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Equipe de tradução: Carla Dalmaz (Caps. 1, 6, 8-10, 19-21, 26 e 33) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Carlos Alberto Saraiva Gonçalves (Caps. 17 e 24) Doutor em Bioquímica, Professor Adjunto do Departamento de Bioquímica, ICBS Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas: Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Carlos Alexandre Sanchez Ferreira (Caps. 29 a 31) Doutor em Bioquímica, UFRGS, Professor Adjunto do Departamento de Ciências Microbiológicas Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Carmem Gottfried (Caps. 2 e 23) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Christianne G. Salbego (Caps. 3 a 5) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Cristina Brinckmann de Oliveira Netto (Caps. 27 e 32) Doutora em Bioquímica, Serviço de Genética Médica Hospital de Clínicas de Porto Alegre, RS

Deusa Aparecida Vendite (Cap. 25) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

FátlmaT. Costa Rodrigues Guma (Cap. 18) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul , Porto Alegre, RS

Fernanda Urruth Fontella (Caps. 7 e 28) Farmacêutica-Bioqu ímica, Doutora em Fisiologia pela UFRGS, Laboratório Central da Santa Casa de Misericórdia de Porto Alegre, RS

Márcia Rosângela Wink (Cap. 22) Doutora em Bioquímica, Professora do Departamento de Biofísica, IB Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Regina Pessoa Pureur (Cap. 15) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul , Porto Alegre, RS

Regina Maria Vieira da Costa Guaragna (Cap. 16) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

Vera Maria Treis Trindade (Caps. 11 a 14) Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS


Pamela C. Champe, Ph.D. Department of Biochemistry Un iversity of Medicine anel Dentistry of New Jersey Robert Wood Johnson Medical School Piscataway, New Jersey

Richard A. Harvey, Ph.D. Department of Biochemistry University of Medicine anel Dentistry of New Jersey Robert Wood Johnson Medical School Piscataway, New Jersey

Denise R. Ferrier, Ph.D. Department of Biochemistry Drexel University College of Medici ne Philadelphia, Pennsylvania

Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição:

Carla Dalmaz Doutora em Bioquímica, Professora Adjunta do Departamento de Bioquímica, ICBS Universidade Federal elo Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS

2006


Obra originalmente publicada sob o título Lippincott 11/us trated Revíews: Bíochemistry, 3/E ISBN 0-7817-2265-9 Esta publicação contém informações relacionadas a princípios gerais de cuidados médicos, que não devem ser interpretados como instruções específicas para pacientes individuais. As informações e os encartes dos fabricantes de produtos médicos devem ser revistos para informações atuais, incluindo contra-indicações, doses e precauções.

© 2005 Lippincott Williams & Wilkins. Published by arrangement with Lippincott Williams & Wilki ns, U.S.A. © 2006, Artmed Editora SA Capa: Mário Róhnelt Leitura final: Luana Peixoto, Daniele Cunha Supervisão editorial: Letícia Bispo de Lima · Editoração eletrônica: New Book Editoração Ltda.

~Ociil~O Bra.silairn para b Proteção dos Direitos

EditoriaJS c Autcmris

RESPEITE O AUTOR N AO F AçA COP IA

www.abpdea org.br

C451b

Champe, Pamela C. Bioquímica I Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier; tradução Carla Dalmaz ... [et ai.).- 3. ed.- Porto Alegre : Artmed, 2006. 544 p.; 28 cm. ISBN 85-363-0590-8 1. Bioquímica. I. Harvey, Richard A. 11. Ferrier, Denise R. III. Título. CDU 577.1

Catalogação na publicação: Júlia Angst Coelho- CRB Provisório 05/05

Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED® EDITORA S.A. Av. Jerônimo de Ornelas, 670- Santana 90040-340 - Porto Alegre RS Fone: (51) 3027-7000 Fax: (51) 3027-7070 É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Angélica, 1.091 - Higienópolis 01227-100- São Paulo- SP Fone: {11) 3665-1100 Fax: (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PR/NTEO lN BRAZIL


AUTORES COLABORADORES

Cal Mclaughlin, Ph.D. Department of Biological Chemistry University of Califo rnia, lrvine lrvine, Californ ia

Vernon E. Reichenbecher, Ph.D. .;•

Department of Biochemistry and Molecular Biology Marshall University School of Medicine Huntington, West Virginia

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IMAGENS DIGITAIS

Michael Cooper Cooper Graphics www.cooper247.com


Este livro é dedicado a Marilyn Schorin, cuja compreensão generosamente compartilhada acerca da natureza, juntamente com seu apoio resoluto, guiou palavras confusas em sua transformação em idéias coerentes.


Agradecimentos

Somos gratos aos muitos amigos e colegas que generosamente contribu íram, com seu tempo e esforço, para nos ajudar a tornar este livro tão acurado e útil quanto possível. Ta mbém reconhecemos o apoio de nossos demais colegas da Universidade de Medicina e Odontologia de New Jersey - Escola de Medicina Robert Wood Johnson, que foi extremamente valioso. Nós (RAH e PCC) devemos especiais agradecimentos ao nosso Diretor, Dr. Masayori lnouye, que nos encorajou, ao longo dos anos, neste e em outros projetas de ensino. Estamos especialmente agradecidos à Dra. Mary Mycek, da Universidade de Medicina e Odontologia de New Jersey - Escola de Medicina de New Jersey, que participou ativamente deste projeto. Também ficamos gratos pelos muitos e úteis comentários do Dr. William Zehring e do Dr. Jeff Mann. Sem artistas tal entosos, uma obra ilustrada seria impossível; nesse sentido, fomos especialmente afortu nados em trabalhar com Michael Cooper em todo este projeto. Seu senso artístico e sua habilidade em t rabalhar com imagens digitais muito acrescentaram à nossa capacidade de tornar vivas para nossos leitores as "histórias" bioquímicas. Os editores e a equipe de produção da Lippincott Williams & Wilkins foram uma constante fonte de encorajamento e disciplina. Queremos agradecer especialmente ao nosso editor, Neil Marquardt, por suas contribuições úteis, incentivaderas e criativas: sua imaginação e disposição nos ajudaram a completa r este complexo projeto. A edição final do livro foi aprimorada pelos esforços de Jennifer Glazer.


Sumário

UNIDADE 1: Estrutura e função das proteínas 1

Capítulo 1:

Aminoácidos

Capítulo 2:

Estrutura das proteínas

13 25

Capítulo 3:

Proteínas globulares

Capítulo 4:

Proteínas fibrosas

43

Capítulo 5:

Enzimas

53

UNIDADE 11: Metabolismo intermediário Capítulo 6:

Bioenergética e fosforilação oxidativa

69

Capítulo 7:

Introdução aos carboidratos

83

Capítulo 8:

Glicólise '

89

Capítulo 9: ' Ciclo do ácido cítrico

107

Capítulo 10: Gliconeogênese

11 5

Capítulo 11: Metabolismo do glicogênio

123

Capítulo 12: Metabolismo de monossacarídeos e dissacarídeos /

135

Capítulo 13: ....v ia das pentoses-fosfato e NADPH

143

Capítulo 14: Glicosami noglicanos e glicoproteínas

155

UNIDADE III: Metabolismo dos lipídeos Capítulo 15: Metabolismo dos lipídeos da dieta

171

Capítulo 16: Metabolismo dos ácidos graxos e triacilgliceróis

179

Capítulo 17: Metabolismo dos lipídeos complexos

199

Capítulo 18: Colesterol e metabolismo dos esteróides

217

UNIDADE IV: Metabolismo do nitrogênio Capítulo 19: Aminoácidos: destino do nitrogênio

243

Capítulo 20: Degradação e síntese dos aminoácidos

259

Capítulo 21: Conversão dos aminoácidos em produtos especializados

275

Capítulo 22: Metabolismo dos nucleotídeos

289


X

Sumário

UNIDADE V: Integração do metabolismo Capítulo 23: Efeitos metabólicos da insulina e do glucagon

305

Capítulo 24: O ciclo alimentado/jejum

319

Capítulo 25: Diabetes melito

335

Capítulo 26: Obesidade

347

Capítulo 27: Nutrição

355

Capítulo 28: Vitaminas

371

UNIDADE VI: Armazenamento e expressão da informação genética Capítulo 29: Estrutura e replicação do DNA

393

Capítulo 30: Estrutu ra e síntese do RNA

413

Capítulo 31: Síntese protéica

429

Capítulo 32: Biotecnologia e doença humana

445

UNIDADE VIl : Revisão da bioquímica Capítulo 33: Resumo de fatos-chave na bioquímica

469

Índice

509


Aminoácidos

I.

VISÃO GERAL A

As proteínas são as moléculas mais abundantes e com maior diversidade de funções nos sistemas vivos. Praticamente todos os processos vivos dependem dessa classe de moléculas. Por exemplo, enzimas e hormônios polipeptídicos controlam e regulam o metabolismo do organismo, enquanto proteínas contráteis no músculo ensejam a realização dos movimentos. Nos ossos, a proteína colágeno forma uma estrutura para a deposição de cristais de fosfato de cálcio, aluando de modo semelhante aos cabos de aço que reforçam o concreto. Na corrente sangüínea, proteínas, como a hemoglobina e a albumina plasmática, transportam moléculas essenciais para a vida, enquanto as imunoglobulinas combatem bactérias e vírus potencialmente causadores de infecções. Em suma, as proteínas apresentam uma incrível diversidade de funções e, ainda assim, apresentam todas em comum a característica estrutural de serem polímeros de aminoácidos. Este capítu lo descreve as propriedades dos aminoácidos; o Capítulo 2 mostra como esses blocos constitutivos simples são unidos para formar as proteínas - as quais apresentam estruturas tridimensionais únicas - , tornando-as capazes de desempenhar funções biológicas específicas.

Grupo

ESTRUTURA DOS AMINOÁCIDOS

Embora mais de 300 diferentes aminoácidos tenham sido descritos a partir de fontes naturais, apenas 20 deles são normalmente encontrados como consti tu intes de proteínas em mamíferos. (Nota: Esses são os únicos aminoácidos codificados pelo DNA, o material genético da célula [veja a pág. 393).) Cada aminoácido (exceto a prolina, que é descrita na pág. 4) apresenta um grupo carboxi la, um grupo amino e uma cadeia lateral distinta ("grupo R") ligados ao átomo de carbono a (Figura 1 .1A). Em pH fisiológico (aproximadamente pH = 7,4), o grupo carboxila encontra-se dissociado, formando o íon carboxilato, carregado negativamente (-COO-), e o grupo amino encontra-se protonado (- NH3 • ). Nas proteínas, quase todos esses grupos carboxila e amino estão combinados, formando as ligações peptídicas, e, em geral, não estão disponíveis para reações químicas, exceto pela possibilidade de formação de pontes de hidrogênio (Figura 1 .1 B). Assim sendo, é a natureza dessas cadeias laterais que determinará, em última anál ise, o papel de um aminoácido em uma

I

A cadeia lateral é distinta para cada aminoácido.

B 11.

Aminoácido livre

O car bono a encontra-se entre · os grupos carboxila e amino.

Aminoácidos combinados em ligações peptídicas

- NH-CH-CO-NH-CH-C01

I

R

R

As cadeias laterais determinam as p ropriedades das proteínas.

Figura 1.1 Características estruturais dos aminoácidos (mostrados em sua forma completamente protonada).


2

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

proteína. Portanto, será útil classificarmos os aminoácidos de acordo com as propriedades de suas cadeias laterais - isto é, se elas são apoia res (ou seja, apresentando uma distribuição homogênea de elétrons) ou polares (ou seja, apresentando uma distribuição desigual de elétrons, como no caso de ácidos e bases; Figuras 1.2 e 1.3).

A. Aminoácidos com cadeias !aterias apoiares Cada um desses aminoácidos possui uma cadeia lateral, a qual não apresenta a capacidade de receber ou doar prótons, ou de participar em ligações iônicas ou formação de pontes de hidrogênio (veja a Figura 1.2). As cadeias laterais desses aminoácidos podem ser pensadas como "oleosas", ou semelhantes a lipídeos, uma propriedade que promove interações hidrofóbicas (veja a Figura 2.9, pág. 18} .

1.

Localização dos aminoácidos apoiares nas proteínas. Nas proteínas encontradas em soluções aquosas, as cadeias laterais apoiares dos aminoácidos tendem a agrupar-se no interior da proteína (Figura 1.4). Este fenôm eno é o resultado da hidrofobicidade dos grupos R

CADEIAS LATERAIS APOLARES

H I

+H 3N- C - COOH I

CH3 pK1 = 2,3

Glicina

Alanina

Valina

H

H I

I

+H 3N- C - COOH I H - C - CH3 I

CH2 I

CH3 Leuc i na

... H 3N-C -COOH I

ó

lsoleucina

Fenilalanina

Metionina

Prolina

H I

+H 3N- C - COOH I

CH2

Oc

t 11

N'.... CH

H

Triptofano

Figura 1.2 A classificação dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas de acordo com a carga e a polaridade de suas cadeias laterais é mostrada aqui e continua na Figura 1.3. Cada aminoácido é mostrado em sua forma completamente protonada, com os íons hidrogênio dissociáveis representados em vermelho. Os valores de pK para os grupos a-carboxila e a.-amino dos aminoácidos apoiares são semelha ntes àqueles mostrados para a glicina . (Continua na Figura 1.3.)


Bioquímica Ilustrada

CADEIAS LATERAIS POLARES DESPROVIDAS DE CARGA

H .

H I • H 3N- C -COOH

I ..H 3N - C - COOH I H - C - OH I H

I

H - C - OH I

CH3

Serina

Treonina

Tiros ina

Cisteína

Asparagina

Glutamina

CADEIAS LATERAIS ÁCIDAS

Ácido aspártico

Ácido glutâm ico

CADEIAS LATERAIS BÁSICAS

pK 1 = 1,8

I

H I • H 3 N- C - COOH I CH2 I C=CH I I •H N ~

I

p K2 = 6,0

~

pK2 = 9,2

~

__.. NH

Histidina

Lisina

Arginina

Figura 1.3 A classificação dos 20 aminoácidos encontrados nas proteínas, de acordo com a carga e a polaridade de suas cadeias laterais (continuação da Figura 1.2).

3


4

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Aminoácidos pol ares ( • ) na superfície de proteínas solúveis.

apoiares, que aluam como gotículas de óleo que coalescem em um ambiente aquoso. Desse modo, os grupos R apoiares preenchem o interior da proteína na medida em que ela se enrola e ajudam a estabelecer sua forma tridimensional. (Nota: Nas proteínas localizadas em um ambiente hidrofóbico, como no interior de uma membrana, os grupos R apoiares são encontrados na superfície da proteína, interagindo com o ambiente lipídico [veja a Figura 1.4].) A importância dessas interações hidrofóbicas para a estabilização da estrutura protéica é discutida na pág. 19.

Aminoácidos apoiares ( ) agrupados na s uperfície de proteínas de membrana.

2.

Proteína de membrana

Proteína solúvel

Figura 1.4 Localização dos aminoácidos apoiares em proteínas solúveis e de membrana.

Grupo i mino

Grupo a mino

Alanina

Prol i na

Figura 1.5 Comparação entre o grupo imino encontrado na prolina e o grupo a -amino encontrado em outros aminoácidos, como a alanina.

+H 3 N- C - COOH I

ô

Tirosina

o

B. Aminoácid os com cadeias laterais polares, desprovidas de c arga elétrica Esses aminoácidos apresentam carga líqu ida igual a zero em pH neutro, embora as cadeias laterais da cisteína e da tiros ina possam perder um próton em pH alcalino (veja a Figura 1.3). Os aminoácidos serina, treonina e tirosina contêm, cada um, um grupo hidroxila, que pode participar da formação de pontes de hidrogênio (Figura 1.6). As cadeias laterais da asparagina e da glutamina contêm, cada qual, um grupo carbonila e um grupo amida, os q uais podem também participar de pontes de hidrogênio. 1.

Ligação dissulfeto. A cade ia lateral da cisteína contém um grupo s u lfidrila (-SH), o qual é um componente importante do sítio ativo de muitas enzimas. Nas proteínas, os grupos - SH de duas cisteínas podem tornar-se oxidados e formar um dímero, a cistina, que contém um ligação cruzada denominada ponte dissulfeto (- S- S- ). (Veja a pág. 19 para discussão acerca da formação da ligação dissulfeto.)

2.

Cadeias laterais como sítios de ligação para outros compostos. A serina, a treonina e, mais raramente, a tirosina contêm um grupo hidroxi la polar , que pode servir como um sítio de ligação para estruturas, tais como um grupo fosfato. (Nota: A cadeia lateral da serina é um componente importante do sítio ativo de muitas enzimas.) Além disso, o grupo amida da asparagina, assim como os grupos hidroxila da serina e da treonina, pode servir como sítio de ligação para cadeias de oligossacarídeos nas glicoproteínas (veja a pág . 156).

C. Ami no ácidos com c adeias laterais ácidas

I H

o

Prolina. A cadeia latera l da prolina e seu grupo a -amino formam um anel, de modo que esse aminoácido difere dos demais pelo fato de conter um grupo imino, em vez de um grupo amino (Figura 1.5). A geometria única da molécu la da prolina cont ribui para a fo rmação da estrutura fibrosa do colágeno (veja a pág. 45) e, freqüentemente, interrompe as hélices a encontradas em proteínas globulares (veja a pág. 26) .

}

Ponte de hid rogêni o

11

,c, Grupo carbo nila

Fi gura 1.6 Ponte de hidrogênio entre o grupo hidroxila fenólico da tirosina e outra molécula contendo um grupo carbonila.

Os aminoácidos ácido aspártico e ácido glutâmico são doadores de prót ons . Em pH neutro, as cadeias laterais desses aminoácidos encontramse co mpletamente ionizadas, contendo um grupo carboxilato carregado negativamente (-Coo-). Esses aminoácidos são, portanto, denominados aspartato e glutamato, para enfatizar o fato de estarem carregados negativamente em pH fisiológico (veja a Figura 1.3). D. Aminoácidos com cadeia s late rais b ás icas As cadeias laterais dos aminoácidos básicos são aceptoras de próto ns (veja a Figura 1.3). Em pH fisiológico, as cadeias laterais da lisina e da arginina encontram-se completamente ionizadas, com carga positiva. Em contraste, a


Bioquímica Ilustrada

histidina é fracamente básica e o aminoácido livre, em geral, não apresenta carga elétrica em pH fisiológico. Entretanto, quando a histidina encontra-se incorporada em uma proteína, sua cadeia lateral pode apresentar-se com carga positiva ou neu tra, dependendo do ambiente iônico fornecido pela cadeia polipeptídica da proteína. (Nqta: Essa é uma propriedade importante da histidina e contribui para o papel que esse aminoácido desempenha no funcionamento de proteínas, tais como a hemoglobina [veja a pág. 26].) E.

Abreviaturas e símbolos para os aminoácidos de ocorrência mais f reqüente O nome de cada aminoácido possui uma abreviatura associada de três letras e um símbolo de uma letra (Figura 1.7). Os códigos de uma letra são determinados pelas seguintes regras: 1.

2.

3.

4.

F.

Primeira letra única. Se apenas um nome de aminoácido começa com uma determinada letra, então aquela letra é utilizada como seu símbolo. Por exemplo, I = isoleucina. Os aminoácidos de ocorrência mais freqüente têm prioridade. Se mais de um aminoácido têm seus nomes começando com determ inada letra, o aminoácido de ocorrência mais freqüente recebe aquela letra como símbolo. Por exemplo, a glicina é mais freqüente que o glutamato, então G = glicina. Nomes com sons semelhantes. Alguns símbolos de uma letra soam, em inglês, de forma semelhante ao início do nome do aminoácido que representam. Por exemplo, F = fenilalanina, ou W = triptofano ("twyptophan", como diria Elmer Fudd). Letra próxima à letra inicial. Para os demais aminoácidos, é atribuído um símbolo de uma letra, a qual deve estar tão próxima quanto possível , no alfabeto, à letra inicial do nome daquele aminoácido. Além disso, a letra B é atribuída ao Asx, significando tanto ácido aspártico quanto asparagina, o Z é atribuído ao Glx, significando tanto ácido glutâmico quanto glutamina, e o X é atribuído a um a minoácido não-identificado.

Primeira letra única

C isteína H istidina l soleucina M etionina Serina V alina

fJ

I

= M = s = v

= = = = =

= =

A la Gly Leu = Pro Thr

= =

A G L p

T

Nomes com sons semelhantes (conforme pronunciado em inglês)

Ar ginina Asparagin a Aspartato Glutamato Glutamina Fenilalanina Tirosina Triptofano

IJ

=

= c = H

Cys His lle = Met Ser Vai

Os aminoácidos de ocorrência mais freqüente têm prioridade

A lanina Glicina Leucina Prol ina T reonina

B

= = = = =

= Arg = Asn = Asp = Glu = Gln

= Phe =Tyr =Trp

= R {"aRginine") = N (contém N) = D ("asparD ic") = E ("glutE mate") = Q ("Q -tamine") = F ("Fenylalanine") = Y ("tY rosine") = W (duplo anel na molécula)

Letra próxima à letra inicial

Aspartato ou = asparagina Glutamato ou = glutamina Li s ina Aminoácido indeterminado

=

=

Asx

=

Glx

= z

Lys

=

B

K X

(próxima do A)

(próxima do L)

Propriedades ópticas dos aminoácidos O carbono a. de cada aminoácido está ligado a quatro grupos diferentes e é, portanto, um átomo de carbono quiral ou opticamente ativo. A glicina é a exceção, pois seu carbono a. apresenta dois átomos de hidrogênio como substituintes e, assim sendo, é opticamente inativa. (Nota: Os aminoácidos que apresentam um centro assimétrico em seu carbono a. podem existir em duas formas, designadas o e L, que são imagens especulares uma da outra [Figura 1.8]. As duas formas, em cada par, são denominadas estereoisômeros, isômeros ópticos ou enantiômeros.) Todos os aminoácidos encontrados nas proteínas apresentam a configuração L o-Aminoácidos, no entanto, são encontrados em alguns antibióticos e em paredes celulares de bactérias. (Veja a pág. 250 para uma discussão acerca do metabolismo de o-aminoácidos.)

III.

O

Figura 1.7 Abreviaturas e símbolos para os aminoácidos de ocorrência mais freqüente.

PROPRIEDADES ÁCIDO-BÁSICAS DOS AMINOÁCIDOS

Os aminoácidos, em solução aquosa, contêm grupos a.-carboxila fracamente ácidos e grupos a.-amino fracamente básicos. Além disso, cada um dos aminoácidos ácidos e cada um dos aminoácidos básicos contêm um grupo ionizável em sua cadeia lateral. Assim sendo, tanto os aminoácidos livres quanto alguns aminoá-

5

Figura 1.8 As formas o e L da alanina são imagens especulares (imagens no espelho).


6

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

cidos combinados por meio de ligações peptídicas podem aluar como tampões. A relação quantitativa entre a concentração de um ácido fraco (HA) e sua base conjugada (A-) é descrita pela equação de Henderson-Hasselbalch.

A. Derivação da equação Considere a liberação de um próton por um ácido fraco, representado por HA: HA ácido fraco

H• próton

+

Aforma salina ou base conjugada

O "sal" ou a base conjugada, A-, é a forma ionizada de um ácido fraco. Por definição, a constante de dissociação do ácido, K., é

(Nota: Quanto maior o K., mais forte o ácido, pois indica que a maior parte de HA foi convertida em H• e A-. Por outro lado, quanto menor o K. , menos ácido foi dissociado e, portanto, mais fraco é o ácido.) Se isolarmos [W] na equação anterior, tomando o logaritmo de ambos os lados da equação, multiplicando ambos os lados por - 1 e substituindo pH = - log [W] e pK. = - log K,, obteremos a equação de Henderson-Hasselbalch:

8. Tampões

ow Lo CH3 Co On

"

FORMA I (ácido acético, HA)

H 2o

.! .'

~

H+

CH 3COO-

FORMA 11 (acetato, A- )

Um tampão é uma solução q ue resiste a mudanças de pH quando se adicionam pequenas quantidades de ácido ou base. Um tampão pode ser produzido pela mistura de um ácido fraco (HA) com sua base conjugada (A-). Se um ácido, como o HCI, for adicionado a uma solução, pode ser neutralizado pelo A-, o qual, no p rocesso, é converti do em HA. Se uma base for adicionada, o HA pode neutralizá-la, sendo convertido em A- nesse processo. A capacidade tamponante máxima ocorre quando o pH for igual ao pK., mas um par conjugado ácido/base pode ainda servir como tampão efetivo quando o pH da solução estiver até ± 1 unidade de pH afastado do pK•. (Nota: Se as quantidades de HA e A- forem iguais, o pH é igual ao pK•.) Como mostrado na Figu ra 1.9, uma solução contendo ácido acético (H A = CH 3- COOH) e acetato (A- = CH3- COO-), com um pK. de 4,8, resiste a mudanças no pH entre os pHs 3,8 e 5,8, com capac idade tamponante máxima no pH 4,8. (Nota: Em pHs abaixo do pK 8 , a forma ácida, protonada [CH 3- COOH], é a forma predominante. Em pHs acima do pK., a forma básica, não-protonada [CH3-C00l , é a forma predominante na solução.)

C. Titulação de um aminoácido pH

1. Figura 1.9 Curva de titulação do ácido acético.

Dissociação do grupo carboxila. A curva de titulação de um aminoácido pode ser analisada como descrito ante riormente para o ácido acético. Considere a alanina, por exemplo. Esse aminoácido contém um grupo a-carboxila e um grupo a-amino. Em pHs baixos (ácidos) , ambos


Bioquímica Ilustrada

ow H +H3N

H

c COOH

+H 3 N

CH 3

CH3

FORMAl

FORMA 11

pK 1 ::: 2,3

Alanina em uma solução ácida (pH menor que 2) Carga líquida

c coo-

Alanina em uma solução neutra (pH aproximadamente 6)

=

=+1

Carga líquida O (forma isoelétrica)

Figura 1.10 Formas iônicas da alanina em soluções ácidas, neutras e básicas.

os grupos encontram-se protonados (como mostrado na Figura 1.1 O). À medida que o pH da solução é aumentado, o grupo - COOH da forma I pode dissociar, doando um próton ao meio. A liberação de um próton resulta na fo rmação do grupo carboxilato, -coo-. Essa estrutura é mostrada como a forma 11, que é a forma dipolar da molécula (veja a Figura 1.1 0) . (Nota: Essa forma, também denominada zwitterion, é a forma isoelétrica da alanina - ou seja, possui uma carga líquida igual a zero.) 2.

Aplicação da equação de Henderson-Hasselbalch. A constante de dissociação do grupo carboxila de um aminoácido é denominada K1 , e não K. , pois a molécula contém um segundo grupo titu lável. A equação de Henderson-Hasselbalch pode ser utilizada para analisar a dissociação do grupo carbox ila da alanina do mesmo modo que o descrito para o ácido acético.

K

1

= [H+] [li] - [-1 ]-

Onde I é a forma completamente protonada da alanina e 11 é a forma isoelétrica da alanina (veja a Figura 1.10). Essa equação pode ser rearranjada e convertida em sua forma logarítmica para dar:

pH

=pK1

+ log

[li]

[i]

3.

Dissociação do grupo amino. O segundo grupo titulável da alanina é o grupo amino (-NH 3+), mostrado na Figura 1.10. Ele é um ácido muito mais fraco que o grupo - COOH e, portanto, apresenta uma constante de dissociação muito menor, K2 . (Nota: Seu pK. , portanto, é maior.) A liberação de um próton pelo grupo a mino da forma 11 resulta na forma comp letam ente desprotonada da alanina, a forma III (veja a Figura 1.1 0).

4.

pKs da alanina. A d issociação seqüencial de prótons dos grupos carboxila e amino da alanina está resumida na Figura 1.1 O. Cada grupo

H 2o

\..)) ~

H+

pK2 = 9,1

H H2 N

c cooCH3

FORM III Alanina em uma solucão básica (pH acima de 1O) Carga líquida

=- 1

7


8

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

titulável apresenta um pK. que é numericamente igual ao pH no qual exatamente metade dos prótons foram removidos daquele grupo. O pK. para o grupo mais acídico (-COOH) é o pK, , enquanto o pK. para o grupo acídico seguinte (-NH3 •) é o pK2 . 5.

H I

H2N-ç- cooCH3 FORMA III Região de tamponamento ~

6.

4

6

Curva de titulação da alan ina. Pela aplicação da equação de Henderson-Hasselbalch a cada grupo acídico dissociável, é possível calcular a curva de titu lação completa de um ácido fraco. A Figura 1.11 mostra a variação no pH que ocorre durante a adição de base à forma completamente protonada da alanina (1), até produzir a forma completamente desprotonada (III ). Observe o seguinte: a.

Pares tampões: o par -COOH/-COo- pode servir como um tampão na região de pH ao redor do pK, e o par -NH3·/-NH2 pode tamponar na região ao redor do pK2 .

b.

Quando pH = pK: quando o pH é igual ao pK, (2,3), existem na solução quantidades iguais das formas I e 11 da alanina. Quando o pH é igual ao pK2 (9,1), estão presentes na solução quantidades iguais das formas 11 e III.

c.

Ponto isoelétrico: em pH neutro, a alanina existe predominantemente como a forma dipolar 11 , na qual os grupos amino e carbox ila estão ionizados, mas a carga líquida é zero. O ponto isoelétrico (pi) é o pH no qual um aminoácido é eletricamente neutro - ou seja, no qual a soma das cargas positivas é igual à soma das cargas negativas. (Nota: Para uma aminoácido, como a alanina, por exemplo, que apresenta apenas dois hidrogênios dissociáveis [um do grupo o:-carboxila e um do grupo ex-amino], o pi é a média entre pK, e pK2 [pi= [2,3 + 9 ,1]/2 = 5,7, veja a Figura 1.1 0). O pi está assim a meio caminho, entre o pK, (2,3) e o pK2 (9, 1). Ele corresponde ao pH no qual predomina a estrutura 11 [com carga líquida igual a zero) e em que há também quantidades iguais das formas I [carga líquida + 1] e III [ca rga líquida -1] .)

Carga líquida dos aminoácidos em pH neutro. Em pH fisiológico, todos os aminoácidos apresentam um grupo carregado negativamente (-COOl e um grupo carregado positivamente (- NH3 . ), ambos ligados ao carbono a. (Nota: Os aminoácidos glutamato, aspartato, histidina, arginina e lisina apresentam , além desses, outros grupos potencialmente carregados em suas cadeias laterais.) Substâncias como os aminoácidos, que podem atuar como ácidos ou bases, são definidas como anfotéricas e são chamadas anfólitos (eletrólitos anfotéricos).

pH

D. Outras aplicações da equação de Henderson-Hasselbalch H

H I

+H N -C - COOH 3

I

CH 3 FORMAl

• H 3 N-ç-cooCH3 FORMA 11

Figura 1.11 Curva de titulação da alanina.

A equação de Henderson-Hasselbalch pode ser utilizada para calcular como o pH de uma solução fisiológica responde a mudanças na concentração de um ácido fraco e/ou de sua correspondente forma de "sal". Por exemplo, no sistema tampão do bicarbonato, a equação de Henderson-Hasselbalch prediz como mudanças na [HC03- ) e na pC02 influenciam o pH (Figura 1.12A). A equação também é útil para calcu lar as quantidades das formas iônicas de grupos acídicos e básicos. Por exemplo, muitas drogas são ácidos fracos ou bases fracas (Figura 1.128).


Bioquímica Ilustrada

Drogas ácidas (HA) liberam um próton (W) , dete rminand o a form ação de um ânion carregado (A-). HA

;:Z

Bases fracas (BH•) também podem liberar um H•. A forma protonada das drogas básicas, no entanto, normalmente possui carga elétrica, e a perda de um próton produz a base desprovida de carga (B).

Uma droga passa através de membranas mais facilmente quando não estiver carregada. Assim sendo, para um ácido fraco, a forma desprovida de carga HA pode permear membranas e A- não pode fazê-lo. Para uma base fraca, como a morfina, por exemplo, a forma desprovida de carga, B, atravessa membranas, enquanto BH• não o faz. Portanto, a concentração efetiva da forma permeável de cada droga em seu sítio de absorção é determinada pelas concentrações relativas das formas carregada e desprovida de carga. A razão entre as duas formas é, por sua vez, determinada pelo pH no sítio de absorção e pela força do ácido fraco ou da base fraca, representada pelo pK. do grupo ionizável. A equação de Henderson-Hasselbalch é útil para a determinação da quantidade de droga encontrada em cada lado de uma membrana que separa dois compartimentos que diferem com relação ao pH, como, por exemplo, o estômago (pH 1,0-1,5) e o plasma sangüíneo (pH 7,4).

IV. MAPAS DE CONCEITOS-CHAVE

D

•e e

BICARBONATO COMO UM TAMPÃO

Um aumento no íon b icarbonato faz com qu e o pH a umente . Obstrução p ul mo nar pro voca u m aumento no díóJCido de carbono e f az com q ue o pH d iminua.

m

ABSORÇÃO DE DROGAS

e

e

pH = pK+ Iog

(Drog a- ] [Droga-H]

No pH do estômago (1,5), uma droga como a Aspiri na® (ácido fraco, pK 3,5) estará predominantemente protonada (COOH) e, portanto , desprovida de carga.

=

Drogas desprovidas de carga elétrica geralmente at ra vessam memb ranas mais ra pidamente que moléculas com carga .

