Catabolismo do azoto das proteínas; síntese da ureia

(1)

1

Catabolismo do azoto das

proteínas;

síntese da ureia

Departamento de Biomedicina da Faculdade de Medicina do Porto

(2)

Se pensarmos num indivíduo adulto saudável em que os

balanços azotado e

energético

são

nulos

é

uma

boa

aproximação

à

realidade

pensar

que os átomos de carbono e de azoto dos aminoácidos absorvidos são, à mesma

velocidade, eliminados do organismo.

AAs Proteínas endógenas Proteínas da dieta 300 g /dia 300 g /dia CO₂ X gramas de N /dia X gramas de N /dia glicose glicose AAs nutricionalmente dispensáveis N

Azoto eliminado na urina, fezes e perdas “insensíveis”

(massa de azoto =

(3)

AAs oxalacetato piruvato fosfoenolpiruvato AAs intermediários do ciclo de Krebs Acetil-CoA

CO

₂ AAs grupo azotado grupo azotado grupo azotado 3 Intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise glicose AAs glicose gliconeogénese AAs Intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise ureia CO₂ ureia

CO

₂

O esqueleto carbonado dos Aas é oxidado diretamente (via formação de acetil-CoA – ciclo de Krebs) ou

indiretamente (via prévia conversão

em glicose que é depois oxidada).

Concomitantemente, os azotos dos AAs geram maioritariamente ureia.

Com a exceção dos AAs ramificados (leucina, isoleucina e valina), os aminoácidos são

maioritariamente oxidados no fígado.

gliconeogénese

Com as exceções da lisina e leucina, os AAs podem ser convertidos em glicose e esta ser oxidada noutros tecidos (oxidação indireta).

(4)

Tipos de reações em que os AAs perdem o azoto a) desamidação hidrolítica (glutamina e asparagina)

4 CO₂+ NH₄+ H4-F metileno-H4-F H4-F metileno-H4-F piruvato NH₄+ homocisteína cistationina serina α-cetobutirato succinil-CoA NH₄+ α-cetoglutarato NH₄+ _NH 4+ H₂O H₂O NAD+ NADH NAD+ _NADH NH₄+ urocanato NH₄+

b) desaminação oxidativa (glutamato e glicina) c) desaminação por ação de líases (vários).

asparagina glutamina histidina glicina treonina cisteína serina glutamato metionina prolina NH₄+ α-cetobutirato arginina

dos grupos α-amina e amida:

(5)

Reações em que os AAs perdem azoto dos grupos α-amina por transaminação:

a) desamidação hidrolítica (glutamina e asparagina)

5 T α-cetoácidos ramificados piruvato T H4-F metileno-H4-F T 3-hidroxipiruvato piruvato fumarato _acetoacetato p-hidroxi-fenilpiruvato T oxalacetato α-cetoglutarato T T

b) desaminação oxidativa (glutamato, glicina)

d)

desaminação por ação de transamínases (T)

(uma grande parte se incluirmos os

intermediários)

c) desaminação por ação de líases (vários).

glicina fenilalanina tirosina isoleucina leucina valina triptofano aspartato serina alanina glutamato prolina arginina sulfito sulfato T cisteína-sulfinato piruvato cisteína sulfinil-piruvato lisina T α-aminoadipato α-cetoadipato acetil-CoA glutamina asparagina

(6)

SLIDE SOMA: tipos de reações em que os AAs perdem azoto dos grupos α-amina e amida: 6 T α-cetoácidos ramificados piruvato T CO₂ + NH₄+ H4-F metileno-H4-F H4-F metileno-H4-F T 3-hidroxipiruvato piruvato NH₄+ homocisteína cistationina serina α-cetobutirato succinil-CoA NH₄+ fumarato _acetoacetato p-hidroxi-fenilpiruvato T oxalacetato α-cetoglutarato T T NH₄+ _NH 4+ H₂O H₂O NAD+ NADH NAD+ _NADH NH₄+ urocanato NH₄+

b) desaminação oxidativa (glutamato, glicina)

d) desaminação por ação de transamínases (T)

(uma grande parte se incluirmos os intermediários)

c) desaminação por ação de líases (vários).

sulfinil-piruvato sulfito sulfato T cisteína-sulfinato piruvato asparagina glutamina histidina glicina treonina cisteína fenilalanina tirosina isoleucina leucina valina triptofano aspartato serina alanina glutamato metionina prolina NH₄+ α-cetobutirato arginina α-aminoadipato lisina α-cetoadipato acetil-CoA T a) desamidação hidrolítica (glutamina e asparagina)

No caso do aspartatoo grupo amina também se pode perder (contribuindo para o grupo guanidina da arginina) no ciclo da ureia.

