METABOLISMO: VIAS PRINCIPAIS

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Qualquer organismo vivo constitui um sistema estável de reações químicas e de processos físico – químicos mantidos afastados do equilíbrio; a manutenção desta situação contraria a tendência natural de atingir o equilíbrio e só pode ser obtida à custa de energia, retirada do meio ambiente. Alguns microrganismos são capazes de oxidar compostos inorgânicos – são chamados, então, quimiolitotróficos. A maioria dos microrganismos e todos os animais são, entretanto, quimiorganotróficos, por necessitares de substâncias orgânicas oxidáveis. 

Os nutrientes, ao serem oxidados, perdem prótons e elétrons (H  + e   ) e têm seus átomos de carbono convertidos a CO2 . Os prótons e elétrons são recebidos por coenzimas na forma oxidada, que passam assim à forma reduzida. 

METABOLISMO DE CARBOIDRATOS, CICLO DE KREBS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

ESTRUTURA DE CARBOIDRATOS

Os carboidratos são compostos que, em geral, apresentam a fórmulas empírica (CH2O)n e cujos representantes mais simples são chamados açúcares, como, por exemplo, a glicose e a sacarose.

O tipo mais simples de carboidrato é constituído pelos monossacarídios, chamados aldoses ou cetoses, segundo o grupo funcional que apresentam: aldeído ou cetona. Segundo seu número de átomos de carbono, são designados trioses, pentoses, hexoses ou heptoses. 

Em soluções aquosas, os monossacarídios com mais de quatro átomos de carbono formam estruturas cíclicas. O anel é formado pela reação do grupo carbonila com uma hidroxila. As formas correspondentes são designadas  e , respectivamente. As formas  e  e aberta mantêm-se em equilíbrio nas soluções, havendo grande predomínio das formas cíclicas sobre a forma aberta, que aparece em pequena proporção. 

Oligossacarídios são carboidratos constituídos pela união de um pequeno número de monossacarídios, , através de ligações glicosídicas. Entre eles, os mais comuns são os dissacarídios, a sacarose, formada por glicose e frutose, e a lactose, constituída de glicose e galactose. 

Os polissacarídios são polímeros constituídos de centenas ou milhares de resíduos de monossacarídios, geralmente glicose, formando cadeias lineares, ou cadeias ramificadas. 

Na celulose, as unidades de glicose são unidas por ligação entre os carbonos 1 e 4: ligações -1-4. As estruturas do glicogênio e do amido são semelhantes variando apenas no número de ramificações da cadeia linear. 

As funções dos carboidratos são bastante diversificadas, incluindo a sustentação (celulose e a reserva (glicogênio nos animais, amido nos vegetais), além de poderem eles estar ligado a lipídios e proteínas, formando os glicolipídios e glicoproteínas, componentes de membrana.

OXIDAÇÃO DE GLICOSE A PIRUVATO: GLICÓLISE

A glicose é, quantitativamente, o principal substrato oxidável para a maioria dos organismos, quase todas as células são potencialmente capazes de atender suas demandas energéticas apenas a partir deste açúcar.

Apesar de a dieta humana conter pouca glicose livre, esta aparece em proporções consideráveis como amido, sacarose e lactose.

Todas as células oxidam glicose e piruvato para obter ATP. O piruvato pode ser oxidado a CO2, aumentando muito a produção de ATP 

Para obterem ATP a partir de glicose, todas as células lançam mão de sua oxidação parcial a piruvato. Nas células anaeróbicas, a oxidação pára neste ponto. A conversão de glicose a piruvato permite aproveitar apenas uma parcela da energia total da glicose. Nas células aeróbicas, entretanto, o piruvato é subseqüentemente oxidado, trazendo, naturalmente, um enorme ganho na produção de ATP.

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A etapa inicial da oxidação da glicose (até piruvato) ocorre através de uma seqüência de reações denominada glicose, uma via metabólica que se processa no citossol. Seus produtos são ATP, (H  + e   ) , recebido por coenzimas, e piruvato. A posterior oxidação do piruvato é feita no interior da mitocôndria, nas células que dispõe desta organela. Na mitocôndria, o piruvato, um composto de três carbonos, sofre uma descarboxilação, transformando-se em um composto com dois carbonos (C2). Este se combina com um composto de quatro carbonos (C4), dando um composto de seis carbonos (C6). Através de uma seqüência cíclica de reações (ciclo de Krebs), C6 perde dois carbonos sob a forma de CO2 e regenera C4 . 

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Na mitocôndria o piruvato, é portanto, totalmente oxidado a CO2, com a concomitante produção de grande quantidade de (H   + e  ), que são recebidos por coenzimas. Da oxidação destas coenzimas pelo oxigênio, deriva-se a grande produção de ATP conseguida pela oxidação adicional do piruvato perfazendo cerca de 90% do total obtido com a oxidação completa da glicose. 

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As coenzimas que recebem os (H   + e   ) produzidos na oxidação da glicose são NAD+ e FAD

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Nas três etapas da oxidação da glicose – a glicólise, a descarboxilação do piruvato e o ciclo de Krebs – os ( H     + e  ) são produzidos em reações catalisadas por desidrogenases. Algumas desidrigenases utilizam como coenzima a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+), e outras a flavina adenina dinucleotídeo (FAD), derivados, respectivamente, das vitaminas nicotinamida e riboflavina. 

Nas reações com participação de NAD+, há transferência de dois elétrons e um próton do substrato para o NAD+, que se reduz a NADH; o outro próton é libertado no meio. O FAD recebe dois elétrons e dois prótons, reduzindo-se a FADH2. 

Na glicose ocorrem duas fosforilações por ATP e duas por fosfato inorgânico. Os quatro grupos fosfato são trasnferidos para ADP, formando quatro ATP.

A glicose pode ser dividida em quatro em quatro etapas para salientar os eventos fundamentais desta via:

I – Dupla fosforilação da hexose, à custa de 2 ATP, originando uma hexose com           dois grupos fosfato.

II – Clivagem desta hexose, produzindo duas trioses fosforiladas.

III – Oxidação e nova fosforilação, desta vez por fosfato inorgânico (P1) das trioses  fosfatos, formando duas moléculas de um intermediário para ADP; formando 4 ATP e 2 piruvatos.

IV – Transferência dos grupos fosfato deste intermediário para ADP; formando 4 ATP e 2 piruvatos.

Estas quatro etapas são compostas por 10 reações seqüências que compõe a glicose.

Etapa I. A fosforilação da glicose por esterificação da hidroxila do carbono 6 com 

fosfato inorgânico é uma reação inaviável, por ter G ‘’’ positivo. Por isso, na etapa I da glicólise, os organismos efetuam a fosforilação da glicose através de uma reação é essencialmente irreversível e catalisada por quinases. Na maioria dos organismos e tecidos, a enzima que catalisa a fosforilação da glicose é a hexoquinose e, no fígado, a glicoquinase. 

Etapa II.Nesta etapa, a clivagem da frutose 1,6 bifosfato em diidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato é catalisada por aldolase. Estas duas trioses fosforiladas são isômeras e, a semelhança do que ocorre com glicose 6-fosfato e frutose 6-fosfato, devem ser gliceraldeído 3-fosfato possibilita que todos os carbonos da glicose sejam oxidados a piruvato, apesar de apenas o gliceraldeído 3-fosfato ser substrato da próxima enzima e poder, portanto, prosseguir  pela via glicolítica. Desta reação em diante, a via terá todos os seus intermediários duplicados. O conjunto das duas reações processa-se no sentido da formação de gliceraldeído 3-fosfato, graças à retirada contínua deste composto pelas reações subseqüentes. 

Etapa III. As duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato obtidas por fosforilação à custa de 2 ATP são novamente fosforiladas, agora por fosfato inorgânico, formando duas moléculas de 1,3 disfoglicerato; deste modo, o substrato, um aldeído, é oxidado a um ácido. O substrato liga-se covalente a um grupo a um grupo SH da enzima e, por reação com fosfato inorgânico, forma-se uma ligação anidrido fosfórico rica em energia e reduz-se um NDA+ fortemente ligado à enzima. 

Etapa IV. Compreende dois eventos de formação de ATP. Na reação catalisada pela fosfoglicerato quinase, o grupo fosfato da ligação anidrido é suficientemente rico em energia para poder ser transferido ao ADP, produzindo ATP. A fosfoglicerato mutase, um tipo particular de isomerase, catalisa essa transferência intramolecular do grupo fosfato. O processo envolve a formação intermediária de um composto difosforilado (2,3-difosfogliceraro), originado por doação de um grupo fosfato da própria enzima ao substrato. Em seguida,  

a enolase promove a desidratação do 2-fosfoglicerato, originando o fosfoenolpiruvato. A formação deste composto, possibilita a síntese de ATP na reação subseqüente, irreversível, catalisada pela piruvato quinase. 

A glicólise tem, portanto, um rendimento de 2 ATP: para cada molécula de glicose são produzidos 4 ATP (2 por triose), dos quais devem ser descontados os 2 ATP consumidos na etapa 1.

* O NADH produzido na glicólise pode ser oxidado anaerobicamente: o piruvato é convertido a lactato ou etanol

A equação geral da glicólise é:

A oxidação da glicose e a produção de ATP estão associadas à redução de NDA+. Como o NDA+ existe nas células em concentrações limitantes, a manutenção do funcionamento da glicólise depende da reoxidação do NADH. Em aerobiose, utilizam o oxigênio para oxidar o NADH; em anaerobiose, o próprio piruvato produzido pela glicólise serve como aceptor dos elétrons do NADH, sendo reduzido a lactato. 

Este é o processo utilizado por algumas espécies de bactérias e pelas fibras musculares submetidas a esforço intenso. Em outros organismos, como as laveduras, o piruvato é descarboxilado, originado, que servindo como aceptor dos elétrons do NADH, se reduz a etanol:

A oxidação anaeróbica da glicose é chamada fermentação (lática ou alcóolica, segundo o produto final). As fermentações são processos auto-suficientes, ou seja, independem de outras vias por serem capazes de regenerar as coenzimas que utilizavam para produção de ATP. 