Os estudantes algumas vezes encaram a bioquímica como uma série obscura de fatos ou equações a serem memorizados, em vez de um corpo de conceitos a serem compreendidos. Detalhes fornecidos com a finalidade de enriquecer a compreensão desses conceitos tornam-se, inadvertidamente, distrações. O que parece estar faltando seria um mapa do camin ho - um guia que forneça aos estudantes uma compreensão intuitiva d e co mo vários tópicos e ncai xam-se para fazer sentido. Pensando assim, os autores criaram uma série de mapas bioqu ímicos de conceitos-chave, que ilustram graficamente as relações entre as idéias apresentadas em um capítulo e mostram como a informação pode ser agrupada ou organizada. Um mapa conceituai é, portanto, uma ferramenta para visualizar conexões entre conceitos. O material é apresentado de maneira hierárquica, com os conceitos mais gerais e inclu sivos no topo do mapa e aqueles conceitos mais específicos e menos ge rais arranjados abaixo.

Membrana lipídica

A. Como é construído um mapa de conceit o s-chave? 1.

Quadros de co nceitos vin culado s. Os educadores definem conceitos como "regularidades percebidas em eventos ou objetos". Em nossos mapas bioquímicos, os conceitos incluem abstrações (por exemplo, energia livre), processos (por exemplo, fosforilação oxidativa) e compostos (por exemplo, glicose-6-fosfato). Esses conceitos amplamente definidos estão priorizados, com a idéia central posicionada no topo da página. Os conceitos que seguem a partir dessa idéia central estão desenhados em quadros (Figura 1.1 3A). O tamanho do quadro e da letra indicam a importância relativa de cada idéia. Linhas são desenhadas entre os quadros dos conceitos para mostrar como se re lacionam. A marcação na linha define a relação entre dois conceitos, de modo

LUZ DO ESTÔMAGO

Figu ra 1.12 A equação de HendersonHasselbalch é utilizada para prever: (A) variações no pH, à medida que as concentrações de HC03- ou C02 são alteradas; ou (B) as formas iônicas das substâncias.

9


1O

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

m

que possa ser lido como uma afirmação válida, ou seja, a conexão passa a ter sentido. As linhas com cabeças de setas indicam qual o sentido em que a conexão deve ser lida.

Quadros de conceitos vinculados 2.

r:l

Conceitos vinculados

&:ii dentro de um mapa Degradação

é produzido pela

das proteínas

Conjunto deami· noácidos

Vínculos cruzados. Ao contrário dos padrões ou diagramas de fluxo linear, os mapas de conceitos-chave podem conter vínculos cruzados, que permitem ao leitor visualizar relações complexas entre idéias representadas em diferentes partes do mapa (Figura 1.138) ou entre o mapa e outros capítulos neste livro ou em livros complementares desta série (Figura 1.13C). Vínculos cruzados podem assim identificar conceitos centrais em mais de uma disciplina, permitindo aos estudantes eficiência em situações clínicas e no exame de licenciamento médico (nos Estados Unidos) ou em outros exames com características multidisciplinares. Os estudantes aprendem, assim, a perceber visualmente relações não-lineares entre fatos, em contraste com referências cruzadas em textos lineares.

8 . Mapas de conceitos-chave e aprendizado relevante "Aprendizado relevante" refere-se a um processo no qual os estudantes ligam informações novas a conceitos relevantes que já possuem. Para aprender de modo significativo, os indivíduos devem escolher, conscientemente, relacionar informações novas ao conhecimento que já têm, em vez de, simplesmente, memorizar definições de fatos ou conceitos isolados. A simples memorização não é desejável, pois tal aprendizado é facilmente esquecido e não é prontamente aplicável à resolução de problemas em novas situações. Assim sendo, os mapas de conceitos-chave preparados pelos autores não devem ser decorados. Isso seria meramente a promoção do aprendizado por memorização, fugindo ao propósito dos mapas. Em vez disso, espera-se que os mapas de conceitos-chave funcionem como matrizes ou guias para organizar a informação, de modo que os estudantes possam faci lmente descobrir as melhores maneiras de integrar informações novas no corpo de conhecimentos que já possuem.

leva à

Conjunto

é consumido pela

proteínas

de aminoácidos

corporais

Conceitos com vínculos cruzados com outros capítulos e outros livros nesta série

V. ... como a proteína se dobra em sua conformação nativa

.. . como o dobramento incorreto das proteínas pode levar à doença do príon, como por exemplo a doença de Creutzfeldt-Jakob

u veja a pág. 397

Es rruturad.t~ s

Protoín.1s

::

2 ~:~lia

Figura 1.13 Símbolos utilizados nos mapas de conceitos-chave.

RESUMO DO CAPÍTULO

Cada aminoácido apresenta um grupo a-carboxila e um grupo a-amino (exceto a prolina, que possui um grupo imino) . Em pH fisiológico, o grupo a -carboxila está dissociado, formando o íon carboxi lato (- Coo-), carregado negativamente, e o grupo ex-amino está protonado (-NH 3+). Cada aminoácido também ap resenta uma cadeia lateral (são 20 cadeias laterais diferentes, para os 20 aminoácidos) ligada ao átomo de carbono a. A natureza química dessa cadeia late ral determina a função de um aminoácido em uma proteína e fornece a base para a classificação dos aminoácidos em apoiares, polares desprovidos de carga, ácidos e básicos. Todos os aminoácidos livres podem servir como tampões, assim como os aminoácidos que apresentam carga quando ligados às cadeias peptídicas. A relação quantitativa entre a concentração de um ácido fraco (HA) e sua base conjugada (A-) é descrita pela equação de Henderson-Hasselbalch. O tamponamento ocorre na faixa do pK. ± 1 unidade de pH e é máximo quando pH = pK., situação na qual [A-] = [HA]. O carbono a de cada aminoácido (com exceção da glicina) está ligado a quatro diferentes grupos químicos e é, portanto, um átomo de carbono quiral ou opticamente ativo. Apenas a forma L dos aminoácidos é encontrada nas proteínas sintetizadas pelo corpo humano.


Bioquímica Ilustrada

11

Aminoácidos (completamente protonados) podem

são compostos por

j Grupo o:-carboxila (-COOH)

Grupo o:-amino (-NH 3 +)

I,

Cadeias laterais de 20 tipos diferentes

eatuam como

esta

eltá

~

~

desprotonado (- COOl em pH fisiológico

J I

Ácidos fracos

pr otonado (-NH,·) em pH fi siológico

I

conforme descrito pela

/

comp ostas por

[ Cadeias laterais polares, desprovidas de carqa

Cadeias laterais apoiares Alanina Glicina lsoleucina Leucina Metionina Fenilalanina Prolina Triptofano Valina

encontradas

j

Liberar H'

I

Asparagina Cisteína Glutamina Serina Treonina Tirosina '------

Ácido aspártico Ácido glutâmico

caracte!izadas por __]

r

encontradas

1

I Cadeias laterais ácidas

Equação de HendersonHasselbalch: pH = pK. + Iog-A:_ HA

I que prediz

Cadeias !aterias básicas Arginina Histidina Li sina

J

caracterizadas por

que prediz que

~ A cadei a lateral se dissoci a em -cooem pH fisio lógi co

A cadeia l ateral é protonada e geralmente ap resenta L----,-------'1 carga positiva em pH fisiológi co encontradas

que prediz

encontradas

No exterior de proteínas que aluam em um ambiente aquoso e no interior de pr oteínas associadas a membranas

Máxima capacidade tamponante quando pH = pK.

que prediz que

t

No interior de proteínas que aluam em um ambiente aquoso e na superfície de proteínas (como proteínas de membrana) que interagem com lipídeos

pH = pK. quando [HA] = [Al

Estrutur•da• PToteínas

Nas proteínas, a maior parte dos g rupos a-coo- e a-NH 3• dos aminoácidos est á combinada, formando ligações peptídicas.

Portanto, esses grupos não estão disponívei s para reações químicas.

Figura 1.14 Mapa de conceitos-chave para os aminoácidos.

Desse modo, a natureza química da cadeia lateral determina o papel que o aminoácido terá em uma proteína, em especial ...

2

:·;.:.1 ... como a proteína dobra para assumir s ua conf ormação nativa.

.; r."'

-


12

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Como questões para estudo, podemos sugerir...

O Enquanto você pensa acerca da questão, cubra a resposta com um cartão...

1. 1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminoácido

com uma característica química válida? A. Glutamina:

O. lsoleucina:

E. Glicina:

fd .. .e então remova o cartão e confirme se sua resposta e seu raciocíno estão corretos.

Contém um grupo hldroxila em sua cadeia lateral.

B. Serina: C. Cisteína:

Pode formar pontes dissulfeto. Contém a menor cadeia lateral. É treqüentemente enconlrada mergulhada no centro das proteínas. Contém um grupo amida em sua cadeia lateral.

u•

1.1 Qual das seguintes alternativas pareia corretamente um aminoácido com uma caracterfstica química válida? A. Glutamina:

~~;~~e~:,~;~~f. hidroxila em t:?

B. Serina:

Pode formar pontes dissulfeto. Contém a menor cadeia

C. Cisteína:

lateral.

O. lsoleucina:

t

E. Glicina:

mergulhada no cenlro das proteínas. Contém um grupo amida em sua cadeia lateral.

freqüentemente encontrada

aI R\

Resposta correta • O, Em proteír;as encotltradas em soiUÇôes aqliOSi\S, os cadelas la_terals de

~~=r~:·no'tt:~s:~~~a.A

çlutamJM conlém uma amida em sua cadela lat61"81. A serina e a trocnna oontõm grupos hidroxia em suos cadeias laterais. A crsteina pode txmarligações dissi.Meto.Agicina posstJI a

~ p;""""',..._,= .._-__.,_'""'__ _ _ _ _ _-.J 1

Q

("1(\

V "\l

\JfL Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 1.1 Qua l das seg uintes alternativas pareia corretamente um aminoácido com uma característica química válida?

A. Glutamina: B. Serina: C. Cisterna: D. lsoleucina:

E. Glicina:

Contém um grupo hidroxila em sua cadeia lateral. Pode formar pontes dissulfeto. Contém a menor cadeia lateral. É freqüentemente encontrada mergulhada no centro das proteínas. Contém um grupo amida em sua cadeia lateral.

1.2. Qual das seg uintes afirmativas a respeito da glutamina está correta?

A. B. C. D. E.

Contém três grupos tituláveis. É classificada como um aminoácido ácido. Contém um grupo amida. Seu símbolo de uma letra é E. Migra para o cátodo (eletrodo negativo) durante uma eletroforese em pH 7,0.

Resposta correta = D. Em proteínas encontradas em soluções aquosas, as cadeias laterais de aminoácidos apoiares, como a isoleucina, tendem a agrupar-se no interior da proteína. A glutamina contém uma amida em sua cadeia lateral. A serina e a treonina contêm grupos hidroxila em suas cadelas laterais. A cisteína pode formar ligações dissulfeto. A glicina possui a menor cadeia lateral.

Resposta correta = C. A glutamina contém dois grupos tituláveis, a u-carboxila e o u-amino. A glutamina é um aminoácido polar, neutro, que apresenta pouca mobilidade eletroforética em pH 7,0. O símbolo para a glutamina é 'Q'.


Estrutura das Proteínas H H -

I

H

I

I

H I

N- C-C-N - C1

11

H

O

I

CH3

I. VISÃO GERAL Os 20 aminoácidos comumente encontrados em proteínas estão unidos entre si por ligações peptídicas. A seqüência linear dos aminoácidos ligados contém a informação necessária para formar uma molécula protéica com uma estrutura tridimensional única. A complexidade da estrutura protéica é melhor analisada considerando-se a molécula em termos de quatro níveis de organização, denominados primário, secundário, terciário e quaternário (Figura 2.1 ). Um exame desses níveis de complexidade crescente revelou que, em uma ampla variedade de proteínas, certos elementos estruturais são repetidos, sugerindo que existem "regras" gerais relacionadas às maneiras pelas quais as proteínas.se organizam. Estes elementos estruturais repetidos variam desde combinações simples de hélices u. e folhas ~ . formando motivos pequenos (pág. 18), até o dobramento complexo dos domínios polipeptídicos de proteínas multifuncionais (pág. 18).

11.

ESTRUTURA PRIMÁRIA DAS PROTEÍNAS

A seqüência de amino ácidos em uma proteína é denominada estrutura primária da proteína. A compreensão da estrutura primária das proteínas é importante, pois mu itas doenças genéticas resu ltam em prote ínas com seqüências anormais de aminoácidos, ocasionando organização irregular, com perda ou prejuízo da função normal. Se as estruturas primárias das proteínas normais e mutantes são conhecidas, esta informação pode ser usada para diagnosticar ou estudar a doença.

A. A ligação peptídi ca Nas proteínas, os aminoácidos são unidos covalentemente por ligações peptídicas, as quais são ligações amida entre o grupo u.-carboxila de um aminoácido e o grupo u.-amino de outro. Por exemplo, a valina e a alanina podem formar o dipeptídeo valilalanina, por meio da formação de uma ligação peptídica (Figura 2.2.). As ligações peptídicas não são rompidas por condições desnaturantes, como aquecimento ou altas concentrações de uréia. Deve haver uma exposição prolongada a um ácido ou a uma base forte em temperaturas elevadas para hidrolisar essas ligações de forma não-enzimática.

Figura 2.1 Os quatro níveis estruturais das proteínas.


14

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Formação da ligação peptídica

1.

Nomeando o peptídeo. Por convenção, a extremidade amino livre da cadeia peptídica (N-terminal) é escrita à esquerda, e a extremidade carboxila livre (C-terminal), à direita. Dessa forma , todas as seqüências de aminoácidos são lidas da extremidade N para a C-terminal do peptídeo. Por exemplo, na Figura 2.2A, a ordem dos aminoácidos é "valina, alanina", e não "alanina, valina". A ligação de muitos aminoácidos por ligações peptídicas resulta em uma cadeia não-ramificada, denominada polipeptídeo. Cada aminoácido que compõe um peptídeo é denominado "resíduo". Quando um polipeptídeo é nomeado, os sufixos -ina, -ano, -ico ou -ato, dos resíduos de aminoácidos, são alterados para -ii, com exceção do aminoácido C-termi nal. Por exemplo, um tripeptídeo composto por uma valina N-terminal, uma glicina e uma leucina C-terminal é denominado valil-glicil-leucina.

2.

Características da ligação peptídica. A ligação peptídica tem um caráter de dupla ligação parcial, isto é, é mais curta do que uma ligação simples e é rígida e planar (Figura 2.28). Isso impede a rotação livre da ligação entre o carbono da carbonila e o nitrogênio da ligação peptídica. Entretanto, as ligações entre os carbonos a e os grupos aamino ou a-carboxila podem rotar livremente (embora limitadas pelo tamanho e caráter dos grupos R). Isso permite que a cadeia polipeptídica assuma uma variedade de configurações possíveis. A ligação peptídica geralmente é uma ligação trans (em vez de eis; veja a Figura 2.28), em grande parte devido à interferência estérica dos grupos R quando em posição eis.

3.

Polaridade da ligação peptídica. Assim como todas as ligações amida, os grupos -C=O e -NH da ligação peptídica não possuem carga e nem aceitam ou fornecem prótons na faixa de pH de 2 a 12. Assim, os grupos carregados presentes nos polipeptídeos consistem unicamente no grupo a-amino N-terminal, no g rupo a -carboxi la C-terminal e de quaisquer grupos ionizáveis presentes nas cadeias laterais dos aminoácidos constituintes. (Nota: Os grupos -C=O e -NH da ligação peptídica são polares e estão envolvidos em pontes de hidrogênio; por exemplo, nas hélices a e folhas p, descritas nas págs. 16-17.)

H I

•H3 N- cI - cooCH3 Valina

Alanina

m

Características da ligação peptídica

Ligação peptídica trans

R R

Ligação peptídica eis

R

8. Determinação da composição de aminoácidos de um polipeptídeo Ligações peptídicas em proteínas • Caráter de dupla ligação parcial · • Rígida e planar • Configuração trans • Sem carga, porém polar

Figura 2.2 A. Formação de uma ligação peptídica, representando a estrutura do dipeptídeo valilalanina. 8 . Características da ligação peptídica.

O primeiro passo para determinar a estrutura primária de um polipeptídeo é identificar e quantificar seus aminoácidos constituintes. Uma amostra purificada do pol ipeptídeo a ser analisado é p rimeiramente submetida à hidrólise por um ácido forte, a 11 0°C durante 24 horas. Esse tratamento cliva as ligações peptídicas e libera os aminoácidos individuais, os quais podem ser separados por cromatografia de troca de cátions. Nessa técnica, uma mistura de aminoácidos é aplicada a uma coluna que contém uma resina à qual um grupo carregado negativamente está firmemente aderido. (Nota: Se o grupo aderido for carregado positivamente, a coluna torna-se trocadora de ânions.) Os aminoácidos ligam-se à coluna com d iferentes afinidades, dependendo das suas cargas, hidrofobicidade e outras caracte rísticas. Cada aminoácido é seqüencialmente liberado da coluna cromatográfica por eluição com soluções de crescente força iônica e pH (Figura 2.3). Os aminoácidos separados, contidos no líquido eluído da coluna, são quantificados após o aqu ecimento com ninhidrina , um reagente que forma um composto de cor púrpura com a maioria dos aminoácidos, amônia e aminas. A quantidade de cada aminoácido é determinada por espectrofotometria, medindo-se a quantidade de luz absorvida pelo


Bioquímica Ilustrada derivado da ninhidrina. A análise descrita anteriormente é efetuada por meio de um analisador de aminoácidos- um aparelho automático, cujos componentes são ilustrados na Figura 2.3.

15

Bomba de tampão

F==::-r===\XF=> lnjeção de amostra

C. Seq üenciamento do peptídeo a partir de sua extremidade N-terminal

Coluna de troca iônica

O seqüenciamento é um processo gradual de identificação de aminoácidos específicos em cada posição da cadeia polipeptídica, iniciando na extremidade N-terminal. O fenilisotiocianato, conhecido como reagente de Edman, é usado para marcar o resíduo aminoterminal, sob condições levemente alcalinas (Figura 2.4). O derivado resu ltante, feniltioidantoína (PTH), provoca uma instabilidade na ligação peptídica N-terminal, que pode ser seletivamente hidrolisada sem clivar as outras ligações peptídicas. A identidade do aminoácido obtido pode então ser determinada. O reagente de Edman pode ser aplicado repetidamente ao peptídeo mais curto, resultante de cada ciclo prévio. Esse processo foi automatizado e, atualmente, a repetição do método pode ser efetuada por um aparelho ("seqüenciador") para determinar a seqüência de mais de 100 resíduos de aminoácidos, iniciando na extremidade aminoterminal de um polipeptídeo. Fita de registro ou computador

D. Clivagem do polipeptídeo em fragmentos menores Muitos polipeptídeos têm uma estrutura primária composta de mais de 100 aminoácidos. Essas moléculas não podem ser seqüenciadas diretamente de uma extremidade a outra por um seqüenciador. Entretanto, essas moléculas maiores podem ser cl ivadas em sítios específicos e os fragmentos resultantes podem ser seqüenciados. Utilizando-se mais de um agente de clivagem (enzimas e/ou produtos químicos) em amostras separadas do polipeptídeo purificado, fragmentos justapostos podem ser gerados para permitir o ordenamento correto dos fragmentos seqüenciados, fornecendo assim a seqüência completa de aminoácidos do polipeptídeo ma ior (Fi gura 2.5).

Figura 2.3 Determinação da composição de aminoácidos de um polipeptídeo, utilizando um an alisador de aminoácidos.

E. Determinação da estrutura primária de uma proteína por seqüenciamento do DNA A seqüên cia de nucleotíd eos em um a reg1ao de cod ificação do DNA determina a seqüência de aminoácidos de um polipeptídeo. Assim, se a se qüência de nucleotídeos pod e ser determinada, é possível, por meio do código genético (veja a pág. 429), traduzi r a seqüê ncia de nucleotídeos na seqüência co rrespondente de aminoácidos daquele polipeptíd eo. Esse proce sso, embora usado rotin eiramente pa ra obter as se qüências

O H 2N-c;:H-2~COOH CH

~ Alanina N·terminal

.

Pepttdeo

f)

Marcação

(

~ c "

)

Liberação do derivado do aminoácido por hidrólise ácida

HN-c;:H-2~COOH

I soe;:

CH 3

Peptídeo marcado

:rNHJ O 6 "

Fenilisotiocianato

H2 N ~COOH Peptídeo mais curto

+

a ",l-c':H J\H' CH3

PTH-alanina

Figura 2.4 Determinação do resíduo aminotermina l de um polipeptídeo por degradação de Edman.


16

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

de aminoácidos das proteínas, apresenta as limitações de não ser capaz de prever as posições das ligações dissulfeto na cadeia dobrada e de não identificar qualquer aminoácido que seja modificado após sua incorporação ao polipeptídeo (modificação pós-tradução, veja a pág. 440). Assim, o seqüenciamento direto de proteínas é uma ferramenta extremamente importante para determinar o verdadeiro caráter da seqüência primária de muitos polipeptídeos.

Peptideo de seqüência desconhecida

~

1. Clivagem com tripsina nos sítios contendo lisina e arginina 2. Determinação da seqüência dos peptideos, utilizando o método de Edman

1 --------

O

Peptídco A

Peptídeo B Peptídeo C

® @©? @©@?

Qual a seqüência correta?

®@©? @©@? ©®@? @@@ ?

Peptídeo de seqüência desconhecida

~ n g

11.

Clivagem com brometo de cianogênio no sítio da metionina

2. Determinação da seqüência dos peptídeos, utilizando o método de Edman

...._...........

Peptídeo X

PeptídeoY

Seqüência original do peptídeo

Figura 2.5 Peptídeos justapostos produzidos pela ação da tripsina e de brometo de cianogênio.

As cadeia laterais dos aminoácidos se estendem para fora da hélice.

Figura 2.6 Hélice a mostrando o esqueleto do peptídeo.

ESTRUTURA SECUNDÁRIA DAS PROTEÍNAS

III.

O esqueleto polipeptídico não assume uma estrutura tridimensional aleatória, em vez disso, geralmente forma arranjos regulares de aminoácidos que estão localizados próximos uns aos outros na seqüência linear. Esses arranjos são denominados estrutura secundária do polipeptídeo. A hélice a, a folha ~ e a dobradura ~ são exemplos de estruturas secundárias freqüentemente encontradas em proteínas. (Nota: A hélice do colágeno, outro exemplo de estrutura secundária, é discutida na pág. 43.)

A. Hélíce a Existem várias hélices polipeptídicas diferentes encontradas na natureza, mas a hélice a é a mais comum. Ela apresenta uma estrutura helicoidal, que consiste de um esqueleto polipeptídico central em espiral e bem compacto, com as cadeias laterais dos aminoácidos que a compõem estendendo-se para fora do eixo central, de modo a evitar a interferência estérica entre si (Figura 2.6). Um grupo variado de proteínas contém hélices a. As queratinas, por exemplo, são uma família de proteínas fibrosas intimamente relacionadas, cuja estrutura é quase totalmente constituída de hélices a. Elas constitu em os principais com ponentes de tecidos como o cabelo e a pele, e sua rigidez é determinada pelo número de ligações dissulfeto entre as cadeias polipeptídicas constituintes. Em contraste à queratina, a mioglobina, cuja estrutura é formada por aproximadamente 80% de hélices a, é uma molécula globular flexível (veja a pág. 26). 1.

Pontes de hidrogênio. Uma hélice a é estabilizada por uma ampla formação de pontes de hidrogênio entre os átomos de oxigênio das carbonilas e os hidrogênios das amidas das ligações peptídicas que compõem o esqueleto polipeptídico (veja a Figura 2.6). As pontes de hidrogênio estendem-se na espiral, do oxigên io da carbonila ao grupo - NH- de uma ligação peptídica quatro res íduos à frente no polipeptídeo. Isso assegura que todas, exceto a primeira e a última ligações peptídicas componentes, estejam ligadas entre si por pontes de hidragênio. Essas ligações são individualmente fracas, mas coletivamente servem para estabilizar a hélice.

2.

Aminoácidos por passo. Cada passo (ou volta completa) de uma hélice a contém 3 ,6 aminoácidos. Assim, os resíduos de aminoácidos separados por três ou quatro resíduos na seqüência primária estão espacialmente próximos, quando dobrados em hélice a .

3.

Aminoácidos que quebram uma hélice a . A prolina quebra uma hélice a, porque o seu grupo imino não é compatível geometricamente com a espiral voltada para a direita da hélice a. Assim, ela insere uma dobra na cadeia, que interrompe a suave estrutura helicoidal. Um grande número de aminoácidos carregados (por exemplo, glutamato, aspartato, histidina, lisina ou arginina) também quebra a hélice a, pela formação de ligações iônicas ou por se repelir eletrostaticamente um


Bioquímica Ilustrada

aminoácido ao outro. Finalmente, os aminoácidos com cadeias laterais volumosas, como o triptofano, ou aminoácidos como a valina ou a isoleucina, que se ramificam no carbono 13 (o primeiro carbono no grupo R, logo após o carbono a), podem interferir com a formação de uma hélice a se estive rem em grande número.

m

8 . Folha 13 A folha 13 é outra forma de estrutura secundária , na q ual todos os componentes da ligação peptídica estão envolvidos com po ntes de hidrogênio (Figura 2.7 A). As sup erfícies das folhas 13 apresenta m uma aparência "pregueada" e essas estrutu ras são, portanto, freqü entemente denominadas "folhas 13 p regueadas". Quando são feitas ilustrações da estrutura protéica , as fitas 13 são muitas vezes visualizadas como setas largas (Figura 2.78 ). 1.

Co mparação ent re a fol ha 13 e a hélice a. Ao contrá rio da hélice a, as folhas 13 são compostas de duas ou mais cadeias peptídicas (fitas 13) ou segmentos de cadeias polipeptídicas, as quais apresentam-se quase totalmente estendidas. Note também que, nas folhas 13. as pontes de hidrogênio são perpendiculares ao esqueleto polipeptídico (veja a Figura 2.7A).

2.

Folhas paralelas e antiparalelas. Uma folha 13 pode ser formada por duas ou mais cadeias polipeptídicas ou segmentos de cadeias polipeptídicas separados, dispostos de forma antiparalela um ao outro (com as extremidades N-terminal e C-terminal das folhas 13 alternando-se, conforme ilustrado na Figura 2.78) ou de forma paralela (com todos os N-terminais das folhas 13 juntos, conforme ilustrado na Figura 2.7C). Quando as pontes de hid rogênio são formadas entre os esqueletos polipeptíd icos de cadeias polipeptídicas separadas, elas são denominadas ligações intercadeias. Uma folha 13 também pode ser formada por uma única cade ia polipeptídica, dobrando-se sobre si mesma (veja a Figura 2.7C). Nesse caso, as pontes de hidrogênio s!3.o ligações intracadeia. Em proteínas globulares, as folhas 13 sempre apresentam uma curvatura para a direita, quando observadas ao longo do esqueleto polipeptídico. (Nota: Folhas 13 dobradas freqüentemente formam a parte central de proteínas globulares.)

C. Curvaturas

13 {voltas rev ersas )

As curvaturas 13 reve rtem a direção de uma cadeia polipeptíd ica, auxiliando a formação de uma estrut ura com pacta e glo bular. Elas normalmente são e ncon tra das na supe rfície d as moléculas p rot éicas e f reqü e ntem e nte co ntêm resíduo s ca rre gados . (Nota: As curvaturas 13 receberam esse nome porque e las muitas vezes conectam faixas sucessivas de folhas 13 antiparalelas.) As curvaturas 13 geralmente são compostas por quatro aminoácidos, um dos qua is pode ser a prolina - o iminoácido que causa uma "dobra" na cadeia polipeptídica. A glicina, o aminoácido com menor grupo R, também é enco ntrada com freqüência nas curvaturas 13. As cu rvatu ras 13 são estabilizadas pela formação de pontes de hidrogênio e ligações iônicas. D. Estrutura s ecund ária não-repetitiva Aproximadamente a metade de uma prote ína globular média está organizada em estrutu ras repetitivas como a hélice a e/ou as folhas 13. O restante da cadeia polipeptídica é descrito como tendo uma conformação em alça ou

Folha 13 pregueada ant iparalela

N-terminal

Folha 13 pregueada paralela

Figura 2.7 A. A estrutura de uma folha 13. B. Uma folha 13 antiparalela, com fitas 13 representadas por setas largas. C. Uma folha 13 paralela , formada por uma única cadeia polipeptídica, dobrando-se sobre si mesma.

17


18

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

I I

l

I

Unidade ~-a-~

Meandro ~

Chave grega

Barril ~

Figura 2.8 Motivos estruturais comuns, combinando hélices a e folhas ~· Seus nomes descrevem seus aspectos esquemáticos. (Nota: A chave grega leva o nome de um desenho freqüentemente encontrado na cerâmica grega clássica.)

em espiral. Essas estruturas secundárias não-repetitivas não são "aleatórias", mas simplesmente possuem uma estrutura menos regular do que aquelas descritas anteriormente. (Nota: O termo "espiral randômica" refere-se à estrutura distorcida, obtida quando as proteínas são desnaturadas [veja a pág. 21].) E.

As pràteínas globulares são construídas pela combinação de elementos estruturais secundários (hélices a, folhas ~ e seqüências não-repetitivas). Esses formam principalmente a região central - isto é, o interior da molécula. Eles são conectados por regiões em alça (por exemplo, curvaturas p) na superfície da proteína. As estruturas supersecundárias são normalmente produzidas pelo agrupamento das cadeias laterais de elementos estruturais secundários adjacentes, próximos um do outro. Assim, por exemplo, as hélices a e as folhas ~. que são adjacentes na seqüência de aminoácidos, também são normalmente (mas não sempre) adjacentes na proteína final, dobrada. Alguns dos motivos mais comuns estão ilustrados na Figura 2.8.

H O I 11 ~ N- C - C-.NYVVV" I

I

H ÇH2

Dois resíduos de cisteína

SH SH

\

Esqueleto polipeptídico

~ ~H2

~

I

N -c - c -.NYVVV" I

11

H O

I

Oxidante {-(por exemplo, 0 2)

~

H O I 11 N-C - C -.NYVVV" I

I

H ÇH2

s s I I

I

ÇH2

N -c- c -.NYVVV" I

11

H O

Figura 2.9 Formação de uma ponte dissulfeto pela oxidação de dois resíduos de cisteína, produzindo um resíduo de cistina.

Estruturas supersecundárias (motivos)

IV.

ESTRUTURA TERCIÁRIA DAS PROTEÍNAS GLOBULARES

A estrutura primária de uma cadeia polipeptídica determina sua estrutura terciária. (Nota: ''Terciária" refere-se tanto ao dobramento dos domínios [as unidades básicas de estrutura e função, veja a discussão a seguir) quanto ao arranjo final dos domínios no polipeptídeo.) A estrutura das proteínas globulares em solução aquosa é compacta, com uma alta densidade (estrutura muito dobrada) de átomos no centro da molécula. As cadeias laterais hidrofóbicas são posicionadas no interior, enquanto os grupos hidrofílicos geralmente são encontrados na superfície da molécula. Todos os grupos hidrofíl icos (incluindo os componentes da ligação peptídica) localizados no interior do polipeptídeo estão envolvidos na formação de pontes de hidrogênio ou de interações eletrostáticas. (Nota: As estruturas em hélice a e em folha ~ proporcionam o máximo de pontes de hidrogênio aos componentes da ligação peptídica no interior dos polipeptídeos, eliminando assim a possibilidade de que as moléculas de água possam ligar-se a esses grupos muito hidrofílicos e romper a integridade da proteína.) A. Domínios Domínios são as unidades funcionais fundamentais com estrutura tridimensional em um polipeptídeo. As cadeias polipeptídicas maiores do que


Bioquímica Ilustrada

200 aminoácidos de comp rimento geralmente apresentam dois ou mais domínios. O centro de um domínio é formado a partir de comb inações de elementos estruturais supersecundários (motivos). O dobramento da cadeia peptídica dentro de um domínio normalmente ocorre independentemente do dobramento em outros domínios. Assim, cada domínio apresenta as características de uma proteína globular pequena e compacta, que é estruturalmente independente de outros domínios na cadeia polipeptídica.

~

HC- CH3 ?H2 lsoleucina

1

j

2.

Pontes dissulfeto. Uma ponte dissulfeto é uma ligação covalente formada pelos grupos sulfidrila (-SH) de dois resíduos de cisteína para produzir um resíduo de cistina (Figura 2.9). As duas cisteínas podem estar separadas uma da outra por muitos aminoácidos na seqüência primária de um polipeptídeo, ou podem mesmo estar localizadas em duas cadeias polipeptídicas diferentes; o dobramento da(s) cadeia(s) polipeptídica(s) aproxima os resíduos de cisteína e permite a ligação covalente de suas cadeias laterais. Uma ponte dissulfeto contribui para a estabilidade da conformação tridimensional da molécula protéica. Po r exemplo, muitas ligações dissulfeto são encontradas em proteínas como as imunoglobulinas, que são secretadas pelas células. (Nota: Essas fortes ligações covalentes contribuem para estabilizar a estrutura das proteínas e evitar que elas se tornem desnaturadas no meio extracelular. ) lnterações hidrofóbicas . Os aminoácidos com cadeias late rais hidrofóbicas tendem a ficar localizados no interior da molécula polipeptídica, onde eles se associam com outros aminoácidos hidrofóbicos (Figura 2.1 0). Em contraste, aminoácidos com cadeias laterais polares ou com carga tendem a ficar na superfície da molécula , em contato com o solvente polar. (Nota: Proteínas localizadas em ambientes apoiares [lipídicos]. como as membranas celulares, exibem um arranjo inverso - isto é, as cadeias laterais de aminoácidos hidrofílicos estão localizadas no interior do polipeptídeo, enquanto os aminoácidos hidrofóbicos estão local izados na superfície da molécula, em contato com o ambiente apoiar [veja a Figu ra 1.4, pág. 4).) Em qualquer dos casos, ocorre a segregação energeticamente mais favorável dos grupos R.

