indivíduos afro-americanos. Indivíduos heterozigotos para anemia falciforme são menos susceptíveis a malária causada pelo Plasmodium falciparum. Doença da hemoglobina C provoca uma anemia hemolítica crônica e é causada por substituição do aminoácido glutamato por lisina na posição 6 da cadeia β-globina. Talassemias constituem doenças hemolíticas onde ocorre síntese defeituosa de cadeias α-globinas ou β-globina. Na talassemia-β ocorre redução ou ausência na síntese de cadeias β, sem alteração na síntese de cadeias α; já na talassemia-α ocorre o inverso (CHAMPE, et al., 2006).
Proteínas constituem as melhores formas de desencadear uma resposta imunológica. Elas são descritas como bons antígenos pelo fato de demorarem mais para serem digeridas, e quanto maior o grau de complexidade, mais tempo permanecem na corrente sanguínea.
Citocinas são proteínas que regulam a resposta imune através de sinalização intercelular. Entre as citocinas encontramos interleucinas,
responsáveis pela regulação das interações entre linfócitos e outros leucócitos; Intérferons - glicoproteínas sintetizadas em resposta a uma infecção viral; fatores de necrose tumoral – promovem a morte celular programada em células tumorais; quimiocinas – família de pequenas proteínas com importante papel na inflamação. Leucócitos (células brancas do sangue) como macrófagos e linfócitos são originados na medula óssea. Os linfócitos B produzem anticorpos, proteínas que reconhecem um antígeno de forma específica e com alta afinidade.
Colágeno e elastina são proteínas fibrosas com função estrutural.
O colágeno é formado por três cadeias polipeptídicas enroladas umas sobre as outras e mantidas por pontes de hidrogênio, constitui a proteína mais abundante no corpo humano, presente por exemplo em tendões, córneas, paredes vasculares. A elastina presente na matriz extracelular com propriedades elásticas é encontrada em paredes das artérias de grande calibre e ligamentos elásticos.
Proteínas também tem papel na contração muscular. As proteínas presentes no músculo esquelético ou estriado são actina, miosinas, troponina e tropomiosina. Os filamentos finos de actina e os filamentos grossos de miosina compõem 80% da massa de proteínas presentes no músculo e ambos interagem para que ocorra a contração muscular.
Hormônios são compostos proteicos ou peptídicos. Insulina é um hormônio peptídico que contém pelo menos 9 aminoácidos.
Uma das funções de destaque das proteínas constitui a catalise biológica, ou seja, essas proteínas denominadas enzimas ligam-se a outras moléculas e as transformam quimicamente. As moléculas sobre as quais as enzimas exercem seus efeitos são chamados substratos da reação e o sítio de ligação a esses substratos é chamado sitio ativo da enzima. A seguir discutiremos sobre a atividade enzimática, suas propriedades e sua regulação.
RESUMINDO:
E então? Gostou do que lhe mostramos? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo deste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que as proteínas são polímeros de aminoácidos e expressam a informação genética presente do DNA.
Aprendeu também que os aminoácidos são formados por um grupamento ácido, grupamento carboxila e por outro grupamento chamado amino, grupamento básico. Na formação da proteína ocorre a ligação peptídica que une um grupamento carboxila (-COOH) de um aminoácido com um grupamento amino (-NH2) de um aminoácido adjacente, com liberação de uma molécula de água para formação da cadeia polipeptídica. A cadeia polipeptídica de uma proteína possui uma extremidade N-terminal escrita a esquerda e outra extremidade C-terminal escrita à direita e a sequência de leitura da proteína é da região N para região C-terminal. As propriedades dos aminoácidos como polaridade, afetam a interação intra e intercadeia e define o nível de organização das proteínas. A estrutura primaria da proteína é fundamental para definir os demais níveis de organização de sua cadeia. As proteínas participam de praticamente todas as funções celulares. As principais funções de proteínas envolvem formação de membranas biológicas, colágeno e elastina, fibras musculares, transporte de substâncias, entre outras. Atuam no sistema imunológico a exemplo os anticorpos e as citocinas inflamatórias. Além destas importantes funções, algumas proteínas têm papel de catalisadores biológicos, sendo chamadas de enzimas cuja função é diminuir a energia de ativação das reações químicas, tópico que será estudado ainda nesta unidade.
Explicando o Funcionamento das Enzimas
INTRODUÇÃO:
Ao término deste capítulo você será capaz de compreender que enzimas são proteínas com função de catálise biológica.
Entenderá o mecanismo de ação dessas proteínas e os fatores capazes alterar sua função. Aprenderá a respeito da regulação alostérica, além dos mecanismos de ação dos inibidores enzimáticos. E então? Motivado para desenvolver estes objetivos? Então vamos lá. Avante!
Enzimas
Enzimas são proteínas altamente específicas que interagem com um ou alguns poucos substratos catalisando apenas um tipo de reação química, ou seja, transformam quimicamente substratos em produtos durante reações essenciais para os sistemas vivos. As estruturas proteicas primarias, secundárias, terciarias e quaternárias das enzimas são fundamentais para sua atividade catalítica.