CONVERSÃO DE PIRUVATO A ACETIL-CoA

Em condições aeróbicas, o primeiro passo para a oxidação total do piruvato é a sua conversão a acetil – CoA. Nas células eucarióticas, o piruvato do citossol entra na mitocôndria, onde é transformado em acetil – CoA, conectando, portanto, a glicólise e o ciclo de Krebs.

O piruvato é convertido a acetil – CoA, através de uma descarboxilação oxidativa, de acordo com a equação.:

A reação de formação de acetil – CoA a partir de piruvato é irreversível e ocorre em quatro etapas seqüenciais, catalisadas por um sistema multienzimático, chamado complexo piruvato desidrogenase. 

Uma única partícula do complexo piruvato desidrogenase é maior do que um ribossomo e consiste em um núcleo central formado por dezenas de moléculas de diidrolipoli transacetilase cada uma com dois resíduos de ácido lipóico), as quais se associam dezenas de moléculas de piruvato desidrogenase e diidrolipoli desidrogenase. Fazem parte ainda da partícula várias moléculas de quinase e fosfatase, responsáveis pela regulação da atividade do próprio complexo, através de fosforilação e desfosforilação.

A primeira etapa é a descarboxilação do piruvato pela piruvato desidrogenase, que transfere o grupo hidroxietil para o TPP, em uma reação análoga à do piruvato descarboxilase, que participa da fermentação alcóolica. Em seguida, a diidrolipoli transacetilase oxida o grupo hidroxietil a acetil, ligando-o ao ácido lipóico. Nesta oxidação, os elétrons são transferidos para o ácido lipóico (forma dissulfeto), reduzindo-o a ácido acetil lipóico. A mesma enzima transfere o grupo acetil para coenzima. A, formando acetil – CoA. O ácido lipóico (forma ditiol) é reoxidado pela diidrolipoli desidrogenase, uma flaoproteína contendo FAD como grupo prostético, que recebe os (H+ + e-) e os transfere finalmente para o NAD+. O NADH formado será oxidado na cadeia de transporte de elétrons. 

CICLO DE KREBS

O piruvato proveniente de glicose origina acetil-CoA mitocondrial. Além da glicose, vários aminoácidos produzem piruvato e, portanto, acetil-CoA, ao serem degradados. A acetil-CoA pode, portanto, ser originária de carboidratos, aminoácidos e ácidos graxos e, qualquer que seja sua proveniencia, será totalmente oxidada a CO2 pelo ciclo de Krebs, com a concomitante produção de coenzimas reduzidas.

O ciclo de Krebs inicia-se com a condensação de acetil – CoA e oxaloacetato, formando citrato, uma reação catalisada pelo citrato sintase. O citrato é isomerizado a isocitrato por ação da aconitase, com a formação intermediária de cis-aconitato. A isocitrato desidrogenase catalisa a oxidação de isocitrato a -cetoglutrato, com redução de NDA+ e liberação de CO2. O -cetoglutrato é então transformado a succinil-CoA, numa reação catalisada pela -cetoglutrato desidrogenase, um complexo enzimático semelhante ao complexo piruvato desidrogenase. A succinil – CoA sintetase catalisa a transformação de succinil – CoA a succinato, numa reação que forma GTP (guanosina trifosfato), a partir de GDP (guanosina difosfato) e P. O GTP tem o mesmo nível energético do ATP e, portanto, a formação de GTP equivale à formação de ATP: o GTP pode reagir com ADP, dando ATP e regenerando GDP, por ação da nucleosídio difosfato quinase. A succinato desidrogenase é a única enzima do ciclo de Krebs que é parte integrante da membrana interna da mitocôndria: as demais estão em forma solúvel na matriz mitocondrial. O fumarato é hidratado a malato pela furmarase. 

Como o oxaloacetato é sempre regenerado ao final de cada volta, o ciclo de Krebs pode oxidar acetil-CoA continuamente, sem gasto efetivo de oxaloacetato 

O ciclo de Krebs depende da cadeia de transporte de elétrons para a reoxidação de coenzimas.

A equação de Krebs é:

Acetil-CoA  +  3NAD+ +  FAD  +  GDP  +Pi  +  2H2O       

2CO2 +  3NADH  +  2H+ + FADH2 +  GTP  +  HS-CoA 

Embora o ciclo de Krebs produza diretamente apenas 1 ATP, contribui para a formação de grande parte do ATP produzido pela célula, pois a energia da oxidação da acetil-CoA é conservada sob a forma de coenzimas reduzidas e, posteriormente, usada para síntese de ATP.

A oxidação das coenzimas é obrigatoriamente feita pela cadeia de transporte de elétrons e, portanto, o ciclo de Krebs, ao contrário da glicose, só pode funcionar em condições aeróbicas.

A redução de coenzimas não é a única função do ciclo de Krebs

A mais importante é a que leva à formação de oxaloacetato a partir de piruvato, catalisada pela piruvato carboxilase. A degradação de vários aminoácidos também produz intermediários do ciclo de Krebs. 

Por outro lado em plantas e certas bactérias, o ciclo de Krebs aparece complementando por duas reações adicionais, que permitem a produção líquida de intermediários do ciclo a partir de acetil-CoA. Este “novo” ciclo, chamado ciclo do glioxilato, será descrito a seguir. 

O ciclo do glioxiato permite a síntese de glicose a partir de acetil-CoA

Nos vegetais e em algumas bactérias, encontra-se uma via alternativa de metabolismo de acetil-CoA, chamada ciclo do glioxilato. Esta via consiste de uma modificação do ciclo de Krebs, por acréscimo de duas enzimas ausentes de tecidos animais: a isocitrato liase e a malato sintase. 

Nestes organismos, o isocitrato é cindido pela isocitrato liase em succinato e glioxilato. O glioxiliato condensa-se com acetil-CoA, produzindo malato, numa reação catalisada pela malato sintase.

Nos vegetais, este ciclo localiza-se em organelas chamadas glioxissomas, que também efetuam a beta-oxidação de ácidos graxos e têm, portanto, uma fonte de acetil-CoA. 

Finalmente, o malato será transformado em glicose no citossol. O ciclo do glioxilato, desta forma, permite a conversão de acetil-CoA introduzida, são liberadas duas moléculas de CO2, não havendo, punho líquido de carbonos para a formação de oxaloacetato. 

CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS

O substrato doador de elétrons é, invarialmente, uma coenzima reduzida, e o aceptor final de elétrons, o oxigênio. A maioria dos transportadores de elétrons tem natureza protéica, contendo grupos prostéticos associados à cadeia polipeptídica; a óxido-redução do composto se processa no grupo prostético.

Os transportadores de elétrons estão agrupados em 4 complexos

Complexo I (NADH-CoQ redutase):             NADH desidrogenase

          Proteínas ferro-enxofre

Complexo II (succinato-CoQ redutase):         Succinato desidrogenase

          Proteínas ferro-enxofre

          Citocromo b

Complexo III (CoQ-citocromo e redutase):    Citocromos b e c1 

          Proteínas ferro-enxofre

Complexo IV (citocromo c oxidase):           Citocromos a e a3 

          Átomos de cobre

Estes complexos são conectados entre si através de dois outros transportadores, que também fazem parte da membrana interna: coenzima Q e citocromo c. 

As coenzimas Q ou ubiquinona (CoQ) é uma quinona com uma longa cadeia isoprênica lateral. Existem várias formas de CoQ, que diferem pelo número dessas unidades isoprêmicas.

As características hidrofóbicas da CoQ permitem sua mobilidade na fase lipídica da membrana, ao contrário dos outros componentes da cadeia de transporte de elétrons, que têm posições fixas. A coenzima Q, ao reduzir-se, recebe 2H+ e 2- e, passando então à forma CoQH2. 

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

Os componentes da cadeia de transporte de elétrons apresentam-se organizados em ordem crescente de potenciais de óxido-redução, desde as coenzimas reduzidas até o oxigênio. Desta forma, as transferências de elétrons de um componente para o seguinte constituem reações de óxido-redução que se processam sempre com liberação de energia, que é aproveitada para síntese de ATP. O processo chamado fosforilação oxidativa refere-se à fosforilação do ADP a ATP, utilizando a energia liberada por essas reações de óxido-redução. 

A energia do transporte de elétrons é aproveitada para a formação de um gradiente de prótons, que possibilita a síntese de ATP

O acoplamento do transporte de elétrons à síntese de ATP é explicado pela teoria quimiosmótica de acoplamento. Segundo esta teoria, a energia do transporte de elétrons é primeiramente utilizada para bombear prótons para o exterior da mitocôndria. 

A conseqüência do bombeamento é a produção de um gradiente de prótons, isto é, uma concentração diferente de prótons dentro e fora da mitocôndria, que é expressa como uma diferença de pH e uma diferença de carga elétrica. O gradiente assim formado constitui uma força próton-motriz capaz de levar à síntese de ATP: como a membrana interna é impermeável a prótons, estes só podem retornar ao interior da mitocôndria e desfazer o gradiente através de sítios específicos da membrana interna, constituídos pelo complexo sintetizador de ATP: a ATP sintetase. 

A ATP sintetase constitui as microesferas da membrana interna da miticôndria

Muitos resultados experimentais apoiam a teoria quimiosmótica

A teoria quimiosmótica vem sendo consubstanciada por um número crescente de evidências experimentais. A fosforilação oxidativa em mitocôndrias intactas ou em vesículas fechadas, compatíveis com a formação de um gradiente de prótons. As medidas de concentração de prótons durante o transporte de elétrons revelam acúmulo de prótons no exterior da mitocôndria ou no interior de vesículas invertidas. A síntese de ATP pode ser obtida mesmo na ausência de transporte de elétrons, desde que exista o gradiente de prótons.