CHs

; H3C CH3 ' eH ... '" ' Leucina ~H2

~

A estrutura tridimensional única de cada polipeptídeo é determinada por sua seqüência de aminoácidos. As interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos direcionam o dobramento do polipeptídeo para formar uma estrutura compacta. Quatro tipos de interações cooperam para estabilizar as estruturas terciárias das proteínas globulares.

1.

H H O I I 11 N -C -C-vVVYVV'-

Esqueleto polipeptídico

B. lnterações que estabilizam a estrutura terciária

N-C - C~ I

l

11

H H O

Figura 2.10 lnterações hidrofóbicas entre aminoácidos com cadeias laterais apoiares.

Glutamato

Aspartato

H H O

H H O

I

I

11

1

I

11

VV"<-N - C-C~N-C-C~ I

ÇH2 ÇH2

c

o"_ 'o· +NH I

4.

Pontes de hidrogênio. Cadeias laterais de aminoácidos contendo hidrogênio ligado a oxigênio ou nitrogênio, como os grupos alcoólicos da serina e da treonina, podem formar pontes de hidrogênio com átomos ricos em elétrons, como o oxigênio dos grupos carboxila ou grupos carbonila das ligações peptídicas (Figura 2. 11 ; veja também a Figura 1.6, pág. 4). A formação de pontes de hidrogênio entre grupos polares na superfície de uma proteína e o solvente aquoso aumentam a solubilidade da proteína. lnterações iônicas. Grupos carregados negativamente, como o grupo carboxila (- COO-) na cadeia lateral do aspartato ou do glutamato, podem interagir com grupos carregados positivamente, como o grupo amino (-NH 3• ) , na cadeia lateral da lisina (veja a Figura 2.11 ).

3

ÇH2 ÇH2 ÇH2 H CH2 I I N-C-C I

3.

19

11

H O Li sina

Ligação i ónica

Figura 2.11 lnterações de cadeias laterais de aminoácidos por meio de pontes de hidrogênio e ligações iônicas.


20

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

C. Dobramento protéico As interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos determinam como uma cadeia polipeptídica longa se dobra para formar a intricada conformação tridimensional de proteínas funcionais. O dobramento protéico, que ocorre dentro da célula de segundos a minutos, emprega um atalho pelo labirinto de possibilidades de dobramento. Com um dobramento peptídico, as cadeias laterais dos aminoácidos são atraídas ou repelidas de acordo com suas propriedades químicas. Por exemplo, cadeias laterais carregadas positiva e negativamente atraem umas às outras. Por sua vez , cadeias laterais com cargas semelhantes repelem-se umas às outras. Além disso, as interações envolvendo pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas e pontes dissulfeto podem influenciar o processo de dobramento. Esse processo de ensaio e erro testa muitas, mas não todas as possibilidades de configuração, em busca de um estado no qual as atrações sobrepujem as repulsões. Isso resulta em uma proteína dobrada corretamente, com um baixo estado energético (Figura 2.12).

O. Papel das chaperonas no dobramento protéico

fJ

n

U

Geralmente se aceita que a informação necessária para corrigir o dobramento da proteína está contida na estrutura primária do polipeptídeo. Considerando essa premissa , é difícil explicar por que as proteínas, em sua maioria, quando desnaturadas (veja a seguir), não retomam sua conformação nativa sob condições ambientais favoráveis. Uma resposta para esse problema é que a proteína começa a se dobrar durante os estágios de síntese, em vez de esperar que a síntese de toda a cadeia esteja completa. Isso limita a competição entre configurações de dobramento, possíveis em bandas maiores do peptídeo nascente. Além disso, um grupo especializado de proteínas, denominadas "chaperonas", é req uerido para o dobramento adequado de muitas espécies de proteínas. As chape ronas - também denominadas proteínas de "choque térmico" - interagem com o polipeptídeo em vários estágios durante o processo de dobramento. Algumas chaperonas são importantes para manter a proteína desdobrada até que sua síntese esteja terminada, ou agem como catal isadores, au mentando a velocidade dos estágios finais no processo de dobramento. Outras protegem as proteínas durante o dobramento, para que as regiões expostas, mais vulneráveis, não formem dobramentos improdutivos.

Formação de domínios

Formação de um monômero protéico final

tI V.

Figura 2.12 Etapas no dobramento protéico.

ESTRUTURA QUATERNÁRIA DAS PROTEÍNAS

Muitas proteínas consistem em uma única cadeia polipeptídica, sendo definidas como proteínas monoméricas. Outras, entretanto, consistem em duas ou mais cadeias polipeptídicas, que podem ser estruturalmente idênticas ou totalmente diferentes. O arranjo dessas subunidades polipeptídicas é denominado estrutura quaternária da proteína. (Nota: Se existem duas subunidades, a proteína é denominada "dimérica", se são três subunidades, "trimérica", e se existem várias subunidades, "multimérica".) As subunidades são mantidas unidas por interações não-covalentes (por exemplo, pontes de hidrogênio, ligações iônicas e interações hidrofóbicas). As subunidades podem funcionar independentemente umas das outras ou podem trabalha r cooperativamente, como no caso da hemoglobina, onde a ligação do oxigênio a uma subunidade do tetrâmero aumenta a afinidade das outras subunidades ao oxigênio (veja a pág. 29).


Bioquímica Ilustrada

VI.

21

DESNATURAÇÃO DE PROTEÍNAS

A desnaturação protéica resulta no desdobramento e na desorganização das estruturas secundária e terciária, sem que ocorra hidrólise das ligações peptídicas. Os agentes desnaturantes incluem calor, solventes orgânicos, agitação mecânica, ácidos ou bases fortes, detergentes e íons ou metais pesados, como chumbo e mercúrio. A desnaturação pode, sob condições ideais, ser reversível; nesse caso, a proteína dobra-se novamente em sua estrutura original quando o agente desnaturante for removido. Entretanto, as proteínas, em sua maioria, uma vez desnaturadas, ficam permanentemente alteradas. As proteínas desnaturadas são freqüentemente insolúveis, e, portanto, precipitam em solução.

VIl.

precursora amilóide

~

Clivagem enzimática

~)l(rff I ~ Clivagem enzimática

· ·~

DOBRAMENTO INADEQUADO DE PROTEÍNAS

O dobramento protéico é um processo complexo de ensaio e erro, que algumas vezes pode resultar em moléculas dobradas de forma imprópria. Essas proteínas dobradas de forma incorreta são normalmente marcadas e degradadas dentro da célula (veja a pág. 441 ). Entretanto, esse sistema de controle de qualidade não é perfeito, e agregados intra ou extracelulares de proteínas inadequadamente dobradas podem se acumular, particularmente durante o envelhecimento. Depósitos dessas proteínas impróprias estão associados com algumas doenças, incluindo amiloidoses.

A. Amiloidoses O dobramento impróprio de proteínas pode ocorrer espontaneamente ou ser causado por uma mutação em um determinado gene, o que produz uma proteína alterada. Além disso, algumas proteínas, aparentemente normais, após uma clivagem proteolítica anormal assumem uma conformação única, que leva à formação de longos feixes de proteínas fibrilares, constituídos de folhas ~ pregueadas. O acúmulo desses agregados protéicos espontâneos, denominados amilóides, tem sido implicado em muitas doenças degenerativas - particularmente na desordem neurodegenerativa denominada doença de Alzheimer. O componente predominante da placa amilóide que se acumula na doença de Alzheimer é um peptídeo formado por 40 a 43 res íduos de aminoácidos, denominado Ap. Os métodos de cristalografia de raios X e espectroscopia de infravermelho demonstram uma conformação característica de folha ~ pregueada na forma de fibrilas não-ramificadas. Esse peptídeo, quando agregado na configuração de folha ~ pregueada, é neurotóxico e é o evento patogênico central, que leva a um prejuízo cognitivo, característico da doença. O peptídeo amilóide A~ , depositado no cérebro em decorrência da doença de Alzheimer, é derivado por clivagem proteolítica de uma proteína muito maior, a proteína precursora amilóide - uma proteína com um único domínio transmembrana, expressa na superfície de células neurais e em outros tecidos (Figura 2.1 3). Os agregados contendo o peptídeo A~ formam a placa amilóide, localizada no parênquima cerebral e ao redor dos vasos sangüíneos. A maioria dos casos de doença de Alzheimer não é de origem genética, embora pelo menos cinco a dez por cento dos casos tenha origem familiar. Um segundo fator biológico envolvido no desenvolvimento da doença de Alzheimer é o acúmulo cerebral de emaranhados neurofibrilares. Um componente-chave desse emaranhado de fibras é a forma anormal da proteína tau, que na forma saudável auxilia na organização da estrutura microtubular. A proteína tau defeituosa, entretanto, parece bloquear as ações da sua forma equivalente normal.

Aj3

Me;n'b~1~~~ õÚH,~

rç;~liJW.&r r. .r ~,.-------Agregação espontãnea para fo rmar f ibrilas insolúveis de folha ~ pregueada.

Modelo de fibrilas amilóides

.. ~

Fotomicrografia de placas amilóides em uma secção de córtex temporal proveniente de um paciente com doença de Alzheimer

Figura 2.13 Formação das placas amilóides encontradas na doença de Alzheimer.


22

Pamela C. Champe, Richa rd A. Harvey, Denise R. Fe rrie r

O

8. Doença do prío n A interação da molécula PrP infecciosa com uma PrP normal f az com que a forma normal adquira a forma infecciosa.

A proteína do príon (PrP) tem sido fortemente implicada como o agente causador das encefalopatias espongiformes transmissíveis (EETs}, incluindo a doença humana de Creutzfeldt-Jakob, o scrapie* em ovelhas e a encefalopatia espongiforme bovina no gado (popularmente con hecida 1 como "doença da vaca louca"}. Após uma ampla série de procedimentos de purificação, os cientistas ficaram perplexos ao descobrir que a infecciosidade do agente causador do scrapíe em ovelhas estava associada a uma única espécie de proteínas, que não era associada a ácidos nucleicos detec· táveis. Essa proteína infecciosa é designada proteína do príon. Ela é altamente resistente à degradação proteolítica e, na forma infecciosa, tende a formar agregados fibrilares insolúveis, similares à placa amilóide encontrada em outras doenças encefálicas. Uma forma não-infecciosa da PrP, contendo as mesmas seqüências de aminoácidos e de genes do agente infeccioso, está presente em encéfalo normal de mamíferos, na superfície de neurônios e de células gliais. Dessa forma, a PrP é uma proteína capaz de cooptar outras. Não se tem encontrado diferenças estruturais primárias ou modificações pós-tradução entre as fo rmas normal e infecciosa da proteína. A chave para se tornar uma proteína infecciosa aparentemente reside em alterações na conformação tridimensional da PrP. Tem sido observado que diversas hélices a presentes na forma não-infecciosa da PrP são substituídas por folhas p na forma infecciosa (Figura 2. 14). Provavelmente é essa diferença de conformação que confere uma relativa resistência à degradação prole· olítica de príons infecciosos e que lhes permite serem distinguidos da PrP normal em tecidos infectados. O agente infeccioso é, então, uma versão alterada da proteína normal, agindo como uma "matriz" ao fazer a proteína normal assumir uma conformação patogênica. As EETs são invariavelmente fatais e atualmente nenhum tratamento é capaz de alterar esse resultado.

PrP não-infecciosa

(oontém héUoe o) ~

~,p

~

infeocio"'

(:Cntém folhas jl)

,, PrP infecciosa (contém folhas 13)

fJ

Essas duas moléculas se dissociam e convertem duas moléculas adicionais de PrP não· infecciosa na forma infecciosa.

VIII.

PrP não-infecciosa (contém hélice a )

f

PrP não-infecciosa (contém hélice a )

'

Isso resulta em um aumento exponencial da forma infecciosa.

RESUMO DO CAPÍTULO

Para entender a estrutura protéica é central o entendimento do conceito de conformação nativa (Figura 2.15), que é a estrutura protéica inteiramente organizada e funcional (por exemplo, uma enzima ativa ou uma proteína estrutural). A estrutura tridimensional única da conformação nativa é determinada pela estrutura primária, isto é, a seqüência de aminoácidos. As interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos direcionam a organização de uma cadeia polipeptídica para formar estruturas secundárias, terciárias e (algumas vezes) quaternárias, as quais cooperam para a estabilização da conformação nativa da proteína. Além disso, as "chaperonas", um grupo especializado de proteínas, são necessárias para a correta organização de muitas espécies de proteínas. A desnaturação protéica resulta no desdobramento e na desorganização da estrutura protéica, sem que haja hidrólise das ligações peptídicas. A desnaturação pode ser reversível ou, mais freqüente· mente, irreversível. Doenças podem ocorrer quando uma proteína aparentemente normal adquire uma conformação que é citotóxica, como no caso da doença de Alzheimer e das encefalopatias espongiformes transmissíveis (EETs}, incluindo a doença de Creutzfeldt-Jakob. Na doença de Alzheimer, proteínas normais, após um processo químico anormal , adquirem um estado de conformação único, que leva à formação de agregados neurotóxicos de proteínas amilóides, em forma de folha p pregueada. Nas EETs, o agente infeccioso é uma versão alterada da proteína do príon normal, agindo como uma "matriz" por fazer a proteína normal assumir uma conformação patogênica.

Figura 2.14 Um mecanismo proposto para a multiplicação de agentes príon infecciosos.

N. de T. Scrapie- do inglês scrape (roçar, raspar); doença fatal em ovelhas e cabras, marcada por coceira intensa, perda da coordenação motora e degeneração progressiva do sistema nervoso central. 1

Veja a pág. 397 em Microbiologia Ilustrada para uma discussão mais detalhada sobre prions.


Bioquímica Ilustrada

Hierarquia da estrutura protéica

Primária é

contribui para

a seqüência de aminoácidos

pode ser

[Hélice

,----------.-•1

a

Chaperonas

[ Folha p

consiste em -----1 [ Curvatura P (voltas reversas) l -+---0>( Estr uturas não-repetitivas

[ Estruturas supersecundárias

Função Biológica Por exem plo: • Catálise e Proteção • Regulação e Transdução de sinal e Armazenamento e Estrutura l e Transporte

[ I nterações hidrofóbicas [ Pontes de hidrogénio

estabilizada por

é a organização tridimensional da cadeia dobrada

[ lnterações eletrostáticas [ Pontes dissulfeto

[ lnterações hidrofóbicas [ Pontes de hidrogênio [ lnterações eletrostáticas

estabilizada por

é o arranjo de múltiplas subunidades polipeptídicas na proteína

pode contribuir para

pode formar

j

veja a pág. 397

Ds L

desorganQação >-,---0-e_s_n_a_t_u_ra_n_t_e_s____ ocasionada por r ::-- ------c-----c----j Por exemplo: e Uréia algumas e Temperatura e pH podem extremos recuperar e Solventes orgânicos

Doençade

Creutzfeldt-Jakob

Doença de Alzheimer

r:;::::l

conduz à conduz a - + - - - - - ~--------1 conduza

Organização alterada

_______j

conduz à [ Proteínas amilóides J~-----{_

A maioria das proteínas não pode se reorganizar após a remoção do agente desnaturante

t Desnaturação ir reversível

Figura 2.15 Mapa de conceitos-chave referentes à estrutura protéica.

23


24

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Fe rrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 2.1 Uma ligação peptídica:

A. apresenta um caráter de d upla ligação parcia l; B. está ionizada em pH fisiológico; C. é clivada po r agentes que desnaturam proteínas, como solventes orgânicos e altas concentrações de uréia; D. é estável ao aquecimento em ácidos fortes; E. ocorre com mais freqüência na configuração eis. 2.2 Qual das segui ntes afirmações está correta? A. A hélice a pode ser composta por mais de uma cadeia polipeptídica. B. As folhas 13 existem somente na forma antipa ralela. C. As curvaturas 13 freqüentemente contêm prolina. D. Os motivos são um tipo de estrutura secundária. E. A hélice a é estabilizada principalmente por interações iônicas entre as cadeias laterais dos aminoácidos. 2.3 Qual das seguintes afirmativas sobre a estrutura protéica está correta?

,.

A. As proteínas constituídas por um polipeptídeo podem ter e strutu ra quaternária. B. A formação de uma ponte dissulfeto em uma proteína requer que os dois resíduos de cisteína participantes estejam adjacentes entre si, na seqüência primária da proteína. C. A estabilidade da estrutura quaternária das proteínas se dá principalmente como resultado das ligações covalentes entre as subunidades. D. A desnaturação protéica sempre resulta em perda irreversível das estruturas secundária e terciária. E. A informação necessária para o dobramento correto de uma proteína está contida na seqüência específica dos aminoácidos ao longo da cadeia polipeptídica. 2.4 Um homem de 80 anos de idade apresentava preju ízo das funções intelectuais e alte rações de humor e de comportamento. Sua família relatou desorientação progressiva e perda de memória durante os últimos seis meses. Não há história familiar de de mência. O paciente foi provisoriamente diagnosticado como portador d e doença de Alzheimer. Qual das seguintes hipóteses melhor descreve a doença? A. Está associada com a proteína 13-amilóide - uma p roteína anormal, co m seqüência alterada de aminoácidos. B. Resulta do acúmulo de proteínas desnaturadas que apresentam conformações aleatórias. C. Está associada com o acúmulo da proteína precursora amilóide. D. Está associada com o depósito d e agregados de peptídeos amilóides neurotóxicos. E. É uma doença produzida por ação do ambiente, não influenciada pela genética do indivíduo.

=

Resposta correta A. A ligação peptidica tem um caráter de dupla ligação parcial. Ao contrário de seus componentes - os grupos a -amino e o;-carboxila - os componentes da ligação peptidica não aceitam ou fornecem prótons. A ligação peptídica não é clivada por solventes orgânicos ou uréia, mas é lábil em meio ácido forte. Geralmente está em configuração trans.

Resposta correta = C. As curvaturas ~ treqüentemente contêm prolina, a qual proporciona uma dobra. A hélice o; difere da tolha ~ por ela sempre fazer parte da espiral de uma simples cadeia polipeptídica. A estrutura em tolha ~ pregueada ocorre tanto na forma paralela quanto na forma antiparalela. Os motivos são elementos da estrutura terciária. A hélice a. é estabilizada principalmente por pontes de hidrogénio entre os grupos -C=O e -NH- das ligações peptfdicas.

=

Resposta correta E. A organização correta de uma proteína é direcionada por interações específicas entre as cadeias laterais dos resíduos de aminoácidos que compõem uma cadeia polipeptidica. Os dois resíduos de cisteína que reagem para formar uma ponte dissulfeto podem estar distantes um do outro na estrutura primária (ou mesmo em polipeptídeos separados), mas são aproximados pela organização t ridimensional da cadeia polipeptídica. A desnaturação pode ser reversível ou irreversível. A estrutura quaternária requer mais de uma cadeia polipeptidica. Essas cadeias encontram-se associadas por meio de interações não-covalentes.

Resposta correta = O. A doença de Alzheimer está associada com longos agregados tibrilares protéicos, constituídos de tolhas p pregueadas, encontrados no encéfalo e em outros locais. A doença está relacionada com o processamento anormal de uma proteína. O acúmulo da proteína alterada ocorre em uma con figuração de folhas p pregueadas, que é neurotóxica. A proteína amilóide Ap, depositada no encéfalo em decorrência da doença de Alzheimer, é derivada por clivagem proteolítica de uma proteína muito maior, a proteína precursora amilóide- uma proteína transmembrana expressa na superfície de células neurais e em outros tecidos. Muitos casos de doença de Alzheimer são esporádicos, embora pelo menos 5 a 10% por cento dos casos tenham origem familiar.


Proteínas Globulares

-

I. VISÃO GERAL

__. <t:

O capítulo anterior descreveu os tipos de estruturas secundária e terciária que são os tijolos e a argamassa da arquitetura protéica. Com o arranjo desses elementos estruturais fundamentais em diferentes combinações, é possível const rui r uma grande diversidade de proteínas, as quais serão capazes de desempenhar uma variedade de funções especializadas. Este capítulo examina a relação entre a estrutura e a função de algumas proteínas globulares clinicamente importantes, as hemeproteínas. As proteínas estruturais fibrosas são discutidas no Capítulo 4.

l-

11.

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HEMEPROTEÍNAS GLOBULARES

ãi

Hemeproteínas são um grupo especializado de proteínas, as quais contêm heme como grupo prostético firmemente ligado (veja a pág. 54 para uma discussão sobre grupos prostéticos). O papel do grupo heme é determinado pelo ambiente criado pela estrutura tridimensional da proteína. Por exemplo, o grupo heme de um citocromo funciona como um carreador de elétrons, sendo alternadamente oxidado e reduzido (veja a pág. 75). Em contraste, o grupo heme da enzima catalase é parte do sítio ativo da enzima, a qual catalisa a quebra do peróxido de hid rogênio (veja a pág. 146). Na hemoglobina e na mioglobina, as duas hemeproteínas mais abundantes em humanos, o grupo heme serve para ligar, de forma reversível, o oxigênio.

A. A estrutura do heme O heme é um complexo entre a protoporfirina IX e o íon ferroso (Fe 2+) (Figura 3. 1). O fe rro está preso no centro da molécula do heme por meio 2 de ligações aos quatro nitrogên ios do anel porfirín ico. O Fe + do heme pode fo rmar duas interações adicionais, uma de cada lado do plano do anel porfirínico. Por exemplo, na mioglobina e na hemoglobina, uma dessas posições estabelece uma interação coordenada com a cadeia lateral de um resíduo de histidina da molécula da globina, enquanto a outra posição fica disponível para ligar o oxigênio (Figura 3.2). (Veja a pág. 276 para uma discussão sobre a síntese e a degradação do heme.)

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I

I

___}

Figura 3.1 A. Hemeproteína (citocromo c). B. Estrutura do heme.


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Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

m

Figura 3.2 A. Modelo da mioglobina, mostrando as hélices de A a H. B. Diagrama esquemático do sítio de ligação do oxigênio na mioglobina.

8 . Estrutura e função da mioglobina A mioglobina, uma hemeproteína presente no coração e no músculo esquelético, funciona tanto como um reservatório de oxigênio quanto como um carreador de oxigênio, que aumenta a velocidade de tra nsporte d e oxigênio dentro da célu la muscular. A mioglobina consiste em uma única cadeia polipeptídica, a qual é estruturalmente similar a uma das cadeias polipeptídicas individuais que constituem as subunidades da molécula da hemoglobina. Essa homologia torna a mioglobi na um modelo útil para int erpretar algumas das comp lexas prop riedades da hemoglobina.

1.

Conteúdo de hélice ex. A mioglobina é uma molécula compacta, com aproximadamente 80% de sua cadeia polipeptídica dobrada em oito segmentos de hélice a. Essas regiões a-helico idais, marcadas de A a H na Figura 3.2A, são delimitadas pela presença de prolina, cujo anel de cinco membros não pode ser acomodado na hélice a (veja a pág. 16), ou por curvas ~ e alças estabilizadas por pontes de hidrogênio e ligações iônicas (veja a pág . 17).

2.

Localização dos resíduos de aminoácidos polares e apoiares. O interior da molécula de mioglobina é constituído quase que completamente por aminoácidos apoiares. Eles estão compactados, formando uma estrutura estabilizada por interações hidrofóbicas entre esses resíduos (veja a pág. 19). Em contraste, os aminoácidos carregados estão localizados quase exclusiva mente na superfície da molécula, onde podem formar pontes de hidrogênio entre si e com a água.

3.

Ligação do grupo heme. O grupo heme da mioglobina se situa em uma fenda na molécula, a qual é revestida por aminoácidos nãopolares . Exceções notáveis são dois resíd uos de histidina (Figura 3.28). Um, a histidina proxim al, liga diretamente o ferro do grupo heme. O segundo, ou histidina distal, não interage diretamente com o grupo heme, mas ajuda a estabiliza r a ligação do oxigênio ao íon fe rroso. A po rção protéica da mioglobina, ou globina, cria assim um microambiente especial para o grupo heme , pe rmi tindo a ligação reversível de uma molécula de oxigênio (oxigenação). A perda simultânea de elétrons pelo íon ferroso (oxidação) ocorre apenas raramente.


Bioquímica Ilustrada

Figura 3.3 A. Estrutura da hemoglobina, mostrando a cadeia polipeptídica. B. Desenho simplificado, mostrando as hélices.

C. Estrutura e função da hemoglobina A hemoglobina é encontrada exclusivamente nos eritrócitos, onde sua principal função é transportar oxigênio dos pulmões até os capilares dos tecidos. A hemoglobina A, a principal hemoglobina em adul.tos, é composta por quatro cadeias polipeptídicas - duas cadeias alfa (a) e duas cadeias beta (~) - mantidas unidas por meio de ligações não-covalentes (Figura 3.3). Cada subunidade contém segmentos de estrutura em hélice a , além de uma fenda, ou bolso, onde se liga o grupo heme, de forma similar ao descrito para a mioglobina. A molécula tetramérica da hemoglobina, no entanto, é estrutural e funcionalmente mais complexa do que a mioglobina. Por exemplo, a hemoglobina pode transportar C02 dos tecidos até os pulmões e pode carregar quatro moléculas de 0 2 dos pulmões às cél ulas dos tecidos do corpo. Além disso, as propriedades de ligação do oxigênio na hemoglobina são reguladas por interações com efetores alostéricos (veja a pág. 62).

1.

Estrutura quaternária da hemoglobina. O tetrâme ro da hemoglobina pode ser considerado como a associação de dois dímeros, ( a~), e (a~) 2 , em que o número se refere aos dímeros um e dois. As duas cadeias polipeptídicas em cada dímero são mantidas firmemente unidas, principalmente por meio de interações hidrofóbicas (Figura 3.4). (Nota: Nesse caso, os resíduos de aminoácidos hid rofóbicos estão localizados não apenas no interior da molécula, mas também em uma região da superfície de interface de cada subunidade. As interações hidrofóbicas intercadeia formam fortes associações entre as subunidades a e as subunidades ~ nos dímeros.) Ligações iônicas e pontes de hidrogênio também ocorrem entre os membros do dímero. Em contraste, os dois dímeros são capazes de se move r um em relação ao outro, sendo mantidos unidos principalmente por meio de ligações polares. As interações mais fracas entre esses dímeros móveis resulta

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Ligações iónicas e pontes de hidrogênio ocorrem entre os pares de dimeros o:J3 na forma desoxigenada .

lnterações fortes, principalmente hidrofóbicas, ent re as cadeias o: e J3 formam dimeros o:J3 estáveis.

Algumas ligações iónicas e pontes de hidrogênio entre os di meros o:J3 são rompidas no estado oxigenado.

)

Estrutura "T" ou tensa, da desoxiemoglobina

Estrutura "R" ou relaxada da oxiemoglobina

Figura 3.4 Diagrama esquemático mostrando mudanças estruturais resultantes da oxigenação e desoxigenação da hemoglobina.

em duas conformações diferentes, observadas na desoxiemoglobina, com relação à oxiemoglobina (veja a Figura 3.4).

a.

Forma T. A forma desoxigenada da hemoglobina é chamada de "T", o u forma tensa . Na forma T, os dois díme ros a~ interagem por meio de uma rede de ligações iônicas e pontes de hidrogênio, que restringem o movimento da cadeia polipeptídica. A forma T é a forma de baixa afi nidade pelo oxigênio da hemoglobina.

b.

Forma R. A ligação do oxigênio à hemoglobina causa a ruptura de algumas ligações iônicas e pontes de hidrogênio entre os dímeros a~. Isso leva a uma estrutura chamada de "R" ou forma relaxada, na qual as cadeias polipeptídicas têm maior liberdade de movimentos (veja a Figura 3.4). A forma R é a forma de alta afinidade pelo oxigênio da hemoglobina.

D. A ligação do oxigênio à mioglobina e à hemoglobina A mioglobina pode ligar somente uma molécula de oxigênio (02) , porque contém apenas um grupo heme. Em contraste, a hemoglobina pode ligar quatro moléculas de oxigênio - uma para cada um de seus quatro grupos heme. O grau de saturação (Y) desses sítios de ligação ao oxigênio em todas as moléculas de mioglobina ou hemoglobina pode variar de zero (quando todos os sítios estão vazios) a 100% (quando todos os sítios estão preenchidos; Figura 3.5).

1.

Curva de dissociação do oxigênio. Uma curva da saturação (Y) medida em diferentes pressões parciais de oxigênio (p02) é chamada de curva de dissociação do oxigênio. As curvas para a mioglobina e para a hemoglobina apresentam diferenças importantes (veja a Figura 3.5). Esse gráfico ilustra que a mioglobina tem maior afinidade pelo oxigênio do que a hemoglobina. A pressão parcial de oxigênio necessária para obter metade da saturação dos sítios de ligação (P50) é de aproxi-


Bioquímica Ilustrada

madamente 1 mm Hg para a mioglobina e 26 mm Hg para a hemoglobina. (Nota: Quanto maior a afinidade pelo oxigênio [isto é, quanto mais fortemente liga o oxigênio], menor a P50) a.

Mioglobina. A cu rva de dissociação do oxigênio da mioglobina possui uma forma hiperbólica (veja a Figura 3.5). Isso reflete o fato de que a mioglobina liga-se reversivelmente a apenas uma molécula de oxigênio. Assim , a mioglobina oxigenada (Mb02) e a desoxigenada (Mb) estão em um equilíbrio simples:

O equilíbrio é desviado para a direita ou para a esquerda à medida que o oxigênio é adicionado ou removido do sistema. (Nota: A mioglobina tem a função de ligar o oxigênio liberado pela hemoglobina nas baixas p02 encontradas no músculo. A mioglobina, por sua vez, liberará o oxigênio dentro da célula muscular em resposta à demanda de oxigênio.) b.

E.

Hemoglobina. A curva de dissociação do oxigênio da hemoglobina tem forma sigmoidal (veja a Figura 3.5), indicando que as subunidades cooperam na ligação do oxigênio. A ligação cooperativa do oxigênio às quatro subunidades da hemoglobina significa que a ligação de uma molécula de oxigênio a um dos grupos heme aumenta a afinidade pelo oxigênio dos grupos heme restantes na mesma molécula de hemoglobina (Figura 3.6). Esse efeito é denominado interação heme-heme (veja a seguir). Embora seja ma is difícil para a primeira molécula de oxigênio ligar-se à hemoglobina, a ligação subseqüente de oxigênio ocorre com alta afinidade, como demonstrado pela curva rapidamente ascendente na região de 20 a 30 mm Hg (veja a Figura 3 .5).

A curva de dissociação do oxigênio é acentuada em baixas concent rações de oxigênio, como ocorre nos tecidos. Isso permite que o oxigênio seja liberado para responder a pequenas variações na p02.

p02 nos

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o(.) o uu

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1V <11 Cll

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0

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40

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120

Pressão parcial de oxigênio (p02 ) (mm Hg)

I

P50

I

=1

Pso

=26

Figura 3.5 Curvas de dissociação do oxigênio para a mioglobina e para a hemoglobina.

'

Hb

/

/

'

Efeitos alostéricos A capacidade da hemoglobina para ligar-se reversivelmente ao oxigênio é afetada pela p0 2 (devido às interações heme-heme, conforme descrito anteriormente), pelo pH do ambiente, pela pC0 2 e pela disponibilidade de 2,3-bisfosfoglicerato. Esses são coletivamente chamados de efetores alostéricos (outro sítio), pois sua interação com um sítio na molécula da hemoglobina afeta a ligação do oxigênio aos grupos heme em outras regiões da molécula. (Nota: A ligação do oxigênio à mioglobina não é influenciada pelos efetores alostéricos da hemoglobina.) 1.

'

Hb

/

t:í I:!

lnterações heme-heme. A curva sigmoidal de ligação do oxigên io reflete mudanças estruturais específicas, as quais são iniciadas em um dos grupos heme e são transmitidas aos outros grupos da estrutura tetramé rica da hemoglobina. O efeito líquido é que a afinidade da hemoglobina pelo último oxigênio ligado é aproximadamente 300 vezes maior do que a afinidade para a ligação do primeiro oxigênio. a.

Ligando e liberando o oxigênio. A ligação cooperativa do oxigênio permite à hemoglobina liberar mais oxigênio aos tecidos em resposta a variações relativamente pequenas na pressão parcial de oxigênio. Isso pode ser observado na Figura 3.5, onde está indicada a pressão parcial de oxigênio (p02) nos alvéolos pulmonares e nos capilares dos tecidos. Por exemplo, no pulmão, a concentração de oxigênio é maior, e a hemoglobina se torna praticamente saturada (ou "carregada") com oxigênio. Em contraste, nos tecidos

Figura 3.6 A hemoglobina liga o oxigênio com afinidade crescente.