A ativação de enzimas depende de sua ligação a cofatores que podem ser metais e/ou moléculas orgânicas derivadas de vitaminas denominadas coenzimas. Uma enzima ligada a cofator é cataliticamente ativa e chamada de holoenzima, enquanto a parte proteica é denominada apoenzima ou apoproteína. As enzimas aumentam a velocidade das reações sem sofrerem alterações no processo global.
Devido à grande energia de ativação, a velocidade das reações químicas não catalisadas são geralmente lentas. Energia de ativação maior reflete na velocidade de reação que se apresenta mais lenta. A energia de ativação é uma barreira energética para as reações químicas.
O delta G é à medida que representa a variação de energia no sistema.
Um grande valor negativo na energia livre de Gibbs reflete um equilíbrio de reação favorável a conversão de substrato em produto. A velocidade da reação é caracterizada pelo número de moléculas de substrato convertidas em produtos por unidade de tempo.
A enzima permite que a reação química ocorra mais rapidamente ao oferecer uma rota de reação alternativa com menor energia livre de ativação. Desta forma, velocidade de reação é aumentada na ordem de 103 a 107 vezes em condições ótimas de temperatura, pH e concentração de substrato. A complementaridade entre enzima e substrato define o que muitos autores relatam como modelo de chave-e-fechadura (LIEBERMAN et al., 2009).
A atividade da maioria das enzimas pode ser modulada. Os moduladores mais conhecidos são o pH e a temperatura; logo existem condições ótimas de pH e temperatura para que a enzima trabalhe em sua velocidade máxima. Em contrapartida, mudanças bruscas de pH podem inativar completamente uma enzima. A maioria das enzimas funcionais em animais superiores funciona em temperatura de 37ºC, e temperaturas superiores podem inativar várias delas (LIEBERMAN et al., 2009).
A nomenclatura das enzimas pode referir-se à função exercida nas reações químicas. Exemplos: glicogênio fosforilase, piruvato desidrogenase, adenilato ciclase, entre outros. Outra maneira de nomeá-las é pela adição do sufixo “ase” ao nome referente ao substrato da reação. Exemplos: urease, sacarase.
A classificação das enzimas é baseada em suas funções:
Oxidorredutases: catalisam a transferência de elétrons, ou seja, participam de reações de oxido-redução. Exemplo: NADH desidro- genase. Transferases: catalisam reações de transferência de grupa- mentos funcionais como grupo amino, fosfato, acil, carboxil. Exemplos:
aminotransferases. Hidrolases: catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Exemplos: peptidases. Liases: catalisam a quebra de ligações covalentes e removem moléculas de água, gás carbônico e amônia. Exemplos: descarboxilases. Isomerases: catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos ou geométricos. Exemplos:
Epimerases. Ligases: catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre duas já existentes, com uso de energia.
Equação de Michaelis – Menten
Michaelis e Menten propuseram o modelo que explica a atividade enzimática de proteína catalítica. Neste modelo a enzima combina-se de forma reversível ao substrato formando um complexo ES (Enzima+Substrato) e em seguida converte o substrato em produto, regenerando a enzima livre (CHAMPE, 2006). A interação do substrato com a enzima promove alteração conformacional, resultando na formação de um sítio de ligação mais forte e no reposicionamento dos aminoácidos formando o sítio ativo. Pontes de hidrogênio, ligações iônicas e interações hidrofóbicas contribuem para a ligação do substrato ao sítio ativo (DEVLIN, 1998).
A equação de Michaelis – Menten descreve como a velocidade de reação varia com a alteração na concentração de substrato (Figura 8) (CHAMPE, 2006).
Equação da velocidade de reação.
V0 = Vmax [S]
Km + [S]
Somente as velocidades iniciais (V0) são utilizadas na análise de reações enzimáticas de determinado substrato ([S]), refletindo a afinidade da enzima por seu substrato. O Km é numericamente igual a concentração de substrato na qual a velocidade da reação é igual a 1/2 da velocidade máxima) (CHAMPE, 2006).
SAIBA MAIS:
Km corresponde a constante de Michaelis-Menten = (K1 + K2)/K1. Km baixo indica alta afinidade da enzima pelo substrato. Km alto representa baixa afinidade da enzima pelo substrato.
A regulação da atividade enzimática pode ser realizada pelo aumento ou redução na concentração de substrato alterando assim a velocidade das reações metabólicas. O aumento ou redução na velocidade de reação pode ser promovido por efetores alostéricos positivos (ativadores) ou negativos (inibidores) respectivamente em reações catalisada por enzimas alostéricas.
Os efetores alostéricos ligam-se a um local especifico na estrutura tridimensional da enzima, o centro alostérico, atuando como inibidores ou ativadores de reações enzimática. Enzimas alostéricas catalisam reações geralmente irreversíveis.
EXPLICANDO MELHOR:
Em Vias metabólicas é frequente que o produto final iniba a atividade de uma enzima alostérica catalisadora das primeiras reações desta via, atuando, portanto, como inibidor alostérico negativo. Quando ocorre aumento na concentração celular de um produto, sua atuação como inibidor faz a velocidade da via diminuir restringindo sua própria produção. Esse mecanismo é conhecido como feedback negativo.