É importante assinalar que, apesa5r dos progressos obtidos nesta área, ainda são mal conhecidos pontos fundamentais da fosforilação oxidativa, como o mecanismo do bombeamento de prótons e a seqüência de eventos que, finalmente, provocam a síntese de ATP quando os prótons retornam ao interior da mitocôndria pela ATP sintetase.

As velocidades do transporte de elétrons e da síntese de ATP são reguladas pela concentração de ADP

O transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos acoplados, isto é, só há oxidação de coenzimas (com consumo de oxigênio) se houver síntese de ATP, e vice-versa. Os substratos destes processos são: coenzimas reduzidas, oxigênio, ADP e Pi. Dentre estes, o ADP é o único que atinge concentrações limitantes nas células, sendo, por isso, o regulador de ambos os processos de ADP chama-se controle respiratório. 

A velocidade das vias que dependem da reciclagem de coenzimas oxidadas pela cadeia respiratória (por exemplo, o ciclo de Krebs) é também regulada pela razão ATP/ADP. Além disso, o próprio ADP participa de regulações alostéricas dessas vias (Regulação do Metabolismo.).

O resultado do controle respiratório e da ação alostérica do ADP é, então, um perfeito ajuste entre a velocidade de produção de coenzimas reduzidas e a velocidade de sua oxidação pela cadeia de transporte de elétrons, com produção de ATP. Este ajuste fino regulará, portanto, a produção de energia pela célula.

Em condições especiais, o transporte de elétrons pode ocorrer sem a síntese de ATP

Algumas substâncias lipofílicas, capazes de dissociar o transporte de elétrons da fosforilação oxidativa, são chamadas desacopladores. Quando os dois processos são desacoplados, o transporte de elétrons, termodinamicamente autônomo, pode prosseguir; a síntese de ATP pára.  

A produção de calor artificialmente provocada pela presença de desacopladores tem seu correspondente fisiológico no tecido adiposo marrom. A membrana da mitocôndria deste tecido contém, além da ATP sintetase, uma proteína transportadora de prótons. Assim, o gradiente de prótons nunca se estabelece com a mesma eficácia, e uma fração considerável da energia derivada do transporte de elétrons é continuamente dissipada como calor. Desta forma, a oxidação de substratos neste tecido corresponde a uma termogênase, importante na proteção de certas zonas corpóreas de recém-nascidos e na recuperação de temperatura normal de animais em hibernação. 

A oligomicina é um inibidor da ATP sintetase

A oligomicina é um antibiótico que inibe tanto a síntese de ATP quanto o transporte de elétrons. Esta inibição é provocada pela ligação do antibiótico ao componente Fo da ATP sintetase, que se torna então impermeável a prótons. 

A fosforilação ao nível do substrato não é afetada por desacopladores

Chama-se fosforilação ao nível do substrato a síntese de ATP em reações que fazem parte da glicólise e do ciclo de Krebs e que utilizam como substratos compostos ricos em energia: 1,3 difosfoglicerato, fosfoenolpiruvato e succenil-CoA. 

Na reação de óxido-redução, a energia é acumulada em uma ligação com fosfato ou CoA. Na reação seguinte, a ligação com fosfato ou CoA é rompida e a energia é utilizada para a síntese de ATP ou GTP:

A produção de ATP pela fosforilação ao nível do substrato responde por uma pequena fração do total produzido em condições aeróbicas e, por ser independente do transporte de elétrons não é afetada por desacopladores.

A oxidação completa da glicose produz 38 ATP

O cômputo geral de produção de ATP pela oxidação da glicose pode ser obtiso a partir das equações gerais das etapas em que o processo se divide, ou seja:

oxidação de glicose a 2 piruvato

oxidação de 2 piruvato a 2 acetil-CoA

oxidação de 2 acetil-CoA pelo ciclo de Krebs

oxidação das coenzimas pela cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa.

A formação de ATP por fosforilação ao nível do substrato e por fosforilação

oxidativa está discriminada no quadro seguinte:

A oxidação biológica da glicose em condições aeróbicas produz, portanto, 38 ATP.

Oxidação do NADH citossólico

A membrana interna da mitocôndria é impermeável a NDA- e NADH e, portanto, a oxidação ao NADH citossólico não pode ser feita diretamente pela cadeia de transporte de elétrons. Os elétrons do NADH são transferidos para um composto citossóluco, que transporta os elétrons para a mitocôndria, onde é oxidado. O composto oxidado retorna ao citossol, permitindo a continuidade do processo. Há dois sistemas, chamados lançadeiras, que cumprem esta função: 

Lançadeira do glicerol fosfato.

Lançadeira do malato-aspartato.

TRANSPORTE DE METABÓLITOS ATRAVÉS DA

 MEMBRANA INTERNA DA MITOCÔNDRIA

A membrana interna da mitocôndria, ao contrário da membrana externa, é impermeável a compostos com carga elétrica e íons. O acesso de muitos metabólitos à matriz mitocondrial ou ao citoplasma é garantido pela existência de sistemas de sistemas transportadores presentes na membrana interna da mitocôndria.

Uma das permeases da membrana interna da mitocôndria mais bem conhecida é a adenina nucleotídio translocase ou ATP/ADPtranslocase. Esta translocase efetua a troca de uma molécula de ATP da matriz mitocondrial por uma molécula de ADP externa. Se a concentração extramitocondrial de ATP se eleva, falta ADP para troca e não há saída de ATP. 

A atuação da ATP/ADP transloca-se á coadjuvada por outra proteína, chamada fosfato translocase, que permite a entrada de fosfato na mitocôndria, acompanhada da saída de OH-. O transporte de fosfato é inibido por reagentes específicos para grupos sulfidrila, como a N-etil-meleimida. 

A membrana interna da mitocôndria apresenta, ainda, vários outros sistemas de transporte, sendo importantes os seguintes:

Dicarboxilato translocase. Promove a troca de dicarboxilatos (malato, succinato e furmarato) por fosfato, ou a troca de um descarboxilato por outro. 

Tricarboxilato translocase. Efetua o antiporte de citrato ou isocitrato por malato. 

Piruvato translocase. Permite a entrada do piruvato produzido no citossol e a saída de OH-. 

Glutamato translocase. Específica para glutamato, que pode ser trocado por aspartato ou OH-. 

VIA DAS PENTOSES FOSFATO

A via das pentoses fosfato é uma via alternativa de oxidação de glicose e a única via de produção de ribose 5-fosfato, a pentose constituinte dos nucleotídios que compõe os ácidos nucleicos e várias coenzimas. 

A glicólise e em outras vias degradativas, o substrato é oxidado, gerando coenzimas reduzidas cuja oxidação produz ATP. Na síntese de muitos compostos ocorre o reverso: há consumo de ATP e redução do substrato. O doador de elétrons para esta redução não é o NADH, mas uma coenzima semelhante: a nicotinamida adenina dinucleotídio fosfato (NADPH0. É na  via das pentoses fosfato que o NADP+ é reduzido a NADPH.  

De fato, nesta via, a energia derivada da oxidação da glicose é armazenada sob a forma de poder redutor (NADPH) e não de ATP como na glicólise.

A via das pentoses consta de uma parte oxidativa, que produz NADPH, e uma parte não oxidativa, que interconverte açúcares fosforilados

A via das pentoses fosfato compreende uma etapa inicial, oxidativa, em que a glicose 6-fosfato é convertida a ribulose 5-fosfato por suas oxidações sucessivas, catalisadas por desidrogenase específicas para NADP+. A equação geral desta etapa é:

Glicose 6-fosfato + 2 NADP+ + H2O          Ribulose 5-fosfato + 2(NADPH + H+) + CO2 

GLICOGÊNIO: DEGRADAÇÃO E SÍNTESE

O glicogênio é um polímero de glicose e constitui uma forma de armazenamento deste açúcar; é utilizado principalmente pelo fígado e músculos quando a oferta de glicose supera as necessidades energéticas imediatas destes órgãos.

O glicogênio hepático degradado produzindo glicose, que é exportada para manter a glicemia (concentração de glicose sanguínea) nos períodos entre as refeições e no jejum noturno. O glicogênio muscular provê energia exclusivamente para a própria fibra muscular em contração intensa, quando a demanda energética ultrapassa o aporte de oxigênio, sendo, então, convertido a lactato. 

O glicogênio é um polissacarídio altamente ramificado. Os resíduos de glicose são unidos por ligações glicosídicas entre os carbonos 1 e 4 (ligações  - 1, 4) nos segmentos lineares, e as ramificações são formadas por ligações entre os carbonos 1 e 6 (ligações  - 1, 6). O glicogênio apresenta dois tipos  de extremidades, chamadas redutora e não redutora. 

A degradação do glicogênio produz glicose 1-fosfato

A degradação do glicogênio consiste na remoção sucessiva de resíduos de glicose, a partir das extremidades não redutoras, por ação da glicogênio fosforilase. Esta enzima quebra a ligação  - 1,4 por reação com fosfato, liberando um resíduo de glicose como glicose 1-fosfato. 

A ação da glicogênio fosforilase prossegue ao longo da cadeia, terminando 4 resíduos antes de uma ramificação. Uma transferase transfere 3 destes resíduos para uma outra extremidade do glicogênio, neste ponto, um resíduo de glicose unido por uma ligação -1,6. Esta ligação é hidrolisada por uma -1,6 glicosidase, também chamada enzima desramificadora. 

A degradação, entretanto, não é completa, restando um núcleo não degradado que serve de ponto de partida para a ressíntese. 