29


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periféricos, a oxiemoglobina libera (ou "descarrega") a maior parte de seu oxigênio para utilização no metabolismo oxidativo dos tecidos (Figura 3.7). b . Significado da curva s igmoidal de dissociação do oxigênio. A inclinação abrupta da curva de dissociação do oxigênio na faixa de concentração de oxigênio que ocorre entre os pulmões e os tecidos permite que a hemoglobina transporte e libere o oxigênio de forma eficiente, desde os sítios de alta p02 até os sítios de baixa p02 . Uma molécula com a curva de dissociação hiperbólica, como a mioglobina, não apresenta o mesmo grau de liberação de oxigênio nessa faixa de pressão parcial de oxigênio. Pelo contrário, ela teria afinidade máxima pelo oxigênio em toda essa faixa de pressão de oxigênio e, dessa forma , não o liberaria para os tecidos. 2.

Efeito Bohr. A liberação do oxigênio pela hemoglobina é aumentada quando o pH diminui ou quando a hemoglobina está na presença de uma pressão parcial de C02 aumentada. Ambos resultam na red ução da afinidade da hemoglobina pelo oxigênio e, dessa forma, em um deslocamento da curva de d issociação do oxigênio para a direita (Figura 3.8). Essa alteração na ligação do oxigênio é denominada de efeito Bohr. Por sua vez, o aumento do pH ou uma redução da concentração de C02 resultam em maior afinidade pelo oxigênio e em um deslocamento da curva de dissociação do oxigênio para a esquerda. a.

Figura 3.7 Transporte de oxigênio e C0 2 pela hemoglobina.

Diminuição do pH resulta em decréscimo da afinidade da hemoglobina pelo oxigênio ,. e, dessa forma, em um deslocamento para ., a d ireita da curva de d issociação do oxigênio.

Em pH ma is f. baixo, é necessári a maior ~ p02 para atingir ' uma d eterminada saturação de

Origem dos prótons que diminuem o pH. A concentração de ambos, C02 e W , nos capilares dos tecidos metabolicamente ativos é maior do que aquela observada nos capilares alveolares dos pulmões, onde o C02 é liberado no ar expirado. (Nota: Ácidos orgânicos, como o ácido láctico, são produzidos durante o metabolismo anaeróbico no músculo em contração rápida [veja a pág. 101].) Nos tecidos, o C02 é convertido pela anidrase carbônica em ácido carbônico:

o qual perde espontaneamente um próton, to rn ando-se bicarbonato (o principal tampão do sangue):

O próton produzido por esse par de reações contribui para a redução do pH. Esse gradiente diferencial de pH (os pulmões tendo um pH mais alto e os tecidos um pH mais baixo) favorece a liberação de oxigênio nos tecidos periféricos e a associação ao oxigênio no pulmão. Assim , a afinidade da molécula da hemoglobina pelo oxigênio responde a pequenas alterações no pH entre o pulmão e os tecidos que consomem oxigênio, tornando a hemoglobina um eficiente transportador de oxigênio.

oxigênio. !

40

I

I

I

80

120

Pressão parcial de oxigênio (p02 ) (mm Hg)

Figura 3.8 Efeito do pH sobre a afin idade da hemoglobina pelo oxigênio.

b . Mecanismo do efeito Bohr. O efeito Bohr reflete o fato de que a forma desoxi da hemoglobina possui maior afinidade aos prótons que a oxiemoglobina. Esse efeito é causado po r grupos ionizáveis, como grupos a.-am ino N-terminais e cadeias laterais específicas de histidina, que possuem pKa mais altos na desoxiemoglobina do que na oxiemoglobina. Assim, um aumento na concentração de prótons (resultando na diminuição do p H) faz com


Bioquímica Ilustrada

que esses grupos fiquem protonados (carregados) e capazes de formar ligações iônicas (também chamadas pontes salinas). Essas ligações estabilizam preferencialmente a forma desoxi da hemoglobina, produzindo uma redução na afinidade pelo oxigênio.

31

Glicólise Glicose

O efeito Bohr pode ser representado esquematicamente como: 1,3-Bisfosfoglicerato

oxiemoglobina

desoxiemoglobina

onde um aumento de prótons (ou a redução da p0 2 ) desloca o equilíbrio para a direita (em favor da desoxiemoglobina} , enquanto um aumento na p02 (ou redução de prótons) desloca o equilíbrio para a esquerda. 3.

Efeito do 2,3-bisfosfoglicerato sobre a afinidade pelo oxigênio. O 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) é um importante regulador da ligação do oxigênio à hemoglobina. É o fosfato orgânico mais abundante nos eritrócitos, onde sua concentração é aproximadamente equivalente à da hemoglobina. O 2,3-BPG é sintetizado a partir de um intermediário da rota glicolítica (Figura 3.9; veja a pág. 99 para uma discussão acerca da síntese do 2,3-BPG na glicólise). a.

Ligação do 2,3-BPG à desoxiemoglobina. O 2,3-BPG diminui a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio, por ligar-se à desoxiemoglobina, mas não à oxiemoglobina. Essa ligação preferencial estabiliza a conformação tencionada da desoxiemoglobina. O efeito da ligação do 2,3-BPG pode ser representado esquematicamente como: Hb02

+ 2,3-BPG

oxiemoglobina b.

~

Hb-2,3-BPG

+

j

o

c-oH-c-o-® = H-c-o-® = I

H

2,3-Bisfosfoglicerato

H20

3-Fosfoglicerato

t t Figura 3.9 Síntese de 2,3-bisfosfoglicerato. (Nota: ® é um grupo fosfo ril. )

02

desoxiemoglobina

Sítio de ligação do 2,3-BPG. A molécula do 2,3-BPG liga-se a uma fenda formada pelas duas cadeias ~ da globina, no centro do tetrâmero da desoxiemoglobina (Figura 3.1 O). Essa fenda contém vários aminoácidos carregados positivamente, que formam ligações iônicas com os grupos fosfato carregados negativamente do 2,3-BPG. (Nota: Uma mutação em um desses resíduos resulta em variantes de hemoglobina com afinidade anormalmente elevada pelo oxigênio.) O 2,3-BPG é expelido na oxigenação da hemoglobina.

c.

Deslocamento da curva de dissociação do oxigên io. A molécula de hemoglobina da qual o 2,3-BPG foi removido possui uma alta afinidade pelo oxigênio. Entretanto, conforme observado no eritrócito, a presença de 2,3-BPG reduz significativamente a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio, deslocando a curva de dissociação do oxigênio para a direita (Figura 3. 11 ). Essa afinidade reduzida permite que a hemoglobina libere o oxigênio eficientemente nas pressões parciais encontradas nos tecidos.

d.

Resposta dos níveis de 2,3-BPG à hipóx ia ou anemia crónicas. A concentração de 2,3-BPG no eritrócito aumenta em rE!sposta à hipóxia crônica, como observado no enfisema pulmonar obstrutivo ou em altitudes elevadas, quando a hemoglobina circulante pode ter dificuldade em receber oxigênio suficiente. Os níveis intrace-

Uma única molécula de 2,3·BPG liga-se a uma concavidade positivamente carregada, formada pelas cadeias Jl da desoxiemogloblna.

Figura 3.10 Ligação do 2,3-BPG à desoxiemoglobina.


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lulares de 2,3-BPG também estão elevados na anemia crônica, quando menos eritrócitos que o normal estão disponíveis para suprir as necessidades de oxigênio do organismo. Níveis elevados de 2,3-BPG diminuem a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio, permitindo maior descarga de oxigênio nos capilares dos tecidos (veja a Figura 3.11 ).

2,3-BPG = O (Hemoglobina depletada de 2,3-BPG)

o"' E o(.) o

e.

"".., ~

2,3-BPG = 8 mmoi/L (sangue de indivíduos adaptados a grandes altitudes)

E

"'"' "'

'O

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o

o

40

80

120

Pressão parcial de oxigénio (mm Hg)

Figura 3.11 Efeito do 2,3-BPG sobre a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.

4.

Papel do 2,3-BPG no sangue transfundido. O 2,3 -BPG é essencial para a função normal de transpo rte de oxigên io da hemoglobina. Por exemplo, o sangue estocado em ácido-citratodextrose, um meio anteriormente bastante utilizado, leva a uma redução do 2,3-BPG nos e ritrócitos. Esse sangue apresenta uma afinidade pelo oxigênio anormalmente elevada e apresenta dificuldade em liberá-lo de forma adequada para os tecidos. Assim, a hemoglobina deficiente em 2,3-BPG atua como uma espécie de "captador" para o oxigênio e não como um sistema de transporte para o mesmo. Embora os eritrócitos transfundidos sejam capazes de restaurar seus suprimentos depletados de 2,3-BPG em 24 a 48 horas, pacientes gravemente doentes podem ter seu estado comprometido se transfundidos com grandes quantidades desse sangue "despojado" de 2,3-BPG. A redução no 2,3-BPG pode ser prevenida pela adição de substratos como a inosina (hipoxanti naribose, veja a Figura 22.7, pág. 292} ao meio de armazenamento. A inosina, uma molécu la não-ca rregada , penetra no eritrócito, onde sua ribose é liberada, fosforilada e entra no ciclo das pentoses (veja a pág. 145}, eventualmente sendo convertida em 2,3BPG.

Ligação do C02 • A maior parte do dióxido de carbono produzido no metabolismo é hidratada e transportada como íon bicarbonato (veja a pág. 9}. Entretanto, algum C02 é carregado como carbamato, ligado a grupos a -amino (desprovidos de carga), da hemoglobina (carbaminoemoglobina; veja a Figura 3.7), que pode ser representado esquematicamente como: Hb- NH 2

::J

Ol

~ 20

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-'

E

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5

.s

10

O%CO-Hb

\ I

"'o

'O

·::J

~ o

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+

H'

50%CO-Hb

õ 'O

Hb-NH-COO-

A ligação do C02 estabiliza a forma T ou desoxi da hemoglobina, resultando em um decréscimo de sua afinidade pelo oxigênio (veja a pág. 28). Nos pulmões, o C02 dissocia-se da hemoglobina, e é liberado pela respiração.

ãJ c:

+ C02 ;!

o IL..l-1---'---'--'--'---'--'---'--'--'---' 40 80 120 o Pressão parcial de oxigénio (p02 ) (mmHg)

Figura 3.12 Efeito do monóxido de carbono sobre a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.

5.

Ligação do CO. O monóxido de carbono (CO) liga-se fortemente (mas reversivelmente) ao ferro da hemoglobina, fo rmando carboxiemoglobina (HbCO). Quando o monóxido de carbono liga a um ou mais dos quatro grupos heme, a hemoglobina muda para a conformação relaxada, de modo que os grupos remanescentes ligam-se ao oxigênio com maior afinidade. Isso leva ao deslocamento da curva de satu ração para a esquerda, mudando o formato sigmoidal da curva para o formato hiperbólico. Como resultado, a hemoglobina afetada é incapaz de liberar o oxigênio para os tecidos (Figura 3 .12}. (Nota: A afinidade da hemoglobina pelo CO é 220 vezes maior do que para o oxigênio. Conseqüentemente, mesmo concentrações mínimas de monóxido de carbono no meio podem produzir concentrações tóxicas de carboxiemoglobina no sangue. A toxicidade do monóxido de carbono parece resultar da combinação de hipóxia tecidual e de dano c elular direto


33

Bioquímica Ilustrada

mediado pelo monóxido de carbono.) O envenenamento por monóxido de carbono é tratado com terapia de 100% de oxigénio, que facilita a dissociação do CO da hemoglobina. F.

Forma

Composição das cadeias

Fração da hemoglobina total

HbA

~132

90%

Outras hemoglobinas

HbF

C1"2Y2

< 2%

É importante lembrar que a hemoglobina A humana (HbA) é apenas um membro de uma família funcional e estruturalmente relacionada de proteínas, as hemoglobinas (Figura 3.13). Cada uma dessas proteínas transportadoras de oxigénio é um tetrâmero, composto por dois polipeptídeos do tipo u.-globina e dois polipeptídeos do tipo ~-globina. Algumas hemoglobinas, como a HbF, normalmente são sintetizadas somente durante o desenvolvimento fetal, enquanto outras, como a HbA2 , são sintetizadas no adulto, embora em baixos níveis, se comparados à HbA. A HbA pode também ser modificada pela adição covalente de uma hexose. Por exemplo, a adição de glicose forma um derivado glicosilado da hemoglobina, a HbA 1c.

HbA2

~ô2

2-5%

HbA1c

a 2 132 -glicose

3-9%

1.

Hemoglobina fetal (HbF). A HbF é um tetrâmero, consistindo em duas cadeias u. idênticas àquelas encontradas na HbA, mais duas cadeias gama (y) (a 2"{2 , veja a Figura 3.13). As cadeias 'Y são membros da família de genes das ~-globinas (veja a pág. 35) . a.

b.

2.

Figura 3.13 Hemoglobinas humanas normais de adultos. (Nota: As cadeias u. nessas hemoglobinas são idênticas.)

Síntese de HbF durante o desenvolvimento. Nas primeiras semanas após a concepção, a hemoglobina embrionária (Hb Gower 1), composta por duas cadeias zeta e duas cadeias épsilon (~2 ~:: 2) , é sintetizada pelo saco embrionário. Dentro de poucas semanas, o feto começa a sintetizar a HbF na medula óssea em desenvolvimento. A HbF é a principal hemoglobina encontrada no feto e no recém-nascido, perfazendo cerca de 60% da hemoglobina total dos eritrócitos durante os últimos meses da vida fetal (Figura 3.14) . A síntese da HbA inicia na medula óssea por volta do oitavo mês de gravidez e substitui gradualmente a HbF. (A Figura 3.14 mostra a produção relativa de cada tipo de cadeia da hemoglobina durante a vida fetal e pós-natal.) Ligação do 2,3-BPG à HbF. Em cond ições fisiológicas, a HbF possui uma afinidade maior pelo oxigénio do que a HbA, pois a HbF liga-se apenas fracamente ao 2,3-BPG. (Nota: As cadeias y-globina da HbF não possuem alguns dos aminoácidos positivamente carregados encontrados nas cadeias de ~- g l obina , os quais são responsáveis pela ligação ao 2,3-BPG.) Uma vez que o 2,3BPG serve para reduzir a afinidade da hemoglobina pelo oxigénio, a interação mais fraca entre 2,3-BPG e HbF resulta em uma maior afinidade da HbF pelo oxigénio, quando comparada com a HbA. Em contraste, quando o 2,3-BPG é removido de ambas, HbA e HbF, elas apresentam então uma afinidade semelhante ao oxigénio. A maior afinidade da HbF pelo oxigénio facilita a transferência do oxigénio da circulação materna para os eritrócitos do feto através da placenta.

Hemoglobina A 2 (HbA2 ). A HbA2 é um componente menor da hemoglobina normal do adulto, surgindo inicialmente cerca de 12 semanas após o nascimento e finalmente constituindo cerca de 2% da hemoglobina total. É composta por duas cadeias u.-globina e duas cadeias delta (o-) (~82 , veja a Figura 3.13).

Momento do nascimento Cadeias semelhantes à a -globina

U)

'iii

:g cu

c:

:õ o

c, Q)

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:(l 'iii

~

Cadeias semelhantes à

~-globina

U)

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'O

E

Q)

Cl

!9 c: Q)

!:?

~

9 Meses antes e depois do nascimento

Figura 3.14 Alterações na hemoglobina durante o desenvolvimento.


34

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

3.

III.

/"

I)!H HÇH

ORGANIZAÇÃO DOS GENES DAS GLOBINAS

Para compreender as doenças resultantes de modificações genéticas na estrutura ou síntese das hemoglobinas, é necessá rio compreender como os genes da hemog lobina, os quais direcionam a síntese das diferentes cadeias de globinas, são organizados estruturalmente em famílias de genes e como são expressos.

\'JH

HÇH

co

' HOCH HCOH ' HCOH '

Hemoglobina A 1c. Sob condições fisiológicas, a HbA é glicosilada de forma lenta e não-enzimática; a extensão da glicosilação depende da concentração plasmática de uma determ inada hexose. A forma mais abundante de hemoglobina glicosilada é a HbA 1c . Ela possui resíduos de glicose ligados predominantemente aos grupos NH 2 das valinas N-terminais das cadeias ~-g lobina (Figura 3.15). Quantidades aumentadas de HbA 1c são encontradas nos eritrócitos de pacientes com diabetes melito, pois a HbA desses pacientes está em contato com maiores concentrações de glicose durante os 120 dias de vida de seus eritrócitos. (Veja a pág. 339 para uma discussão acerca do uso desse fenômeno para a avaliação dos níveis sangüíneos médios de glicose em pacientes diabéticos.)

c:o

A. A família dos genes a

HOCH I HCOH H90H

Os genes que codificam as subunidades do tipo a-globina e do tipo ~­ globina das cadeias da hemoglobina ocorrem em dois agrupamentos (ou famílias) de genes, localizados em dois cromossomas diferentes (Fig ura 3.16). O grupo de genes a no cromossoma 16 contém dois genes para as cadeias de a-globina. Ele também contém o gene zeta (~). que é expresso precocemente no desenvolvimento, como um componente da hemoglobina embrionária, além de uma série de genes semelhantes aos da globina, os quais não são expressos (isto é, sua informação genética não é usada para produzir cadeias de globina), e são denominados pseudogenes.

Hemoglobina A 1c

Figura 3.15 Adição não-enzimática de glicose à hemoglobina.

B . Família dos genes J3 Um único gene para a cadeia de (3-globina está localizado no cromossoma 11 (veja a Figura 3.16). Existem ainda outros 4 genes semelhantes aos da

Genes de cadeias semelhantes à <><-globina (cromossoma 16) .--------------.-----,-----"~..., As hemogl obinas são formadas por combinações de cadeias semelhantes à a · globina e à jl-globina

1

Hb Gower 1

f

Figura 3.16 Organização das famílias de genes das globinas.

Duas cópias do gene de u-globina são designados <><1 e a2. Cada uma delas pode fornecer cadeias de <><· globina que combinam-se com as cadeias de jl-globina.


Bioquímica Ilustrada

~-globina: o gene épsilon (e) (o qual, de modo semelhante ao gene Ç, é expresso no início do desenvolvimento embrionário), dois genes 'Y (Gy e ~. que são expressos na hemoglobina fetal, HbF) e o gene õ, que codifica a cadeia de globina encontrada na hemoglobina que aparece minoritariamente em adultos, a HbA2 .

35

As famílias de genes de globinas "-e 11 contêm três éxons (regiões de codificação) separados por dois íntrons (seqüências intervenientes) não-codificadores.

C. Etapas da síntese das cadeias das globinas A expressão de um gene de globina inicia no núcleo de precursores dos eritrócitos, onde a seqüência de DNA que codifica o gene é transcrita. O RNA produzido pela transcrição é, na verdade, um precursor do RNA mensageiro (RNAm), que é usado como um molde para a síntese de uma cadeia de globina. Antes de poder ser utilizado como tal , duas bandas de RNA não-codificador (íntrons ou seqüências intervenientes) devem ser removidas da seqüência precursora do RNAm, e os três fragmentos restantes (éxons) devem ser ligados novamente de forma linear. O RNA maduro resultante penetra no citosol, onde sua informação genética é traduzida, produzindo globina. (Um resumo desse processo é mostrado na Figura 3.17. Uma descrição mais detalhada da síntese protéica é apresentada no Capítulo 31, pág. 429.)

IV.

Transcrição

~

RNAm

Corte-junção

HEMOGLOBJNOPATIAS

~

NÚCLEO

As hemoglobinopatias têm sido tradicionalmente definidas como uma família de distúrbios causados pela produção de uma molécula de hemoglobina estruturalmente anormal, pela síntese de quantidades insuficientes de hemoglobina normal ou, raramente, por ambas. A anemia falciforme (HbS), a doença da hemoglobina C (HbC) e a síndrome da talassemia são hemoglobinopatias representativas, que podem ter conseqüências clínicas graves. As duas primeiras condições resultam da produção de hemoglobinas com seqüências alteradas de aminoácidos, enquanto as talassemias são devidas a uma produção diminuída de hemoglobina normal.

A. Anemia falc iforme (doença da hemoglobina S) A anemia falciforme (também denominada doença falciforme) é uma doença genética do sangue causada pela alteração de um único nucleotídeo (mutação pontual) no gene da cadeia de (3-globina. É a desordem hereditária do sangue mais comum nos Estados Unidos, afetando 80.000 norte-americanos. Ocorre primariam ente na população afro-americana, afetando um em cada 500 bebês recém -nascidos afro-americanos nos Estados Unidos (Figura 3.18). A anemia falciforme é uma doença homozigota recessiva. Ela ocorre em indi víduos que herdaram dois genes mutantes (um de cada um dos pais) que codificam a síntese das cadeias ~ das moléculas de globina. (Nota: A cadeia ~-globina mutante é designada ~·. e a hemoglobina resultante, o: 2 ~ 5 2 , é denominada HbS.) A presença da doença não se manifesta no bebê, até que uma quantidade suficiente de HbF seja substituída pela HbS, quando os eritrócitos começam a assumir a morfologia falciforme (veja a seguir). A anemia falciforme caracteriza-se por episódios dolorosos (crises) que ocorrem durante toda a vida, por uma anemia hemolítica crônica e pelo aumento da suscetibilidade a infecções, que começam em geral no início da infância. Outros sintomas incluem síndrome aguda do peito, acidentes vasculares cerebrais e disfunção esplênica e renal. A vida média de um e ritrócito homozigótico para HbS é de cerca de 20 dias, comparada com os 120 dias para célu las normais. Os heterozigotos, representando um em cada dez afro-americanos, possuem um gene normal e um gene falciforme. Os eritrócitos desses heterozigotos

Hemoglobina

Figura 3.17 Síntese das cadeias de globinas. 289

300

r-

o

o o

o200 o

Americanos nativos

~

oa. Hispânicos

\

o

1,7

Brancos

.§.d.

\

~

n

Asiáticos

36

Afroamericanos

Figura 3.18 Anemia falciforme nos Estados Unidos.


36

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

H

H I

H

I

H I

~N - C

~N- C~

- C-v'VVVVV'

I

"

"

CH20

CH O

CH2

CH2 CH2 CH2 NH +

' 2

I

coo·

ü

Vai · His · Leu · Thr · Pro · Glu · Glu · Lys

12345678

-vvv

D

Vai · His · Leu · Thr · Pro · Vai · Glu · Lys -vvv 12345678

HbA

HbS

ü3 Vai · His · Leu · Thr · Pro · Lys · Glu · Lys -vvv 12345678

HbC

Figura 3.1 9 Substituição de aminoácidos na HbS e na HbC.

contêm ambas, HbS e HbA. Esses indivíduos possuem o traço falciforme . Em geral eles não apresentam sinto mas clínicos e podem te r uma expectativa de vida normal. 1.

Substituição de aminoácidos nas cadeias ~ da HbS. Uma molécula de HbS contém duas cadeias a normais e duas cadeias ~ mutantes (~ ), nas quais o ácido glutâmico da posição 6 é substituído pela valina (Figura 3.19). Assim sendo, durante uma eletroforese em pH alcalino, a HbS migra mais lentamente em direção ao ânodo (eletrodo positivo) do que a HbA (Figura 3.20). Essa alteração na mobilidade é o resultado da ausência dos resíduos de glu tamato negativamente carregados nas duas cadeias ~ . tornando assim a HbS menos negativa que a HbA. (Nota: A eletroforese da hemoglobina obtida a partir de eritrócitos lisados é utilizada rotineiramente no diagnóstico da doença e do traço falcêmico.) 5

As hemoglobinas est ão carregadas negativamente e m igram e m direção ao ânodo.

Figura 3.20 A. Fotografia de um gel antes da eletroforese. 8. Diagrama das hemoglobinas A, S e C após a eletroforese.

2.

As alterações falciformes nos eritrócitos causam anóxia tecidual. A substituição de um resíduo de glutamato carregado por uma val ina apoiar forma uma sal iência na cadeia ~ . a qual se associa de fo rma complementar com a cadeia de a-globina de outra molécula de hemoglobina na cé lula (Figura 3.21 ). Em condições de baixa pressão de oxigên io, a HbS polimeriza dentro dos eritrócitos, primeiro formando um gel, subseqüentemente se agregando em uma rede de polímeros fibrosos que distorce as células, produzindo eritrócitos rígidos e deformados. Essas células falciformes freqüentemente bloqueiam o fluxo sangüíneo nos capi lares de pequeno diâmetro. Essa interrupção no suprimento de oxigênio leva à anóxia localizada (privação de oxigênio) no tecido, causando dor e, eventualmente, a morte (infarto) das células na vizinhança da área do bloqueio.

3.

Variáveis que aumentam a indução de células falciformes. A extensão dessa morfologia anormal e, assim, da gravidade da doença é aumentada por qualquer variável que aumente a proporção de HbS no estado desoxigenado (isto é, que reduza a afinidade da HbS pelo oxigênio). Essas variáveis incl uem a d iminuição da pressão de oxigênio devida a altitudes elevadas ou vôo em avião não-pressurizado, aumento na pC02 , diminuição do pH e aumento da concentração de 2,3-BPG nos eritrócitos.


Bioquímica Ilustrada

37

Cavidade hidrofóbica -.,.,_

No estado desoxigenado, a HbS polimeriza em fibras longas, semelhantes a uma corda.

Vai·His·Leu·Thr·Pro·Giu·Giu·Lys vvv

t

Vai·His·Leu·Thr·Pro·Vai·Giu·Lys vvv

Cadeia ~

P·6·Valina

4.

Tratamento. A terapia envolve adequada hidratação, analgésicos, terapia antibiótica agressiva se houver infecção e transfusões em pacientes que apresentem alto risco de oclusão fatal de vasos. Transfusões intermitentes com concentrados de eritrócitos reduzem o risco de acidentes vasculares cerebrais, mas os benefícios devem ser bem avaliados, devido às complicações que podem ocorrer, as quais incluem sobrecarga de ferro (hemossiderose), infecções e complicações imunológicas. A hidroxiuréia, uma droga antitumoral, diminui a freqüência das crises de dor e reduz a mortalidade. O mecanismo de ação dessa droga ainda não é completamente compreendido, mas deve envolver um modesto aumento da hemoglobina fetal, o que diminui él. indução de células falciformes.

5.

Possível vantagem seletiva do estado heterozigoto. A elevada freqüência do gene HbS entre os africanos, apesar de seus efeitos lesivos no estado homozigoto, sugere que exista uma vantagem seletiva para indivíduos heterozigotos. Por exemplo, os heterozigotos para o gene da anemia falciforme são menos suscetíveis à malária, causada pelo parasito Plasmodium fa/ciparum. Esse organismo desenvolve parte obrigatória de seu ciclo vital no eritrócito. Uma vez que, em indivíduos heterozigotos, assim como nos homozigotos para HbS, essas células apresentam um tempo de vida menor do que o normal, o parasito não pode completar seu estágio de desenvolvimento intracelular. Esse fato pode oferecer uma vantagem seletiva aos heterozigotos que vivem em reg iões onde a malária é uma das maiores causas de morte. A Figura 3.22 ilustra que, na África, a distribuição geográfica da anemia falciforme é similar à da malária.

B. Doença da hemoglobina C Assim como a HbS, a HbC é uma variante de hemoglobina com uma única substituição de um aminoácido na posição seis na cadeia de p-globina (veja a Figura 3.19). Nesse caso, entretanto, uma lisina substitui o glutamato (em

Figura 3.21 Eventos celulares e moleculares que levam a uma crise falciforme.


38

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

\

1o-20%

o

s - 10% )

0

1-5%

~ ;

i

"'r' . . .

\

vez da substituição por uma valina na HbS). (Nota: Essa substituição faz com que a HbC mova-se mais lentamente em direção ao ânodo do que a HbA ou a HbS [veja a Figura 3.20).) Os pacientes homozigotos para a hemoglobina C geralmente apresentam anemia hemolítica crônica, relativamente leve. Esses pacientes não sofrem crises de infarto e não necessitam de qualquer terapia específica .

C. Doença da hemoglobina SC Nessa doença, algumas cadeias de p-globina possuem a mutação falciforme, enquanto outras cadeias p possuem a mutação encontrada na doença da HbC. (Nota: Pacientes com a doença HbSC são duplamente heterozi gotos (heterozigoto composto], pois ambos os g enes para a cadeia ~ são anormais, embora diferentes um do o utro.) Os níveis de hemoglobina tendem a ser mais altos na HbSC do que na anemia faleiform e, podendo estar no limite inferior da faixa normal. O curso clínico de adultos com a doença HbSC difere daquele da anemia falciforme, no qual os pacientes geralmente apresentam crises dolorosas que começam na infância. É comu m pacientes com a doença HbSC permanecerem bem (e sem diagnóstico) até sofrerem uma crise de infarto. Essa crise geralmente ocorre após um parto ou uma cirurgia e pode ser fatal.

D. Metemoglobinemia 3

Figura 3.22 A. Distribuição da anemia falciforme na África, expressa como porcentagem da população com a doença. B. Distribu ição da malária na África.

ft W

Cada cópia do cromossoma 11 tem apenas um gene para as cadeias da 13-globina.

I~

---: .....IL..:

Normal

(3-Talassemia menor

aP

~a HbA

-LJL::J-: .....IL..: (l-Talassemia maior

E. Talassemias

aY ya

Hb F

yy

yy

Hb de Bart

A oxidação do grupo heme da hemoglobina ao estado de íon férrico (Fe •) forma a metemoglobina, a qual não pode ligar o oxigênio. Essa oxidação pode ser causada pela ação de ce rtas drogas, como os nitratos, ou por produtos endógenos, como inte rm ediários reativos do oxigênio (veja a pág. 145). A oxidação pode também ser resultado de defeitos genéticos; por exemplo, certas mutações nas cadeias de globinas a ou p promovem a formação de metemoglobina (HbM). Alé m disso, uma deficiência na NADH-citocromo b5 -redutase (também chamada de NADH-metemoglobina-redutase), a enzima responsável pela conversão da metemoglobina 3 (Fe • ) em hemoglobina (Fe 2• ) , leva ao acúmulo de metemoglobina. (Nota: Os eritrócitos de recém-nascidos apresentam aproximadamente metade da capacidade dos adultos em reduzir a metemoglobina. Assim sendo, são especialmente suscetíveis aos efeitos dos compostos capazes de produzir metemoglobina.) As metemoglobinemias são caracterizadas por " cianose chocolate" (uma coloração marrom-azulada da pele e das membranas) e sangue cor de chocolate, como resultado da coloração escura da metemoglobina. Os sintomas estão relacionados com hipóxia tecidual, e incluem ansiedade, dor de cabeça e dispnéia. Em casos raros, pode ocorrer coma e morte.

Precipitado de cadeia a

Figura 3.23 A. Depleções do gene da p-globina nas P-talassemias. B. Tetrâmeros de hemoglobina, formados nas P-talassemias.

As talassemias são doenças hemolíticas hereditárias, nas quais ocorre um desequilíbrio na síntese das cadeias de globina. Como um grupo, são os distúrbios mais comuns de um único gene em humanos. Normalmente, a síntese das cadeias de globinas a e p é coordenada de modo que cada cadeia a tem uma cadeia ~ correspondente. Isso leva à formação de a2 ~ 2 (HbA). Nas talassemias, a síntese de uma cadeia a ou p é defeituosa. A talassemia pode ser causada por uma série de mutações, incluindo deleção de genes, ou ainda substituições ou deleções de um ou vários nucleotídeos


Bioquímica Ilustrada

no DNA. (Nota: Cada talassemia pode ser classificada como um distúrbio 0 no qual não são produzidas cadeias de globinas [talassemia U ou 13"], ou como um distúrbio no qual algumas cadeias são sintetizadas, porém em velocidade reduzida [talassemia u • ou 13·].) 1.

2.

(3-Talassemias. Nessas doenças, a síntese das cadeias 13 está di minuída ou ausente, enquanto a síntese das cadeias u está normal. As cadeias de u -globina não podem formar tetrâmeros estáveis e, portanto, precipitam , causando a morte prematura das células inicialmente destinadas a tornarem-se eritrócitos maduros. Também ocorre o acúmulo de u 2y2 (HbF) e y4 {Hb de Bart). Existem ape nas d uas cópias do gene da 13-globina em cada célula (uma em cada cromossomo 11 ). Assim sendo, indivíduos com defeitos no gene da cadeia 13 apresentam o traço de 13-talassemia (13-talassemi a meno r), se tiverem apenas um dos genes defeituoso, ou 13-talassemia maior, se ambos os genes para a cadeia de 13-g lobina forem defeituosos (Figura 3.23) . Uma vez que o gene da 13-gl obina não é expresso até o final da gestação, as manifestações físicas das 13-talassemias só aparecem após o nascimento. Os indivíduos com 13-talassemia menor produzem algumas cadeias 13. e geralmente não necessitam tratamento específico. Entretanto, as crianças que nascem com 13talassemi a maior possuem o triste destino de parecerem saudáveis ao nascimento, tornando-se gravemente anêmicos, em geral durante o primeiro ou segundo ano de vida. Esses pacientes requerem transfusões de sangue regulares. (Nota: Apesar desse tratamento salvar vidas, o efeito cumulativo das transfusões é uma sobrecarga de ferro [uma síndrome conhecida como hemossiderose], a qual tipicamente leva à morte entre 15 e 25 anos de idade. ) O aumento do uso da terapia de reposição de células de medula óssea tem sido benéfico para esses pacientes. 13-Talassemias. Esses são defeitos nos quais a síntese das cadeias de u -globina está diminuída ou ausente. Uma vez que o genoma de cada indivíduo contém quatro cópias do gene de u -globina (dois em cada cromossoma 16), existem muitos níveis de deficiência de cadeias u (Figura 3.24). Se um dos quatro genes é defeituoso, o indivíduo é chamado de portador silencioso da a-talassemia, pois não apresenta qualquer das manifestações físicas da doença. Se dois genes da cx-globina são defeituosos, o indivíduo é denominado como possuidor do traço de <X-talassemia. Se três genes da cadeia ex estão defeituosos, o indivíduo tem a doença da hemoglobina H {HbH) , uma anem ia hemolítica leve a moderadamente grave. (Nota: A síntese das cadeias de globinas y e 13 não-afetadas co ntinua resultando no acúmulo do tetrâmero y no recém-nascido [y4 , Hb de Bart] ou de tetrâmeros 13 [134 , HbH]. Apesar desses tetrâmeros serem relativamente solúveis, as subunidades não apresentam interação heme-heme. Suas cu rvas de dissociação do oxigênio são quase sempre hiperbólicas, indicando que esses tetrâmeros têm afinidades muito elevadas pelo oxigênio. Isso os torna essencialmente inúteis como transportadores de oxigênio para os tec idos.) Se todos os quatro genes de a -globina são defeituosos, ocorre m hidropisia fetal e morte do feto, pois as cadeias a são necessárias para a síntese da HbF.