Algumas enzimas são utilizadas para diagnóstico laboratorial das funções cardíacas e hepáticas. O infarto do miocárdio pode ser detectado por meio da avaliação na atividade enzimática de creatina quinase e lactato desidrogenase. Na avaliação da função hepática são analisadas as seguintes enzimas: alanina aminotransferase (ALT), aspartato aminotransferase (AST), gama glutamiltransferase (GGT) e fosfatase alcalina (ALP). Elevadas concentrações destas enzimas no soro indicam dano ou prejuízo a integridade tecidual em coração ou fígado de acordo com a análise realizada.
Inibição da atividade enzimática
Inibidores são substâncias capazes de se ligar a enzima e impedir sua atividade catalítica. Existem três tipos de inibidores enzimáticos:
competitivo, não competitivos e irreversíveis.
Inibidores competitivos competem com o substrato pelo mesmo sitio ativo da enzima impedindo a transformação do substrato em produto. Este tipo de inibição pode ser revertido com aumento na concentração de substrato. Na inibição competitiva ocorre redução na velocidade máxima da reação.
Inibidores não competitivos são substâncias que se ligam a enzima em local diferente do sítio ativo alterando a afinidade da enzima pelo substrato. Pode se ligar diretamente a enzima ou ao complexo enzima+substrato. Neste tipo de inibição a velocidade máxima da reação é reduzida, mas o Km não é afetado.
Inibidores irreversíveis ligam-se a enzima e destroem a ação catalítica. Muitos fármacos são utilizados como inibidores enzimáticos como sulfanilamida, um agente antibiótico que compete com o ácido p-aminobenzóico (PABA), substância necessária ao crescimento bacteriano.
O metotrexato, análogo estrutural do ácido fólico é utilizado como inibidor da enzima diidrofolato redutase que catalisa a redução do ácido fólico a ácido tetraidrofólico, forma ativa do ácido fólico necessária a síntese de DNA e RNA. A ausência de folatos reduzidos (forma ativa do ácido fólico) impede a ocorrência de reações de transferência de átomos de carbono, essenciais para síntese de novo de nucleotídeos de purina e de timidilato.
Fluorouracil, análogo a timina, é inibidor da timidilato sintase e, portanto, da síntese de DNA.
Inibidores da enzima conversora de angiotensina (ECA) como captopril, enalapril, impedem a conversão de angiotensina I em angiotensina II reduzindo a pressão arterial uma vez que a angiotensina II é mais potente vasoconstritora quando comparada a angiotensina I.
Cofatores enzimáticos
Cofatores são imprescindíveis para que enzimas exerçam seu papel catalítico. Entre os cofatores encontram-se moléculas orgânicas ou coenzimas geralmente derivadas de vitaminas e compostos inorgânicos como íons Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+. Algumas enzimas, entretanto, requerem ambos, uma coenzima e um ou mais íons metálicos para sua ativação.
As vitaminas são divididas em dois grandes grupos: vitaminas hidrossolúveis quando solúveis em água e vitaminas lipossolúveis, solúveis em lipídeos e solventes orgânicos. Vitaminas não podem ser sintetizadas pelas células humanas (exceto vitamina D) e devem ser obtidas por meio da dieta.
As vitaminas hidrossolúveis compreendem as vitaminas do complexo B e ácido ascórbico (vitamina C). Essas vitaminas não são armazenadas no organismo, exigindo seu abastecimento diário. Devido a solubilidade em água, o excedente é eliminado na urina. O complexo B possui 8 vitaminas a saber: B1- tiamina, B2- riboflavina, B3- Niacina, B5- ácido pantotênico, B6- piridoxina, B7- Biotina, B9- ácido fólico e B12- cianocobalamina. As funções associadas ao complexo B são produção de energia, síntese e reparo de DNA, RNA, metilação genômica e não genômica, síntese de neuroquímicos e moléculas sinalizadoras. O aporte diário de todas as vitaminas do complexo B é essencial para o funcionamento fisiológico e neurológico ótimos.
SAIBA MAIS:
A biotina em doses farmacológicas pode ter efeitos hipolipidêmicos e hipoglicemiantes reduzindo as compli- cações em ambos modelos, animais e humanos. Esses efeitos foram associados a capacidade desta vitamina em promover mudanças na expressão gênica e produção de proteínas em órgãos considerados órgãos- chave no metabolismo como fígado e ilhotas pancreáticas (BOONE- VILLA et al., 2015)
A vitamina B12 apresenta uma pequena reserva no tecido hepático enquanto a vitamina B6 é armazenada também em pequenas quantidades no músculo esquelético.
A vitamina C atua como agente antioxidante, eliminando radicais livres e na formação do colágeno (proteína estrutural).
As vitaminas lipossolúveis A, D, E e K precisam de lipídeos para serem bem absorvidas. Após a absorção, essas vitaminas são transportadas no sangue associadas a lipoproteínas.
A vitamina A ou retinol é considerado um hormônio porque estimula a transcrição de genes, tem como funções: ativação do sistema imune, diferenciação e proliferação celular, reprodução, crescimento, visão e atua como antioxidante. A pró-vitamina A de origem vegetal é conhecida como carotenóide. É armazenada no fígado.