A síntese de glicogênio utiliza como precursor uma forma ativada de glicose e gasta 2 ATP por glicose incorporada

O glicogênio é sintetizado por uma via diferente da via de degradação. A síntese consiste na repetida adiação de resíduos de glicose às extremidades não redutoras de um núcleo de glicogênio. A glicose a ser incorporada deve estar sob uma forma ativada, ligada a um nucleotídio de uracila, constituindo a uridina difosfato (UDP-G). O UDP-G é produzido, a partir de glicose, pela seguinte série de reação: 

Glicose + ATP           Glicose 6-fosfato + ADP + H+ 

Glicose 6-fosfato                              Glicose 1-fosfato

Glicose 1-fosfato + UTP                       UDP-G + PPi 

Esta última reação é catalisada pela glicose 1-foafato uridil transferase. O UDP-G substrato da glicocogênio sintase, a enzima que, efetivamente, catalisa a síntese: 

Glicose            

UDP-G  +  (Glicose)n                        (Glicose)n + 1 + UDP 

Sintase

O UDP produzida na reação catalisada pela glicogênio sintase é reconvertido a UTP a custa de ATP pela nucleosídio difosfato quinase, e o pirofosfato (HP2O3/7- ou Ppi) é hidrolisado por ação de pirofosfatase, produzindo fosfato inorgânico (HPO 3/4- ou Pi): 

UDP + ATP                  UTP + ADP

Ppi  +  H2O               2Pi  +  H+ 

A soma de todas as reações acima é:

Glicose + 2 ATP + (Glicose)n + H2O          (Glicose)n + 1 + 2 ADP + 2Pi 

Mostrando um gasto de 2 ATP para cada resíduo de glicose incorporado so glicogênio.

METABOLISMO DE FRUTOSE E GALACTOSE

A sacarose dietária constitui uma fonte quantativamente importante de monossacarídios para o homem; a lactose, o açúcar presente no leite, tem importância principalmente nos primeiros meses de vida. Estes dissacarídios são hidrolisados no intestino delgado, por sacarose e lactose, respectivamente. A sacarose produz glicose e frutose;  lactose libera glicose e galactose. 

Não sendo hidrolisada, a lactose permanece no intestino delgado, onde sofre fermentação bacteriana de sua conversão a intermediários da glicólise.

A frutose é convertida a diidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato, através das seguintes reações: 

Em outros tecidos (adiposo e músculo), a frutose é convertida a frutose 6-fosfato pela hexoquinase:

Frutose + ATP                        Frutose 6-fosfato + ADP + H+ 

METABOLISMO DE LIPÍDIOS

Os triagliceróis são os lipídios mais abundantes da dieta e constituem a forma de armazenamento de todo o excesso de nutrientes, quer este excesso seja ingerido sob a forma de carboidratos, proteínas ou dos próprios lipídios. Representam, portanto, a principal reserva energética do organismo, perfazendo, em média, 20% do peso corpóreo, o que equivale a uma massa 100 vezes maior do que a do glicogênio hepático. Os triagliceróis  são armazenados nas células adiposas, sob forma anidra, e podem ocupar a maior parte do volume celular.

DEGRADAÇÃO DE TRIAGLICERÓIS E ÁCIDOS GRAXOS

A mobilização do depósito de triagliceróis é obtida por ação de lipases, presentes nos adipócitos, que hidrolisam os triacilgliceróis a ácidos graxos e glicerol, oxidados por vias diferentes.

O glicerol não pode ser reaproveitado pelos adipócitos, que não têm glicerol quinase, sendo então liberado no sangue. No fígado, por ação da glicerol quinase, é convertido a glicerol 3-fosfato e transformado em diidroxiacetona fosfato, um intermediário da glicose ou da gliconeogênese.

O gliceros não pode ser reaproveitado pelos adipócitos, que não têm glicerol quinase, sendo então liberado no sangue. No fígado, por ação da glicerol quinase, é convertido a glicerol 3-fosfato e transformado em diidroxiacetona fosfato, um intermediário da glicólise ou da glicogênese.

Os ácidos graxos liberados pelos adipócitos são transportados pelo sangue ligados à albumina e utilizados, principalmente pelo fígado e músculos, como fonte de energia. Sua degradação, como se verá a seguir, é feita por uma via especial, que se processa no interior das mitocôndrias.

Para sua oxidação, os ácidos graxos são ativados e transportados

Para a matriz mitocondrial

Em uma etapa que precede sua oxidação, as ácidos graxos são ativados por conversão a acil-CoA, por ação de acil-CoA sintetases, presentes na membrana externa da mitocôndria.

Nesta reação, forma-se uma ligação tioéster entre o grupo carboxila do ácido graxo e o grupo SH da coenzima. A, produzindo uma acil-CoA. As acil-CoA, como a acetil-CoA, são compostos ricos em energia: a energia derivada da clivagem do ATP em adenosina monofosfato (AMP) e pirofosfato inorgânico (PPi), com a quebra de uma ligação anidrido fosfórico, é utilizada para formar a ligação tioéster. O pirofosfato é hidrolisado a 2 Pi, numa reação irreversível, o que torna o processo de ativação do ácido graxo a acil-CoA também irreversível.

A membrana interna da mitocôndria é impermeável a coenzima A e a acil-CoA. Para a introdução dos radicais acila na matriz mitocondrial, é utilizado um sistema específico de transporte na face externa da membrana interna, a carnitina-acil transferase I transfere o radical acila para a carnitina, e, na face interna, a carnitina-acil transferase II doa o grupo acila da acil-carnitina para uma coenzima. A da matriz mitocondrial, liberando a carnitina.

A acil-CoA é oxidada a acetil-CoA, produzindo NADH e FADH2 

A acil-CoA presente na matriz mitocondrial é oxidada por uma via denominada -oxidação no ciclo de Lynen. Esta via consta de uma série cíclica de quatro reações, ao final das quais a acil-CoA é encurtada de dois carbonos, que são liberados sob a forma de acetil-CoA. As quatro reações são:

oxidação da acil-CoA a uma enoil-CoA (acil-CoA -instaurada) de configuração trans com formação de FADH2;

hidratação da dupla ligação, formando o isômero L da 3-hidroxiacil-CoA;

oxidação do grupo hidroxila a carbonila, com formação de -cetoacil-CoA e NADH;

quebra da -cetoacil-CoA por uma molécula de CoA, com formação de acetil-CoA e uma acil-CoA com dois carbonos a menos; esta acil-CoA refaz o ciclo várias vezes, até ser totalmente convertida a acetil-CoA.

A oxidação do ácido palmítico produz 129 ATP

A oxidação completa de um ácido graxo exige a cooperação entre o ciclo de Lynen, que converte o ácido graxo a acetil-CoA, e o ciclo de Krebs, que oxida o radical acetil a CO2.

Em cada volta do ciclo de Lynen, há produção de 1 FADH2, 1 NADH, 1 acetil-CoA e 1 acil-CoA com dois átomos de carbono a menos que o ácido graxo original.

Sempre que o número de átomos de carbono do ácido graxo for par, a última volta do ciclo de oxidação inicia-se com uma acil-CoA de quatro carbonos, a butiril-CoA, e, neste caso, são produzidas 2 acetil-CoA, além de FADH2 e NADH.

O número de voltas percorridas por um ácido graxo até sua conversão total a acetil-CoA dependerá, naturalmente, do seu número de átomos de carbono. Assim sendo, para a oxidação completa de uma molécula de ácido palmítico, que tem 16 átomos de carbono, são necessárias sete voltas no ciclo, com a produção de 8 acetil-CoA. A oxidação de cada acetil-CoA no ciclo de Krebs origina 3 NADH, 1 FADH2 e 1 GTP. Pela fosforilação oxidativa completa do formam, respectivamente, 3 e 2 ATP. A produção de ATP formado (131) deve ser descontado o gasto inicial na reação de ativação do ácido graxo, onde há conversão de ATP e AMP + 2Pi e, portanto, consumo de duas ligações ricas em energia, o que equivaleria a um gasto de 2 ATP. O rendimento final da oxidação do ácido palmítico será, então, 129 ATP.

A -oxidação dos ácidos graxos com número ímpar de átomos de carbono produz

Propionil-CoA, que é convertida a succinil-CoA

Os ácidos graxos com número ímpar de átomos de carbono constituem uma pequena fração dos ácidos graxos da dieta e são também oxidados pela via da -oxidação. Neste caso, entretanto a última volta do ciclo de Lynen inicia-se com uma acil-CoA de cinco carbonos e produz uma molécula de acetil-CoA e uma de propionil-CoA, ao invés de duas de acetil-CoA. Para sua oxidação, a propionil-CoA é convertida a succinil-CoA, análoga à carboxilação de piruvato a oxaloacetato e que também requer botina como coenzima. A conversão de D-metilmalonil-CoA a succinil-CoA é feita em duas etapas: transformação do isômero D em L e isomerização deste último composto utilizando 5+-adenosil-cobalamina, um derivado da vitamina B12, como coenzima.

A oxidação de ácidos insaturados também requer enzimas adicionais

Os ácidos graxos insaturados são muito comuns em tecidos animais e vegetais, e suas duplas reações apresentam quase sempre a configuração cis. Para sua oxidação, além das enzimas da oxidação, são necessárias duas enzimas adicionais: uma epimerase é uma isomerase.

2

2

3

Após a remoção de algumas unidades de dois carbonos (acetil-CoA) pelo ciclo de Lynen, o ácido graxo insaturado originará uma   -enoil-CoA ou uma  -enoil-CoA, segundo a posição original da dupla ligação no ácido graxo.

A cis- -enoil-CoA é substrato para a enoil-CoA hidratase, mas o produto formado é o D-3-hidroxiacil-CoA, ao invés do isômero L, formado na oxidação de ácidos graxos saturados. A etapa seguinte é catalisada pela 3-hidroxiacil-CoA, que só reconhece isômeros L.

Portanto o isômero D deve ser convertido em L por ação de uma epimerase, para seguir as reações subseqüentes da -oxidação.