(7)

7 Valina, isoleucina e leucina T _{α-cetoácidos} ramificados alanina piruvato T serina T 3-hidroxipiruvato piruvato cisteína sulfinil-piruvato sulfito sulfato T cisteína-sulfinato fenilalanina tirosina fumarato acetoacetato p-hidroxi-fenilpiruvato T aspartato oxalacetato glutamato α-cetoglutarato T T NAD+ NADH

Nos processos de transaminação o azoto é transferido do aminoácido em processo catabólico para o α-cetoglutarato formando-se glutamato. Para que o azoto que estava no aminoácido original seja perdido na forma de amónio é necessário que, a seguir, atue a desidrogénase do glutamato.

Trans

desaminação

= (1º) transaminação seguida de

α-AA α-cetoácido α-cetoglutarato glutamato

NH

₃ 1º 2º T

(2º) desaminação oxidativa do glutamato

(8)

No catabolismo normal dos AAs gera-se amónio que é tóxico mas, exceto na veia porta (≈ 260 μM), a sua concentração nas células e no sangue sistémico (≈ 20 μM) é muito baixa. NH₄+ H₂O alanina glutamato glutamina glutamina (sangue; vem dos músculos) glutamato (dieta) α-cetoglutarato piruvato glutamina (dieta) Ureia no lúmen alanina (sangue) NH₄+

NH

₄+

NH

₄+ T

A concentração de amónio é maior na veia porta porque

(1) os enterócitos (a partir da glutamina na ação da glutamínase) produzem amónio.

(2) as bactérias do lúmen do cólon (a partir de Aas que não foram absorvidos, mas também a partir da ureia; ação da urease) também produzem amónio.

(9)

O

amónio

produzido no fígado ou captado pelo fígado é, na matriz das mitocôndrias dos hepatócitos periportais, convertido em carbamil-fosfato (

sintétase do carbamil-fosfato I

) que vai ceder azoto à ornitina (formando citrulina), iniciando o processo de síntese da ureia.

9 Carbamil-P [1C;1N]

NH

₄+ ornitina Citrulina [6C;3N] arginino-succinato arginina Pi CO₂+ 2 ATP 2 ADP + Pi ATP AMP + PPi aspartato _fumarato H₂O

C=O

H

₂

N

H

₂

N

citrulina ornitina [5C;2N] Sintétase de carbamil-P I ureia via urease asparagina ou glutamina H₂O glutamato NAD+

NADH serina, treonina,_{metionina (}_cistationina_),

histidina… α-cetoglutarato Aas ou intermediários aminados do catabolismo dos AAs T α-cetoácidos glicina H4-Folato N5,N10-metileno-H4-Fol. UREIA Um dos dois azotos da ureia provém do amónio que originou carbamil-fosfato.

(10)

10 Carbamil-P [1C,1N]

NH

₃ Ornitina [5C,2N] citrulina arginino-succinato [10C,4N] Arginina [6C,4N] Pi CO₂+ 2 ATP 2 ADP + Pi ATP AMP + PPi Aspartato [4C,1N] _{Fumarato [4C]} H₂O

C=O

H

₂

N

H

₂

N

Citrulina [6C,3N] ornitina

Fora da mitocôndria, o aspartato [4C,1N] reage com a citrulina (ação da sintétase do arginino-succinato) formando arginino-succinato [10C,4N]. Por ação da argininosuccínase, os carbonos

que eram do aspartato saem como fumarato [4C] e forma-se arginina [6C;4N].

O outro azoto da ureia provém diretamente do

aspartato.