A vitamina D pode ser obtida pela dieta ou por síntese cutânea endógena, onde a luz ultravioleta converte o 7-dehidrocolesterol em colecalciferol que precisa sofrer duas hidroxilações para tornar ativa (calcitriol). A vitamina D ou pró-hormônio tem como funções a manutenção da homeostasia do cálcio e fósforo séricos; mineralização óssea; interfere de forma positiva na produção de insulina; exerce efeito no crescimento e diferenciação celular; além de melhorar a resposta imunológica. Assim como a vitamina A, a vitamina D é armazenada no tecido hepático.
Vitamina E é um potente antioxidante biológico, potencializa a síntese de prostaglandina e, portanto, a vasodilatação; inibe a agregação plaquetária em células endoteliais e geração de trombina. Presentes nos vegetais na forma de tocoferóis. É armazenada em sua maior parte no tecido adiposo.
Vitamina K é um nome genérico de todos os compostos que apresentem atividade de cofator para enzimas γ-glutamilcarboxilase.
Esta enzima catalisa a conversão de resíduos de ácido glutâmico a resíduos γ-carboxiglutâmico cuja principal função é ativar fatores de coagulação. Tem ação anti-hemorrágica.
Minerais são elementos inorgânicos que também funcionam como cofatores enzimáticos. Eles podem ser divididos em macrominerais quando as necessidades diárias do organismo são superiores a concentração de 100mg ou microminerais quando as necessidades diárias não ultrapassam 100mg. Dentre os macrominerais encontram- se cálcio, fósforo, magnésio, enxofre, bem como os eletrólitos sódio, potássio e cloro. Os microminerais são representados por ferro, cobre, manganês, zinco, selênio, iodo, cobalto, cromo, boro e molibdênio.
E então? Gostou do conteúdo apresentado? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo proposto neste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que enzimas são catalisadores biológicos, ou seja, reduzem a energia de ativação das reações químicas aumentando a velocidade das reações metabólicas na ordem de 103 a 107 em condições ótimas de temperatura, pH e concentração de substrato. Enzimas precisam de cofatores para ativá-las, estes podem ser íons metálicos ou coenzimas derivadas de vitaminas. O corpo
humano não é capaz de produzir vitaminas e minerais que precisam ser obtidos por meio da dieta. Na catálise biológica o substrato se liga ao sitio ativo da enzima convertendo-o em produto sem ser consumida na reação, este modelo foi proposto por Michaelis-Menten em 1913.
A atividade enzimática pode ser inibida pelo produto final da reação em caso de enzimas alostéricas e este processo chama-se feedback negativo. A ação enzimática também pode sofrer inibição por inibidores competitivos que competem com o substrato pelo sítio ativo da enzima, reduzindo a velocidade máxima da reação. Inibidores não competitivos se ligam a sítios diferentes do sítio ativo da enzima e reduz sua afinidade pelo substrato, reduzindo a velocidade máxima da reação. Inibidores irreversíveis se ligam a enzima e destroem a ação catalítica.
Digestão, absorção e excreção de proteínas
INTRODUÇÃO:
Ao término deste capítulo você será capaz de compreender como ocorre a digestão de proteínas e quais as principais enzimas envolvidas no processo. Aprenderá sobre a degradação de aminoácidos e a síntese de amônia, bem como todos os processos envolvidos no ciclo da ureia. E então? Motivado para desenvolver estes objetivos? Então vamos lá. Avante!
Digestão e absorção de proteínas
Proteínas são macromoléculas e precisam sofrer hidrólise a aminoácidos para serem absorvidos no intestino. A hidrólise ocorre durante a digestão gástrica e intestinal.
A digestão de proteínas inicia-se no estômago onde por ação do ácido clorídrico (pH2 a 3) as proteínas e peptídeos sofrem desnaturação.
O pH ácido do estômago fornece o pH ideal para ação das enzimas lipase gástrica e pepsina. Pepsina é secretada como um zimógeno inativo (pepsinogênio) pelas células da parede do estômago por ação da gastrina. A conversão do pepsinogênio a pepsina (forma ativa) ocorre por ação do ácido clorídrico e da própria pepsina.
Ao contrário da lipase gástrica e da pepsina, as enzimas que atuam no lúmen do duodeno e do intestino têm pHs ótimos próximos da neutralidade. No lúmen do duodeno, o ácido do estômago é neutralizado pelo bicarbonato dos sucos pancreático e biliar. O pH neutro do lúmen do duodeno e do intestino é adequado à ação das enzimas que atuam nesses locais.
O estímulo para a secreção de bicarbonato tem origem na secretina, hormônio sintetizado por células endócrinas situadas no epitélio intestinal.
Outro hormônio sintetizado por células endócrinas do epitélio intestinal é a colecistocinina, cujo papel é estimular a secreção de enzimas digestivas pancreáticas (pelas células acinares do pâncreas) e estimular a contração da vesícula biliar que descarga bile no lúmen duodenal.
Portanto, secretina e colecistocinina atuam de forma paralela inibindo a motilidade gástrica, ativando a secreção de enzimas e bicarbonato, além de estimular também a secreção de sais biliares pelo fígado. A síntese destes dois hormônios é estimulada pela presença de oligopeptídeos no lúmen duodenal resultantes da ação de pepsina em proteínas da dieta.
