Biosíntese de aminoácidos

Biosíntese de aminoácidos

Departamento de Biomedicina da Faculdade de Medicina do Porto

ruifonte@med.up.pt

No metabolismo, algumas das moléculas dos aminoácidos livres sofrem alterações irreversíveis (como desaminações e oxidações) deixando de ser capazes de se ligar aos respetivos tRNAs. O seu azoto perde-se maioritariamente na forma de ureia e amónio.

Para substituir o azoto perdido é necessário ingerir aminoácidos, mas não necessariamente as mesmas moléculas.

AAs

10 kg de proteínas endógenas

300 g/dia 300 g/dia

glicose

Grupo azotado de um qualquer AA

Aminoácidos nutricionalmente dispensáveis

Aminoácidos nutricionalmente indispensáveis

Aminoácidos

nutricionalmente semi- indispensáveis

ureia e amónio

CO₂

3

glutamato

α-aminoácido (alanina, aspartato, 3-fosfoserina, serina, tirosina,

α-AAs ramificados) α-cetoácido aceitador

(piruvato, oxalacetato, 3-fosfo-hidroxipiruvato, hidroxipiruvato, p-hidroxifenilpiruvato, α-cetoácidos ramificados)

α-cetoglutarato As transamínasescatalisam reações que são, geralmente, fisiologicamente reversíveis, em que um dos substratos é (quase)sempre o glutamatoque é dador do grupo amina a α-oxoácidos (ácidos com grupo carbonilo no carbono α)formando-se osα-aminoácidos correspondentes.

As transamínases da alanina, aspartato e fosfoserina estão envolvidas, respetivamente, na síntese da alanina, aspartato e serina.

Na ação da transamínase da glicina o dador do grupo amina não é o glutamato mas sim a alanina

e o α-oxoácido aceitador (glioxilato) contém um grupo aldeído e não um grupo cetónico.

alanina piruvato

glioxilato glicina

4

No decurso do seu catabolismo todos os aminoácidos perdem os seus grupos azotados.

Em muitos casos a perda do grupo amina envolve a transferência do grupo amina do aminoácido (ou de um intermediário dele derivado) para o α-cetoglutarato, via transamínases.

Valina Isoleucina Leucina Tirosina Serina

cisteína-sulfinato α-aminoadipato Alanina Aspartato

α-ceto-isovalerato α-ceto-β-metilvalerato α-ceto-isocaproato p-hidroxifenilpiruvato 3-hidroxipiruvato sulfinil-piruvato α-cetoadipato piruvato oxalacetato

α -cetoglutarato glutamato

oxalacetato piruvato

3-fosfohidroxipiruvato semialdeído do glutamato Aspartato

Alanina 3-fosfoserina Ornitina

glicose TRANSAMÍNASES

TRANSAMÍNASES

Serina Arginina

CO

₂

Por ação de duastransamínasesque atuem sequencialmente muitos aminoácidos podem (via α-cetoglutarato/glutamato)

ceder o seu grupo amina a α-oxoácidos que podem formar-se a partir da glicose originando aminoácidos nutricionalmente dispensáveis.

5

Noutros casos, em reações de desaminação ou desamidação, os aminoácidos perdem os átomos de azoto na forma de amónio que, via ação catalítica da desidrogénase do glutamato, pode ser incorporado no α-cetoglutarato gerando glutamato.

glicina metionina histidina treonina glutamina asparagina

α -cetoglutarato glutamato

oxalacetato piruvato

3-fosfohidroxipiruvato semialdeído do glutamato Aspartato

Alanina 3-fosfoserina Ornitina

glicose TRANSAMÍNASES

Serina Arginina

CO

₂

O grupo amina do glutamato que se formou por ação da desidrogénase do glutamato pode ser transferido (por ação de transamínases) para α- oxoácidos que podem formar-se a partir da glicose originando aminoácidos nutricionalmente dispensáveis..

NH₄⁺

NADPH NADP

⁺

desidrogénase do glutamato

(operando no sentido em que se forma glutamato)

reações de desaminação ou de desamidação

…

glicose

piruvato 3-fosfo- glicerato

α-cetoglutarato

alanina

glicina glioxilato

aspartato

asparagina

glutamato glutamina

metionina cisteína

colina

arginina oxalacetato

ornitina

Ciclo da ureia Ciclo de Krebs

Semialdeído do glutamato

O esqueleto carbonado dos aminoácidos nutricionalmente dispensáveis deriva de intermediários da glicólise ou do ciclo de Krebs.  Podem ser sintetizados a partir de glicose…

prolina

glicolato

T T

T

T T

T

serina 3-fosfo-

glicerato

3-fosfo- hidroxi- piruvato

3-fosfo- serina

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Através da ação catalítica de variadas enzimas, os aminoácidos podem libertar o azoto do seu grupo amina (ou de outros grupos azotados) na forma de amónio (NH₄⁺). A maior parte desse amónio (azoto inorgânico) acaba por perder-se na urina incorporado na ureia, mas uma parte do amónio (azoto inorgânico) pode ser incorporado nos aminoácidos.