O fitol, componente da clorofila, é oxidado por alfa e beta-oxidação

A clorofila é um componente quantitativamente importante da alimentação de muitos animais. Um dos substituíntes do núcleo pirrólico da clorofila é o fitol, um álcool com uma longa cadeia alifática, que pode ser oxidado a ácido fitânico, um componente minoritário de gorduras, leite e derivados. O ácido fitânico, por conter um radical metil no carbono , não é reconhecido pela acil-CoA desidrogenase, que catalisa a primeira reação da -oxidação. Esta situação é contornada pela hidroxilação do carbono  do ácido fitânico (-oxidação), seguida por descarboxilação. O ácido pristânico produzido tem o radical metil agora no carbono  e apresenta o carbono  não-substanciado, podendo ser ativado e oxidado pelo ciclo de Lynen. Devido à presença dos radicais metil, a oxidação da pristanoil-CoA produz, alternadamente, propionil-CoA.

A deficiência hereditária de enzima que promove a -oxidação resulta em acúmulo de ácido pristânico no sangue e nos tecidos, com lesão do sistema nervoso central (moléstia de Refsum)

No fígado, a acetil-CoA pode ser convertida a corpos cetônicos, oxidados por tecidos extra-hepáticos

No fígado, uma pequena quantidade de acetil-CoA é normalmente transformada em  acetoacetato -hidroxibutirato. Estes dois metabólitos e a acetona, formada espontaneamente pela descarboxilação do acetoacetato, são chamados em conjunto de corpos cetônicos, e sua síntese, de cetogênese. Esta ocorre na matriz mitocondrial, através da condensação de três moléculas de acetil-CoA em duas etapas. Na primeira, catalisada pela tiolase, duas moléculas de acetil-CoA originam acetoacetil-CoA. Esta reação, quando transcorre no sentido oposto, constitui a última reação da última volta do ciclo de Lynen. A reação de acetoacetil-CoA com uma terceira molécula de acetil-CoA forma 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA). Sua clivagem origina acetoacetato e acetil-CoA. O acetoacetato produz -hidroxibutirato e acetona.

Os corpos cetônicos são liberados na corrente sangüínea, e o acetoacetato e o -hidroxibutirato são aproveitados, principalmente pelo coração e músculos, como fonte de energia. Estes órgãos são capazes de utilizar os dois compostos por possuírem uma enzima, a -cetoacil-CoA transferase,ausente do fígado. Esta enzima catalisa a transferência de CoA de succinil-CoA para acetoacetato, formando acetoacetil-CoA é um intermediário do ciclo de Lynen e, por ação da tiolase, é cindida em duas moléculas de acetil-CoA, que podem ser oxidadas pelo ciclo de Krebs. O aproveitamento do -hidroxibutirato é feito por sua prévia transformação em acetoacetato, através da ação da -hidroxibutirato desidrogenase.

A produção de corpos cetônicos é, portanto, um processo que permite a transferência de carbonos oxidáveis do fígado para outros órgãos. Esta produção é anormalmente alta quando a degradação de triagliceróis aumenta muito sem ser acompanhada por degradação proporcional de carboidratos. É o que ocorre quando há redução drástica da ingestão de carboidratos (jejum ou dieta) ou distúrbio de seu metabolismo (diabetes). Como a produção ultrapassa o aproveitamento pelos tecidos extra-hepáticos (cetose), os corpos cetônicos aparecem no plasma em concentração elevada (cetonemia), levando a uma acidose, isto é, uma diminuição do pH sangüíneo. Em casos de cetose acentuada, o cérebro pode obter parte da energia que necessita por oxidação dos corpos cetônicos.

O etanol é oxidado a acetil-CoA

O etanol ingerido pelo homem é prontamente absorvido e, no fígado, é oxidado a acetaldeído pela álcool desidrogenase citoplasmática, em uma reação idêntica à última etapa da fermentação alcoólica por leveduras:

O equilíbrio da reação favorece a formação de etanol, mas sua oxidação prossegue graças a conversão de acetaldeído em acetato, catalisada pela acetaldeído desidrogenase mitocondrial:

O acetato, à semelhança dos ácidos graxos, origina acetil-CoA por ação da acil-CoA sintetase. Neste ponto, o metabolismo do etanol confunde-se com o metabolismo de carboidratos, lipídios e proteínas, que também originam acetil-CoA. Deste modo, o consumo de quantidade discretas de etanol significa consumo adicional de calorias, que devem ser adicionadas às calorias derivadas na ingestão de nutrientes no cômputo das calorias totais da dieta. Todavia, a ingestão de grandes quantidades de etanol e, principalmente, o alcoolismo crônico têm conseqüências muito danosas para o organismo.

Alguns efeitos metabólicos do álcool no fígado são resultado da produção de níveis altos de NADH no citossol, onde normalmente a concentração de NAD+ é muito maior do que a de NADH. A alta concentração de NADH resultante da oxidação do etanol desloca a reação catalisada pela lactato desidrogenase no sentido da formação de lactato, cuja concentração pode aumentar de até cinco vezes, levando, portanto, a uma acidose. A baixa concentração de piruvato resultante impossibilita a gliconcogênese. Como, muitas vezes, a ingestão de álcool não é acompanhada de ingestão de nutrientes, pode ocorrer hipoglicemia e, finalmente, coma. A produção de acetil-CoA associada à baixa disponibilidade de glicose ocasiona cetose. Muitos efeitos metabólicos ao etanol ainda são compreendidos, especialmente aqueles que induzem a dependência.

SÍNTESE DE ÁCIDOS GRAXOS E TRIACILGLICERÓIS

Os ácidos graxos, constituíntes dos triacilgliceróis, podem diretamente da dieta ou serem sintetizados a partir de carboidratos, principalmente, e de proteínas. Neste último caso, os carboidratos e os aminoácidos são degradados até acetil-CoA e oxaloacetato. A síntese de ácidos graxos ocorre no citossol, para onde deve ser transportada a acetil-CoA formada em mitocôndria. Da condensação de acetil-CoA e oxaloacetato, forma-se citrato. Se a carga energética celular for alta (alta concentração de ATP), o citrato não pode ser oxidado pelo ciclo de Krebs em virtude da ambição da isocitrato desidrogenase e é transportado para a citossol, onde é cindido em oxaloacetato e acetil-CoA, à custa de ATP, numa reação catalisada pela citrato liase:

O oxaloacetato é reduzido a malato pela desidrogenase málica do citossol. O malato é substrato da enzima málica: nesta reação são produzidos piruvato, que retorna a mitocôndria, e NADPH.

A síntese de ácidos graxos tem malonil-CoA como doador de carbonos e NADPH como agente redutor

A síntese de ácidos graxos consiste na união seqüencial de unidades de dois carbonos: a primeira unidade é proveniente de acetil-CoA, e todas as subseqüentes, de malonil-CoA, formada por carboxilação de acetil-CoA. Esta reação é catalisada pela acetil-CoA, formada por carboxilação de acetil-CoA. Esta reação é catalisada pela acetil-CoA carboxilase, que tem como grupo prostético a biotina.

A síntese de ácidos graxos em bactérias e mamíferos processa-se através das mesmas reações catalisadas, todavia, por sistemas enzimáticos diferentes. A seguir será descrita a síntese em bactérias e, posteriormente, assinaladas as diferenças entre este sistema e o que ocorre em mamíferos.

Nas bactérias, as enzimas da síntese de ácidos graxos estão agrupadas em um complexo enzimático chamado sintase de ácidos graxos. Também faz parte deste complexo uma pequena proteína não enzimática, designada proteína carregadora de acila, ou ACP (“acyl-carrier protein”), à qual está sempre ligada a cadeia do ácido graxo em crescimento. O ACP tem como grupo prostético um derivado do ácido pantotênico: a  fosfopanteteína, também componente da coenzima A.

A síntese inicia-se com a transferência do radical acetil da CoA para o ACP, catalisada pela primeira enzima do complexo: a acetil-CoA-ACP transacilase; este radical é, a seguir, transferido para o grupo SH de um resíduo de cisteína da Segunda enzima do complexo: a -cetoacil-ACP sintase. O ACP, agora livre, pode receber o radical malonil da malonil-CoA, formado malonil-ACP. Segue-se uma condensação dos grupos acetil e malonil, catalisada pela -cetoacil-ACP sintase (enzima de condensação), com liberação de CO2. Este CO2 é exatamente aquele usado para carboxilar a acetil-CoA a malonil-CoA. Por isso, apesar de CO2 ser imprescindível à síntese de ácidos graxos, seu átomo de carbono não aparece no produto. O fato de a condensação processar-se com uma descarboxilação faz com que esta reação seja acompanhada de uma grande queda de energia livre, dirigindo a reação no sentido da síntese. Justifica-se assim o gasto inicial de ATP para produzir malonil-CoA a partir de acetil-CoA: a utilização do percursor de três carbonos contorna a inviabilidade termodinâmica da condensação de duas moléculas de dois carbonos.

A -cetoacil-ACP de quatro carbonos formada sofre uma redução, uma desidratação e nova redução. As reduções são catalisadas por redutases que usam NADPH como doador de elétrons. Neste ponto termina o primeiro ciclo de síntese, com a formação de um butiril-ACP. Deve-se notar que a seqüência das reações de síntese (condensação, redução, desidratação e redução) é inversa à seqüência das reações de oxidação de um ácido graxo pelo ciclo de Lynen (oxidação, hidratação, oxidação, quebra da cadeia carbônica). Os processos diferem, entretanto, quanto às enzimas e coenzimas que utilizam, o compartimento celular onde se processam e o suporte da cadeia carbônica (CoA ou ACP).

Para prosseguir o alongamento da cadeia, o radical butiril é transferido para o grupo SH da - cetoacil-ACP sintase ( à semelhança do que ocorreu com o radical acetil), liberando o ACP, que recebe outro radical malonil. A repetição do ciclo leva à formação do hexanoil-ACP e, após mais cinco voltas, de palmitoil-ACP, que hidrolisado, libera o ácido palmítico.