O próximo passo é a conversão do tripsinogênio em tripsina na superfície luminal induzida pela enzima enteropeptidase produzida nas células da mucosa intestinal. A tripsina é o ativador de todos os zimógenos pancreáticos. A tripsina, a quimotripsina, a elastase e a enteropeptidase são chamadas endopeptidases porque catalisam a ruptura de ligações peptídicas situadas no “interior” da estrutura primária dos seus substratos.
Uma enzima chamada aminopeptidase presente na superfície luminal do intestino cliva resíduos N-terminais de oligopeptídeos produzindo aminoácidos livres e peptídeos menores enquanto carboxi- peptidases libertam o aminoácido de sua extremidade carboxílica. As aminopeptidases, carboxipeptídases e dipeptídases são denominadas exopeptidases porque atuam em ligações peptídicas das extremidades, resultando na liberação de aminoácidos (MOUGHAN & STEVENS, 2013).
A absorção dos produtos da digestão proteica, ou seja, aminoácidos, di e tripeptídeos ocorre por processos complementares, podendo ser transportados por três mecanismos: transferência passiva por difusão simples (celular e paracelular); transferência passiva por
difusão facilitada e transferência ativa por co-transporte. A transferência passiva por difusão simples, ocorre principalmente com aminoácidos livres e é inversamente proporcional à hidrofilia e diretamente proporcional ao gradiente de concentração do aminoácido (HIRST, 1993.).
A transferência passiva por difusão facilitada ocorre principalmente com aminoácidos livres, porém esse transporte é mais rápido por ser mediado por carreadores, independentes de sódio (Na+) e da energia metabólica.
A transferência ativa por co-transporte ocorre com os aminoácidos livres, di e tripeptídeos. É mediada por carreadores dependentes de sódio, porém é capaz de “bombear” uma substância contra gradiente de concentração (ou potencial eletroquímico) e, portanto, envolve gasto energético (KUTCHAI, 1990).
Após a absorção nos enterócitos, os aminoácidos atingem o sistema porta e são liberados na circulação geral ou metabolizados no fígado (CHAMPE et al, 2006).
Os aminoácidos não podem ser armazenados e seu excedente proveniente da síntese de novo, dieta rica em proteína ou degradação de proteínas endógenas devem ser excretados.
Degradação de aminoácidos
A degradação de aminoácidos ocorre no tecido hepático. Ao atingir o fígado, há remoção do grupo α-amino dos aminoácidos para permitir que sejam degradados.
O grupo α-amino é transferido para um grupamento α-cetoácido resultando em glutamato e outro grupamento α-cetoácido. O grupo α-cetoácido resultante aceita grupos amino de outros aminoácidos transformando-se em glutamato. Essa reação só é possível em presença de enzimas chamadas transaminases ou aminotransferases e piridoxal- fosfato como grupo prostético.
O aminoácido glutamato produzido na reação anterior terá dois destinos possíveis: doar grupamentos amino para síntese de outros aminoácidos não essenciais ou ser desaminado oxidativamente.
A síntese de outros aminoácidos ocorre no fígado, onde o glutamato pode sofrer transaminação com oxaloacetato para formar aspartato, outro doador de nitrogênio para o ciclo da ureia.
A desaminação oxidativa do glutamato ocorre nas mitocôndrias das células pela ação da enzima L-glutamato desidrogenase. A enzima está presente na matriz mitocondrial e converte o glutamato em α-cetoácido e amônia.
Os α-cetoácidos formados pela desaminação dos aminoácidos podem por sua vez, dar origem a metabólitos precursores de lipídeos ou carboidratos. Os aminoácidos que formam intermediários para síntese de carboidratos são chamados glicogênicos. Aqueles que formam intermediários para síntese de lipídeos são cetogênicos (NOVELLI et al., 2005).
REFLITA:
Aminoácidos como alanina, glicina, serina, cisteína e treonina originam piruvato quando desaminados. Asparagina e ácido aspático dão origem a oxaloacetato. O α-cetoglutarato é originado da desaminação de glutamina, ácido glutâmico, prolina, arginina e histidina. Isoleucina, metionina e valina formam succinil-Coenzima A por desaminação. Fumarato é originado por fenilalanina e tirosina (NOVELLI et al., 2005).
Todos os aminoácidos citados originam intermediários do ciclo do ácido cítrico e podem ser utilizados na produção de energia.
Em tecidos extra-hepáticos a amônia resultante da desaminação oxidativa deve ser transportada ao fígado onde será convertida em ureia e seguirá até os rins para ser excretada na urina. A amônia livre é tóxica para as células e por esse motivo combina-se com glutamato produzindo glutamina pela ação da enzima glutamina- sintase e energia na forma de ATP.
Na maioria dos animais o excedente de glutamina é transportado para o intestino, fígado e rins para ser processada. Nestes tecidos, o nitrogênio amídico é liberado como amônio (NH4+) na mitocôndria, onde a enzima glutaminase converte glutamina em glutamato e amônio.
Através do ciclo da glicose-alanina, a alanina transporta grupos amino para o fígado. A alanina funciona como transportador de amônia e do esqueleto carbônico do piruvato desde o músculo até o fígado. No
fígado a amônia é excretada e o piruvato empregado na produção de glicose, a qual pode retornar ao músculo em um ciclo denominado ciclo glicose-alanina. Assim, o nitrogênio chega ao fígado como glutamina (glutamato) ou como alanina (músculo).