Por ação da transcarbamílase da ornitina, a ornitina [5C,2N] (que entrou na mitocôndria) aceita o resíduo de carbamilo do carbamil-fosfato [1C,1N] formando-se citrulina [6C;3N] que sai da mitocôndria (troca com ornitina).

Como evidenciado pela reação de hidrólise catalisada pela argínase, a arginina [6C, 4N] pode ser entendida como sendo formada por dois resíduos: ornitina [5C,2N] e ureia [1C,2N].

transcarbamílase da ornitina sintétase do arginino-succinato arginino-succínase argínase

(11)

1- Todos os aminoácidos podem formar

amónio

por (1) desaminação direta ou (2) via transdesaminação.

2- Todos os aminoácidos podem formar

a amina do aspartato

(1) por ação sequenciada de duas transamínases (sendo a segunda a transamínase do aspartato) ou (2) via desami(n/d)ação,

seguida da desidrogénase do glutamato a atuar no sentido da síntese de glutamato, seguida da

ação da transamínase do aspartato.

NAD+ NADH

Transdesaminação

α-AA

α-cetoácido α-cetoglutarato glutamato 1º 2º T

NH

₄+

α-AA

α-cetoglutarato glutamato α-cetoácido

NH

₄+ T T do aspartato aspartato oxalacetato 1º 2º

α-AA

_NH

4+ NADP+ 2º NADPH α-cetoglutarato glutamato 1º α-cetoglutarato aspartato oxalacetato 3º T do aspartato

Todos os azotos de todos os aminoácidos podem contribuir para a síntese de ureia, (1)quer porque direta e indiretamente podem gerar amónio, (2) quer porque direta (glutamato via transamínase do aspartato) ou indiretamente podem gerar o grupo amina do aspartato.

(12)

glutamato grupo amida de duas glutaminas arginina ornitina H₂O

NH

₄+ citrulina Arginino-succinato Carbamil-P α-cetoglutarato oxalacetato aspartato

C=O

H

₂

N

H

₂

N

Exemplo 1: o grupo amida da glutamina . glutamínase (N do amónio);

desidrogénase do glutamato + transamínase do aspartato (N do aspartato)

glutamato

NADPH

NADP+ _{transamínase}

do aspartato

glutamínase

Exemplo 2: o grupo amina de duas moléculas de glutamato. desidrogénase do glutamato (N do amónio);

transamínase do aspartato (N do aspartato) NADH

NAD+

*

* = desidrogénase do glutamato

Todos os azotos de todos os aminoácidos podem contribuir para a síntese de ureia, (1)quer porque direta e indiretamente podem gerar amónio, (2) quer porque direta (glutamato via transamínase do aspartato) ou indiretamente podem gerar o grupo amina do aspartato.

(13)

13 arginina ornitina

NH

₄+ citrulina Arginino-succinato Carbamil-P α-cetoglutarato oxalacetato aspartato

C=O

H

₂

N

H

₂

N

Exemplo 3: O grupo amina da alanina pode contribuir para o azoto que entra como azoto do carbamil-fosfato via transamínase do alanina (e a consequente incorporação do seu azoto no

glutamato) seguido da ação da desidrogénase do glutamato e formação de amónio (

transdesaminação

).

Mas o mesmo grupo amina (de outra molécula de alanina) também pode contribuir para o grupo amina do aspartato via dupla transaminação (ação da transamínase do alanina com

formação de glutamato seguida de transamínase do aspartato).

glutamato NADH NAD+ desidrogénase do glutamato transamínase do aspartato

Alanina

piruvato transamínase da alanina

Exemplo 4: Os processos de transdesaminação também ocorrem com outros aminoácidos que, tal como a alanina, sofrem (diretamente ou indiretamente) a ação catalítica de transamínases .

tr a n sd e sa m in a çã o

(14)

14 aspartato oxalacetato fumarato T citrato isocitrato α-cetoglutarato succinil-CoA NADH succinato QH2 malato ATP NADH + CO₂ NADH + CO₂

Krebs

acetil-CoA CoA

A

transamínase do aspartato

tem um papel fundamental no ciclo da

ureia.