Nos animais, a sintase de ácidos graxos é composta por apenas duas cadeias polipeptídicas idênticas, formando, portanto, um dímero do tipo  2. A cada cadeia encontra-se associado um ACP. O que torna notável esta organização é o fato de estas cadeias polipeptídicas constituírem enzimas multifuncionais. Este termo é aplicado para designar cadeias polipeptídicas que apresentam várias atividades catalíticas, cada uma das quais associada a uma certa região da cadeia. Este é exatamente o caso da sintase de ácidos graxos dos animais, que apresentam, em cada cadeia peptídica, as atividades correspondentes às seguintes enzimas bacterianas: acetil-CoA-ACP transacilase, malonil-CoA-ACP transacilase, -cetoacil-ACP redutase, -cetoacil-ACP desidratase, enoil-ACP redutase e tioesterase. Esta última atividade é a responsável pela hidrólise final de palmitoil-ACP, liberando ácido palmítico. Uma comparação entre s atividades enzimáticas de cada monômero do complexo e as enzimas necessárias para a síntese de ácidos graxos em bactérias revela a ausência de atividade equivalente à da enzima de condensação (-cetoacil-ACP sintase) no monômero. De fato, esta atividade só aparece no dímero funcional, pois depende de interações das duas cadeias peptídicas. A presença de enzimas multifuncionais associadas em um dímero traz, naturalmente, grande eficiência e economia ao processo de síntese, permitindo também a síntese simultânea de duas moléculas de palmitato, uma em cada monômero.

No total, a síntese de ácido palmítico (16 C) requer 1 acetil-CoA, 1 malonil-CoA, 14 NADPH e 7 ATP (consumidos na formação de 7 malonil-CoA a partir de 7 malonil-CoA). Os NADPH têm duas origens: provêem da reação catalisada pela enzima málica e das reações da via das pentoses-fosfato catalisadas por desidrogenases. A importância relativa entre essas duas fontes de poder redutor depende do tecido considerado.

O palmitato pode sofrer alongamento e insaturações. Alguns ácidos graxos insaturados são essenciais para os mamíferos

O ácido palmítico pode ser utilizado como percursor para a formação de ácidos graxos mais longos ou insaturados. Os sistemas enzimáticos incubidos dessas modificações situam-se no retículo endoplasmático.

9, 12, 15

6, 9, 12

9, 12, 19

9, 12

9

O alongamento processa-se por reações muito semelhantes às da síntese de ácidos graxos. Os ácidos graxos com uma dupla ligação na posição  são sintetizados por um complexo enzimático que requer NADH e O2 e inclui o citocromo b5, firmemente ligado ao retículo endoplasmático. Este sistema produz os ácidos graxos monoinsaturados mais comuns nos tecidos animais: palmitoleico e  oleico. Nos mamíferos, não há possibilidade de introdução de duplas ligações entre carbonos mais distantes da carboxila do que o C9. Os ácidos linoleico (C18      ) e -linolênico ( C18          ) são, por isso, essenciais para o homem, isto é, devem ser obtidos pela dieta. A dessaturação adicional do ácido linoleico origina o ácido -linolênico (C18          ) nos animais e o ácido -linolênico (C18           ) nas plantas.

5, 8, 11, 14

8, 11, 14

O ácido -linolênico sofre alongamento de dois carbonos que resulta em alterações da posição das insaturações e formação de um intermediário C20           . A quarta insaturação

é introduzida entre os carbonos 5 e 6, originando o ácido araquidônico ( C20             ). Estas

vias de dessaturação de ácidos graxos não estão totalmente elucidadas, mas admite-se que o ácido linoleico seja o único ácido graxo essencial para o homem; as necessidades de ácido -linolênico são, ainda, obscuras.

O ácido araquidônico é percursor das prostaglandinas. As prostaglandinas compõe uma família de substâncias produzidas pela maioria das células dos mamíferos e que, atuando em concentrações tão baixas quanto os hormônios, regulam processos fisiológicos muito diversificados, como agregação de plaquetas, concentração de musculatura lisa, reação inflamatória etc.

Os percursores dos triacilgliceróis são glicerol 3-fosfato e acil-CoA

Os triacilgliceróis são sintetizados a partir de acil-CoA derivadas de ácidos graxos e glicerol 3-fosfato. O glicerol 3-fosfato é formado por redução de diidroxiacetona fosfato: obtida a partir de glicose. No fígado, existe uma via alternativa para obtenção de glicerol 3-fosfato:  a fosforilação do glicerol, catalisada pela glicerol quinase. O glicerol 3-fosfato é acilado em duas etapas, formando fosfatidato, intermediário também da síntese de fosfolipídios. O triaglicerol é obtido  por hidrólise do grupo fosfato do fosfatidato, seguida por nova acilação.

METABOLISMO DO COLESTEROL

No homem, o colesterol pode ser obtido através dos alimentos ou por síntese endógena. Um indivíduo adulto excreta cerca de 1,100 mg de derivados de colesterol por dia, que são repostos em uma dieta média, por cerca de 250 mg provenientes da alimentação e por 850 mg originários de biossíntese. O principal órgão responsável pela síntese de colesterol é o fígado, que produz cerca de 1/3 do colesterol do organismo. A acetil-CoA é percursora de todos os átomos de carbono (27) presentes no colesterol.

A síntese inicia-se com a condensação de duas moléculas de acetil-CoA, produzindo acetoacetil-CoA. Esta reação é catalisada pela tiolase citossótica. Reação idêntica, catalisada pela tiolase mitocondrial, aparece na -oxidação de ácidos graxos e na formação de corpos cetônicos. Na etapa seguinte, a acetoacetil-CoA condensa-se com outra molécula de acetil-

CoA, produzindo 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA), numa reação catalisada pela hidroximetilglutaria-CoA sintase (HMG-CoA sintase) do retículo endoplasmático.

Esta enzima também pode ser encontrada na mitocôndria e, nesta organela, sua função está relacionada à cetogênese. A HMG-CoA é a seguir reduzida a mevalonato, numa reação catalisada pela HMG-CoA redutase. Seguem-se duas fosforilações, que levam à produção de 5-pirofosfomevalonato. A descarboxilação é eliminação da hidroxila do 5-pirofosfomevalonato origina isopentenil-pirofosfato. Este composto de 5 carbonos é isomerizado a dimetilalil pirofosfato, que se condensa em outra molécula de isopentenil pirofosfato, formando geranil pirofosfato, com 10 carbonos.

Nova molécula de isopentenil pirofosfato condensa-se com o geranil pirofosfato, produzindo farnesil pirofosfato, de 15 carbonos. Duas moléculas de farnesil pirofosfato reagem, com eliminação de PPi, formando presqualeno pirofosfato que reduzido por NADPH, origina o esqualeno, um composto de 30 carbonos. Segue-se uma reação complexa, que envolve O2 e NADPH, na qual é formado o esqualeno 2,3 óxido. A próxima etapa consiste na completa ciclização do composto, formando-se lanosterol. A partir deste composto cíclico, uma série de reações, compreendendo remoção de grupos metila e migrações de duplas ligações, leva, finalmente, à produção de colesterol.

A produção de colesterol é uma síntese redutiva, que ocorre com grande consumo de energia para cada molécula sintetizada são empregados 18 ATP e 14 NADPH.

O colesterol, além de ser um componente estrutural de membranas, é percursor dos sais biliares e dos hormônios esteroídicos.

Os ácidos biliares são esteróides di-e triidroxilados, com 24 carbonos, e sua síntese consome cerca de 80% do colesterol sintetizado no fígado. No homem, os principais ácidos biliares formados são os ácidos cólico e quenodesoxicólico. Estes ácidos estão presentes, na sua maior parte, associados a glicina e a taurina por ligação amídica, constituíndo os sais biliares. Os ácidos e sais biliares te papel fundamental na digestão de lipídios: por suas propriedades anfifílicas, são os principais responsáveis pela emulsificação e solubilização dos lipídios, fascilitando sua digestão e absorção. A maior parte dos ácidos e sais biliares é reabsorvida no intestino e retorna ao fígado. A parte restante é excretada com as fezes, depois de parcialmente degradada pela ação das bactérias intestinais.

Os principais hormônios esteroídicos são aqueles produzidos no córtex da supra-rena (como o cortisol) e os hormônios sexuais, produzidos nas gônadas (andrógenos e estrógenos).

METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS

Os aminoácidos presentes nas células animais originam-se das proteínas dietárias exógenas e das proteínas endógenas. As proteínas da dieta devem ser digeridas para que seus aminoácidos possam penetrar nas células. A digestão é obtida por hidrólise catalisada por enzimas proteolíticas presentes no tubo digestivo: a digestão inicia-se no estômago e completa-se no intestino delgado. Os aminoácidos resultantes são absorvidos pela mucosa intestinal e distribuídos para os tecidos que, portanto, recebem um conjunto de aminoácidos cuja composição varia de acordo com a proteína ingerida na alimentação. As proteínas da dieta contribuem com cerca de ¼ dos aminoácidos presentes no organismo, e as proteínas endógenas, com os ¾ restantes. Esta contribuição deve-se ao fato de as proteínas endógenas, como os demais compostos do organismo, não serem permanentes, estando em contínua degradação e ressíntese. Estima-se que, em um homem adulto com uma dieta adequada, haja uma renovação (“turnover”) de aproximadamente 400 g de proteínas por dia. Todavia, esta medida representa apenas um valor médio, porque a meia-vida das proteínas por endógenas apresenta uma enorme variação. Pouco se sabe ainda sobre os mecanismos que controlam esta degradação e determinam velocidades diferentes de degradação para cada proteína. A manutenção da concentração correta de cada proteína é obtida pela síntese desta proteína em velocidades equivalentes à de sua degradação e, embora exista, flutuações de concentração em tempos muito curtos, em tempos maiores a concentração proteica geral mantém-se constante.

Os aminoácidos das duas procedências – exógenas e endógena – constituem um “pool” que é utilizado para a ressíntese das proteínas endógenas e de todos os compostos nitrogenados não-protéicos. Com efeito, os aminoácidos são percursores e compostos biologicamente importantes, como as bases nitrogenadas constituintes dos nucleotídios (e, portanto, dos ácidos nucleicos) e de aminas e seus derivados, como adrenalina, ácido gama-aminobutírico, histamina etc.