A amônia em animais ureotélicos é convertida a ureia nas mitocôndrias hepáticas via ciclo da ureia e transportada aos rins para ser eliminada na urina.
Ciclo da Ureia
O processo global da síntese de ureia requer energia de três moléculas de ATP e a participação sucessiva de cinco enzimas.
A amônia que chega a matriz mitocondrial das células é unida ao dióxido de carbono produzido no ciclo do ácido cítrico (CO2 na forma de HCO3) formando um composto chamado carbamoil–fosfato. Essa reação é catalisada pela carbamoil-fosfato sintetase I.
O ciclo da ureia possui quatro etapas. Na primeira delas o carbamoil-fosfato doa seu grupo carbamoil para a ornitina formando citrulina com liberação de fosfato inorgânico (Pi). A enzima que catalisa essa reação é ornitina-transcarbamoilase. A citrulina formada na reação anterior é transferida da mitocôndria para o citosol das células hepáticas.
O passo seguinte é a condensação da citrulina com o aspartato produzido na mitocôndria por transaminação e transportado para o citosol. A reação de condensação entre citrulina e aspartato origina argininosuccinato, reação catalisada pela enzima argininosuccinato- sintetase que requer energia na forma de ATP.
A argininosuccinato é quebrada a arginina e fumarato. O fumarato é hidratado e convertido a malato, pode ser oxidado a oxaloacetato ou entrar na mitocôndria e participar do ciclo do ácido cítrico.
A enzima argininase que é dependente do mineral manganês cliva a arginina produzindo ureia e ornitina. A ornitina é transportada para a mitocôndria e inicia nova volta no ciclo da ureia (Figura 10). A ureia por sua vez, é liberada para o sangue e segue até os rins onde será eliminada.
O ciclo da ureia produz fumarato que pode ser convertido a oxaloacetato com produção de uma nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH) na reação catalisada pela malato-desidrogenase. A molécula
de NADH pode gerar 2,5 ATP durante a respiração mitocondrial e repor parte da energia gasta no ciclo da ureia (Figura 6).
Figura 6 - Ciclo da ureia.
Figura 7 - Equação da síntese de ureia
Fonte: NELSON & COX
RESUMINDO:
E então? Gostou do conteúdo apresentado? Aprendeu mesmo tudinho? Agora, só para termos certeza de que você realmente entendeu o tema de estudo proposto neste capítulo, vamos resumir tudo o que vimos. Você deve ter aprendido que as proteínas são moléculas muito grandes e por isso precisam ser digeridas a aminoácidos para serem absorvidas. A digestão inicia-se no estômago com a enzima pepsina, ativada por suco gástrico, cuja função é quebrar grandes peptídeos em oligopeptídeos e aminoácidos livres.
Secretina e colicistocinina são hormônios produzidos nas células intestinais em presença de pH ácido proveniente do quimo e induzem a liberação de bicarbonato, suco pancreático e bile respectivamente. Tripsina, quimotripsina, elastase e enteropeptídases continuam a digestão dos oligopeptídeos que são absorvidos por mecanismos transporte passivo e transporte ativo mediado por carreadores. O excedente de aminoácidos não pode ser armazenado e deve ser eliminado. Primeiro o aminoácido é desaminado sendo convertido em α-cetoácido e amônia, a amônia combina-se com glutamato sendo convertida em glutamina e segue para o fígado. No músculo esquelético a alanina é o transportador de nitrogênio até o tecido hepático.
Na mitocôndria dos hepatócitos a amônia é convertida em ureia através do ciclo da ureia. Esse ciclo envolve 5 etapas e gasto de energia na forma de ATP, converte amônia em ureia que segue pela corrente sanguínea até os rins, onde será excretada na forma de urina.
Síntese Proteica
Ao término deste capítulo você será capaz de entender como a informação genética contida no DNA é expressa. Compreenderá os processos pós-traducionais necessários para tornar uma proteína funcional e as consequências da falha na degradação de proteínas malformadas. E então? Motivado para desenvolver estes objetivos?
Então vamos lá. Avante!
DNA e RNA
A informação genética armazenada no DNA é repassada as células-filhas através do processo de replicação e deve ser expressa por meio da transcrição antes de ser traduzida. No processo de transcrição informações contidas nos cromossomos são utilizadas para construção de moléculas de RNA mensageiro (RNAm) que, em seguida, é traduzido em proteína. Portanto, a via de síntese de proteínas é denominada tradução e é dependente da informação contida nos ácidos nucléicos (DNA e RNA) para expressar a sequência específica de aminoácidos utilizados na construção do polipeptídeo.
O código genético é representado por letras que representam bases nitrogenadas presentes no DNA e RNA. No processo de tradução esse código de letras é lido 3 a 3, ou seja, cada trinca de letras ou bases nitrogenadas é chamado de códon e indica o aminoácido que será adicionado a cadeia polipeptídica em construção. Esse código genético é dito universal e degenerado pois um códon corresponde a um único aminoácido, mas um aminoácido pode ter vários códons que o representam. O código e lido a partir de um ponto fixo em uma sequência continua de bases lidas 3 a 3.