Nesta via metabólica o azoto do aspartato [4C;

1N

] incorpora-se na ureia e o esqueleto

carbonato sai como fumarato [4C]

que é intermediário do ciclo de Krebs e

que, neste ciclo, regenera o oxalacetato [4C]

que via transamínase do aspartato regenera o aspartato [4C;

1N

] .

C=O

H

₂

N

H

₂

N

NH

₄

+

arginina ornitina Carbamil-P citrulina Arginino-succinato Ciclo da ureia

(15)

Carbamil-P

NH

₃ Ornitina citrulina arginino-succinato Arginina Pi 2 ADP + Pi

AMP + PPi

Aspartato Fumarato H₂O Citrulina ornitina malato ATP 2 ATP Ureia malato oxalacetato Aspartato H₂O NAD+ NADH ⇔ 2,5 ATP T glutamato α-cetoglutarato

A formação de ureia é um processo endergónico.

Se considerarmos a equação

CO₂ + NH₄+ _{+ aspartato + 3 ATP}→

ureia + 2 ADP + AMP + 2 Pi + PPi + fumarato gastam-se 4 ligações ricas em energia do ATP.

No entanto, se também considerarmos o processo de regeneração do aspartato a partir do fumarato, há que subtrair 2,5 ligações que se formam nesta conversão e, em termos líquidos , gastam-se 1,5 ligações ricas em energia do ATP (= 4 – 2,5 = 1,5).

(16)

16 glutamato arginina ornitina Semialdeído do glutamato NADPH + ATP NADP+ _{+ ADP + Pi} NH₄+ citrulina arginino-succinato carbamil-P Ureia α_{-cetoglutarato} T

No seu todo, o ciclo da ureia parece só existir no fígado, mais precisamente nos hepatócitos

periportais.

Compensando as moléculas de arginina “saem do ciclo” (para a síntese proteica, por exemplo) a síntese “de novo” de arginina implica a formação de ornitina a partir do glutamato.

glicose oxalacetato glutamina citrulina arginina alanina e NH₃ arginina As enzimas citoplasmáticas (pelo menos a sintétase de arginino-succinato e

argininosuccínase) também

(17)

O azoto incorporado na glutamina (grupos amida e amina) pode provir de todas as moléculas dos aminoácidos que sofram catabolismo no músculo. Sabe-se que, ao contrário dos outros aminoácidos, os aminoácidos ramificados são maioritariamente catabolizados nos músculos. Os músculos são ricos na transamínase dos aminoácidos ramificados (leucina, isoleucina e valina).

17 piruvato fosfoenolpiruvato glicose oxalacetato valina ou isoleucina succinil-CoA α-cetoglutarato glutamato NH₄+ T glutamina Krebs Krebs

É possível que, pelo menos em parte, os carbonos da

glutamina (que sai dos músculos) provenham da valina e da isoleucina. Acetil-CoA

valina,

isoleucina e

leucina

α-cetoácidos ramificados glutamato α-cetoglutarato alanina T T

NH

₄+ ATP ADP+Pi UREIA

(18)

18 Carbamil-P NH₄+ CO₂ + 2 ATP 2 ADP + Pi acetil-CoA glutamato N-acetil-glutamato CoA

UREIA

↑

CPS

NAGS _{(3) O acetil-glutamato (formado via síntase do}

N-acetil-glutamato; NAGS) é um ativador alostérico essencial à atividade da sintétase do carbamil-fosfato.

arginina ornitina

citrulina Arginino-_succinato aspartato

Morens et al. ; JNutr; 2003: 2733

(2) Aumento da síntese de ureia induzida pela ingestão de uma refeição que continha 22,4 g de proteínas de soja em indivíduos que tinham tido previamente (durante 1 semana) uma dieta normoproteica (NP) ou hiperproteica (HP).

As dietas hiperproteicas estimulam a transcrição dos genes das enzimas do ciclo da ureia.

Arginina

+

(1) No período pós-prandial há ↑do

catabolismo dos AAs nos enterócitos (oxidação “parcial” da maior parte da glutamina, glutamato e aspartato vindos do lúmen) e no fígado com

aumento da formação de amónio..