α-cetoglutarato

AAs CO₂ NH₄⁺

Ciclo de Krebs

NH₄⁺

glutamato

glutamina

NADPH NADP⁺ ADP + Pi

desidrogénase

do glutamato* sintétase da glutamina

α-AA

transamínases α-cetoácido

A incorporação de azoto inorgânico em aminoácidos ocorre por ação da

desidrogénase do glutamato(no sentido em que ocorre a síntese de glutamato [5C;1N]) ou da sintétase da glutamina (síntese de glutamina [5C;2N]).

A síntese do glutamato também pode ocorrer por ação de várias transamínases.

*

Na ação da desidrogénase do glutamato a reação é fisiologicamente reversível mas, no meio interno, quando evolui no sentido glutamato →α-cetoglutarato o oxidante é o NAD⁺.

ATP

8

aspartato

oxalacetato

fumarato Ciclo da ureia

T

citrato isocitrato

α-cetoglutarato

succinil-CoA NADH

succinato QH2 malato

ATP NADH + CO2

NADH + CO2

Krebs

CO2

piruvato ATP

NADH NAD⁺ + CoA ADP

acetil-CoA

cínase do piruvato

GDP + CO2 GTP fosfoenolpiruvato

PEPCK

glicose

CoA

No ciclo da ureia, o aspartato reage com a citrulina (sintétase do arginino-succinato) originando arginino-succinato.

Nesta via metabólica o azoto do aspartato 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 que é precursor do aspartato.

T

A síntese de alanina [3C;1N] e de aspartato [4C;1N]

é o resultado da transferência do grupo amina do glutamato para os α-cetoácidos correspondentes: o piruvato(produto da glicólise) e o oxalacetato (intermediário do ciclo de Krebs que se forma via carboxilação do piruvato).

ATP + CO2

ADP + Pi

carboxílase do piruvato

alanina

aspartato

oxalacetato

fumarato Ciclo da ureia

T

citrato isocitrato

α-cetoglutarato

succinil-CoA NADH

succinato QH2 malato

ATP NADH + CO2

NADH + CO2

Krebs

CO2

piruvato ATP

NADH NAD⁺ + CoA ADP

acetil-CoA cínase

do piruvato

GDP + CO2 GTP fosfoenolpiruvato

PEPCK glicose

CoA ATP + CO2

ADP + Pi

carboxílase do piruvato

asparagina

A asparaginacontém (tal como a glutamina) um grupo amida.

sintétase da asparagina glutamina + ATP

glutamato + AMP + PPi

A asparagina [4C;2N] forma-se a partir do aspartato [4C;1N]

e o dador de azoto para a síntese da asparagina é a glutamina. A reação é catalisada pela sintétase da asparagina:nesta reação o ATP origina AMP + PPi e a glutamina origina glutamato.

10

O

ciclo da alanina

envolve os músculos e o fígado e, para além de corresponder

(1) a reciclagem de glicose, (2) também tem um papel no transporte de azoto dos músculos para o fígado.

Fígado

2 alanina glicose

4 ATP + 2 GTP + 2 NADH 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD⁺

Músculos

2 alanina glicose

2 ATP + 2 NADH 2 ADP + 2 NAD⁺

ureia

2 piruvato

2 glutamato

2 α-ceto- glutarato 2 glutamato

2 α-ceto- glutarato

2 piruvato

As moléculas de alanina que estão presentes no plasma sanguíneo contêm cerca de 10% do azoto aminoacídico plasmático.

A alanina é maioritariamente libertada pelos músculos sendo aí formada a partir de glicose. A glicose (via glicólise) forma piruvato que é aceitador do grupo amina do glutamato na ação da transamínase da alanina. O grupo amina cedido diretamente pelo glutamato provém indiretamente por todos os aminoácidos.

T T

transamínase da alanina transamínase

da alanina

GLICÓLISE GLICONEOGÉNESE

N

A alanina plasmática é maioritariamente captada no fígado onde o seu esqueleto carbonado pode ser oxidado a CO₂ou levar à formação de glicose(via piruvato →

fosfoenolpiruvato → glicose) enquanto o azoto do grupo amina é transferido para o α- cetoglutarato (transamínase da alanina). O grupo amina do glutamato formado vai acabar contribuindo para a formação de ureia no fígado.