As bases nitrogenadas são divididas em bases púricas e pirimídicas. As bases púricas são Adenina (A) e Guanina (G) utilizadas tanto na formação de DNA quanto RNA. Bases pirimídicas são representadas pela Citocina a qual participa da formação de nucleotídeos em DNA e RNA, Timina (T) base exclusiva de DNA e Uracila, base exclusiva de RNA.
A sequência de nucleotídeos SEMPRE é escrita da extremidade 5’ para a extremidade 3’.
DNA e RNA constituem polímeros de nucleotídeos. Nucleotídeos são formados por bases nitrogenadas, discutidas anteriormente, ligadas a um açúcar de cinco carbonos (pentose) e um grupamento fosfato. O DNA é uma molécula de fita dupla e sua pentose é uma desoxirribose; já o RNA é composto por fita única dobrada em estruturas complexas e o açúcar presente em seus nucleotídeos é denominado ribose.
Processo de Transcrição Gênica
RNA
Existem três tipos de RNAs que diferem no tamanho, função e modificações estruturais. O RNA ribossomal está associado a proteína chamada ribossomo, local onde ocorre a síntese proteica. Esse tipo de RNA apresenta quatro variações diferindo apenas no tamanho da molécula, 28S, 18S, 5,8S e 5S. A letra S indica unidade de medida de ribossomos, Svedberg, a qual mede a velocidade de sedimentação em uma centrifugação. RNA transportadores, são os menores entre os RNAs e transportam os aminoácidos para o local de síntese proteica (ribossomo).
Existe pelo menos um tipo de RNAt para cada um dos 20 aminoácidos utilizados na construção de proteínas ou cadeias polipeptídicas. RNA mensageiro é a molécula que carrega a informação genética do DNA presente no núcleo para o citosol onde posteriormente será traduzido.
RNAs polimerases em eucariotos
Enzimas denominadas RNA polimerases são encontradas no núcleo das células eucarióticas e divididas em três classes: RNA polimerase I, RNA polimerase II e RNA polimerase III. A RNA polimerase I é responsável pela síntese do precursor de ribossomos. RNA polimerase II sintetiza precursores de RNAm e pequenos RNAs ditos RNAsp presentes no núcleo. RNA polimerase II reconhecem regiões promotoras que servem de sítios de ligação para fatores de transcrição necessários em genes a serem transcritos. RNA polimerase III transcreve genes pra RNAr 5S e RNAt.
RNAs polimerase de células eucarióticas são mais complexas do que RNA polimerases de procariotos.
Etapas da Transcrição
O material genético em eucariotos está associado a histonas formando nucleossomos que dificultam o processo de transcrição. A remodelação da cromatina é necessária para deixá-la em uma forma mais relaxada chamada eucromatina para que ocorra a transcrição.
Apenas uma das fitas de DNA é transcrita em um RNAm por vez e apenas uma pequena parte dos genes é transcrita. As moléculas de ácidos nucleicos (DNA e RNA) somente conseguem se parear se estiverem em sentidos opostos. Esse sentido é dado pela posição dos carbonos 5’ e 3’ do açúcar (uma pentose - desoxirribose no DNA e ribose no RNA) presente nessas moléculas.
O processo de transcrição é iniciado após a enzima RNA polimerase reconhecer e ligar-se a uma região promotora no gene.
Essa região é associada a fatores gerais de transcrição os quais atraem a enzima RNA polimerase II e a posicionam no local adequado para o início da transcrição. Em células eucarióticas a RNA polimerase II é a responsável pela ligação a região promotora chamada TATA ou Hodness rica em Adenina e Timina, localizada a 25 nucleotídeos da base inicial do sítio de transcrição. A região promotora contém o sitio de início da transcrição. Células eucarióticas apresentam um único gene como uma unidade de transcrição.
Após reconhecer a região promotora e transcrever cerca de nove a dez nucleotídeos, fatores de alongamento se ligam a polimerase que se move ao longo da fita molde sintetizando o RNA mensageiro até atingir a região de terminação. Ao mover-se sobre o DNA, a RNA polimerase desenrola a fita dupla desse nucleotídeo expondo novos segmentos a serem transcritos na fita molde. Os nucleotídeos são unidos a extremidade 3’ da cadeia de RNA em crescimento formando um hídrido DNA/RNA na região desenrolada do DNA.
A terceira etapa do processo de transcrição é a fase de terminação.
Nesta fase a RNA polimerase reconhece uma sequência sinalizadora de término na transcrição.
RNAm recém-sintetizado constitui o transcrito primário, contendo íntrons e éxons em uma sequência longa de nucleotídeos. O RNAm precisa ser modificado ainda no núcleo da célula para ser ativado.
O RNA mensageiro formado é monocistrônico, ou seja, cada RNAm codifica apenas uma cadeia polipeptídica.
Modificações Pós Transcricionais
O RNAm eucariótico precisa sofrer algumas modificações pós- transcricionais para se tornar maduro e, portanto, ativo.
A primeira modificação pós- transcricional envolve a excisão de íntros do transcrito primário pelo processo de splicing ou recomposição reduzindo o tamanho da molécula.