39

Legenda Gene normal para cadeias de a-g lobina

\ ~

I

>

............:---

Parde cromossomas 16

Gene deletado para a cadeia de a-globina

Cada cópia do cromossoma 16 possui dois genes adjacentes para cadeias de a -globina.

Indivíduo normal

Portador " silencioso"

Traço de a -talassemia (forma heterozigota)

Apresentam sintomas clínicos leves

Traço de a-talassemia (forma heterozigota)

Doença da hemoglobina H (clinicamente grave)

m

a a

Pplll3 y p p~ yYÕÕ ~~

Hidropisia fetal (geralmente fatal ao nascimento)

aP

~:A

~~ . ~~ 3 ~~

HbH ~

yy

n

Hb de Bart

rfp Precipitado de cadei as~

Figura 3.24 A. Deleções do gene de a.-globina nas u-talassemias. B. Tetrâmeros de hemoglobina, formados nas a-talassem ias.


40

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

V.

RESUMO DO CAPÍTULO

A hemoglobina A, a principal hemoglobina de adultos, é composta de quatro cadeias polipeptídicas (duas cadeias a e duas ~. a2 ~2 ), mantidas unidas por interações não-covalentes. As subunidades ocupam posições diferentes na desoxiemoglobina, se comparadas com a oxiemoglobina. A forma desoxi da hemoglobina é chamada de "T" ou forma tensa. Ela apresenta restrições estruturais, que limitam o movimento das cadeias polipeptídicas. A forma T é a forma de baixa afinidade pelo oxigênio da hemoglobina. A ligação do oxigênio à hemoglobina causa a ruptu ra de algumas ligações iônicas e pontes de hidrogênio. Isso leva a uma estrutura chamada "R" ou forma relaxada, na qual as cadeias polipeptídicas possuem maior liberdade de movimento. A forma R é a forma de alta afinidade pelo oxigênio da hemoglobina. A curva de dissociação da hemoglobina tem forma sigmoidal (em contraste com a da mioglobina, a qual é hiperbólica), indicando que as subunidades ligam o oxigênio de forma cooperativa. A ligação cooperativa do oxigênio pelas quatro subunidades da hemoglobina significa que a ligação de uma molécula de oxigênio a um dos grupos heme aumenta a afinidade pelo oxigênio dos grupos heme

Hemo globina Estrutura da hemoglobina

I

1

I

Ligação ao 0 2

I

Desoxiemoglobina (formaT)

I

Efeitos do monóxido de carbono

I

na

extste como

composta ele

Efeitos alostéricos

Forma desoxi (desoxiemoglobina, forma T)

Oxiemoglobina (forma R)

Diferentes posições r caracterizada por

I caractertzaela por

caractenZada por

t

f

baixa afinidade pelo 0 2

alta afinidade pelo 0 2

Estrutura rígida

Maior liberdade de m ovimentos

t lnt eração Heme-Heme leva a

leva à

Efetores alostéricos ion hidrogénio (H' ) 2,3-Bisfosfoglicerato

O primeiro 0 2 liga com baixa afinidade Quatro subunidades

liga prefendalmente

caracterizada por

I leva à

leva à

I

..

leva ao

compostas por

Dois t ipos

leva ao

compostos por

leva a

lsubun:dades a

j

J Subunidades I

flJ

compostas ele

compostas ele

t

t

Próximos três 0 2 ligam-se com aumento crescente de afinidade I leva à

compostos por

t

Curva sigmoidal de ligação ao 0 2

Figura 3.25 Mapa de conceitos-chave para a estrutura e a função da hemoglobina.

Deslocamento da curva de saturação do 0 2 para a direita

leva à

Curva hiperbólica de saturação do 0 2


Bioqu ímica Ilustrada

41

remanescentes na mesma molécula de he moglobina. A habilidade de ligar revers ivelmente o oxigênio da hemoglobina é afetada pela p02 (por meio de interações heme-heme), pelo pH do meio, pela pC02 e pela disponibilidade de 2,3-bisfosfoglicerato. Por exemplo, a liberação do 0 2 pela Hb é aumentada quando o pH diminui ou quando a pC0 2 aumenta (efeito Bohr), como acontece em um músculo em exercício, e a curva de dissociação do oxigênio é deslocada para a direita. Para co ntrabalançar os efeitos de hipóxia ou anemia crônicas, a concentração de 2,3-BPG nos eritrócitos a umenta. O 2,3-BPG liga-se à Hb e diminui sua afinidade pelo oxigênio, dessa forma também deslocando a curva de d issociação do oxigênio para a direita. O monóxido de carbono (CO) liga-se fortemente (porém reversivel mente) ao ferro da hemoglobina, formando carboxiemoglobina, HbCO. As hemoglobinopatias são doenças causadas pela produção de moléculas de hemoglobina estruturalmente anormais, pela síntese de quantidade insuficiente de subunidades de hemoglobina normal ou, raramente, por ambas. A anemia falciforme (doença HbS) , a doença da hemoglobina C {doença da HbC) e as síndromes de talassemias são hemoglobinopatias representativas, que podem a presentar conseqüências clínicas graves.

Hemoglobinopatias

t

+ Síntese de hemoglobinas estruturalm e nte ano rmais por exemplo

[

t

HbS

I

[ Hb ,SC

t

+

I

I[

13s Giu

levando à

Diferentes mutações pontuai s em cada gene que codifica a cadeia 13

)

13s Giu13s Giu -

+ Anemia hemolítica

I

I

t

[

Formação de polímeros I levaJdoà

Val Lys

[

1

+

episÓdios ocasionais de

+ So lubilidade reduzida na forma desoxi

I

li

t

síntese diminuída das cadeias J3

' t

[

t

Formação de polímeros

levahdo à

[

t Dor (crises)

t

Ane m ia

' ao levando

[

Acúmulo de 'Y4 {Hb de Bart) e precipatação de cadei as a

[

[ Figura 3.26 Mapa de conceitos-chave para hemoglobinopatias.

:t Dor (crises)

)

Metemogl obinemia

[

)

t

Fe++- Fe+++ levando à

)

t

f Oclusão vascular ' levando à

)

t

Acúmulo de y 4 (Hb de Bart) e de 134 (Hb H) e precipatação de cadeias 13

levando à

I

1

caracterizada por

)

[Incapacidade de ligar 0 2 ) levando à

I

l

levando à

I[

Ane mia

Outras

I

13-talassemias I causatas por

levando à

Oclusão vascular

[

I por exemplo

t

I[

levando ao

[ Freqüentemente assintomática )

I

t

a -talassemias I caustdas por

levando à

levando à

levaAdoà

porex~mplo

J

I por exemplo

s íntese diminuída das cadeias a

compdsta por

levando à

+

[

~

~Lys

Solubilidade reduzida na forma desoxi

I

causa(apor

Mutação pontual em ambos os genes q ue cod ificam a cadei a 13 I composta por

compdsta por

I

[

causa(apor

Mutação pontual em ambos os genes que codificam a cadeia J3

J3s GI;-Val

por exemplo

'

causa(apor

[

por exemplo

HbC

I

J

t

Síntese de quantidades ins uficientes de hemogl obina normal

t

[

Cianose chocolate

I


42

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 3.1 Qual das afirmações a segui r, sobre hemoglobinas, está correta? A. O sangue fetal apresenta maior afinidade pelo oxigênio do que o sangue de adulto, pois a HbF tem uma afinidade diminuída pelo 2,3-BPG. B. A HbF purificada (livre de 2,3-BPG) apresenta maior afinidade pelo oxigênio do que a HbA purificada. C. A composição da HbF é ~Õ2 . D. A HbA,c difere da HbA por uma única substituição de aminoácido, determinada geneticamente. E. A HbA2 aparece precocemente na vida fetal. 3.2 Qual das seguintes afirmações a seguir, sobre a capacidade da acidose em induzir uma crise na doença faleiforme, está correta? A. A acidose diminui a solubilidade da HbS.

B. A acidose aumenta a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio. C. A acidose favorece a conversão da hemoglobina da forma tensa para a forma relaxada. D. A acidose desloca a curva de dissociação do oxigênio para a esquerda. E. A acidose diminui a capacidade do 2,3-BPG de ligarse à hemoglobina. 3.3 Qual das afirmações a seguir, a respeito da ligação do oxigênio à hemoglobina, está correta? A. O efeito Bohr resulta em uma menor afinidade para o oxigênio em valores altos de pH. B. O dióxido de carbono aumenta a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio, por ligar-se aos grupos aminoterminais da cadeia polipeptídica. C. A afinidade da hemoglobina pelo oxigênio aumenta à medida que a porcentagem de saturação aumenta. D. O tetrâmero de hemoglobina liga 4 moléculas de 2,3-BPG. E. A oxiemoglobina e a desoxiemoglobina apresentam a mesma afinidade por prótons (W). 3.4. Um homem com 67 anos se apresentou no setor de emergência com um histórico de uma semana de angina e respiração curta. Ele reclamou que sua face e extremidades apresentavam uma "coloração azulada". Sua história médica inclui angina crônica estável, tratada com dinitrato de isossorbida e nitroglicerina. O sangue retirado para análise apresentou uma coloração chocolate. Qual dos diagnósticos a seguir seria o mais provável? A. Anemia falciforme

B. Carboxiemoglobinemia C. Metemoglobinemia D. ~-Talassemia E. Doença da hemoglobina SC

=

Resposta correta A. Uma vez que o 2,3-BPG reduz a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio, a interação mais fraca entre o 2,3-BPG e a HbF resulta na maior afinidade da HbF pelo oxigénio, em relação à HbA. Em contraste, se o 2,3-BPG for removido de ambas, HbA e HbF, elas terão uma afinidade similar pelo oxigênio. A HbF consiste de a,y 2 • A HbA1c é uma forma glicosilada da HbA, formada não-enzimaticamente nos eritrócitos. A HbA2 é um componente menor da hemoglobina normal do adulto, aparecendo inicialmente por volta de 12 semanas após o nascimento.

=

Resposta correta A. A HbS é significativamente menos solúvel na forma desoxigenada, comparada à oxi-HbS. Uma diminuição do pH (acidose) desloca a curva de dissociação do oxigénio para a direita, indicando menor afinidade pelo oxigênio. Isso favorece a formação da hemoglobina na forma desoxi, ou tensa, podendo desencadear uma crise falciforme. A ligação do 2,3-BPG é aumentada, pois ele liga-se apenas à form a desoxi das hemoglobinas.

=

Resposta correta C. A ligação do oxigénio a um dos grupos heme aumenta a afinidade pelo oxigênio dos grupos heme remanescentes na mesma molécula. O dióxido de carbono diminui a afinidade pelo oxigénio, porque diminui o pH; também a ligação com o dióxido de carbono estabiliza a forma tensa ou desoxi. A hemoglobina liga uma molécula de 2,3-BPG. A desoxiemoglobina apresenta maior afinidade por prótons e, assim sendo, é um ácido mais fraco.

Resposta correta = C. A oxidação do componente heme da hemoglobina para o estado férrico (Fe:>.) forma a metemoglobina. Isso pode ser causado pela ação de certas drogas, como os nitratos. As metemoglobinemias são caracterizadas por uma cianose chocolate (uma coloração marrom-azulada da pele e das membranas) e sangue de coloração chocolate, como resultado da coloração escura da metemoglobina. Os sintomas estão relacionados com hipóxia tecidual e incluem ansiedade, dor de cabeça, dispnéia e, raramente, podem ocorrer coma e morte.


Proteínas Fibrosas

I.

VISÃO GERAL

O colágeno e a elastina são exemplos de proteínas fibrosas bem caracterizadas, que apresentam função estrutural no organismo. Por exemplo, o colágeno e a elastina são componentes da pele, do tecido conectivo, da parede dos vasos sangüíneos e da córnea e da esclera do olho. Cada proteína fibrosa apresenta propriedades mecânicas especiais, resultado de sua estrutura única, a qual é obtida pela combinação de aminoácidos específicos em elementos regulares de estrutura secundária. Isso está em contraste com as proteínas globulares, cuja forma é o resultado de interações complexas entre elementos estruturais secundários, terciários e, às vezes, quaternários.

11.

COLÁGENO

O colágeno é a proteína mais abundante no corpo humano. Uma típica molécula de colágeno é longa, com uma estrutura ríg ida, na qual três cadeias polipeptídicas (referidas como "cadeias a") estão torcidas uma em volta da outra, de forma semelhante a uma corda de tripla hélice (Figura 4.1). Apesar dessas moléculas serem encontradas em todo o corpo, seus tipos e sua organização são ditados pelo papel estrutural que o colágeno desempenha em cada órgão em particular. Em alguns tecidos, o colágeno pode estar disperso como um gel que dá suporte à estrutura, como na matriz extracelular ou no humor vítreo. Em outros tecidos, o colágeno pode estar torcido firmemente em fibras paralelas,. o que confere grande resistência, como nos tendões. Na córnea, o colágeno está empilhado de forma a transmiti r a luz com o mínimo de dispersão. O colágeno dos ossos ocorre como fibras arranjadas em ângulo tal, umas em relação às outras, que lhe permite apresentar alta resistência mecânica em qualquer direção.

A. Tipos de colágeno A superfamília das proteínas de colágeno inclui mais de 20 tipos de colágeno, assim como outras proteínas que apresentam domínios semelhantes ao colágeno. As três cadeias polipeptídicas a são mantidas unidas por meio de pontes de hidrogênio entre as cadeias. Variações na seqüência de aminoácidos das cadeias a resultam em componentes estruturais de tamanho

Figura 4.1 Tripla hélice do colágeno.


44

Pamela C . Champe, Richa rd A. Ha rvey, De n ise R. Fe rrier

TIPO

DISTRIBUIÇÃO TECIDUAL Fo rmado s por f ibrilas

I

Pel e, ossos, tendões, vasos s angüíneos, córnea

11

Cartilagem, d isco intervertebral, corpo vítreo

III

Vasos sang üineos, pele fetal

semelhante (cerca de 1.000 aminoácidos), mas com pro priedades ligeiramente diferentes. Essas cadeias a combinam -se para formar os vários tipos de colágeno encontrados nos tecidos. Por exemplo, o colágeno mais comum, tipo I, contém duas cadeias chamadas a 1 e uma cadeia chamada a 2 (a 12 a 2), enquanto o colág eno do tipo 11 contém três cadeias o:1 (o:13 ) . Os co lágenos podem ser organizados em três grupos , com base em sua localização e suas fu nções no organismo (Figura 4.2). 1.

Fibrilas formadoras de colágeno. Colágenos dos tipos I, 11, e II I são fibrilares e têm estrutura semelhante a uma corda, conforme descrito anteriormente para uma molécula típica de colágeno. Ao microscópio eletrônico, esse polímero linear de fibrilas apresenta padrões de bandas característicos, refletindo a organização escalonada regular das moléculas individuais do colágeno nas fibrilas (Figura 4.3). As fibras de colágeno do tipo I são encontradas nos elementos estruturais que apresentam alta resistência à tensão (por exemplo, tendão e córnea), enquanto as fibras formadas pelas moléculas de colágeno do tipo 11 estão restritas a estruturas cartilaginosas. As fibrilas derivadas do colágene do tipo III são prevalentes nos tecidos mais elásticos, como as paredes vasculares.

2.

Colágenos formadores de redes. Os colágenos dos tipos IV e VIl formam uma malha tridimensional, ao invés de fibrilas distintas (Figura 4.4). Por exemplo, as moléculas do tipo IV se associam em uma lâmina ou malha, que constitui a maior parte das membranas basais. (Nota: Memb ranas basais são estruturas finas, semelhantes a uma lâmina, que promovem suporte mecânico para células adjacentes e funcionam como uma barreira de filtração semipermeável para macromo lécu las em órgãos como o rim e o pulmão.)

3.

Colágeno associado a f ibrilas. Os colágenos dos tipos IX e XII ligamse à superfície das fibrilas de colágeno, ligando essas fibrilas umas às outras e a outros componentes da matriz extracelular (veja a Figura 4.2).

Formados por redes

IV VIl

Membrana basal Abaixo do epitélio estratificado escamoso

A s s ociado a f ibrilas

IX XII

Cartilagem Tendões, ligamentos, alguns out ros tecidos

Figura 4.2 Tipos mais abundantes de colágeno.

/ Molécula de coláteno ~

~ Arranjo escal onado das moléculas do colageno promovem a aparência estriada das f ibrilas negativamente

Fig ura 4.3 As fibrilas de colágeno à direita apresentam um padrão de bandas característico, refletindo a o rganização regularmente escalonada das moléculas de colágeno dentro da fibrila.


45

Bioquímica Ilustrada

B . Estrutura do colágeno 1.

Seqüência de aminoácidos. O colágeno é rico em prolina e glicina, ambos importantes na formação da tripla hélice. A prolina facilita a formação da conformação helicoidal em cada uma das cadeias a, porque a sua estrutura em anel causa "torções" na cadeia polipeptídica. A glicin a, o menor aminoácido, é encontrado a cada três posições na cadeia polipeptídica. Ela se adapta ao espaço restrito onde as três hélices se aproximam. Os resíduos de glicina são parte da seqüência repetitiva -Giy-X-Y-, onde X freqüentemente é prolina e Y geralmente hidroxip rolina ou hidroxilisina (Figura 4.5). Assim, a maior parte da cadeia a pode ser vista como um politripeptídeo, cuja seqüência pode ser representada como (-Giy-X- Y- }a33•

2.

Estrutura em tripla hélice. Diferentemente da maioria das proteínas globulares, que estão dobradas em estruturas compactas, o colágeno, uma proteína fibrosa, possui uma estrutura em tripla hélice alongada, o que coloca muitas das cadeias laterais dos aminoácidos na superfície da molécula. (Nota: Isso permite a formação de ligações entre os grupos R dos monômeros de colágeno vizinhos, resultando na sua agregação em longas fibras.)

3.

4.

H idroxiprolina e h idroxi lisina. O co lágeno con tém hidroxiprolina (hyp) e hidroxilisina (hyl), as quais não estão p resentes na maioria das demais proteínas. Esses resíduos resultam da hidroxilação de alguns dos resíduos de prolina e lisina, após sua incorporação na cadeia polipeptídica (Figura 4.6). A hidroxilação é, assim, um exemplo de modificação pós-traducional (veja a pág. 440). A hidroxiprolina é importante para estabilizar a estrutura em tripla hélice do colágeno, pois ela maximiza a formação de pontes de hidrogênio. Glicosilação. O grupo hidroxila dos resíduos de hidro xilisina do colágene pode ser glicosilado enzimaticamente. Mais comumente, a glicose e a galactose são ligadas seqüencialmente à cadeia polipeptídica antes da formação da tripla hélice (Figura 4.7).

C. Biossíntese do colágeno

Figura 4.4 Micrografia eletrônica de uma rede poligonal formada pela associação de monômeros de colágeno do tipo IV.

I

I

I

Jli':Giy-Leu-Hyp~ly- Pro-Hyp-~ly- Ala- Hyl 1-..

I

I

I

'

'

Resíduo de prolina

\ 0 2 ~o:-Cetoglutarato Prolil-

Formação das cadeias pró-a. O colágeno é uma das muitas proteínas que normalmente funcionam no exterior das células. Como a maioria das proteínas produzidas para serem exportadas, os precursores polipeptídicos das cadeias a , quando recém-sintetizados, contêm uma seqüência especial de aminoácidos em suas extremidades aminote rm inais. Essa seqüência atua co mo um sinal para que o polipeptídeo que está sendo sintetizado seja destinado a sair da célula. Essa seqüência sinal izadora facilita a ligação dos ribossomos ao retículo endoplasmático rugoso (RER) e direciona a passagem do polipeptídeo para dentro das cisternas do RER. A seqüência sinalizadora é rapidamente clivad a no ret ículo endoplasmático, produzindo um precursor do colágeno denominado ca deia pró-a (veja a Figura 4.7).

I

Figura 4.5 Seqüência de aminoácidos de parte da cade ia a 1 do colágeno. (Nota: Hyp é hidroxiprolina e Hyl é hid roxilisina.)

Os polipeptídeos precursores da molécula do colágeno são formados nos fibroblastos (ou nas cé lulas relacionadas osteoblastos dos ossos e condroblastos da cartilagem), e são secretados na matriz extracelular. Depois de modificações enzimáticas, os monômeros de colágeno maduro agregam-se, estabelecendo ligações cruzadas, formando as fibrilas do colágeno. 1.

L...-

1-

-w

hidroxilase

..

' ' ~ '

H 20

Succinato + C02

H Cadeia Pró-o: .

~

I

HN - C -CO ~

I

I

H2C,

I

,CH2 CH

~H

Resíduo de hidroxiprolina

Figura 4.6 Hidroxilação de resíduos de prolina em cadeias pró-a de colágeno pela prolil-hidroxilase.


46

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

1:11 O RNAm é traduzido no cito-

1::'111 Resíduos selecionados 1::.1 de prol i na e de lisina são hidroxilados.

1';::1

sol em pré-pró-polipeptídeo das cadeias a, que são deslocadas para o retículo endoplasmático, onde a seqüência-sinal é removida.

n

O

Genes para as cadeias pró-a1 e pró-a 2 são transcritos em RNAm.

Resíduos selecionados de

li.l hidroxilisina são glicosilados com glicose (e) e galactose (O ).

RNAm

A . Três cadeias pró-a são 1:,11

ONA

reunidas . • Ligações dissulfeto intracadeia e intercadeias são formadas na extensão C-terminal do pró-peptídeo.

Extensão C-terminal do pró-peptídeo

A mol écula de pró-colágeno é secretada de um vacúolo de Golgi para a matriz extracelular. Membrana/ plasmática

r."ll As porções N-terminais e C-ter-

I:JI minais dos pró-peptideos são clivadas por pró-colágeno-peplldases.

Continua na próxima página .•.

Figura 4.7 Formação de uma fibrila de colágeno. (Continua na próxima página)


Bioquímica Ilustrada

47

...Continuação da página anterior

~

Porção N-terminal do pró-peptídeo

Porção C-terminal do pró-peptídeo ,----~------x·_.

A

Fibrilas interligadas

l

a

Reunião das moléculas de ~· colágeno em fibrilas, com ' interligações subseqüentes. f!

Figura 4.7 Formação de uma fibrila de colágeno. (Continuação da página anterior)

2.

Hidroxilação. As cadeias pró-ex são processadas por diversos passos enzimáticos dentro do lúmen do RER, enquanto os polipeptídeos ainda estão sendo sintetizados (veja a Figura 4.7). Os resíduos de prolina e lisina encontrados na posição Y da seqüência - Giy-XY- podem ser hidroxilados para forma r resíduos de hidroxiprolina e hidroxilisina. Essas reações de hidroxilação requerem oxigênio molecular e o agente redutor vitamina C (ácido ascórbico, veja a pág. 375), sem o qual as enzimas hidroxilantes, prolil-hidroxilase e lisi/hidroxilase, são incapazes de funcionar (veja a Figura 4.6). No caso da deficiência de ácido ascórbico {e, dessa forma, ausência de hidroxilação da prolina e da lisina), as fibras do colágeno não podem estabelecer ligações cruzadas (veja a seguir), diminuindo enormemente a resistência à tensão nas fibras reunidas. Uma doença resultante dessa deficiência é o escorbuto . Pacientes com deficiência de ácido ascórbico ta mbé m apresentam hematomas nos membros, como resultado do extravasamento subcutâneo de sangue (fragilidade capilar; Figura 4.8).

3.

Glicosilação. Alguns resíduos de hidroxilisina são modificados por glicosilação com glicose ou glicosil-galactose (veja a Figura 4.7).

4.

Polimerização e secreção. Depois da hidroxilação e da glicosilação, as cadeias pró-ex formam o pró-colágeno, um precursor do colágeno que apresenta uma região central de tripla hélice rodeada por extensões não-helicais aminoterminais e carboxiterminais, chamadas de pró-peptídeos (veja a Figura 4.7). A formação do pró-colágeno inicia com a formação de pontes dissulfeto intercadeias, entre as extensões C-terminais das cadeias pró-ex. Isso traz as três cadeias ex para um a linhamento favorável para a formação da hélice. As moléculas do pró-colágeno são translocadas para o aparelho de Golgi, onde são empacotadas em vesículas secretórias. As vesículas fundem-se com a membrana celular, levando à liberação de moléculas de pró-colágeno no espaço extracelular.

5.

Clivagem extracelular das moléculas de pró-colágeno. Depois de serem liberadas, as moléculas de pró-colágeno são clivadas pelas N- e C-pró-colágeno-peptidases, as quais removem os pró-peptídeos terminais, liberando as moléculas de tripla hélice do colágeno.

Figura 4.8 As pernas de um homem de 46 anos com escorbuto.


48

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

6.

Formação das fibrilas de colágeno. Moléculas individuais de colágano se associam espontaneamente para formar fibrilas. Elas formam um arranjo ordenado, superposto e paralelo com as moléculas de colágano adjacentes, formando um arranjo escalonado, de forma que cada molécula sobrepõe-se à molécula vizinha pelo comprimento de aproximadamente três quartos de molécula (veja a Figura 4.7).

7.

Formação de ligações cruzadas. O arranjo fibrilar de moléculas de colágeno serve como substrato para a lisil-oxidase. Essa enzima extracelu lar desamina oxidativamente alguns resíduos lisil e hidroxilisil do colágeno. Os aldeídos reativos resultantes (ali sina e hidroxialisina) podem se condensar com outros resíduos lisil ou hidroxilisil das moléculas de colágeno vizin has, para formar ligações covalentes cruzadas (Figura 4.9). (Nota: Essa ligação cruzada é essencial para a lcançar a resistência à tensão, necessária para o funcionamento adequado do tecido conectivo. Portanto, qualquer mutação que interfira com a capacidade do colágeno de formar ligações cruzadas entre as fibrilas quase certamente afetará a estabilidade do colágeno.)

Resíduo de lis ina

Cadeia de colágeno

Cadeia de colágeno

~.~

~~

O=C

C=O

I

H - Ç-CH2- CH2-CHfCHfNH 2 HN

~ Resíduo

de lisina

oJ

~

HC-CH -CH2-CH2-CH li 2 I O

NH Resíduo dealisina

t

~

D. Degradação do colágeno

Lo

H-9 -CH2- CH2-CH 2-CH 2-NH-CH 2- CH2"CH2"CH 2- 9- H HN

~

Figura 4.9 Formação de ligações cruzadas no colágeno.

NH

~

Colágenos normais são moléculas altamente estáveis, tendo meias-vidas que podem chegar a muitos meses. Entretanto, o tecido conectivo é muito dinâmico e está constantemente sendo remodelado, muitas vezes em resposta ao crescimento ou à lesão do tecido. A quebra das fibrilas do colágeno é dependente da ação proteolítica de colagenases, as quais fazem parte de uma grande família de metalo-proteinases de matriz. Para o colágeno do tipo I, o sítio de clivagem é específico, gerando fragmentos de três quartos ou um quarto d e comprimento. Esses fragmentos são degradados posteriormente por outras proteinases até seus aminoácidos constituintes.

E. Doenças do colágeno Defeitos em qualquer um dos muitos passos da síntese das fibras do colágano podem resultar em doenças genéticas envolvendo a incapacidade do colágeno em formar fibras e, dessa forma, prover os tecidos com a necessária resistência à tensão normalmente promovida pelo colágeno. Mais de 1.000 mutações foram identificadas em 22 genes que codificam 12 tipos de colágeno. A seguir, são fornecidos alguns exemplos de doenças resultantes da síntese defeituosa do colágeno.

1.

Figura 4.1 0 Pele elástica na síndrome de EhlersDanlos.

Síndrome de Ehlers-Danlos (EDS). Essa doença é constituída por um grupo heterogêneo de desordens generalizadas do tecido conectivo, resultantes de erros inatos do metabolismo das moléculas de fibrilas de colág eno. A EDS pode resultar da deficiência de enzimas que processam o colágeno (po r exemplo, deficiência de lísil-hidroxilase ou deficiência da pró-colágeno-peptidase) ou de mutações na seqüência de aminoácidos do co lágeno dos tipos I, II I ou V. As mutações clinicamente mais importantes são encontradas nos genes para o colágeno do tipo III. O colágeno contendo cadeias mutantes não é secretado, e é degradado ou acumulado em grande quantidade nos compartimentos intracelulares. Uma vez que o colágeno do tipo III é um importante componente das artérias, podem ocorrer problemas vasculares letais. (Nota: Embora o colágeno do tipo III seja apenas um componente menor das fibrilas do colágeno da pele, por razões desconhecidas os pacientes com EDS também apresentam defeitos nas fibrilas de colágeno do tipo I. Isso resulta em pele elástica e articulações frouxas [Figura 4.1 0].)


Bioquímica Ilustrada

2.

III.

Osteogênese imperfeita (osteogenesis imperfecta, 01). Essa doença, conhecida como síndrome dos ossos frágeis , é também constituída por um grupo heterogêneo de distúrbios hered itários, caracterizados por ossos que facilmente "vergam" e fraturam (Figura 4.11 ). Cicatrização demorada e uma coluna retorcida, que dá um aspecto de "corcunda", são características comuns da doença. A 01 do tipo I é chamada de osteogênese imperfeita tardia. Essa doença surge no início da infância, com fraturas secundárias a traumas menores, e pode-se suspeitar de sua ocorrência se no ultra-som pré-natal forem detectados arcos ou fraturas nos ossos longos. A 01 do tipo 11 , chamada de osteo gênese imperfeita congênita, é mais grave, e os pacientes morre m de hipoplasia pulmonar ainda no útero ou no período neonatal. A maioria dos pacientes com 01 grave apresenta mutações nos genes das cadeias de pró-colágeno do tipo I, pró-1-a ou pró-2-a. As mutações mais comuns causam a substituição de resíduos de glicina, que aparecem a cada três aminoácidos na tripla hélice, por um aminoácido com cadeia lateral volumosa. As pró-cadeias a estruturalmente anormais podem impedir a organização da proteína na conformação em tripla hélice.

49

Figura 4.11 Forma letal de osteogênese imperfeita na qual as fraturas aparecem intra-útero, revelada por esta radiografia de um feto.

ELASTINA

91;i H

-vvv-C-C-N -vvv-

Em contraste com o colágeno, o qual forma fibras que apresentam alta resistência à tensão, as da elastina é uma proteína do tecido conectivo com propriedades semelhantes às da borracha. Fibras elásticas compostas de microfibrilas de elastina e de glicoproteínas são encontradas nos pulmões, na parede de grandes artérias e nos ligamentos elásticos. Elas podem ser distend idas em várias vezes o seu comprimento normal , mas retorn am ao formato original quando a força de tensão é relaxada.

A. Estrutura da elastina A elastina é um polímero protéico insolúvel, sintetizado a partir de um precursor, a tropoelastina, a qual é um polipeptídeo linear composto por cerca de 700 aminoácidos, a maioria deles pequenos e apoiares (por exemplo, glicina, alanina e valina; veja a pág. 2). A elastina é também rica em prolina e lisina, mas contém muito pouca hidroxiprolina e não contém hidroxilisina. A tropoelastina é secretada pela célula no espaço extracelular. Neste, ela interage com determinadas glicoproteínas de microfibrilas, como a fibrilina, a qual funciona como um suporte sobre o qual a tropoelastina é depositada. (Nota: Mutações nos genes da fibrilina são responsáveis pela síndrome de Marfan.) Algumas das cadeias laterais de lisina nos polipeptídeos da tropoelastina são desaminadas oxidativamente pela lisi/-oxidase, formando resíduos de alisina. Três cadeias laterais de resíduos de alisina mais uma cadeia lateral de um resíduo de lisina não-alterado, da mesma cadeia polipeptídica ou de uma cadeia vizinha, formam uma ligação cruzada denominada desmosina (Figura 4. 12). Isso produz elastina - uma rede semelhante à borracha, amplamente interconectada, que pode ser distendida em qualquer direção quando pressionada, fornecendo elasticidade ao tecido conectivo (Figura 4.13).

CH2 CH2 I

o~c H-C-CH -CH - C 9 I

HN

~

2

2 I

c~

cCH

2

c=o

' C -CH -CH -C-H 11

C

®t;J/

yH2 yH2 yH2 yH2

2

2

I

NH

~

Ligação cruzada de desmosina

-vvv-C-C - N -vvv-

0 HH

Figura 4.12 Ligações cruzadas de desmosina na elastina.