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A serina [3C,1N,1OH]

forma-se a partir de um intermediário da glicólise (e da gliconeogénese): o 3-fosfoglicerato.

glicose

piruvato 3-fosfoglicerato

2-fosfoglicerato

fosfoenolpiruvato

3-fosfo-hidroxipiruvato

3-fosfoserina

serina NAD⁺

NADH

glutamato α-cetoglutarato

transamínase

fosfátase desidrogénase

Pi H₂O

glicina

H4-folato N⁵ N¹⁰

H H

H4-folato N⁵ N¹⁰

CH2

hidroximetiltransférase da serina homocisteína

cistationina

cisteína

NH₄⁺+ α-cetobutirato resíduos de seleno-cisteína

de proteínas

seleno-cisteinil-tRNA^Sec Síntese proteica

(ribossomas)

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Ainterconversão da serina [3C;1N;1OH] em glicina [2C;1N] (e vice-versa) envolve a hidroximetiltransférase da serina. A serina tem mais um carbono que a glicina e na conversão serina →glicina ocorre a formação do N⁵,N¹⁰-metileno-H4-folato.

hidroximetiltransférase da serina serina

glicina

H4-folato N⁵ N¹⁰

H H

colina

betaína dimetil-glicina

sarcosina

O₂ H₂O₂

NAD⁺ NADH homocisteína

metionina betaína-homocisteína metil-transférase

H4-folato N⁵ N¹⁰

H H

H4-folato N⁵ N¹⁰

CH2

H4-folato N⁵ N¹⁰

CH2

glicolato glioxilato

alanina

piruvato A glicina também se

pode formar a partir do glicolatovia glioxilato.

A glicina também se pode formar a partir da colinaem reações em que ocorre formação de metionina (metilação da homocisteína pela betaína) e

de N⁵,N¹⁰-metileno-H4-folato (metilação do H4-folato pela dimetil-glicinae pela sarcosina).

transamínase

O₂

H₂O₂ Na conversão inversa forma-se H4-folato.

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O glutamato [5C;1N] pode originar quer a prolina [5C;1N] quer a arginina [6C;4N]

e, em ambos os casos, forma-se primeiro o semialdeído do glutamato (via redução do glutamato pelo NADPH). Também por redução dependente do NADPH o semialdeído do glutamato origina prolina.

Numa reação de transaminação atípica forma-se a ornitina que é precursora da arginina via enzimas “do ciclo da ureia”. As enzimas do ciclo da ureia para além do seu papel na síntese da ureia também contribuem para a síntese endógena de arginina.

glutamato Semialdeído do glutamato

prolina

ornitina

arginina

glutamato α-cetoglutarato

NADP⁺ NADPH NADP⁺ NADPH

transamínase da ornitina

Ciclo da ureia

citrulina

Arginino- succinato

ATP

ADP+Pi transcarbamílase

da ornitina

sintétase do arginino- succinato líase do arginino-

succinato

carbamil-fosfato

aspartato + ATP AMP + PPi Pi

fumarato

ureia H₂O

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A tirosina [9C;1N;1OH] forma-se a partir da fenilalanina [9C;1N] por ação da

hidroxílase da fenilalanina.

Na reação de hidroxilação da fenilalanina a tetrahidrobiopterina funciona como co- redutor.

A regeneração da tetrahidrobiopterina (THBP) depende da ação da redútase da dihidrobiopterina; nesta reação o NADPH é o agente redutor.

THBP DHBP

fenilalanina tirosina

O₂ H₂O

hidroxílase da fenilalanina

NADP⁺ NADPH

redútase da dihidrobiopterina

É costume classificar a tirosina como um aminoácido semi-essencial(ou semi-indispensável) porque se pode formar endogenamente a partir da fenilalanina que é um aminoácido essencial (ou indispensável).

Quando, como acontece na fenilcetonúria, a hidroxílase da fenilalanina está em deficit, a tirosina passa a ser um aminoácido nutricionalmente indispensável.

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Na biossíntese da cisteína [3C;1N;1S],

o enxofre provém da metionina enquanto os carbonos provêm da serina. A formação da cisteína é um processo complexo porque se entrecruza com a complexa via metabólica de degradação da metionina.

metionina

S-adenosil-metionina

homocisteína S-adenosil-homocisteína

ATP Pi+PPi adenosiltransférase da

metionina

metiltransférases Aceitador de metilo

Aceitador metilado H₂O adenosina

É útil dividir a via de degradação da metionina em duas metades: “a via de transmetilação” que leva à formação de homocisteína e a “via de trans-sulfuração” que permite formar a cisteína.