Os organismos não são capazes de armazenar aminoácidos nem proteínas, e, conseqüentemente, satisfeitas as necessidades de síntese, os aminoácidos escedentes são degradados.

DEGRADAÇÃO DE AMINOÁCIDOS: REAÇÕES GERAIS

A degradação dos aminoácidos compreende a remoção do grupo amino e a oxidação da cadeia carbônica remanescente. O grupo amino é convertido a uréia e as 20 cadeias carbônicas resultantes são convertidas a compostos comuns ao metabolismo de carboidratos e lipídios, como piruvato, acetil-CoA e intermediários do ciclo de Krebs.

O grupo amino da maioria dos aminoácidos é coletado como glutamato

O grupo amino da maioria dos aminoácidos (alanina, arginina, aspartato, asparagina, cisteína, fenilalanina, glutamina, isoleucina, leucina, tirosina, triptofano e calina) é retirado por um processo comum, que consiste na transferência deste grupo para o -cetoglutarato, formando glutamato a cadeia carbônica do aminoácido é convertida ao -cetoácido correspondente:

Aminoácido + -Cetoglutarato                       -Cetoácido + Alutamato

Estas reações são catalisadas por transaminases, também chamadas aminotransferases, enzimas presentes no citossol e na mitocôndria e que têm como coenzima piridoxal-fosfato. Esta coenzima é derivada da vitamina B6, que pode ser encontrada na natureza sob três formas: piridoxina, piridoxal e piridoxamina.

Em tecidos de mamíferos, para a remoção do grupo amino, as transaminases sempre utilizam -cetoglutarato como aceptor, formando-se glutamato. O nome da transaminase deriva do aminoácido doador do grupo amino para o -cetoglutarato, como, por exemplo, a alanina transamina (ou alanina aminotransferase):

Alanina + -Cetoglutarato                   Piruvato + glutamato

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

+

4

                         O grupo amino do glutamato origina aspartato e NH

As reaçòes catalisadas pelas transaminases são facilmente reversíveis, pois têm constante de equilíbrio próxima de 1. Desta forma, a desaminação de um aminoácido depende da remoção contínua dos produtos formados: glutamato e o -cetoácido correspondente ao aminoácido. O glutamato pode ser removido por transaminação com oxaloacetato, formando aspartato, por ação de aspartato transaminase.

Glutamato + Oxaloacetato                   -Cetoglutarato + Aspartato

+

4

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

O glutamato pode também ser desaminado, produzindo NH    . Esta reação é catali-

Sada pela glutamato desidrogenase, uma enzima mitocondrial, encontrada principalmente no fígado, que utiliza NAD+ como coenzima.

+

4

Glutamato + NDA+ + H2O                 -Cetogluterato + NADH + NH     + H+ 

A glutamato desidrogenase é específica para o glutamato, e não se conhecem desidrogenases análogas para qualquer outro aminoácido.

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Em resumo, o resultado da ação combinada das transaminases e da glutamato desidrogenase é a convergência dos grupos amino da maioria dos aminoácidos para dois compostos únicos: NH    .

Alguns aminoácidos são desaminados por vias especiais.

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4

Há sete aminoácidos (glicina, histidina, metionina, prolina, serina e treonina) que não participam de reações de transaminação direta. Entretanto, um aspecto comum é importante do metabolismo destes aminoácidos é a forma de remoção do grupo amino: ao longo das vias de degradação, o grupo amino ou é liberado como NH   por reações de desaminação

específicas, ou forma glutamato através de transaminação de um intermediário aminado com

+

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-cetoglutarato. Desta forma, as átomos de nitrogênio deste conjunto de aminoácidos convergem para os mesmos produtos originados pelo grupo amino dos outros aminoácidos: NH   e glutamato, que pode originar aspartato.

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4

Concluindo, durante a degradação dos 20 aminoácidos, o grupo amino é convertido finalmente em NH    e aspartato, percursores da uréia.

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4

A uréia é sintetizada a partir de NH    aspartato e HCO3 

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Os dois átomos de nitrogênio presentes na uréia são provenientes de NH   e aspar-

tato, ambos derivados de glutamato. O átomo de carbono origina-se do bicarbonato. A síntese da uréia é feita no fígado, através do ciclo da uréia ou ciclo de Krebs-Hansleit. A síntese inicia-se na matriz mitocondrial, com a formação de carbamoil-fosfato a partir de íons bicarbonato e amônio com gasto de duas moléculas de ATP. O carbamoil-fosfato condensa-se com ornitina, formando citrulina, que é transportada para o citossol, onde reage com o aspartato, formando arginina succinato, que se decompõe em arginina e fumarato. A arginina é hidrolisada, regenerando ortinina e produzindo uréia, que é transportada para o rim e eliminada pela urina.

+

4

A soma das reaçòes de formação de carbomoil-fosfato e do ciclo da uréia mostra a equação final da síntese de uréia a aprtir de NH   aspartato e HCO3:

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4

Aspartato +    NH     + HCO3 + 3 ATP + H2O   

Uréia + Fumarato + 2 ADP + 2Pi   + AMP  +  PPi + 4H-

Portanto, a síntese de uma molécula de uréia consome quatro ligações fosfato ricas em energia, uma vez que o pirofosfato é prontamente hidrolisado. Todavia, o fumarato formado no ciclo da uréia pode ser convertido a oxaloacetato, por reaçòes análogas às do ciclo de Krebs. As enzimas envolvidas são, entretanto, citossólicas. O oxaloacetato, por transaminação, forma aspartato. Considerando-se este acoplamento, há produção, pela malato desidrogenase, de 1 NADH, que forma 3 ATP através da fosforilação oxidativa, reduzindo para uma ligação rica em energia o consumo do ciclo da uréia.

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4

A uréia é o principal produto de excreção do metabolismo nitrogenado de vertebrados terrestres, aves e répteis excretam ácido úrico, e peixes, amônia. A quantidade de uréia excretada por um homem adulto é cerca de 30 g por dia, mas este valor varia proporcionalmente à quantidade de proteína ingerida. A excreção de uréia representa 90% dos compostos nitrogenados excretados, o restante aparece sob a forma de NH     creatinina e ácido úrico.

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A conversão da maior parte do NH     em uréia é fundamental para manter baixas as concentrações deste íon nos tecidos. Quando há uma restriçào na formação de uréia por disfunçào hepática a concentração de NH     se eleva, afetando principalmente o cérebro e ocasionado coma. O mecanismo pelo qual o NH     exerce tal efeito tóxico no cérebro não está completamente elucidado. Postula-se que altos níveis de NH     poderiam levar a grande consumo de -cetoglutarato para a síntese de glutamato, na reação catalisada pela glutamato desidrogenase; haveria uma depleção do ciclo de Krebs com reduçào da velocidade de oxidação da glicose, a principal fonte de ATP para o cérebro.

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Em condições metabólicas normais, a síntese de glutamato constitui uma via de aproveitamento de NH     o grupo amino, uma vez incorporado em glutamato, torna-se disponível para a síntese de aminoácidos não-essenciais e, também, para sua excreção como uréia. Uma via secundária de aproveitamento de NH     é a síntese de glutamina, que funciona como depósito temporário de NH     e como uma forma de transporte deste íon entre os diferentes órgãos. No rim, a ação da glutaminase possibilita a excreção de H+: o conteúdo de NH     da urina aumenta na acidose e diminui da alcalose. Portanto, apesar de NH     constituir uma pequena porcentagem do nitrogênio urinário, sua excreçào é importante para a manutenção do equilíbrio ácido-base.

A cadeia carbônica dos aminoácidos é degradada a piruvato, intermediários

Do ciclo de Krebs ou acetil-CoA

Removido o grupo amino do aminoácido, resta sua cadeia carbônica, na forma de -cetoácido. As 20 cadeias carbônicas diferentes não tem uma via comum de degradação. Seu metabolismo interfere, neste aspecto, da oxidação dos ácidos graxos, todos degradados pelo ciclo de Lynen e doa açúcares, metabolizados pela glicólise.

Embora existam vias próprias para oxidação da cadeia carbônica de cada aminoácido, estas diferentes vias de degradação convergem para a produção de apenas alguns compostos: piruvato, intermediários do ciclo de Krebs (oxaloacetato, -cetoglutarato, succinil-CoA e fumarato) ou acetil-CoA. A partir deste ponto o metabolismo da cadeia carbônica dos aminoácodos confundem-se com os das cadeias carbônicas de carboidratos ou de ácidos graxos. O destino final dos -cetoácidos, que dependerá do tecido e do estado fisiológico considerados, poderá ser:

oxidação pelo ciclo de Krebs, fornecendo energia;

utilização pela glicogênese, para a produçào de glicose;

conversão a triacilgliceróis e armazenamento.

A maioria dos aminoácidos produz piruvato ou intermediários do ciclo de Krebs,

Percursores da gliconeogênese, e são, por isso, chamados glicogênicos. A leucina origina corpos cetônicos sendo o único aminoácido exclusivamente cetogênico. Algund outros aminoácidos (isoleucina, fenilanina, tirosina, treonina e triptofano) são tanto glicogênios quanto cetogênicos, isto é, são glicocetogênicos.

DEGRADAÇÃO DE AMINOÁCIDOS: VIAS ESPECIAIS

Para sistematizar o estudo de sua degradação, os aminoácidos serão agrupados em seis categorias, segundo o produto formado: piruvato, acetil-CoA, oxaloacetato, -cetoglutarato, siccinil-CoA e sumarato.

Aminoácidos que são convertidos a piruvao

 Alanina

Triptofano

É convertida diretamente a piruvato por transaminação com -cetoglutarato, catalidada pela alanina transaminase.

Na sua degradação, três carbonos são formados em alanina, um em formato e quatro em acetoacetil-CoA.

Cisteína

Há duas vias que a convertem a piruvato. O átomo de enxofre é transformado em dulfito, oxidado a sulfato pela sulfito oxidase. Esta enzima presente ligado e transfere elétrons do sulfato para o citocromo c.