B. Papel da a 1-antitripsina na degradação da elastina 1.

a 1 -antitripsina. O sangue e outros flu idos corporais contêm uma proteína, a a,-antitripsina (a 1-AT, também comumente chamada de a 1-antiproteinase), que inibe diversas enzimas proteolíticas (também chamadas de proteases ou proteinases), as quais hidrolisam ou destroem proteínas.

Figura 4.13 Fibras de elastina nas conformações relaxada e estirada.


50

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier (Nota: O inibidor foi denominado originalmente a.,-antitripsina porque inibe a atividade da tripsina [uma enzima proteolítica sintetizada como tripsinogênio pelo pâncreas, veja a pág. 246].) A a.,-AT compreende mais de 90% da fração a.1 -globulina do plasma normal. A a.,-AT tem o importante papel fisiológico de inibir a e/astase de neutrófilos - uma potente protease que é liberada no espaço extracelular e degrada a elastina da parede alveolar, assim como outras proteínas estruturais em vários tecidos (Figura 4.14). A maioria da a.,-AT encontrada no plasma é sintetizada e secretada pelo fígado. O restante é sintetizado em diversos tecidos, incluindo monócitos e macrófagos alveolares, os quais podem ser importantes na prevenção da lesão tecidual local pela e/astase.

A a,-antitripsina normalmente inibe a elastase liberada durante a fagocitose, por neutrófilos presentes nos alvéolos dos pulmões.

(}

~

~ Elastase de neutrófilos

ALVÉOLOS PULMONARES

~

Uma deficiência de ~- '--«1-antitripsina permite que a elastase dos e. neutrófilos destrua o ~ pulmão. ~

r "'<:::-

...........

~ () ()

(}

~

Papel da cx 1-AT nos pulmões. No pulmão normal, os alvéolos são expostos cronicamente a baixos níveis de elastase de neutrófilos, a qual é liberada a partir de neutrófilos ativos ou em degeneração. Essa atividade proteolítica pode destruir a elastina na parede alveolar se não for contraposta pela ação inibitória da a.1-AT, o mais importante inibidor da e/astase dos neutrófilos (veja a Figura 4.14). Uma vez que o tecido pulmonar não pode se regenerar, o enfisema resulta da destruição do tecido conectivo da parede alveolar.

3.

Enfisema resultante da deficiência de cx 1 -AT. Nos Estados Unidos, cerca de 2 a 5% dos pacientes com enfisema apresentam predisposição à doença devido à deficiência hereditária da a. 1-AT. São conhecidas várias mutações no gene a.,-AT que causam a deficiência dessa proteína, mas uma única mutação na base purina (GAG -7 AAG, resultando na substituição de uma lisina por glutamato na posição 342 da proteína) é, clinicamente, a mais encontrada. Um indivíduo deve herdar dois alelos a. 1-AT anormais para correr o risco de desenvolver enfisema. Em um indivíduo heterozigoto, com um gene normal e um gene defeituoso, os níveis de a.,-AT são suficientes para proteger os alvéolos da lesão. (Nota: Uma metionina específica da a ,-AT é necessária para a ligação do inibidor a suas proteases-alvo. Fumar causa a oxidação e a subseqüente inativação desse resíduo de metionina, diminuindo assim a eficiência do inibidor em neutralizar a elastase. Fumantes com deficiência de a,-AT, portanto, apresentam maior taxa de lesão pulmonar e menor taxa de sobrevivência, comparados com indivíduos não-fumantes portadores da deficiência.) A deficiência do inibidor de elastase pode ser revertida pela administração semanal de a, -AT intravenosa. A a.,-AT difunde a partir do sangue para o pulmão, onde atinge níveis terapêuticos no fl uido que rode ia as células epiteliais do pulmão.

~

Neutrófilo

'

2.

a 1-Antitripsina

/~

Elastina

ESPAÇO EXTRACELULAR

Figura 4.1 4 Destruição do tecido alveolar pela elastase, liberada dos neutrófilos.

IV.

RESUMO DO CAPÍTULO

As moléculas de colágeno contêm grande abundância de prolina, lisina e glici na, esta última ocorrendo a cada terceira posição da estrutura primária. O colágeno ta mbém contêm hidroxiprolina, hidroxilisina e hidroxilisina glicosilada, formadas por meio de modificações pós-traducionais. As moléculas de col ágeno tipicamente formam fibrilas, que contêm uma longa e firme estrutura tripla helicoidal, na qual três cadeias polipeptídicas do colágeno são torcidas uma ao redor da outra, como um cordão, formando uma super-hélice tripla. Outros tipos de colágeno formam redes semelhantes a uma malha. A elastina é uma proteína do tecido conectivo, com propriedades semelhantes às da borracha, que ocorre em tecidos como o pulmão. A cx1-antitripsina (cx1-AT), produzida principalmente pelo fígado, mas também por outros tecidos como monócitos e macrófagos alveolares, impede a degradação da elastina das paredes alveolares. A deficiência de a.1 -AT pode causar enfisema.


Bioquímica Ilustrada

I

Estrutura do colágeno I

Síntese do colágeno

t

t - { Três cadeias pol ipeptídicas (cadeias a )

Deposição de fibras insolúveis fora da célula, iniciando com moléculas solúveis dentro da célula

J

.I

caractenzadas por

t

( Estrutura primária in comum I

I

l

Doenças da síntese do colágeno

exemplo~ incluem

envolve

composta por

I

1--1

.

envrlve

J Reações que ocorrem dentro da célula

Glicina

formam

encontada

Reações que ocorrem !orada célula

y

[ A cada terceira posição da cadeia polipeptidica

contém

_,

Hidroxiprolina

f-

-i

Hidroxil is ina

t--

---+1

Hidroxilisina glicos i lada

f-

Síndrome de Ehlers-Danlos

As mutações mais importantes clinicamente estão no gene para o colágeno do tipo III. • Ocorrem problemas vasculares potencialmente letais. • Os pacientes também apresentam defeitos nas fibrilas de colágeno do tipo I, o que resulta em pele elástica e articulações frouxas.

composta por grandes quantidades de Prol i na

51

Osteogênese imperfeita • A maioria dos pacientes com a forma grave da doença apresenta mutações no gene para o colágeno do tipo I. • As cadeias estruturalmente anormais impedem o dobramento da proteína em uma conformação de tripla hélice.

constituídas de

constituídas de

resultantes de

t [ Modificações pós-traducionais ~

Colágeno fibrilar

[

Por exemplo: • Tipo I (encontrado na pele) • Tipo 11 (encontrado na cartilagem) • Tipo III (encontrado nas artérias)

tentes , com ligações cruzadas em um arranjo escalonado

.

. ..

l

Colágeno associado a fibrilas Por exemplo: • Tipo IX (encontrado na cartilagem) • Tipo XII (encontrado em ligamentos)

l

.

Tradução em cadeias polipeptídicas Glicosilação de hidroxilisina

Rede de colágeno

.

Formação de uma tripla hélice

.

À medida que é secretada pela célula, a tropoelastina interage com microfibrilas glicoprotéicas especificas, como a fibrilina, a qual fu nciona como um suporte sobre o qual a tropoelastina é depositada . Mutações no gene da fibrilina são responsáveis pela síndrome de Marfan.

[ Doenças da degradação da elastina

.

J :·

.

Por exemplo: • Tipo IV (encontrado na membrana basal) • Tipo VIl (encontrado sob o epitélio escamoso)

.

caracterizada por

t

• Um polímero insolúvel de proteína, sintetizado a partir de um precursor, a tropoelastina.

Formação de pontes dissulfeto na extensão C-terminal do pró-peptideo

t

Fibrilas ligadas a outros

L._

[ Polimerizar em lâminas ou malhas

l

t Transcrição de genes de cadeias u do colágeno

caracterizado por

componentes na matriz extracelular

I

caracterizada por

t

Triplas hélices longas e resls-

Elastina

'---

caracterizado por

l ~

j

l

I

Hidroxilação de prolina e lisina Secreção da molécula de prócolágeno a partir do vacúolo de Golgi para o espaço extracelular Clivagem das porções N-terminais e C-terminais dos pró-peptideos, formando fibras insolúveis Autopolimerízação das moléculas do colágeno em fibras e subseqüente formação de ligações cruzadas

Figu ra 4.15 Mapa de conceitos-chave para as proteínas fibrosas, colágeno e elastina.

por exemplo

+

Deficiência de a 1-antitripsina • Nos alvéolos, a elastase liberada por neutrófilos ativados e em degeneração é normalmente inibida pela u 1 -antitripsina.

.

Defeitos genéticos na a 1-antitripsina podem levar ao enfisema.

• A deficiência de inibidor da elastase pode ser revertida por administração intravenosa semanal de a 1-AT.

I


52

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 4 .1 Qual das afirmações a seguir, sob re o principal tipo de colágeno encontrado na pele ou nos ossos, está correta? A. Um terço dos aminoácidos do colágeno é constituído por hidroxiprolina. B. A glicina é encontrada apenas nas extensões C- e Nterminais. C. Sua s íntese ocorre na matriz extracelular. D. As fibrilas do colágeno são mantidas unidas un icamente por forças não-covalentes. E. A molécula do pró-colágeno contém extensões C- e Nterminais não-helicoidais. 4.2 Uma mulher de 30 anos apresentou diminuição progressiva da respiração. Ela negou ser fumante. O histórico familiar revelou que sua irmã sofreu de uma doença pulmonar não-explicada. Q ual das seguintes etiologias poderia justificar os sintomas pulmonares da paciente?

A. B. C. D. E.

Deficiência de prolina-hidroxilase. Deficiência de o.,-antitripsina. Deficiência de vitamina C na dieta. Diminuição da atividade da elastase. Aumento da atividade da colagenase.

4.3 Uma criança de 7 meses caiu enquanto engalinhava, e agora apresenta inchaço em uma das pernas. Com um mês de idade, a criança teve fraturas múltiplas, com variados estados de cicatrização (clavícula direita, úmero d ireito e rádio direito). A os 7 meses, a criança teve uma fratura no fémur arqueado (veja o raio X a seguir). Os ossos são finos, com uma fina trabécula e também finos córtices. Um cuidadoso histó rico fa miliar exclu iu tra umas não-ac id e nta is (maus tratos) como causa das fraturas ósseas. Provave lmente , a criança tem um defeito no(a):

A. B. C. O. E.

fibrilina; colágeno tipo I; colágeno tipo III; colágeno tipo IV; elastina.

Resposta correta = E. As moléculas do pró-colágeno contêm uma seção central com tripla hélice, com extensões C- e N-terminais não-helicoidais. Um terço dos aminoácidos do colágeno é constituído por glicina, com quantidades significativas, porém menores, de hidroxiprolina. O ascorbato é requerido para a hidroxilação dos resíduos de prolina e de lisina das cadeias pró-a. Os polipeptídeos precursores da molécula do colágeno são formados nos fibroblastos (ou nos osteoblastos, no caso do ossos, e nos condroblatos, no caso das cartilagens) e são secretados para a matriz extracelular. As fibrilas do colágeno são mantidas unidas por ligações covalentes.

Resposta correta = B. A deficiência de o:,-antitripsina é uma doença genética que pode causar enfisema pulmonar, mesmo na ausência de consumo de cigarros. A deficiência de o:,-antitripsina permite o aumento da atividade da elastase, com destruição da elastina nas paredes alveolares, mesmo em não-fumantes. A deficiência de o:,-antitripsina deve ser suspeitada em pacientes com menos de 45 anos, que apresentem doença pulmonar obstrutiva crónica e que não apresentem histórico familiar de bronquite ou do uso de tabaco, ou quando vários membros da família desenvolvem doença pulmonar obstrutiva precocemente. Resposta correta = B. A criança provavelmente tem osteogênese imperieita. A maioria dos casos surge a partir de um defeito no gene que codifica o colágeno do tipo I. Os ossos, na maioria dos pacientes afetados, são finos, osteoporosos, às vezes arqueados, com um córtex fino e uma trabécula deficiente, e extremamente propensos a fraturas. Existem 4 tipos, mas os tipos I e 11 são responsáveis pela maioria dos casos. Esse paciente é afetado pelo tipo I, osteogênese imperieita tardia. A doença se manifesta no início da infância, com fraturas secundárias a pequenos traumas. A doença pode ser prevista por meio de ultra-som pré-natal, pela detecção de fraturas ou arqueamento de ossos longos. O tipo 11 , osteogênese imperfeita congénita, é mais grave, e os pacientes morrem de hipoplasia pulmonar ainda in utero ou no período neonatal. Defeito no colágeno do tipo III é a causa mais comum da síndrome de Ehlers-Danlos, caracterizada por problemas vasculares letais e pele elástica. O colágeno de tipo IV forma redes e não fibrilas.


Enzimas

Catalisam reações de oxidorredução, como por exemplo:

1. Oxldorredutases

I. VISÃO GERAL

CH3 - C H- coo- + NAD+ ' ~

OH 2e·

CH3 - C- coo-+ NADH + W 11

Lactato-

Lactato Praticamente todas as reações no corpo são mediadas por enzimas, as quais são proteínas catalisadoras que aumentam a velocidade das reações, sem sofrerem al terações no p rocesso global. Dentre as muitas reações biológicas que são energeticamente possíve is, as enzimas seletivamente canalizam reatantes (chamados substratos) para rotas úteis . As enzimas direcionam, assim, todos os eventos metabólicos. Este capítulo examina a natureza dessas moléculas catalíticas e seu mecanismo de ação.

Piruvato

2. Transferases

Catalisam a transferência de grupos contendo C-, N- ou P-, como por exemplo:

~

tH 2 -~H- coo-+~ ' H O

'

NH3 Serina

+

3. Hidrolases

11.

y H2- coo- + JH~ NH3+ CH2 Glicina Catalisam a quebra de ligações pela adição de água, como por exemplo:

-Urease

Catalisam a quebra de ligações C-C, C-Se certas lígações C-N, como por exemplo:

4. Liases

Os nomes de enzimas mais comumente usados têm o sufixo " -ase" adicionado ao nome do substrato da reação (por exemplo, glicosidase, urease, sacarase) ou à descrição da ação realizada (por exemplo, /actato-desidrogenase e adenilato-cic/ase) . (Nota: Algumas enzimas mantêm seu nome trivial original, o qual não tem qualquer associação com a reação enzimática, por exemplo, tripsina e pepsina.)

B. Nom e sistemático A União Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular (IUBMB, de lnternational Union of Biochemistry and Molecular Biology) desenvolveu um sistema de nomenclatura no qual as enzimas são divididas em seis classes principais (Figura 5.1 ), cada uma com numerosos subgrupos. O sufixo - ase é adic ionado para completar a descrição da reação química catalisada, como por exemplo o-glicera/deído-3-fosfatase:NAD-oxidorredutase. Os nomes da IUBMB são exatos e informativos, mas às vezes são muito incômodos para o uso geral.

--

CH3 - c tcoo-

o"

A. Nome recomendado

H20

t,

Serina hidroximetil ·transferase

NOMENCLATURA

Cada enzima recebe dois nomes. O primeiro é um nome curto, o nome recomendado, conveniente para uso corriqueiro. O segundo é mais completo, o nome sistemático, o qual é utilizado quando uma enzima precisa ser identificada sem ambigüidades.

O

desidrogenase

2H

CH3- sH + co 2

Piruvato-

o

descarboxilase

Acetaldeído

Piruvato 5. lsomerases

~yH3 -oOC·CH -C-CoA 2

6

Metilmalonii-CoA 6. Ligases

Catalisam racemização de isômeros ópticos ou geométricos, como por exemplo:

Catalisam a formação de ligações entre carbono e O, S, N, acoplada à hidrólise de fosfatos de alta energia,

~omopore~emplo:

f?ruv?i/o.

CH3 - ?, - c oo- + co 2 O

Piruvato

OOC - CH2 .. ?, - coo-

carboxilase

I ATP

\ ADP + P;

O

Oxalacetato

Figura 5 .1 Exemplos das seis principais classes da classificação internacional das enzimas (THF é o tetraidrofolato).


54

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

III.

PROPRIEDADES DAS ENZIMAS

As enzimas são catalisadores protéicos que aumentam a velocidade de uma reação química e não são consumidos durante a reação que catalisam. (Nota: Alguns tipos de RNA podem atuar como enzimas, geralmente catalisando a quebra e a síntese de ligações fosfo-diéster. Os RNAs com atividade catalítica são chamados ribozimas [veja a pág. 436] e são encontrados com muito menos freqüência que as proteínas catalisadoras.)

A. Sítios ativos As molécu las de enzimas contêm uma região específica formando uma fenda ou bolso, que é chamada sítio ativo. O sítio ativo contém cadeias laterais de aminoácidos, as quais criam uma superfície tridimensional complementar ao substrato (Figura 5.2). O sítio ativo liga o substrato, formando um complexo enzima-substrato (ES). O complexo ES é convertido em enzima-produto (EP), o qual subseqüentemente se dissocia em enzima e produto.

Figura 5.2 Representação esquemática de uma enzima com um sítio ativo, ligando-se à molécula de substrato.

B. Efic iência catalítica A reações catalisadas por enzimas são, em sua maioria, altamente eficientes, ocorrendo de 10 3 a 10 8 vezes mais rapidamente do que as reações não-catalisadas. Tipicamente , cada molécula de enzima é capaz de transformar de 100 a 1.000 moléculas de substrato em produto por segundo. O número de moléculas de substrato convertidas em moléculas de produto por molécula de enzima por segundo é chamado de número de renovação (turnover).

MITOCÔNDRIA

e e e

Ciclo do ácido c ítrico Oxidação de ácidos graxos Descarbox ilação do piruvato

CITOSOL

e e

Glicólise Ciclo das hexoses

C. Especificidade As enzimas são altamente específicas, interagindo com um ou alguns poucos substratos e catalisando apenas um tipo de reação química. D. Cc-fatores

e

Algumas enzimas se associam com um co-fator não-protéico, o qual é necessário para a atividade enzimática. Os co-fatores comumente encon2 trados incluem íons metálicos, tais como Z n2• ou Fe • , e moléculas orgânicas, conhecidas como coenzimas, que freqüentemente são derivadas de vitaminas. Por exemplo, a coenzima NAD+ contém niacina, o FAD contém riboflavina e a coenzi ma A contém ácido pantotênico. (Veja as páginas 371-379 para o papel das vitaminas como precursoras de coenzimas.) O conjunto da enzima com o seu co-fator é chamado holoenzima. A apoenzima refere-se à porção protéica da holoenzima. Na ausência do co-fator apropriado, a apoenzima geralmente não apresenta atividade biológica. Um grupo prostético é uma coenzima firmemente ligada à enzima, que desta não se dissocia (por exemplo, a biotina ligada a carboxilases, veja a pág. 379).

Síntese de DNAe RNA

LISOSSOMA

e

Degradação de macro mol éculas complexas

E. Figura 5.3 Localização intracelular de algumas vias bioquímicas importantes.

Regulação A atividade enzimática pode ser regulada, isto é, as enzimas podem ser ativadas ou inibidas, de modo que a velocidade de formação do produto responda às necessidades da célula.


Bioquímica Ilustrada

F.

55

Localização dentro da célula Muitas enzimas estão localizadas em organelas específicas dentro da célula (Figura 5.3). Esta compartimentalização serve para isolar o substrato ou o produto da reação de outras reações competitivas. Isso garante o meio favorável para a reação e organiza as milhares de enzimas presentes na célula em vias definidas.

IV. COMO FUNCIONAM AS ENZIMAS O mecanismo da ação enzimática pode ser encarado de duas perspectivas diferentes. A primeira aborda a catálise em termos de alterações de energia que ocorrem durante a reação, ou seja, as enzimas fornecem uma rota de reação alternativa, energicamente favorável, diferente da reação não-catalisada. A segunda perspectiva descreve como o sítio ativo facilita quimicamente a catálise. A. Alterações de energia que ocorrem durante a reação Praticamente todas as reações têm uma barreira de energia separando os reatantes dos produtos. Essa barreira, denominada energia livre de ativação, é a diferença entre a energia dos reatantes e aquela de um intermediário de alta energia, que ocorre durante a formação do produto. Por exemplo, a Figura 5.4 mostra as alterações na energia durante a conversão de uma molécula do reatante A no produto B, passando pelo estado de transição (intermediário de alta energia), T*:

1.

Energia livre de ativação. O pico de energia na Figura 5.4 é a diferença na energia livre entre os reatantes e T*, onde um intermediário rico em energia é formado durante a conversão do reatante em produto. Devido à grande energia de ativação, as velocidades das reações químicas não-catalisadas são freqüentemente lentas.

2.

Velocidade da reação. Para as moléculas reagirem, devem conter energia suficiente para superar a barreira de energia do estado de transição. Na ausência de uma enzima, somente uma pequena proporção da população de moléculas pode possuir energia suficiente para atingir o estado de transição entre reatante e produto. A velocidade da reação é determinada pelo número dessas moléculas "energizadas". Em geral, quanto menor a energia livre de ativação, mais moléculas têm energia suficiente para superar o estado de transição e, assim, mais rápida é a velocidade da reação.

3.

Rota alternativa de reação. Uma enzima permite que uma reação ocorra rapidamente nas condições normais na célula, oferecendo uma rota de reação alternativa, com uma menor energia livre de ativação (veja a Figura 5.4). A enzima não altera a energia livre dos reatantes ou dos produtos e, assim sendo, não altera o equilíbrio da reação.

B. Química do s ítio ativo O sítio ativo não é um receptáculo passivo para a ligação do substrato, mas sim uma máquina molecular complexa, empregando uma diversidade de mecanismos químicos para facilitar a conversão do substrato em produto. Diversos fatores são responsáveis pela eficiência catalítica das enzimas, incluindo os fatores considerados a seguir.

Não exi ste uma diferença na energia livre da reação global (a energia dos produtos m enos a energia dos reatantes) entre reações catal isadas e não-catalisadas.

Estado final (produtos)

Progresso da reação

---~

Figura 5.4 Efeito de uma enzima sobre a energia de ativação de uma reação.


56

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrie r

1.

Estabilização do estado de transição. O sítio ativo freqüentemente atua como um molde molecular flexível , que se liga ao substrato em uma geometri a que lembra estrutura lmente o estado de transição ativado da molécula (veja T* na parte superior da curva na Figura 5.4). Estabilizando o substrato em seu estado de transição, a enzima aumenta enormemente a concentração do intermediário reativo que pode ser convertido no produto e, assim, acelera a reação.

2.

Outros mecanismos. O sítio ativo pode fornecer grupos catalíticos que aumentam a probabilidade de se formar o estado de transição. Em algumas enzimas, esses grupos podem participar em uma catálise ácido-básica geral, na qual os resíduos de aminoácidos doam ou aceitam prótons. Em outras enzimas, a catálise pode envolver a formação transitória de um complexo covalente enzima-substrato.

3.

Visualização do estado de transição. A conversão do substrato em produto, catalisada por enzimas, pod e ser visualizada como sendo semelhante à remoção de um suéter de um bebê não-cooperativo (Figura 5.5). O processo possui uma elevada energia de ativação, pois a única estratégia razoável para remover a roupa (exceto rasgála) reque r que a agitação aleatória da criança determine uma posição em que ambos os braços fiquem completamente estendidos acima da cabeça - uma posição improvável. Entretanto, podemos visualizar uma mãe agindo como uma enzima, inicialmente entrando em contato com o bebê (formando o complexo ES) e, a seguir, orientando os braços do bebê para uma posição vertical e estendida, análoga ao estado de transição ES. Essa postura (conformação) facilita a remoção do suéter, resultando no bebê sem o blusão, que aqui representa o produto. (Nota: O substrato ligado à enzima [ES] está em um nível energético ligeiramente menor que o substrato não-ligado [S], o que explica a pequena "queda" na curva em ES.)

Figura 5.5 Representação esquemática de mudanças energéticas que acompanham a formação do complexo enzima-substrato e a subseqüente formação de um complexo do estado de transição.


Bioquímica Ilustrada

V.

FATORES QUE AFETAM A VELOCIDADE DA REAÇÃO Enzimas que seguem a cinética de

As enzimas podem ser isoladas das c élulas e ter suas propriedades estudadas em tubos de ensaio (isto é, in vitro). As diferentes enzimas mostram diferentes respostas às alterações de concentração de substrato, temperatura e pH. Esta seção descreve fatores que influenciam a velocidade da reação enzimática. As respostas enzimáticas a esses fatores fornecem informações valiosas sobre como funcionam as enzimas nas células vivas.

Michaelis·Menten apresentam curvas hiperbólicas.

A . Concentração do substrato

1.

2.

Velocidade máxima. A velocidade de uma reação (v) é o numero de moléculas de substrato convertidas em produto por unidade de tempo; geralmente, a velocidade é expressa como 11mol de produto formado por minuto. A velocidade de uma reação catalisada por enzima aumenta conforme a concentração do substrato, até uma velocidade máxima (V maxl ser atingida (Figura 5.6). A obtenção de um platô na velocidade de reação em altas concentrações de substrato reflete a saturação pelo substrato de todos os sítios de ligação disponíveis nas moléculas enzimáticas presentes.

Figura 5.6 Efeito da concentração do substrato sobre a velocidade da reação.

Formato hiperbólico da curva de cinética enzimática. A maioria das enzimas mostra uma cinética de Michaelis-Menten (veja a pág. 58), na qual a curva de velocidade de reação inicial, V 0 , contra a concentração do substrato, [S], possui uma forma hiperbólica (semelhante à curva de dissociação do oxigênio da mioglobina; veja a pág. 29). Em contraste, as enzimas alostéricas freqüentemente mostram uma curva sigmóide (veja a pág. 62) , semelhante na forma à curva de dissociação do oxigênio da hemoglobina (veja a pág. 29).

B. Temperatura

C.

1.

Aumento da velocidade com a temperatura. A velocidade de reação aumenta com a temperatura, até um pico de velocidade ser atingido (Figura 5 .7). Esse aumento é devido ao aumento do nú mero de moléculas com energia suficiente para atravessar a barreira de energia e formar os produtos da reação.

2.

Diminuição da velocidade com a temperatura. Uma elevação maior da temperatura resulta em redução na velocidade de reação, como resultado da desnaturação da enzima, induzida pela temperatura (veja a Figura 5.7). lnativação térmica da enzima

pH

1.

Efeito do pH sobre a ionização do sítio ativo. A concentração de H+ afeta a velocidade de reação de várias maneiras. Primeiro, o processo catalítico geralmente requer que a enzima e o substrato tenham determinados grupos químicos em um estado ionizado ou não-ioni zado, de modo a interagirem. Por exemplo, a atividade catalítica pode requerer que um grupo amino da enzima esteja na forma protonada (- NH/ ). Em pH alcalino, esse grupo não está protonado e, desse modo, a velocidade da reação diminui.

2.

Efeito do pH sobre a desnaturação da enzima. Valores extremos de pH também podem levar à desnaturação da enzima, pois a estrutura da molécula protéica cataliticamente ativa depende do caráter iônico das cadeias laterais dos aminoácidos.

20

40

60

80

Temperatura (OC)

Figura 5.7 Efeito da temperatura sobre uma reação catalisada por enzima.

57


58

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3.

:E

,.,<>-o

..e .. .

Trip sina

Fosfatase alcalina

"C 11> "C

O pH ótimo varia de acordo com a enzima. O pH no qual a atividade máxima da enzima é atingida difere para cada enzima e, geralmente, reflete a [H+] na qual a enzima funciona no organismo. Por exemplo, a pepsina, uma enzima digestiva do estômago, apresenta atividade máxima em pH 2, enquanto outras enzimas, destinadas a funcionar em pH neutro, são desnaturadas em meio com essa acidez (Figura 5.8) .

VI. EQUAÇÃO DE MICHAELIS-MENTEN

"C

'(j

o

~

A. Modelo de reação 3

5

7

9

11

pH

Figura 5.8 Efeito do pH sobre reações catalisadas por enzimas.

Michaelis e Menten propuseram um modelo simples, que explica a maioria das características das reações catalisadas por enzimas. Nesse modelo, a enzima combina-se reversivelmente com o substrato, formando um complexo ES que, subseqüentemente, degrada-se em produto, regenerando a enzima livre. O modelo, envolvendo uma molécula de substrato, é representado a seguir:

k1

E + S

k2

ES

---+

E + P

k-1 onde

S é o substrato E é a enzima ES é o complexo enzima-substrato k,, k _, e k2 são as constantes de velocidade

B. Equação de Michaelis-Menten

l

A equação d e Michaelis-Menten descreve como a velocidade da reação varia com a concentração do substrato:

Vmax

,.,o <>e"' "C "'11> "C "C "' 'õ o

~ [Substrato]

O maior Km da enzima 2 reflete uma baixa afinidade da enzima pelo substrato.

O menor Km para a enzima 1 reflete uma alta afinidade da enzima pelo substrato.

Figura 5.9 Efeito da concentração do substrato sobre a velocidade de reação para duas enzimas: enzima 1 com um Km menor e enzima 2 com um Kmmaior.

onde

v0 =velocidade inicial da reação vmax = velocidade máxima Km= constante de Michaelis = (k .1 + k2 )/k, [S] = concentração de substrato

Ao derivar-se a equação de velocidade de Michaelis-Menten, são feitas as considerações a seguir. 1.

Concentrações relativas de E e S. A concentração de substrato ([S]) é muito maior do que a concentração da enzima ([E]), de modo que a porcentagem de substrato ligado à enzima em qualquer te mpo é pequena.

2.

Hipótese do estado de equilíbrio. A [ES] não varia com o tempo (hipótese do estado de equilíbrio), isto é, a velocidade de formação de ES é igual àquela da degradação de ES (para E + S e para E + P). Em geral, um intermediário em uma série de reações é dito estar em estado de equilíbrio quando sua velocidade de síntese é igual a sua velocidade de degradação.

3.

Velocidade inicial. Somente as velocidades iniciais da reação (v0 ) são utilizadas na análise das reações enzimáticas. Isso significa que a velo-


Bioquímica Ilustrada

cidade de reação é medida assim que a enzima e o substrato são misturados. Nesse momento, a concentração de produto é muito pequena e, assim sendo, a velocidade da reação inversa de P para S pode ser ignorada.

Em altas concentrações de substrato ([S]»Km), a veloci dade da reação é de ordem zero - isto é, é constante e independente da concentração de substrato.

C. Conclusões importantes sobre a cinética de Michaelis-Menten

1.

Características do Km. Km- a constante de Michaelis - é característico de uma enzima e de determinado substrato seu , e reflete a afinidade da enzima para aquele substrato. O Km é numericamente igual à concentração do substrato na qual a velocidade da reação é igual a Y2 Vmax· O Kmnão varia com a concentração da enzima. a.

Km baixo. Um Km numericamente pequeno reflete uma alta afinidade da enzima pelo substrato, pois uma baixa concentração de substrato é necessária para atingir a metade da saturação da enzima- isto é, atingir a velocidade que é Y2 Vmax (Figura 5.9).

b.

Km alto. Um Kmnumericamente grande (elevado) reflete uma baixa afinidade da enzima pelo substrato, pois é necessária uma alta concentração de substrato para atingir a metade da saturação da enzima.

2.

Relação entre a velocidade e a concentração da enzima. A velocidade da reação é diretamente proporcional à concentração da enzima em qualquer concentração de substrato. Por exemplo, se a concentração da enzima é reduzida pela metade, a velocidade inicial da reação (v0 ) , assim como a V max• são reduzidas à metade da velocidade original.

3.

Ordem de reação. Quando a [S] é muito menor que o Km, a velocidade da reação é aproximadamente proporcional à concentração do substrato (Figura 5.1 O). A velocidade da reação é então dita de primeira ordem com relação ao substrato. Quando a [S) é muito maior do que o K m, a velocidade é constante e igual à Vmax· A velocidade da reação, nesse caso, é independente da concentração de substrato e é dita de ordem zero em relação à concentração de substrato (veja a Figura 5.1 O).

Vmax

Em baixas concentrações de substrato ([S] «Km), a velocidade de reação é de primeira ordem - isto é, é proporcional à concentração de substrato.

Figura 5.10 Efeito da concentração do substrato sobre a velocidade da reação, para uma reação catalisada por enzima.

O. Gráfico de Lineweaver-Burke Quando V0 é colocada em um gráfico contra [S], nem sempre é possível determinar quando a Vmax é alcançada, devido à ascensão gradual da curva hiperbólica em altas concentrações de substrato. Entretanto, se colocarmos 1/V0 versus 1/[S], obtém-se uma linha reta (Figura 5 .11 ). Esse gráfico, o gráfico de Lineweaver-Burke (também chamado de gráfico dos duplosrecíprocos) pode ser utilizado para calcular K m e Vmax• assim como para determinar o mecanismo de ação de inibidores enzimáticos. 1.

A equação que descreve o gráfico de Lineweaver-Burke é:

= __!Sm_ Vo

Vmax [S]

+ Vmax

Figura 5.11 Gráfico de Lineweaver-Burke.

59


60

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VIl.

INIBIÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA

Qualquer substância que possa diminuir a velocidade de uma reação catalisada por uma enzima é chamada de inibidor. Inibidores reversíveis ligam-se à enzima por meio de ligações não-covalentes. A diluição do complexo enzimainibidor resulta na dissociação do inibidor reversivelmente ligado e na recuperação da atividade enzimática. A inibição irreversível ocorre quando uma enzima inibida não recupera sua atividade quando o complexo enzima-inibidor é diluído. Os dois tipos mais comuns de inibição encontrados são inibição competitiva e inibição não-competitiva.