(19)

19 Carbamil-P NH₄+ CO₂ + 2 ATP 2 ADP + Pi acetil-CoA glutamato N-acetil-glutamato CoA

UREIA

↑

CPS NAGS

Uma dieta hiperproteica estimula a síntese de

todas

(incluindo a NAGS - síntase de

N-acetil-glutamato) as enzimas do ciclo da ureia

(mecanismo de longo prazo) com aumento da

síntese da ureia e

diminuição precoce do aumento

da concentração plasmática de aminoácidos

induzida por uma refeição

.

arginina ornitina citrulina Arginino-succinato aspartato Morens et al. ;JNutr; 2003: 2733

Aumento da concentração de AAs plasmáticos após a ingestão de uma refeição que continha 22,4 g de proteínas de soja em indivíduos que tinham tido previamente (durante 1 semana) uma dieta normoproteica (NP) ou hiperproteica (HP).

OTC

ASS

ASL ARG

(20)

A maior parte do azoto eliminado é eliminado na urina incorporado na ureia cuja percentagem

aumenta quando as perdas totais de azoto aumentam. Em situações de acidose (como a que ocorre no jejum prolongado) a percentagem de

eliminação de amónio aumenta mas, mesmo nesta condição, a perda de azoto na forma de ureia continua, geralmente, maioritária.

As perdas de azoto têm um mínimo quando a dieta é normal do ponto de vista calórica mas é

isenta de proteínas (cerca de 4 g de azoto/dia).

Quando a ingestão de proteínas atinge ou ultrapassa o mínimo necessário para obter balanço

azotado nulo, a massa de azoto perdido é igual à massa de azoto ingerida (por exemplo, ingestão de 100 g/dia de proteínas  perda de 16 g/dia de azoto).

Em situações de balanço energético negativo há também balanço azotado negativo, ou seja o

catabolismo líquido das proteínas endógenas está acelerado. (Exemplo: se jejum total e perda líquida de 50 g/dia de proteínas endógenas  perda de 8 g/dia de azoto.)

(21)

21

Comparativamente com uma dieta normocalórica e isenta de proteínas, no

jejum

prolongado

a perda de massa muscular é mais acentuada, mas a velocidade da

proteólise líquida vai diminuindo à medida que o jejum se prolonga.

Uma das causas dessa diminuição é a diminuição da secreção de TSH (hormona estimulante da tiroide)  diminuição de secreção de T3 (hormona tiroideia) 

diminuição do turnover proteico e diminuição da velocidade de perda de proteínas endógenas.

No jejum prolongado a única fonte de glicose é a gliconeogénese.

O

glicerol

dos triacilgliceróis e os

aminoácidos

das proteínas endógenas fornecem substrato para a síntese de glicose.

1 g de TAG (glicerol)

→ ≈

0,1 g de glicose; 1 g de aminoácidos

→ ≈

0,6 g de glicose.

100 g de TAG x 0,1 + 50 g de proteínas x 0,6 =

(22)

22

Lúmen tubular renal Célula tubular renal Plasma sanguíneo glutamina glutamina glutamato α−cetoglutarato NH₄+ NH₃ H+ Na+ _Na+ H+ NH₃ NH₄+ C₅H₁₀O₃N₂ + 4,5 O₂ + 2H+ →_{2 NH} 4+ + 5 CO2 + 2 H2O (1) C₅H₁₀O₃N₂ + 4,5 O₂ → CON₂H₄ + 4 CO₂ + 3 H₂O (2)

Normalmente o amónio urinário é uma forma minoritária de excreção do azoto dos aminoácidos, mas em situações de acidose há aumento das atividades da glutamínase e da desidrogénase do glutamato renal. A glutamínase inicia uma via metabólica em que a glutamina captada do plasma leva à formação de amónio que é excretado e a α-cetoglutarato que, maioritariamente se converte em glicose (que acaba por ser oxidada).

NAD+

NADH

glicose

H₂O

glicose

O catabolismo da glutamina com formação de amónio contribui para o consumo de protões do meio interno. O amónio formado e excretado contém o azoto que fazia parte da glutamina (e do glutamato formado a partir da glutamina), mas também contém protões.

(23)

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