   Glicina

Serina

Pode formar piruvato por desaminação catalisada pela serina desidratase. Pode ainda ser convertida a glicina por ação da serina hidroximetil transferase, que transfere o radical hidroximetil (C1) ao tetraidrofolato; o tetraidrofolato é uma coenzima transportadora de unidades monocarbônicas, que apresenta, na sua estrutura, uma vitamina: o ácido fólico.

Além de poder ser convertida a serina, pode ser oxidada a CO2 e NH     com produção de um radical monocarbônico, ou desaminada oxidativamente, formando glioxilato. Nas hiperoxalúrias, doenças hereditárias raras, o glioxilato é oxidado a oxalato, que se acumula nos tecidos sob a forma de oxalato de cálcio. A ingestão de grandes quantidades de ascorbato (vitamina C) pode também ocasionar a formação de cálculos de oxalato de cálcio.

Treonina

Em uma das vias de degradação, o carbono é oxidado e a cadeia é cindida, produzindo glicina e acetaldeído; o acetaldeído é convertido a acetil-CoA. A outra via origina succinil-CoA.

Aminoácidos que são convertidos a -cetoglutarato 

Glutamato Origina -cetoglutarato por transaminação ou por oxidação catalisada pela glutamato desidrogenase.

Glutamina, prolina, arginina e histidina Originam-se -cetoglutarato por prévia conversão a glutamato.

Glutamina O grupo amino é liberado por ação da glutaminase.

Prolina Todos os átomos de carbono da prolina aparecem como glutamato.

Arginina Ao ser hidrolisada pela arginase (ciclo da uréia), um dos carbonos aparece na uréia e os outros passam a constituir ornitina, que origina glutamato.

Histidina Cinco carbonos aparecem como glutamato e um carbono é transferido ao tetraidrofolato.

Aminoácidos que são convertidos a oxaloacetato

+

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Aspartato Convertido a oxaloacetato por transaminação e a fumarato pelo ciclo da uréia.

Asparagina Por hidrólise, forma aspartato e NH  .

Aminoácidos que são convertidos a fumarato

Tirosina Dos nove carbonos da tirosina, quatro são convertidos a fumarato, quatro a acetoacetato e um a CO2.

Fenilalanina Convertida a tirosina por uma oxidação irreversível, catalisada por fenilalanina hidroxilase.

Aminoácidos que são convertidos a succinil-CoA

Os aminoácidos que produzem succinil-CoA são inicialmente convertidos a

propionil-CoA  que também é produzida na oxidação de ácidos graxos com número ímpar de carbonos.

DOENÇAS HEREDITÁRIAS DO METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS

Um grande número de doenças hereditárias resultantes de defeitos enzimáticos foi descrito no homem. Estas doenças são geralmente raras e transmitidas por genes autossômicos recessivos. Em indivíduos homozigotos, a atividade enzimática pode apresentar-se alterada (KM ou VMAX modificados) ou estar ausente: os heterozigotos não manifestam a doença, pois um alelo normal determina síntese suficiente de enzima.

As doenças hereditárias do metabolismo de aminoácidos (são conhecidas mais de 100) constituem a maioria das doenças hereditárias metabólicas conhecidas, refletindo o grande número de vias que compõe o metabolismo de aminoácidos.

A conseqüência direta da deficiência enzimática é o acúmulo de um metabólito, freqüentemente excretado na urina. O diagnóstico é feito pela dosagem do metabólito  acumulado no sangue ou na urina ou alternativamente por dosagem da enzima em células (fibroblastos) cultivadas de fácil obtenção. Em alguns casos, só é possível dosar a enzima em células coletadas do líquido amniótico. A dosagem de enzima permite ainda identificar portadores da moléstia, pois estes apresentam concentração de enzima menor do que a de indivíduos normais.

Na moléstia da urina em xarope de bordo, a deficiência da enzima responsável pela descarboxilação oxidativa doa aminoácidos ramificados (leucina, valina, isoleucina) ocasiona um acúmulo desses aminoácidos e de seus cetoácidos, que conferem à urina um odor semelhante ao do xarope de bordo.

A acidemia isovalérica caracteriza-se por um excesso de ácido isovalérico no sangue e na urina, devido à ausência da isovaleril-CoA desidrogenase, que participa apenas do metabolismo da leucina. Os indivíduos afetados exalam um cheiro característico de suor dos pés.

O albinismo compreende um conjunto de síndromes caracterizadas por pigmentação deficientes da pele, cabelo e olhos, devido à incapacidade de sintetizar melanina. A síntese de melanina inicia-se com a oxidação de tirosina, catalisada pela tirosinase, ausente no tipo clássica de albinismo.

Com relação ao ciclo da uréia, já foram descritos defeitos hereditários causados por bloqueador parcial de cada uma das reações do ciclo. A conseqüência é sempre uma hiperamonemia que pode levar ao coma e morte, dada a alta toxidez da amônia, especialmente para o sistema nervoso central. Nestes casos, o tratamento consiste na administração de uma dieta pobre em proteínas ou na substituição dos aminoácidos essenciais da dieta pelos seus -cetoácidos.

SÍNTESE DE AMINOÁCIDOS

Os diferentes organismos apresentam dependência muito variada do meio ambiente no que se refere ao suprimento de aminoácidos. Os vegetais superiores e várias bactérias, como Escherichis coli independem de suprimento externo, já que são capazes de sintetizar todos os aminoácidos o grupo amino é obtido a partir de NH e a cadeia carbônica é sintetizada a partir de carboidratos.

O NH é obtido por bactérias e plantas a partir do nitrogênio atmosférico ou de nitritos e nitratos presentes no solo. Bactérias e algas azuis promovem a reduçào biológica de N2 a NH, chamada fixação do nitrogênio, é realizada por um sistema enzimático complexo, denominado nitrogenase, que utiliza NADPH como doador de elétrons e processa-se com grande consumo de ATP. A reaçào global do processo é:

A outra forma de obtenção de NH é a redução de nitritos presentes no solo, pela nitrato redutase e nitrito redutase, enzimas presentes nos vegetais superiores e na maioria das bactérias.

Os animais superiores são incapazes de utilizar o nitrogênio atmosférico ou o nitrogênio contido em compostos inorgânicos, como nitritos e nitratos. Praticamente todo o nitrogênio de que necessitam para síntese de seus compostos nitrogenados por outros organismos.

O Homem só sintetiza 11 dos 20 aminoácidos constituíntes das proteínas

O processo de síntese proteica requer que estejam uma dada proteína. Esta condiçào é crítica, especialmente levando-se em conta dois fatos: nenhuma célula dispõe de reservas de aminoácidos e não são todos os aminoácidos que podem ser sintetizados pelo organismo humano. Restam, portanto, apenas nove aminoácidos que podem ser prontamente formados a partir de compostos intermediários do metabolismo de carboidratos e lipídios. Estes nove aminoácidos e os dois que são sintetizados a partir de aminoácidos essenciais são chamados aminoácidos não-essenciais, culos processos de síntese serão descritos a seguir.

GLUTAMATO E GLUTAMINA

A síntese de glutamato constitui a única incorporaçào direta de nitrogênio, a partir de NH, como grupo -amino de aminoácido. Como se verá mais adiante, todas as outras sínteses de aminoácidos não-essenciais utilizam-se de transaminações, isto é, transferência de grupo a -amino, sempre a partir do grupo -amino do glutamato. A síntese de glutamato é feita a aprtir de NH e -cetoglutarato, em uma reação catalisada pela glutamato deesidrogenase citoplasmática que, em oposição à enzima mitocondrial, utiliza NADP+ como coenzima>

A glutamina é sintetizada a partir de glutamato e NH, numa reação catalisada pela glutamina sintetase 

Note-se que, neste caso a incorporação de NH foi feita como um grupo amida, e portanto este nitrogênio não pode ser utilizado para transaminações. A glutamina tem um papel importante como veículo para o transporte de NH entre os diferentes órgãos. Vários tecidos são rocos em glutaminase, a coenzima que catalisa a hidrólise do grupo amida da glutamina:

+

4

Glutamina + H2O              Glutamato + NH

ALANINA, ASPARTATO E ASPARAGINA

Alanina e aspartato são obtidos a partir do esqueleto de carbono de piruvato e oxaloacetato respectivamente, e do grupo amino do glutamato. As transaminações são catalisadas por alanina transaminase e aspartato transaminase.

A asparagina é sintetizada a partur de aspartato. O grupo ainda é proveniente da glutamina e a transferência é catalisada pela asparagina sintetase :

PROLINA

A prolina tem todos os seus átomos de carbono de nitrogênio provenientes do glutamato. Este aminoácido é convertido a um semi-aldeído, em uma reação complexa, dependene de ATP. A eliminação de H2O dá o primeiro composto cíclico a 1 – pirrolina 5-carboxilato, que, novamente por redução, catalisada pela pirrolina carboxilato redutase origina prolina:

SERINA, GLIGINA E CISTEÍNA

A serina origina-se de 3-fosfoglicerato, um intermediário da via glicolítica, através de: uma redução, catalisada pela fosfoglicerato desidrogenase; uma transaminação, catalisada pela fosfoserina transaminase, e, finalmente, uma hidrólise do grupo fosfato, catalisada pela fosfoserina fosfatase:

A síntese da glicina, em mamíferos, ocorre fundamentalmente, a partir de serina, através da trasnferência de um de seus átomos de carbono para o tetraidrofolato, catalisada pela serina hidroximetil transferase, uma enzima que utiliza piridoxal fosfato como coenzima:

Serina + Ter=traidrofolato                    Metilenotetraidrofolato + Glicina

Como a reação é reversível, constitui também uma via de síntese de serina a partir de glicina.

A cisteína é sintetizada a partir de serina e metionina, por uma série de reações cujo efeito líquido é a substituição do oxigênio da hidroxila da serina por enxofre, proveniente da metionina.

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