A. Inibição competitiva Esse tipo de inibição ocorre quando o inibidor liga-se reversivelmente ao mesmo sítio que o substrato normalmente ocuparia e, dessa forma, compete com o substrato por esse sítio. 1.

Efeito sobre a V max· O efeito de um inibidor competitivo é revertido pelo aumento da [S]. Em uma concentração de substrato suficientemente alta, a velocidade da reação atinge a Vmax observada na ausência do inibidor (Figura 5.12).

2.

Efeito sobre o Km. Um inibidor competitivo aumenta o Km aparente para determinado substrato. Isso significa que, na presença de um inibidor competitivo, mais substrato é necessário para atigir Y2 Vmax·

3.

Efeito sobre a curva de Lineweaver-Burke. A inibição competitiva apresenta uma curva de Lineweaver-Burke característica, na qual as curvas da reação inibida e não-inibida interceptam o eixo do y em 1Nmax (Vmax não é alterada). As reações inibida e não-inibida interceptam o eixo do x em pontos diferentes, indicando que o Km aparente é aumentado na presença do inibidor competitivo (veja a Figura 5.12).

A

8 A velocidade mãxima, Vmax•

Vmax

é a mesma na presença de

-- - - - ---- - -------------- -- ------- - - - - -- - ---- - -- - --Sem

um inibidor competitivo

lo

..,.

ICU

~

Com inibidor competitivo

., Vmax

~2

I I

"C

ca

I

·;:; o

I I

"C

!/(Km aparente na presença de ~ um inibidor competitivo)

~

- K;;; "'--.......

OL O ~t~~~~~~-L~~~-L~~-L~~~~~~~~

-~~~J_~~-L~~~-L~~~

[S] Km

A constante de Michaelis, Km, é aumentada na presença de um inibidor competitivo

Figura 5.12 A. Gráfico do efeito de um inibidor competitivo sobre a velocidade da reação (v0 ) versus substrato [S]. B. Gráfico de Lineweaver-Burke para a inibição competitiva de uma enzima.


Bioquímica Ilustrada

4.

Estatinas como exemplos de inibidores competitivos. Esse grupo de drogas anti-hiperlipidêmicas inibe competitivamente o primeiro passo comprometido com a síntese do colesterol. A reação é catalisada pela hidroximetilglutarii-CoA-redutase (HMG-CoA-redutase, veja a pág. 219). As estatinas, tais como a atorvastatina (Liptor) e a sinvastatina (Zocor)\ são análogos estruturais do substrato natural dessa enzima e competem efetivamente, inibindo a HMG-CoA-redutase. Dessa forma, elas inibem a síntese de novo do colesterol e, assim, diminuem os níveis plasmáticos de colesterol (Figura 5.13).

HMG-CoA -redutase Sítio ativo

B. Inibição não-competitiva Esse tipo de inibição pode ser reconhecido por seu efeito característico sobre Vmax (Figura 5.14). A inibição não-competitiva acontece quando o inibidor e o substrato ligam-se a sítios diferentes sobre a enzima. O inibidor não-competitivo pode ligar-se tanto à enzima livre quanto ao complexo ES, de modo a impedir que a reação ocorra (Figura 5.15). 1.

2.

3.

HMG-CoA (substrato)

Efeito sobre a V max· A inibição não-competitiva não pode ser superada pelo aumento da concentração de substrato. Desse modo, os inibidores não-competitivos diminuem a vmax da reação.

H3 Lovastatina (inibidor competitivo)

Efeito sobre o Km. Os inibidores não-competitivos não interferem na ligação do substrato com a enzima. Assim sendo, a enzima mostra o mesmo Kmna presença e na ausência do inibidor não-competitivo.

Figura 5.13 A lovastatina compete com a HMGCoA pelo sítio ativo da HMG-CoAredutase.

Efeito sobre a curva de Lineweaver-Burke. A inibição não-competitiva é faci lmente diferenciada da inibição competitiva pela curva 1/v 0 versus 1/[S], onde a V max diminui na presença de um inibidor não-competitivo, enquanto o Km não é alterado (veja a Figura 5.14).

8

A Vmax

A vel ocidade máxima, Vmax• é reduzida na presença de um inibidor não-competitivo

Sem

Inibidor não-

~

o

""o.

"'<I>~Vmax

"'--...__ Com inibidor não-competitivo

-o 2 Q) -o -o

"'

o

~

o o

t Km

[S] A constante de Michaelis, Km, não é alterada na presença de um inibidor não-competitivo

Figura 5.14 A. Gráfico do efeito de um inibidor não-competitivo sobre a velocidade da reação (V0 ) versus substrato [S]. B. Gráfico de Lineweaver-Burke para a inibição não-competitiva de uma enzima.

1

Veja o Capitulo 21 de Farmacologia Ilustrada (2• e 31 edições) para uma discussão acerca de drogas usadas para tratar hiperlipidemia.

61


62

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

4.

Enzima (E)

Complexo ES

Exemplos de inibidores não-competitivos. Alguns inibidores agem pela formação de ligações covalentes com grupos específicos da enzima. Por exemplo, o chumbo forma ligações covalentes com os grupos sulfidrila da cadeia lateral da cisteína nas proteínas. A ligação do metal pesado mostra uma inibição não-competitiva. A ferroquelatase, 2 uma enzima que catalisa a inserção do Fe + na protoporfirina (precursor do grupo heme, veja a pág. 277), é um exemplo de enzima sensível à inibição pelo chumbo. Outros exemplos de inibidores não-competitivos são certos inseticidas, cujos efeitos neurotóxicos são resultantes de sua ligação irreversível ao sítio catalítico da enzima acetilcolinesterase (uma enzima que cliva o neu rotransmissor acetilcolina) .

C. Inibidores enzimáticos como drogas Complexo El (i nativo)

Complexo ESI (inativo)

Pelo menos metade das dez drogas mais comumente prescritas nos Estados Unidos age por meio da inibição de enzimas. Por exemplo, os ampla2 me nte prescritos antibióticos ~-lactâm icos, como a penicilina e amoxicilina , atuam inibindo uma ou mais enzimas envolvidas na síntese da parede celular bacteriana. As drogas também podem agir inibindo reações extracelulares. Isso é ilustrado pelos inibidores da enzima conversara de angiotensina (ECA) . Eles diminuem a pressão sangüínea por bloquear a enzima, que cliva a angiotensina I para formar a forma vasoconstritora, a angiotensina 11. Estas drogas, que incluem o captopril, o enalapril e o lisinopril, causam a 3 vasodilatação e, com isso, uma redução da pressão arterial .

Figura 5.15 Um inibidor não-competitivo ligandose à enzima e ao complexo enzimasubstrato.

Vmax r--- ---- r - -~- --- - --- ------ -

1

:Z c 0

1(0

~

f!

I

:

L-------L'-

t

t

I

~

VIII.

REGULAÇÃO DA ATIVIDADE ENZIMÁTICA

Vmax

A regulação da velocidade das reações enzimáticas é essencial para o organismo coordenar seus numerosos processos metabólicos. As velocidades da maioria das enzimas respondem a mudanças na concentração dos substratos, pois o nível intracelular de muitos dos substratos se encontra na faixa do Km. Dessa forma, um aumento na concentração do substrato é refletido no aumento da velocidade de reação, o que tende a fazer a concentração do substrato retornar ao valor normal. Além disso, algumas enzimas com funções reguladoras especializadas respondem a efetores alostéricos ou a modificações covalentes, ou ainda, possuem a velocidade de sua síntese alterada quando as condições fisiológicas são alteradas.

I

l

I

I

r

t

Ko,s [SubstratoI

Vmax

r------- --- ------- --- - -----

lo

A. Sítios alostéricos de ligação As enzimas alostéricas são reguladas por moléculas chamadas efetores (também chamados de modificadores ou moduladores), os quais ligam-se de forma não-covalente a outro s ítio que não o sítio catalítico. Essas enzimas são compostas por subunidades múltiplas e o sítio regulatório, o qual liga o efetor, pode estar localizado em uma subunidade não-catalítica. A presença de um efetor alostérico pode alterar a afinidade da enzima pelo seu substrato ou modificar a atividade catalítica máxima da enzima ou ambos. Os efetores que inibem a atividade enzimática são denominados efetores negativos, enquanto aqueles que aumentam a atividade enzimática são denominados efetores positivos. As enzimas a lostéricas geralmente possuem subunidades múltiplas e, freqüentemente, catalisam o passo comprometido com a via, no início da rota metabólica.

"" "'~

(.)>

..

'O 'C

"'

'C

o

;g!

t Ko,s Ko,s

Ko,s

[SubstratoI

Figura 5.16 Efeito de efetor negativo (-) ou positivo(+) sobre uma enzima alostérica. A. A Vmax é alterada. B. A concentração de substrato que dá metade da velocidade máxima (i<o.s) é alterada.

2

3

Veja o Capítulo 32 de Farmacologia Ilustrada (38 edição) ou o Capitulo 30 (2ª edição) para uma discussão acerca dos inibidores da síntese da parede celular bacteriana. Veja o Capítulo 19 de Farmacologia Ilustrada (21 e 3ª edições) para uma discussão acerca dos inibidores da enzima conversara da angiotensina.


Bioquímica Ilustrada

1.

2.

Efetores homotrópicos. Quando o substrato em si alua como efetor, o efeito é dito homotrópico. Um substrato alostérico funciona, mais freqüentemente , como um efetor positivo. Nesse caso, a presença de uma molécula de substrato em um sítio da enzima aumenta as propriedades catalíticas de outros sítios de ligação ao substrato, isto é, seus sítios exibem cooperatividade. Essas enzimas apresentam uma curva sigmoidal quando a velocidade de reação (v0 ) é relacionada com a concentração de substrato [S] (Figura 5.16). Isso contrasta com a curva hiperbólica característica da cinética de Michaelis-Menten, conforme discutido previamente. (Nota: O conceito de cooperatividade da ligação do substrato é análogo à ligação do oxigênio à hemoglobina.) Efetores positivos e negativos de enzimas alostéricas podem afetar tanto a vmax quanto o Kmou ambos (veja a Figura 5.16). Efetores heterotrópicos. O efetor pode ser diferente do substrato, em cujo caso o efeito é dito heterotrópico. Por exemplo, conside re a inibição por retroalimentação mostrada na Figura 5.17. A enzima que converte A em B tem um sítio alostérico, no qual se liga o produto final E. Se a concentração de E aumenta (por exemplo, se ele não é utilizado tão rapidamente como é sintetizado), a enzima inicial da rota é inibida. A inibição por retroalimentação fornece à cé lula um produto de que ela necessita regulando o fluxo de moléculas de substrato em uma via que leva à síntese daquele produto. (Nota: Efetores heterotrópicos são comu mente encontrados; por exemplo, a enzima da via glicolítica fosfofrutocinase é alostericamente inibida por citrato, o qual não é substrato da enzima [veja a pág. 97].)

,.,.,..----- ........ , /

/

~

''

e

''

A ...8 ... C ... D ... E ...

Figura 5.1 7 Inibição de uma via metabólica por retroalimentação.

ATP

Enzima

?=<

>-<

OH _ HP04

Proteína-

ADP

Enzima

oPo3=

Fostoproteína- H20 fosfatase

8 . Regulação de enzimas por modificação covalente Muitas enzimas podem ser regu ladas por modificação covalente, mais freqüentemente pela adição ou pela remoção de grupos fosfato de resíduos específicos de serina, treonin a ou tirosina na enzima. A fosforilação de proteínas é reconhecida como uma das principais formas pelas quais os processos celulares são regulados.

1.

Fosforilação e desfosforilação. As reações de fosforilação e desfosforilação são catalisadas por uma família de enzimas, denominadas de proteína-cinases, as quais utilizam trifosfato de adenosina (ATP) como doador de fosfato. Os grupos fosfato são clivados de enzimas fosforiladas pela ação das fosfoproteínas-fosfatases (Figura 5.18).

2.

Resposta da enzima à fosforilação. Dependendo da enzima específica, a forma fosforilada pode ser mais ou menos ativa do que a forma não-fosforilada. Por exemplo, a fosforilação da glicogênio-fosforilase (enzima que degrada o glicogênio) aumenta sua atividade, enquanto a adição de fosfato à enzima glicogênio-sintase (enzima que sintetiza o glicogênio) diminui sua atividade (veja a pág. 132).

C. Indução e repressão da síntese de enzimas Os mecanismos regu ladores descritos previamente modificam a atividade de molécu las enzimáticas existentes. Entretanto, as células também podem regular a quantidade de enzima presente - em geral alterando a velocidade da síntese da enzima. O aumento (indução) ou a diminuição (repressão) da síntese da enzima leva a uma alteração na população total de sítios ativos. (Nota: Nesse caso, a eficiência das moléculas existentes da enzima não é afetada.) As enzimas sujeitas à regulação da síntese em geral são aquelas que são necessárias apenas em um estágio do desenvolvimento ou em condições fisiológicas especiais. Por exemplo, níveis elevados de insulina,

63

Figura 5.18 Modificação covalente por adição e remoção de grupos fosfato.


64

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

EVENTO REGULADOR

EFETOR TÍPICO

RESULTADOS

TEMPO NECESSÁRIO PARA A ALTERAÇÃO

Inibição pelo substrato

Substrato

Altera veloci dade (v0 )

Imediato

Inibição pelo produto

Produto

Altera Vma• e/ou

Km

Imediato

Controle alostérico

Produto final

Altera Vm" e/ou

Km

Imediato

Modificação covalente

Outra enzima

Altera Vmu e/ou

Km

Imediato a minutos

Síntese e degradação da enzima

Hormônio ou metabólito

Altera a quantidade da enzim a

Horas a d ias

Figura 5.19 Mecanismos de regulação da atividade enzimática.

como resultado de altos níveis de glicose no sangue, levam a um aumento na síntese de enzimas-chave no metabolismo da glicose (veja a pág. 97) . Em contraste, enzimas que são continuamente utilizadas geralmente não são reguladas pela alteração da velocidade de sua síntese. Alterações dos níveis enzimáticos como resultado da indução ou da repressão da síntese protéica são lentas (de horas a dias), comparadas com as alterações reguladas alostericamente, as quais ocorrem em segundos a minutos. A Figura 5.19 resume as formas mais usuais pelas quais a atividade enzimática é regulada.

IX.

ENZIMAS NO DIAGNÓSTICO CLÍNICO

As enzimas plasmáticas podem ser classificadas em dois grupos principais. Primeiro, um grupo relativamente peq ueno de enzimas, que é seletivamente secretado no plasma por ce rtos tipos celulares. Por exemplo, o fígado secreta os zimogênios (precursores inativos) de enzimas envolvidas na coagulação sangüínea. Segundo, um grande número de enzimas é liberado das células durante a renovação celular normal. Essas enzimas quase sempre atuam intracelularmente e não têm função fisio lógica no plasma. Em indivíduos saudáveis, o níve l dessas enzimas é razoavelmente constante e representa um estado de equilíb ri o, no qual a velocidade de liberação dessas enzimas no plasma pelas células danificadas é equilibrada por uma velocidade igual de remoção do plasma. A presença de atividade enzimática elevada no plasma pode indi-

CAPILAR

m

Renovação celular normal

m

Necrose celular como resultado de doença ou trauma

Figura 5.20 Liberação de enzimas a pa rtir de células normais e de células doentes ou expostas a um trauma.


Bioquímica Ilustrada

car lesão tecidual, que é acompanhada pela liberação aumentada de enzimas intracelulares (Figura 5.20). (Nota: Plasma é o flu ido, a parte não-celular do sangue. Exames de laboratório para atividades enzimáticas mais freqüentemente utilizam o soro, o qual é obtido pela centrifugação do sangue total após ele te r coagulado. O plasma é um líquido fisiológico, enquanto o soro é preparado no laboratório.) A. Alterações dos níveis plasmáticos de enzimas em doenças Muitas doenças que causam lesão tecidual resultam no aumento da liberação das enzimas intracelulares no plasma. As atividades de muitas dessas enzimas são rotineiramente determinadas para fins de diagnóstico em doenças do coração, do fígado, do músculo esquelético e de outros tecidos. O nível de atividade enzimática específica no plasma freqüentemente está relacionado com a extensão da lesão tecidual. Assim, a determinação do grau de aumento da atividade de uma determinada enzima no plasma em geral é útil para a avaliação do prognóstico do paciente. Direção da migração

B. Enzimas plasmáticas como ferramentas diagnósticas Algumas enzimas apresentam atividade relativamente alta em apenas alguns tecidos. A presença de um aumento do nível dessas enzimas no plasma reflete uma lesão do referido tecido. Por exemplo, a enzima alaninaaminotransferase (ALT, veja a pág. 248) é abundante no fígado. O aparecimento de níveis elevados de ALT no plasma sinaliza uma possível lesão do tecido hepático. O aumento no nível plasmático de enzimas com uma ampla distribuição tecidual permite uma indicação menos específica sobre o sítio da lesão celular. Essa falta de especificidade tecidual limita o valor diagnóstico de muitas enzimas plasmáticas.

CK1

CK2

Q.

CK3

o

Origem

C. lsoenzimas e doença cardíaca A maioria das isoenzimas (também chamadas isozimas) são enzimas que catalisam a mesma reação. Entretanto, elas não têm necessariamente as mesmas propriedades físicas, devido a diferenças geneticamente determinadas na seqüência de seus aminoácidos. Por essa razão, as isoenzimas podem conter diferentes números de aminoácidos carregados e, portanto, podem ser separadas umas das outras por eletroforese (Figura 5.21). Diferentes órgãos freqüentemente contêm proporções características de diferentes isoenzimas. O padrão de isoenzimas encontrado no plasma pode, desse modo, servir para identificar o sítio da lesão tecidual. Por exemplo, os níveis plasmáticos de creatina-cinase (CK) e de /actato-desidrogenase (LDH) são comumente determinados para o diagnóstico do infarto do miocárdio. Eles são particularmente úteis quando o eletrocardiograma é de difícil inte rpretação, como quando tenha havido episódios prévios de doença cardíaca. 1.

Estrutura quaternária das isoenzímas. Muitas isoenzimas contêm diferentes subunidades, em várias combinações. Por exemplo, a creatina-cinase ocorre como três isoenzimas. Cada isoenzima é um dímero, composto por dois polipeptídeos (chamados subunidades B e M) associados em três combinações: CK1 =BB, CK2 =MB e CK3 = MM. Cada uma das isoenzimas da CK apresenta uma mobilidade eletroforética característica (veja a Figura 5.21 ).

2.

Diagnóstico do infarto do miocárdio. O músculo miocárdico é o único tecido que contém mais de 5% da atividade total da CK como a isoenzima CK2 (MB). O aparecimento dessa isoenzima híbrida no plasma é praticamente específico para o infarto do miocárdio. Após um infarto agudo do miocárdio, essa isoenzima aparece (em ce rca de 4 a 8

As isoenzimas da CK são carregadas negativamente e migram em di reção ao ànodo. lnfarto do miocárd io

Normal

Figura 5.21 Estrutura das subunidades e mobilidade eletroforética das isoenzimas da creatina-cinase.

65


66

Pamela C. Champe, Richard A. Ha rvey, Denise R. Ferrier

horas do início da dor torácica) e atinge um pico de atividade em aproximadamente 24 horas (Figura 5.22) . (Nota: A atividade da lactato-desidrogenase também está elevada no plasma após um infarto, atingindo um pico em 36 a 40 horas após o início dos sintomas. A atividade da LDH apresenta, assim, valo r diagnóstico para pacientes admitidos mais de 48 horas após o infarto - um período no qual a CK2 pode fornecer resultados equivocados.)

t 3.

24

48

Horas lnfarto

X. Figura 5 .22 Surgimento da creatina-cinase (CK) e da /actato -desidrogenase (LD H) no plasma após um infarto do miocárdio.

Novos marcadores para o infarto do miocárdio. Troponina T e troponina I são proteínas reguladoras, envolvidas na contratilidade do miocárdio. Elas são liberadas para o plasma em resposta ao dano cardíaco. Níveis elevados de tropon inas no soro são mais preditivos de conseqüências adversas de uma angina instável ou de um infarto do miocárdio do que o ensaio convencional da CK2.

RESUMO DO CAPÍTULO

Enzimas são proteínas catalisadoras que aumentam a velocidade de uma reação química por diminuir a energia do estado de t ransição. As moléculas de enzimas não são consumidas durante a reação que catalisam. Elas contê m uma região específica ou uma "fe nda" cha mada de sítio ativo. Este contém cadeias laterais de aminoácidos que criam uma supe rfície tridimensional complementar ao substrato. Ele liga o substrato, formando um complexo enzima-substrato (ES). O ES é convertido no com plexo enzimaproduto (EP), o qual é subseqüentemente d issociado em enzima e produto. Uma enzima permite que a reação p roceda rapida m ente e m co ndições existentes dentro da célula, por facilita r uma via alternativa de reação com uma menor energia livre de ativação. A enzima não altera a energia livre dos reatantes e dos produtos e, assim , não altera o equilíbrio da reação. A maioria das enzimas apresenta a cinética de Michaelis Menten. Um gráfico relacionando a velocidade inicial da reação , V 0 , contra a concentração de substrato, [S] , tem um formato hiperbólico, semelhante à curva de dissociação do oxigênio da mioglobina. Qualquer substância capaz de diminuir a velocidade de uma reação catalisada por enzima é chamada de inibidor. Os dois tipos mais comuns de inibição são a competitiva (a qual aumenta o Km aparente) e a não-competitiva (na qual a V max é diminuída). Em co ntraste , as enzimas alostéricas, com múltiplas subunidades, freq üentemente mostram uma curva sigmoidal, com aspecto semelhante à curva de dissociação do oxigênio da hemoglobina. Essas enzimas são freqüentemente encontradas cata lisando passos comprometidos (limitantes da velocidade) de uma via. As enzimas alostéricas são reguladas por moléculas chamadas de efetores (também modificadores), que ligam-se de fo rma não-covalente em outro sítio, que não o sítio ativo. Os efetores podem ser positivos (acele ram as reações catalisadas pelas enzimas) ou negativos (diminuem a ve locidade da reação). Um efetor alostérico pode a lterar a afinidade da enzima pelo seu substrato ou modificar a atividade catalítica m áxim a da enzima ou ambos.


Bioquímica Ilustrada

Enzimas

Catálise

são

Velocidade das reações enzimáticas geralmente é influenciada por

é estudata usando

t

• Concentração da enzima • Temperatura

Modelos de reação

Cataltsadores

por exemplo

que contém

• Co-fatores •pH

E+ S __. ES __. E+ P que leva a

• Concentração do substrato • Modificaç ão covalente

t

Sítio(s) ativo(s) que é uma fenda na superfície da enzima, complementar à estrutura do substrato

Equações cinéticas por exemplo

• Inibidores

Equação de Michaelis-Menten:

classificados como

Vmax · [S)

Vo= - - -

Km+[S)

permitindo

quando

I a qual prediz

t

t

A ligação do substrato

Como variações na [S] afetam v 0

I

que leva à

~

por exemplo, para Michaelis·Menlen:

A curva de (S) versus v 0 é hiperbólica

quando

t Km não é alterado Vmax diminui

Quando a [S) é muito maior que o Km, a velocidade da reação é independente da [S]

que leva ao

~

( Aumento da velocidade S __. P

[S) o que é chamado

~

~

mas

Enzimas alostéricas I geralmente

Ordem zero

t

Não altera o equilfbrio da reação

• São compostas por múltiplas subunidades • Catalisam reações limitantes de velocidade • Ligam o substrato cooperativamente

Quando [S) = Km 1 então v 0 / 2 V max

=

Quando a [S] é menor que Km, a velocidade da reação é proporcional à [S)

• Apresentam uma curva sigmoidal quando se constrói um gráfico de v0 versus [S) • Ligam-se a efetores alostéricos diferentes do substrato I

levando à

I

o que é chamado levando a

t

Alterações na Vmax ou na afinidade pel o substrato ou ambos

Figura 5.23 Mapa de conceitos-chave para enzimas. S =substrato, [S] = concentração de substrato, P = produto, E = enzima, V0 = velocidade inicial , V max =velocidade máxima, K m= constante de Michaelis.

67


68

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 5.1 Um inibidor competitivo de uma enzima: A. B. C. D. E.

aumenta Km sem afetar a Vmax; diminui Km sem afetar a Vmax; aumenta Vmax sem afetar Km; diminui Vmax sem afetar Km; dim inui ambos, Km e Vmruc

5.2 A constante de Michaelis, Km, é: A. B. C. D.

numericamente igual a Y2 Vmax; dependente da concentração da enzima; independente do pH; numericamente igual à concentração do substrato que corresponde à metade da velocidade máxima; E. aumentada na presença de um inibidor não-competitivo.

5.3 Um homem de 70 anos foi admitido no setor de emergência com um histórico de 12 horas de dor no peito. A medida da creatinacinase (CK) no soro foi determinada na admissão (no 1º dia) e novamente no dia seguinte (Figura 5.24). No segundo dia após a admissão, ele apresentou arritmia cardíaca, a qual cessou após 3 ciclos de cardioconversão elétrica, os dois últimos com máximo de energia. (Nota: A cardioconversão é feita colocando-se duas placas com 12 cm de diâmetro em contato firme com o peito e aplicando-se uma breve diferença de voltagem.) O ritmo cardíaco normal foi estabelecido. Ele não apresentou arritmia recorrente nos dias consecutivos. Sua dor no peito diminuiu e ele foi liberado no décimo dia. Qual das afirmações a seguir é mais consistente com os dados apresentados? A. O paciente teve um infarto do miocárdio 48 a 64 horas antes de sua admissão. B. O paciente teve um infarto do miocárdio no 2º dia. C. O paciente teve angina antes da admissão. D. O paciente teve uma lesão no músculo esquelético no 2º dia. E. Os dados não permitem qualquer conclusão sobre um infarto do miocárdio antes ou depois de sua admissão no hospital.

Resposta correta = A. Na presença de um inibidor competitivo, uma enzima parece ter menor afinidade pelo substrato, mas quando a concentração de substrato é aumentada, a velocidade observada se aproxima de Vmax· (Veja o painel B, Figuras 5.12 e 5. 14, para uma comparação dos efeitos de inibidores competitivos e não-competitivos.)

Resposta correta = D. Lembre que o Km tem a dimensão de concentração e é uma característica de uma enzima em determinadas condições de reação. O Km não depende da concentração da enzima, mas pode variar com o pH. Um inibidor não-competitivo diminui a V max• mas não altera o Km (veja a Figura 5.14 ).

MM MM Paciente

Paciente

\

Normal

Na admissão (Dia 1)

\

12 horas após cardioconversão (Dia 2)

Figura 5.24 Níveis séricos de creatina-cinase.

Resposta correta = D. O padrão da isoenzima CK na admissão mostrou a isoenzima MB elevada, indicando que o paciente apresentou um infarto do miocárdio nas 12 a 24 horas anteriores. (Nota: Em 48 a 64 horas depois do infarto, a isoenzima MB deveria retornar aos valores normais.) No 2° dia, 12 horas após as cardioconversões, a isoenzima MB havia diminuído, indicando não haver lesão posterior no coração. Entretanto, o paciente apresentou um aumento da isoenzima MM após a cardioconversão. Isso sugere lesão muscular, provavelmente resultante da contração convulsiva do músculo causada pela cardioconversão repetitiva. A angina é tipicamente o resultado de espasmos transitórios na vasculatura cardíaca, e não seria de se esperar que levasse à morte tecidual que resultaria no aumento da c reatina-cinase sérica.


Bioenergética e Fosfori lação Oxidativa I.

VISÃO GERAL

A bioenergética descreve a transferência e a utilização da energia em sistemas biológicos. Ela utiliza algumas idéias básicas da termodinâmica, em especial o conceito de energia livre. Mudanças na energia livre (~G) fornecem uma medida da possibilidade, em termos energéticos, de que uma reação química ocorra e nos permitem, portanto, prever se uma reação ou processo pode acontecer. A bioenergética preocupa-se apenas com os estados energéticos inicial e final dos componentes da reação e não com o mecanismo de uma alteração química ou com o tempo necessário para que ela ocorra. Em suma, a bioenergética prediz se um processo é possível, enquanto a cinética avalia quão rapidamente a reação acontece (veja a pág. 54).

11.

ENERGIA LIVRE

O sentido de uma reação química e até que ponto ela ocorre são determinados pelo grau em que dois fatores são alterados durante a reação. Esses são a entalpia (~H . uma medida da mudança no conteúdo de calor dos reatantes e produtos) e a entropia (~S. uma medida da desorganização dos reatantes e produtos, Figura 6.1 ). Nenhuma dessas grandezas termodinâmicas é, por si só, suficiente para determinar se uma reação química ocorrerá espontaneamente no sentido em que está escrita. Entretanto, quando combinadas matematicamente (veja a Figura 6.1 ), a entalpia e a entropia podem ser utilizadas para definir uma terceira grandeza, a energia livre (G), a qual prediz o sentido em que uma reação ocorrerá espontaneamente.

III. VARIAÇÕES NA ENERGIA LIVRE A variação na energia livre pode ser mostrada de duas fornias, ~G e ~Gu A primeira, ~G (sem o sobrescrito "o") , é mais geral, pois prediz a mudança na energia livre e, assim , o sentido de uma reação em qualquer concentração

~G : VARIAÇÃO NA ENERGIA LIVRE • Energia disponível para realizar trabalho. e Aproxima-se de zero, na medida em que as reações aproximam-se do equilíbrio. • Prediz se uma reação é favorável.

ôH: VARIAÇÃO NA ENTALPIA • Calor liberado ou absorvido durante uma reação. • Não prediz se uma reação é favorável.

ilH- TilS 118: VARIAÇÃO NA ENTROPIA • Medida da desorganização. • Não prediz se uma reação é favorável.

Figura 6.1 Relação entre as variações na energia livre (G), entalpia (H) e entropia (S). T é a temperatura absoluta em graus Kelvin (K): K = °C + 273.


70

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

A

-

especificada dos produtos e dos reatantes. Por outro lado, a variação na ener0 gia livre padrão, ôG (com o sobrescrito "o") , é a variação na energia livre quando reatantes e produtos estão em concentração igual a 1 mol/L. (Nota : A 7 concentração de prótons é conside rada, neste texto, 1o· moi!L, ou seja, pH = 0 7 .) Embora ô G represente variações de energia nessas concentrações nãofisiológicas de reatantes e produtos, ainda assim é útil para a comparação de variações de energia em diferentes reações. Alé m disso, ôG0 pode ser determinado facilmente a partir de medidas da constante de equilíbrio (veja a pág. 72). 0 Esta seção resume os usos de õG; ô G será descrito na pág. 71 .

B

(Reatante)

(Produto)

Estado de transição

A . O sinal de ô G prediz o sentido da reação

Estado final

A variação na energia livre, ô G, pode ser utilizada para predizer o sentido de uma reação em condições de pressão e temperatura constantes. Considere a reação:

Progresso da reação - - +

A

8

~A

Estado de transição

Estado inicial Progresso da reação ----+

~

8

1.

ô G negativo . Se ôG é um valor negativo, há uma perda líquida de energi a, e a reação anda espontaneamente no sentido em que está escrita, ou seja, A é convertido em 8 (Figura 6 .2A). A reação é dita exergônica.

2.

ô G positivo. Se ôG é um valor positivo, há ganho líquido de energia, e a reação não anda espontaneamente de 8 para A (como indicado na Figura 6.28). A reação é dita endergônica, e alguma energia deve ser adicionada ao sistema para fazer com que a reação ande de A para 8 .

3.

ô G igual a zero. Se ô G = O, os reatantes estão em equilíbrio. (Nota: Quando uma reação ocorre espontaneamente - ou seja, alguma energia livre está sendo perdida - a reação então continua, até que ôG atinja o zero e o equilíbrio seja estabelecido.)

B. ôG de r eações no sentido direto e inve rso Figura 6 .2 Variação na energia livre (ôG) durante uma reação. A. O produto apresenta menor energia livre (G) que o reatante . 8. O produto apresenta maior energia livre que o reatante.

A energia livre de uma reação (A --.. B) no sentido direto (aquele em que está escrita) é de igual magnitude, mas de sinal oposto àquela da reação no sentido inverso (8 --.. A). Por exemplo, se o ôG da reação no sentido direto é - 5.000 cal/ moi, então o ô G da reação no sentido inverso é +5.000 cal/moi. C. ôG depe nde das concentrações dos reatantes e dos produ tos O ô G da reação A --.. 8 depende da concentração do reatante e do produto. À temperatura e pressão constantes, a seguinte relação pode ser deduzida: o

[B]

ô G = ô G + RT ln [A) onde

ôG0 é a variação de energia livre padrão (veja a segu ir); R é a constante dos gases (1 ,987 cal/moi-grau); T é a temperatura absoluta (K); (A] e (8] são as concentrações reais de reatantes e produtos; ln representa logaritmo natu ral.