A adição de cauda poli A, uma cadeia de bases adenina inserida próxima a extremidade 3’ do RNAm, é necessária para estabilizar a molécula e permitir sua saída do núcleo para o citosol da célula, local onde ocorrerá o processo de tradução.
Adição de uma extremidade 5’CAP ajuda na estabilização da molécula de RNAm e permite o início do processo de tradução. A extremidade 5’CAP ou “quepe” constitui uma 7-metilguanosina ligada a extremidade 5’ do RNAm. RNAm sem adição 5’CAP não pode ser transcrito.
Iniciaremos a seguir a discussão a respeito do processo de tradução ou síntese proteica propriamente dita.
Processo de Tradução: Expressão da Informação Genética
A síntese de proteínas envolve cinco etapas, a primeira delas é a ativação de aminoácidos e formação do complexo aminoácido-RNAt. A etapa seguinte é chamada de iniciação e constitui a ligação da metionina- acil- RNAt a subunidade menor do ribossomo no códon AUG do RNAm.
Na elongação o peptídeo nascente é alongado pela ligação de novos aminoácidos em sequência a cadeia em formação. A terminação é a parada na síntese que ocorre após o encontro do códon de parada e o desligamento do peptídeo do ribossomo. A última etapa envolve o enovelamento e o processamento pós-traducional do polipeptídeo.
Para iniciar a síntese proteica é necessário a presença de aminoá- cidos, fatores de iniciação, elongação, término da cadeia polipeptídica e RNA transportador, responsável pela inserção do aminoácido ao complexo ribossomo-RNAm, RNAm a ser transcrito, ribossomo, todos presentes no citoplasma da célula onde ocorre a síntese proteica. Além disso são necessárias enzimas, energia na forma de ATP e GTP.
Ativação de Aminoácidos
O RNAt é uma molécula adaptadora capaz de interagir com sítios específicos do ribossomo durante a tradução do polipeptídeo definindo a posição dos aminoácidos de acordo com a sequência de bases do RNAm.
Ele tem sítio de ligação específico para o aminoácido na extremidade 3’
enquanto a extremidade 5’ é formada pelo anticódon, local que reconhece e se associa ao RNAm através de interação entre bases complementares.
A ligação entre RNAt e aminoácido é catalisada pela enzima aminoacil- RNAt sintetase em presença de ATP ocorrendo em duas etapas. Existem 20 aminoacil-sintetases para cada tipo de aminoácido.
Na primeira etapa o aminoácido reage com ATP formando aminoacil-adenilato, liberando adenosina monofosfato (AMP) e pirofosfato. Em seguida o aminoácido ativado reage com RNAt liberando AMP. A enzima tem alta especificidade no reconhecimento do RNAt e seu aminoácido.
Etapas de Iniciação, Alongamento e Terminação
O RNAm é traduzido de sua extremidade 5’ para extremidade 3’ enquanto o polipeptídeo deve ser formado a partir de sua extremidade amino-terminal para extremidade carboxi-terminal. A leitura deve obedecer ao código de 3 letras chamado códon o qual especificará o aminoácido que deverá ser acrescido a proteína em formação (Tabela 2).
Tabela – 2 Tabela com a tradução do código genético
A etapa iniciação é a etapa mais demorada e pode ser decisiva na determinação da frequência com que o mensageiro deve ser traduzido.
Nesta etapa o ribossomo liga-se a estrutura 5’CAP na extremidade 5’ do RNAm movendo-se ao longo do RNA até atingir o códon de iniciação AUG mais próxima à extremidade 5’ do mensageiro. RNAt iniciador entra no sitio ribossomal P carregando o aminoácido metionina não formilada.
Ribossomos constituem grandes complexos de proteína e RNA ribossômico, localizados livres no citosol ou associados ao retículo endoplasmático rugoso. Essa molécula possui três sítios ativos de ligação para o RNAt, os sítios A, P e E os quais se estendem através das duas subunidades. Geralmente mais de um ribossomo pode participar da tradução do RNAm ao mesmo tempo formando um complexo denominado polissomo.
O sitio A do ribossomo é o local onde o aminoacil-RNAt recém- chegado se associa e libera o aminoácido na cadeia polipeptídica em crescimento. O sitio P ou sitio de ligação ao peptidil-RNAt é o local associado a molécula de RNAt pela extremidade carboxílica (5’) do peptídeo em crescimento. Sítio E ou sítio de saída é ocupado transitoriamente pelo RNAt livre de aminoácidos.
SAIBA MAIS:
Sequências específicas de bases no RNAm, sequências Kozac, ajudam o complexo de iniciação a identificar o códon AUG iniciador em eucariotos. Em procariotos essa sequência é denominada Shine-Delgarno.
A fase de alongamento inicia-se logo após a formação da primeira ligação peptídica até o códon de término, constitui a fase mais rápida do processo de síntese. A formação de ligações peptídicas é catalisada pela peptidiltransferase presente na RNAr 23 S na subunidade 50 S do ribossomo.
Durante o alongamento, o ribossomo move-se ao longo do RNAm que está sendo traduzido. Esta fase ocorre em três etapas: na primeira etapa ocorre alongamento com a ligação de um aminoacil-RNAt ao sitio A do ribossomo; segunda etapa constitui a ligação peptídica