Embora a metionina seja um aminoácido essencial há uma enzima que se designa por síntase da metionina. A “salvação” da metionina a partir de homocisteína pode ocorrer por ação da síntase da metionina ou da metil-transférase da betaína-homocisteína.

síntase da metionina

H4-folato N⁵ N¹⁰

H H

betaína dimetil-glicina

metil- transférase da

betaína- homocisteína

H4-folato N⁵ N¹⁰

CH3

N5-metil-H4-Folato

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Na “via de trans-sulfuração”,a homocisteína transfere o enxofre para a serina. No processo intervém a síntase da cistationina; a cistationina cinde-se libertando cisteína.

metionina

homocisteína

cistationina

serina síntase da

cistationina

cisteína líase da cistationina

NH₄⁺ α-cetobutirato

CO₂

NAD⁺ NADH CoA

propionil-CoA D-metil- malonil-CoA

L-metil- malonil-CoA

Ciclo de Krebs

succinil-CoA

Na ação da líase da cistationina para além de cisteína forma- se amónio e α-cetobutirato; o α-cetobutirato é degradado levando à formação succinil-CoA.

H₂O

Na cisteína que se forma endogenamente os carbonos provêm da serina, mas o enxofre provém da metionina. Porque a metionina é um aminoácido essencial é costume classificar a cisteínacomo semi-essencial (ou semi-indispensável).

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serina

tRNA^Sec

seril-tRNA^Sec ATP

AMP + PPi

ATP

AMP + Pi seleneto

seleno- fosfato

selenocisteinil-tRNA^Sec Pi

sintétase do seleno-fosfato

Algumas proteínas (como, por exemplo, a redútase do glutatião, a redútase da tioredoxina e a sintétase do seleno-fosfato) contêm resíduos de selenocisteína [3C;1N;1Se]. A selenocisteína é incorporada nessas proteínas aquando da síntese proteica. Previamente, forma-se o respetivo aminoacil-tRNA (selenocisteinil-tRNA^Sec) a partir de seril-tRNA^Sec.

O codão correspondente ao anticodão do tRNA^Secé normalmente um codão de terminação (UGA) mas, em determinados RNA mensageiros contendo sequências específicas este codão liga-se ao anticodão do selenocisteinil-tRNA^Sec.

5’-RNAm

3’-RNAm ^AGU

Síntese de algumas

(poucas) proteínas ¹⁸

Cerca de ¼ das proteínas de um adulto é colagénio e o colagénio contêm resíduos aminoacídicos para os quais não existem os tRNA correspondentes: a hidroxiprolina [5C;1N;1OH] e a

hidroxilisina [6C;2N;1OH].

A hidroxilação de muitos dos resíduos de prolina e de alguns dos resíduos de lisina da cadeia polipeptídica ocorre no interior do retículo endoplasmático rugoso dos fibroblastos quando a cadeia (designada de pró-colagénio) está ainda a ser formada nos ribossomas associados ao retículo endoplasmático.

Síntese proteica Hidroxilação de resíduos de prolina e lisina da molécula de pró-colagénio.

Formação da tripla hélice secreção

As enzimas envolvidas são as hidroxílases da prolina e da lisina.

glutamato succinato + CO₂

O

₂ ^glutamato

succinato + CO₂

O

₂

hidroxílase da prolina hidroxílase da lisina

O ascorbato é um cofator destas hidroxílases. Oascorbatoimpede a oxidação de iões Fe²⁺que fazem parte da estrutura destas enzimas e são essenciais à sua atividade catalítica. Na ausência de ascorbato não ocorrem as hidroxilações pertinentes e o colagénio é anormal (escorbuto).

Algumas proteínas ligantes do ião Ca²⁺(como a protrombina e outros fatores da coagulação) contêm alguns resíduos de carboxiglutamato. A formação dos resíduos de carboxiglutamato ocorre após a tradução da proteína e envolve enzimas que têm como cofatores a vitamina K.

resíduo de carboxiglutamato resíduo de glutamato

Vit. K (forma de hidroquinona) Vit. K (forma de epóxido)

Vit. K (forma de quinona) CO₂

O

₂

epoxídase da vitamina K

redútase da vit. K sensível à varfarina redútase da vit. K

sensível à varfarina

redútase da vit. K insensível à varfarina

Quando há défice de vitamina K ou intoxicação com varfarina não se formam os resíduos de carboxiglutamato em proteínas da coagulação e podem ocorrer hemorragias. Quando há

intoxicação com varfarina, o antídoto é a administração de altas doses de vitamina K. ₂₀

Uma modificação pós tradução frequente é a metilação que pode ocorrer em resíduos de lisina, histidina e outros aminoácidos de proteínas. Estas metilações são catalisadas por metil- transférasesem que o dador de metilo é a S-adenosil-metionina que no processo se converte em S-adenosil-homocisteína (via da transmetilação da metionina).

S-adenosil-metionina metionina

homocisteína S-adenosil-homocisteína

ATP Pi+PPi

adenosiltransférase da metionina

metil- transférases

H₂O adenosina resíduo de lisina

resíduo de trimetil-lisina

resíduo de histidina

resíduo de metil- histidina

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Bibliografia

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