Bioquímica Ilustrada Uma reação com óG0 positivo pode ocorrer no sentido direto (ter um óG final negativo) se a razão entre produtos e reatantes ([B]/[A]) for suficientemente pequ ena (ou seja, se a razão de reatantes para produtos for muito grande). Por exemplo, cons idere a reação: Glicose-6-fosfato

~

A Condições de não-equilíbrio

® = 0,9 moi/L

® Glicose-6-P

D. Variação-padrão de energia livre, ó G 0 0

óG é denominado variação-padrão de energia livre, pois é igual à va riação de energia livre, óG, em condições-padrão, ou seja, quando reatantes e produtos são mantidos em concentrações de 1 moi/L (veja a Figu ra 6.38). Nessas condições, o logaritmo natural (ln) da razão entre produtos e reatantes é zero (ln 1 = O) e, desse modo, a equação apresentada no final da pág. 70 torna-se:

2.

€) = 0,09 moi/L

frutose-6-fosfato

A Figura 6.3A mostra as cond ições de reação em que a concentração do reatante, a glicose-6-fosfato, é alta, quando comparada com a concentração do produto, a frutose-6-fosfato. Isso significa que a razão entre produto e reatante é pequena e, portanto, RT ln ([frutose-6-fosfato]/ [glicose-6-fosfato]) é um valor alto e negativo, fazendo com que óG seja negativo, apesar de ó G 0 ser positivo. Desse modo, a reação pode andar no sentido direto.

1.

71

€) Frutose-6-P

B Condições-padrão

® = 1 moi/L

@ = 1 moi/L

0

ó G possui valor preditivo apenas em condições-padrão. Sob condições-padrão, óG0 pode ser utilizado para predizer o sentido em que 0 0 uma reação anda, pois, nessas condições, óG é igual a óG. óG não pode, porém , predizer o sentido de uma reação em condições fisiológicas, pois é um valor composto apenas por constantes (R, T e K,q) e, portanto, não é alterado por mudanças nas concentrações de substratos e produtos.

C Condições de equilíbrio

®= 0,66 moi/L @= 0,33 moi/L

Relação entre ó G e Keq· Em uma reação A ~ B, um ponto de equilíbrio é alcançado, no qual alterações químicas não mais ocorrem de forma efetiva, ou seja, quando A é convertido em B na mesma velocidade com que B é convertido em A . Nesse estado, a razão entre [B] e [A] é constante, independentemente das concentrações reais dos dois compostos: 0

K = [B]eq eq [A]eq Onde K.q é a constante de equilíbrio e [A]eq e [B].q são as concentrações de A e B no equilíbrio. Quando a reação A ~ B chega ao equilíbrio, em condições de temperatura e pressão constantes, a variação de energia livre final (óG) no equilíbrio é zero. Portanto,

ôG

= O = ôG 0

+ RT ln [B]eq [AJeo

onde as concentrações reais de A e B são iguais às concentrações de reatantes e produtos no equilíbrio, [A].q e [B] eq• e sua razão, como mostrado anteriormente, é igual a K,q. Assim,

K eq

= [Frutose-6-fosfato] = 0,504 [Giicose-6-fosfato]

Figura 6.3 O óG de uma reação depende da concentração de reatante (A) e produto (B). Para a conversão de glicose-6-P em frutose-6-P, o óG é negativo quando a razão entre o reatante (A) e o produto (B) for alta (acima, painel A); é positiva em condições-padrão (painel B, no meio da figura); e é zero no equilíbrio (figura inferior, painel C).


72

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Essa equação nos permite algumas predições simples:

A

+--

B

0

A

-=+

B

0

A

~B

Se K,q > 1, então 6G < O Se Keq < 1 , então 6G > O 3.

m

____...

0

Se K,q = 1, então 6 G = O

O óG0 de duas reações consecutivas é aditivo. As variações-padrão de energia livre (6G0 ) são aditivas em qualquer seqüência de reações consecutivas, assim como o são as variações de energia livre (óG}. Por exemplo,

Processo não-favorável (óG é positivo)

Glicose + AT P

~ glicose-6-fosfato + ADP 6G = - 4.000 cal/moi 0

Glicose-6-fosfato ~ frutose-6-fosfato Glicose + ATP

:::::~>

4.

C

Acoplamento de um processo favorável (·óG)· com um processo não-favorável (+àG) para produzir um resultante ·L\G

IV.

~G-

Figura 6.4 Modelo mecânico de acoplamento de processos favoráveis e nãofavoráveis.

0

6G

~ frutose-6-fosfato + ADP 6G

0

= +400 cal/moi =-3.600 cal/moi

óGs de uma via são aditivos. Essa propriedade aditiva das variações de energia livre é muito importante em vias bioqu ímicas, através das quais os substratos devem fluir em um determinado sentido (por exemplo, A ~ B ~ C ~ D ~ ... ). Desde que a soma de ó Gs das reações individuais seja negativa, a via, potencialmente, pode ocorrer como está escrita, mesmo que algumas reações individuais componentes dessa via tenham t.G maior que zero. A velocidade real das reações depende, logicamente, da atividade das enzimas que catal isam essas reações.

ATP COMO UM CARREADOR DE ENERGIA

Reações ou processos que apresentam t.G muito maior que zero, como por exemplo íons movendo-se contra um gradiente de concentração através de uma membrana celular, podem ocorrer pelo acoplamento do movimento endergônico dos íons com um segundo processo espontâneo que apresente um óG bastante negativo, como a hidrólise de trifosfato de adenosina (ATP). A Figura 6.4 mostra um modelo mecânico de acoplamento de energia. Uma engrenagem à qual está amarrado um peso gira espontaneamente no sentido de alcançar o estado de menor energia, nesse caso com o peso na posição mais baixa (veja a Figura 6.4A}. O movimento contrário (veja a Figura 6.4B) é energeticam ente desfavorecido e não ocorre espontaneamente. A Figura 6.4C mostra q ue o movimento energeticamente favorável de uma engrenagem pode ser utilizado para girar uma segunda engrenagem em um sentido para o qual ela não giraria espontaneamente. O exemplo mais simples de acoplamento energético em reações biológicas ocorre quando as reações que requerem energia e as reações que produzem energia compartilham um intermediário comum.

A. Reações são acopladas por meio de intermediários comuns Duas reações químicas possuem um intermediário comum quando ocorrem seqüencialmente, de modo que o produto da primeira reação seja substrato da segunda reação. Por exemplo, dadas as reações


Bioquímica Ilustrada

.Ligações fosfato de aJta energia

73

Adenina

NH 2

D é o intermed iário comum e pode servir como carreador de energia química entre as duas reações. Muitas reações acopladas utilizam ATP para gerar um intermediário comum. Essas reações podem envolve r a clivagem do ATP, ou seja, a transferência de um grupo fosfato do ATP para outra molécula. Outras reações levam à síntese de ATP pela transferência de fosfato de um intermediário rico em energia para o ADP, formando ATP.

I

~-~ç-'(N>

'N )-_N

HO

HO

8 . ATP como carreador de energia Ribose

O ATP consiste em uma molécula de adenosina (adenina + ribose) à q ual estão ligados três grupos fosfato (Figura 6.5). Se um fosfato for removido, será produzido o difosfato de adenosina (ADP); se dois fosfatos fore m re movidos, teremos como resultado monofosfato de adenosina (AMP) . A energia livre padrão para a hidrólise do ATP, ~G , é aproximadamente - 7.300 cal/moi para cada um dos dois grupos fosfato term inais. Em função desse ~Go grande e negativo, o ATP é denominado um composto fosfatad o de alta energia. 0

V.

Figura 6.5 Trifosfato de adenosina.

CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS

Moléculas ricas em energia, como a glicose, são metabolizadas por uma série de reações de oxidação, levando por fim à produção de C0 2 e água (Fig ura 6.6). Os intermediários metabólicos dessas reações doam elétrons a coenzimas específicas - nicotinamida-adenina-dinucleotídeo {NAD+) e flavina-adenina-dinucleotídeo (FAD) - fo rmando as coenzimas reduzidas ricas em energia, NADH e FADH2 . Essas coenzimas reduzidas , por sua vez, podem doar, cada uma, um par de elétrons a um grupo especial izado de carreadores de e létrons, coletivamente denominados cadeia transportadora de elétrons, descrita nesta seção. À medida que os elétrons fluem através da cadeia transportadora de elétrons, eles perdem muito de sua energia livre. Parte dessa energia pode ser captada e armazenada para a produção de AT P a partir de ADP e fosfato inorgânico (P;). Esse processo é den ominado fosforilação oxidativa e é descrito na pág. 77. O restante da energia livre, que não é captada para a síntese de ATP, é liberado na forma de calor.

Metabolismo

Carboidratos Ácidos graxas Aminoácidos

lç;~:~~

~

i~

NADH+W FADH 2

A. A mitocôndria A cadeia transportadora de elétrons localiza-se na membrana mitocondrial interna e é a via fin al comum pela qual os elétrons oriundos de diferentes combustíveis do organismo fluem para o oxigênio. O transporte de elétrons e a síntese de ATP pel a fosforilação oxidativa ocorrem continuamente em todos os tecidos que contêm mitocôndrias.

ADP+P;~l~ ~:DH+W

1.

ATP

A estrutura da mitocôndria. Os componentes da cadeia transportadora de elétrons estão localizados na membrana interna. Embora a membrana externa contenha poros especiais, que a to rn am livremente permeável à maioria dos íons e moléculas pequenas, a membrana mi tocondrial interna , por sua vez, é uma estr utura especializada, impermeável à maioria dos íons peq uenos, inclu indo W, Na+ e K+, a moléculas pequenas, como ATP, ADP e piruvato, e a outros metabólitos importantes para a função mitocondrial (Figura 6.7). Para mover íon s ou moléculas através dessa membrana são necessários carreadores

02

z::a~"::o• l~

~

FAD

H2 0

Fosforilação oxidativa

Figura 6.6 Degradação metabólica de moléculas cuja quebra produz energia.


74

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

CÉLULA

ou sistemas de transporte especializados. A membrana mitocondrial interna é excepcionalmente rica em proteínas, metade das quais está envolvida diretamente no t ransporte de elétrons e na fosfori lação oxidativa. A membrana mitocondrial interna apresenta-se convoluta. Essas dobras ou convoluções são denominadas cristas e aumentam enormemente a superfície da membrana.

MEMBRANA INTERNA Impermeável à maioria dos íons pequenos e de mo léculas grandes e pequenas.

2.

Os complexos d a ATP-sintase. Esses complexos de proteínas são a ludidos como partículas da membrana interna e encontram-se ligados à superfície interna da membrana mitocondrial interna. Eles aparecem como esferas que projetam-se para dentro da matriz mitocondrial.

3.

A matriz mitocondrial. Essa solução semelhante a um gel , encontrada no inte rior da mitocôndria, apresenta uma constituição de 50% de proteín a. Essas mo léculas incluem as enzimas respo nsáve is pela oxidação do piruvato, dos aminoácidos, dos ácidos graxos (por ~ - oxi dação) e aquelas do ciclo do ácido cítrico. A síntese de uréia e do he me ocorre parcialmente na matriz m itocond rial. A lém d isso, a matriz contém NAo• e FAD (as formas oxidadas das duas coenzimas necessárias como aceptoras de hidrogênio) e AD P e P;. utilizados para prod uzir ATP. (Nota: A matriz também contém RNA e DNA mitocondriais [RNAmt e DNAmt] e ribossomos mitocon driais.)

8 . Organização da cadeia

Estruturas que s intetizam ATP (partículas na membrana interna)

A membrana mitocondrial interna pode ser rom pida, produzindo cinco complexos enzimáticos separados, denominados Complexos I, 11, II I, IV e V. Os Complexos I a IV contêm, cada um deles, parte da cadeia transportadora de elétrons (Figura 6.8), enquanto o Complexo V catalisa a síntese de ATP (veja a pág. 78). Cada complexo aceita ou doa elétrons, que são trocados entre esses complexos e ca rreadores de elétrons relativamente móveis, como a coenzima Q e o citocromo c. Cada carreador, na cadeia transportado ra de elétrons, pode receber elétrons de um doador e pode, subseqüentemente, doá-los para o próximo carreador na cadeia. Os elétrons combinam-se, no final, com o oxigênio e com prótons, formando água. Essa necessidade de oxigênio dá, ao processo de transporte de elétrons, a denominação de cadeia respiratória , a qual é responsável pela maior parte da utilização de oxigênio no o rganismo.

MATRIZ • Enzimas do ciclo do ácido c ítrico • Enzimas da oxidação dos ácidos graxos e DNAmt, RNAmt • Ribossomos mitocondriais

Figura 6.7 Estrutura da mitocôndria, mostrando uma representação esquemática da cadeia transportadora de elétrons e das estruturas que sintetizam o AT P na membrana interna da mitocôndria. DNAmt = DNA mitocondrial; RNAmt = RNA mitocondrial.

C. Reações da cadeia t ransportadora de elétrons Com exceção da coenzima Q, todos os membros dessa cadeia são proteínas. Estas podem funcionar como enzi mas, como é o caso das desidrogenases, podem conter ferro como parte de um centro ferro-enxofre, podem estar coordenadas com um anel porfirina, como ocorre com os citocromos, ou podem conter cobre, como o complexo citocromo a + a3 . 1.

Formação de NADH. O NAo• é reduzido a NADH por desidrogenases que removem dois átomos de hidrogênio de seus substratos. (Para exemplos d essas reações, veja a discussão a respeito das desidrogenases q ue participam do cic lo do ácido c ítrico, págs. 110111.) Ambos os elétrons , mas apenas um próton (ou seja, um íon hidreto, :H-), são transferidos ao NAo• formando NADH mais um próton livre, H• .


Bioquímica Ilustrada

75

~Espaço

MITOCÔNDRIA

substratox (reduzido)

NAo+ X

Produto (oxidado)

NADH + H+

intermembranas

FMNH2

1- 0 2 FMN

X

FADH2

Fumarato

Succinato

2 CoQ X : Fe +K Cito b CoOH2

Fe3 + Complexo III

3

Fe +~Fe2+ ·

Cito c

Cito a + a3

Fe 2+

Fe3+ Complexo IV

FAD

Complexo 11

Figura 6.8 A cadeia de transporte de elétrons. (Nota: O Complexo V não é mostrado.)

2.

NADH-desidrogenase. O próton li vre mais o íon hidreto carregado pelo NADH são a seguir transferidos para a NADH-desidrogenase, um complexo enzimático (Complexo I) embebido na membrana mitocondrial interna. Esse complexo possui uma molécula de flavina-mononucleotídeo (FMN , uma coe nzima estruturalmente relacionada ao FAD; veja a Figura 28.5, pág. 373) fortemente ligada, que aceita os dois átomos de hidrogênio (2e- + 2W ), tornando-se FMNH 2 . A NADH-desidrogenase também contém diversos átomos de ferro pareados com átomos de enxofre, constituindo centros ferro -enxofre (Figura 6.9). Esses centros são necessários para a transferência dos átomos de hidrogên io para o próximo membro da cadeia, a ubiquinona (conhecida como coenzima Q).

3.

Coenzima a. A coenzima Q é um derivado de quinona, co m uma longa cauda isoprenóide. É também denominada ubiquinona, por sua ubiqüidade nos sistemas biológicos. A coenzima Q pode aceitar átomos de hidrogênio tanto do FMNH2 , produzido pela NAOH-desidrogenase, quanto do FADH2 (Complexo 11), produzido pela succinato-desidrogenase e pela acii-CoA-desidrogenase.

4.

Citocromos. Os demais membros da cadeia de transporte de elétrons são citocromos. Cada um deles apresenta um grupo heme, constituído por um anel porfirina contendo um átomo de ferro (veja a pág. 277). Distintamente do que ocorre no grupo heme da hemoglobina, o átomo de ferro dos citocromos é convertido reversivelmente de sua forma de íon férrico (Fe3 • ) para íon ferroso (Fe2· ) , como parte normal de sua função de carreador reve rsível de elétrons. Os elétrons fluem ao longo da cadeia, desde a coenzi ma Q, pelos citocromos b e c (Complexo III) e a+ a3 (Complexo IV, veja a Figura 6.8).

Figura 6.9 Centro ferro-enxofre da NAOHdesidrogenase.


76

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

O bloqueio da transferência de elétrons po r qualquer desses inibidores faz cessar o fluxo de elétrons do substrato até o oxigênio, pois as reações da cadeia transportadora de elétrons são fortemente acopladas, como engrenagens em uma rede.

Figura 6.10 Inibidores de sítios específicos no transporte de elétrons, mostrado utilizando um modelo mecânico para o acoplamento das reações de oxidação-redução. (Nota: A figura ilustra a direção normal do fluxo de elétrons.)

5.

Citocromo a + a3 . Esse complexo de citocromos é o único carreador de elétrons em que o ferro do heme possui um ligante livre, que pode reagir diretamente como o oxigénio molecular. Neste sítio, os elétrons transportados, o oxigénio molecular e os prótons livres são reunidos para formar água (veja a Figura 6.8). O citocromo a + a 3 (também chamado citocromo-oxidase) contém áto mos de cobre ligados, que são necessários para que essa complexa reação ocorra.

6.

Inibidores de sítios específicos . Inibidores de sítios específicos na cadeia transportadora de elétrons têm sido identificados e são ilustrados na Figura 6.1 O. Esses compostos previnem a passagem de elétrons, ligando-se a algum componente da cadeia , bloqueando a reação de oxidação/redução. Desse modo, todos os carreadores de elétro ns antes do bloqueio tornam-se completamente red uzidos, enquanto aqueles localizados após o bloqueio estão oxidados. (Nota: Uma vez que o transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa estão fortemente acoplados, a inibição de sítios específicos da cadeia transportadora de elétrons também inibe a síntese de ATP.)

Reação geral de oxidação-redução

NADHXFMN +H+

C. Liberação de energia livre durante o transporte de e létrons NAD+

FMNH2

Reações redox componentes

NADH+W)

NAD++ 2e- + 2W E0

Par redox 0,32 volt

=-

FMN + 2e- + 2H+

( E0

FMNH, Par redox 0,22 volt

=-

Figura 6.11 Oxidação do NADH pelo FMN, separados nos dois pares redox componentes.

A energia livre é liberada à medida que os elétrons são transfe ridos ao longo da cadeia transportadora de elétrons, de um doador (agente redutor) para um aceptor (agente oxidante). Os elétrons podem ser transferidos sob diferentes formas; por exemplo, como íons hidreto (:W) para o NAD+, como átomos de hidrogénio (·H) para o FMN, para a coenzima Q e para o FADou como elétrons (-e-) para os citocromos. 1.

Pares redox. A oxidação (perda de elétrons) de um composto é sempre acompanhada pela redução (ganho de elétrons) de uma segunda substância. Por exemplo, a Figura 6.1 1 mostra a oxidação do NADH a NAD+, acompanhada pela redução do FMN a FMNH 2 . Tais reações de oxidação-redução podem ser escritas como a soma de duas semireações: uma reação de oxidação isolada e uma reação separada de redução (veja a Figura 6.1 1). NAD+ e NADH fo rmam um par redox, assim como FMN e FMNH2 ou FAD e FADH2 . Os pares redox diferem em sua tendência de perder elétrons. Essa tendência é característica


77

Bioquímica Ilustrada

de cada par redox e pode ser expressa quantitativamente por uma constante, E0 (o po tencial d e redução-padrão), com unidades em volts. 2.

3.

Potencial de redução-padrão (e) . Os potenciais de redução-padrão 0 para vários pares redox podem ser listados, indo do mais negativo E para o mais positivo. Quanto mais negativo for o potencial de reduçãopadrão de um par redox, maior será a tendência da forma redutora 0 desse par em perder elétrons. Quanto mais positivo o E , maior a tendência da forma oxidante daquele par em aceitar elétrons. Desse 0 modo, os elétrons fluirão do par com E mais negativo para aquele par 0 0 com E mais positivo. Os valores de E para alguns membros da cadeia de transporte de elétrons são mostrados na Figura 6 .12. 0

LlG 0 está relacionado com LlE • A variação na energi a livre está dire0 tamente relacionada com a magnitude da variação do E : LlG0 = - n F LlE0

Compostos com E0 bastante negativo (localizados na parte superior da tabela) são fortes agentes redutor es - ou seja, apresentam uma grande tendência de perder elétrons.

Par redox '<!.

*'

Eo (volts)

NAD+/NADH

-0,32

FMN/FMNH2

-0,22

Piruvato/lactato Citocromo c Fe3+/Fe2 +

+0,07

~ 1/2 02/H20

-0,19 +0,82

onde

n = número de elétrons transferidos (1 para um citocromo, 2 para NAD H, FADH2 e coenzima Q)

Os compostos na parte inferior da tabela s ão fortes agentes oxidantes, isto é, querem receber elétrons.

F = constante de Faraday (23.062 cal/volt -moi) 6 E0 = E0 do par aceptor de elétrons menos E0 do par doador de elétrons LlG0 =variação na energia livre padrão 4.

VI.

0

LlG para o ATP. A energia livre padrão para a hidrólise do grupo fosfato terminal do ATP é - 7.300 cal/moi. O transporte de um par de elétrons do NADH para o oxigênio, por meio da cadeia transportado ra de elétrons, produz 52.580 cal/moi e, portanto, energia mais que suficiente é disponibilizada para produzir 3 ATPs a partir de 3 ADPs e 3 P; (3 x 7 .300 = 21.900 cal). As calorias restantes são liberadas como calor. (Nota: O transporte de um par de elétrons do FADH 2 ou do FMNH2 para o oxigênio via cadeia transportadora de elétrons gera energia mais que suficiente para produzir 2 ATPs a partir de 2 ADPs e 2 P,.)

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

A transferência de elétrons ao longo da cadeia de transporte de elétrons é energeticamente favorecida, pois o NADH é um forte doador de elétrons, e o oxigênio molecular é um ávido aceptor de elétrons. O fluxo de elétrons do NADH para o oxigên io, porém, não resulta diretamente na síntese de ATP. A . A hipótese quimiosmótica A hipótese quimiosmótica (também conhecida como hipótese de Mitchell) explica como a energia livre gerada pelo transporte de elétrons através da cadeia transportado ra de elétrons é utilizada para produzir ATP a partir de ADP + P;. 1.

A bomba de prótons. O transporte de elétrons está acoplado à fosforilação do ADP pelo transporte de prótons (W ) através da membrana mitocondrial interna, prótons esses que são bombeados da matriz para o espaço intermembranas. Esse processo cria, através da membrana mitocondrial interna, um gradiente e létrico (com cargas mais positivas

Figura 6.12 Potenciais de redução-padrão de algumas reações.


78

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

MITOCÕNDRIA

ADP+ P;

Espaço intermembranas

NAD+

Complexo

v ESPAÇO INTERMEMBRANAS

Figura 6.13 Cadeia trans portadora de elétrons, mostrada acoplada ao transporte de prótons. (Nota: O Complexo 11 não é mostrado.)

Proteínas desacopladoras criam um " vazamento de prótons", permitindo que os prótons retornem à matriz mitocondrial sem capturar energia na forma de ATP.

Figura 6.14 Transporte de H+ através da membrana mitocondrial por proteínas desacopladoras.

no lado externo da membrana do que no lado interno) e um gradiente de pH (o meio, no lado de fora da membrana, está em um pH mais baixo do que no lado interno; Figura 6.13). A energia gerada por esse gradiente de prótons é suficiente para impulsionar a síntese de ATP. Desse modo, o gradiente de prótons funciona como o intermediário comum que acopla a oxidação à fosforilação. 2.

A ATP-sintase. O complexo enzimático ATP-sintase (Complexo V, veja a Figura 6.13) sintetiza ATP, utilizando a energia do gradiente de prótons gerado pela cadeia transportadora de elétrons. (Nota: Essa enzima também é chamada ATPase, pois a enzima isolada também catalisa a hidrólise de ATP a ADP e fosfato inorgânico.) A hipótese quimiosmótica propõe que, após os prótons serem transferidos para o lado citosólico da membrana mitocondrial interna, eles retornam à matriz mitocondrial passan do através de um canal no complexo ATP-sintase, resultando então na síntese de ATP a partir de ADP + P; e, ao mesmo tempo, dissipando os gradientes elétrico e de pH. a.

Oligomicina. Essa droga liga-se ao pedúnculo da ATP-sintase, fechando o canal de W e impedindo o retorno dos prótons à matriz mi tocondrial. Uma vez que os gradientes de pH e elétrico não podem ser dissipados na presença dessa droga, o transporte de elétrons cessa, devido à dificuldade de bombear mais prótons contra gradientes tão grandes. Demonstra-se, assim, mais uma vez, o forte acoplamento entre os processos de transporte de elétrons e fosforilação - a inibição da fosforilação inibe a oxidação.

b.

Proteínas desacopladoras (UCPs, de uncoupling proteins). UCPs são proteínas encontradas na membrana mitocondrial


79

Bioquímica Ilustrada

interna de mamíferos, incluindo humanos. Essas proteínas criam um "vazamento de prótons", ou seja, permitem aos prótons retornarem à matriz mitocondrial sem que a energia seja captu rada como ATP (Figura 6.14) . (Nota: A energia é liberada na forma de calor.) A UCP1 , também denominada termogenina, é responsável pela ativação da oxidação de ácidos graxos e produção de calor nos adipócitos marrons dos mamíferos. A gordura marrom , ao contrário da gordura branca, mais abundante, gasta quase 90% de sua energia respiratória para a termogênese em resposta ao frio, tanto no nascimento quanto ao despertar após a hibernação, no caso de animais hibernantes. Os humanos, porém, apresentam pouca gordura marrom (exceto no recém-nascido) e a UCP1 não parece desempenhar um papel importante no balanço energético. Outras proteínas desacopladoras (UCP2, UCP3) foram descobertas nos humanos, mas seu significado continua controverso. c.

Desacopladores sintéticos. O transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa podem ser desacoplados por meio de compostos que aumentam a permeabilidade da membrana mitocondrial interna a prótons. O exemplo clássico é o 2,4-dinitrofenol , um transportador de prótons lipofílico, que difunde facilmente através da membrana mitocondrial. Esse desacoplador faz com que o transporte de elétrons funcione em uma alta velocidade, sem estabelecer um gradiente de prótons, de forma semelhante ao que ocorre com as UCPs (veja a Figura 6.14). A energia produzida pelo transporte de elétrons é liberada como calor, em vez de ser utilizada para sintetizar ATP. Em doses altas, a droga Aspirina® (assim como outros salicilatos) desacopla a fosforilação oxidativa. Isso explica a febre que acompanha superdoses tóxicas dessas drogas.

9H20H

NADH + H+ NAD+ \... ../'

9=O

Glicerofosfato'J' desidrogenase citosólica

CH 2 0PO~

CH 20PO~ Glicerol3-fosfato

DHAP

~-

CITOSOL

CCadeia

transportador~

·-·

de elétrons

FADH2

~H20H

FAD

~ __)

C=O

(

--- - -

Glicerofosfato· desidrogenase

1

CH20PO~ DHAP

9H20H HO-C-H 1

CH20P03' Glicerol3-fosfato

mitocondrial

MEMBRANA MITOCONORIAL INTERNA

Oxalacetato

NADH -1 + H+ Malaio·

+---r . Ammo-

desidrogenase

NAD+ 1

Glutamat o

sólica

tranl rase

B. Sistemas de transporte através da membrana A membrana mitocondrial interna é impermeável à maior parte das substâncias hidrofílicas ou com carga. Essa membrana contém, porém, numerosas proteínas de transporte, que permitem a passagem de moléculas específicas desde o citosol (ou, mais corretamente, o espaço intermembranas) até a matriz mitocondrial. 1.

2.

Transporte de ATP-ADP. A membrana mitocondrial interna reque r transportadores específicos para transportar o ADP e o P; do citosol (onde o ATP é utilizado e convertido em ADP em muitas reações que requerem energia) para dentro da mitocôndria, onde o ATP pode ser novamente sintetizado. Um carreador de nucleotídeos da adenina transporta uma molécula de ADP do citosol para a mitocôndria, enquanto exporta um ATP da matriz para o citosol. Esse carreador é fortemente inibido pela toxina vegetal atractilosídeo, resultando na depleção do conjunto de ADP intramitocondrial e na inibição da produção de ATP. (Nota: Um transportador de fosfato é responsável pelo transporte do fosfato inorgânico do citosol para a mitocôndria.) Transporte de equivalentes redutores. A membrana mitocondrial interna não possui uma proteína transportadora de NADH , de modo que o NADH produzido no citosol não pode penetrar diretamente na mitocôndria. Os dois elétrons do NADH (também denominados equivalentes redutores) , no entanto, são transportados do citosol para a mitocôndria utilizando mecanismos de lançadeiras. Na lançadeira do glicerofosfato (Figura 6.15A), dois elétrons são transferidos do NADH para a flavoproteína-desidrogenase , localizada na membrana interna

Maiato

~~

o:- Cetoglutarato

~ y

Asparato

=ír

·- -{r

CITOSOL

o:-Cetoglutarato

~

Asparato

NAo+ M_a't'o

Malatodesidrogenase mitocondrial

NADH~I +H+

t

Aminotransferase

l_

I Oxala~etato

Glutamato

~Cadeia transportadora de elétrons MATRIZ MITOCONDRIAL

Figura 6.15 Lançadeiras para o transporte de elétrons através da membrana mitocondrial interna. A. Lançadeira do glicerofosfato. B. Lançadeira do malato-aspartato.


80

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

da mitocôndria. Essa enzima, então, doa seus elétrons para a cadeia de transporte de elétrons, de modo semelhante ao que ocorre com a succínato-desídrogenase (pág. 111 ). A lançadeira do glicerofosfato, portanto, resulta na síntese de dois ATPs para cada NADH citosólico oxidado. Isso contrasta com a lançadeira do malato-aspartato (veja a Figura 6.1 58), que produz NADH (em vez de FADH 2) na matriz mitocondrial e leva, desse modo, à produção de três ATPs para cada NADH citosólico oxidado. C. Deficiências herdadas da fosforilação oxidativa

Figura 6.16 Fibras musculares de um paciente com uma miopatia mitocondrial mostram proliferação anormal de mitocôndrias quando coradas para a succinato-desidrogenase.

Treze dos aproximadamente 1 00 polipeptídeos necessários para a fosforilação oxidativa são codificados pelo DNA mitocondrial (DNAmt), enquanto as demais proteínas mitocondriais são sintetizadas no citosol e transportadas para a mitocôndria. Deficiências na fosforilação oxidativa são, mais provavelmente, resultado de alterações no DNAmt, que apresenta uma taxa de mutações cerca de dez vezes maior que o DNA nuclear. Tecidos com maiores necessidades de ATP (por exemplo, SNC, músculos esquelético e cardíaco, rins e fígado) são mais afetados por deficiências na fosforilação oxidativa. Mutações no DNAmt são responsáveis por diversas doenças, incluindo alguns casos de miopatias mitocondriais (Figura 6.16) e a neuropatia óptica hereditária de Leber, uma doença na qual ocorre perda bilateral da visão central, como resultado da degeneração neurorretiniana, incluindo lesão do nervo óptico. O DNAmt é herança materna, pois as mitocôndrias do espermatozóide não penetram na célula-ovo.

VIl.

RESUMO DO CAPÍTULO

A variação na energia livre (ó G) que ocorre durante uma reação prediz o sentido no qual aquela reação ocorrerá espontaneamente. Se óG é negativo (ou seja, o produto apresenta menor energia livre que o substrato) , a reação ocorre espontaneamente. Se óG é positivo, a reação não ocorre espontaneamente. Se óG = O, os reatantes estão em equilíbrio. A variação na energia livre de uma reação no sentido direto (A -7 B) é igual em magnitude, mas de sinal oposto, àquela da reação inversa (B -7 A). Variações-padrão de energia 0 livre (L'>G ) são aditivas em qualquer seqüência de reações consecutivas. Portanto, a ocorrência de reações ou processos que apresentem um óG bastante positivo torna-se possível pelo acoplamento com a hidrólise de trifosfato de 0 adenosina {ATP) , que apresenta um L'>G bastante negativo. As coenzimas reduzidas NADH e FADH2 doam, cada uma delas, um par de elétrons para um conjunto especializado de transportadores de elétrons, consistindo de FMN, coenzima Q e uma série de citocromos , coletivamente denominados cadeia transportadora de elétrons. Essa via está presente na membrana mitocondrial interna e é a via final comum, pela qual os elétrons provenientes de diversos combustíveis do organismo fluem até o oxigênio. O último citocromo, o citocromo a + a 3 , é o único citocromo capaz de ligar oxigênio. O transporte de elétrons está acoplado ao transporte de prótons (H+) através da membrana mitocondrial interna, desde a matriz até o espaço intermembranas. Esse processo cria um gradiente elétrico e um gradiente de pH através da membrana mitocondrial interna. Após os prótons serem transferidos para o lado citosólico da membrana mitocondrial interna, eles podem voltar à matriz mitocondrial, passando por um canal no complexo ATP-sintase, o que resulta na síntese de ATP a partir de ADP e P; e, ao mesmo tempo, dissipa os gradientes de pH e elétrico. Desse modo, diz-se que o transporte de elétrons e a fosforilação estão fortemente acoplados. Esses processos podem ser desacoplados por proteínas desacopladoras encontradas na membrana mitocondrial interna e por compostos sintéticos como o 2,4-dinitrofenol e a Aspirina®, os quais aumen-


Bioquímica Ilustrada

Fosforilação oxidativa Ciclo do ácido cítrico e 13-oxidação dos ácidos graxas

produzem

NADH e FADH 2

FMN

que doam elétrons para a

t

coa formada por

Cadei a trans portadora de elétrons

I leva

Citocromo b Citocromo c

a

Citocromo a Fluxo de elétrons

+ a3

~ Único componente que pode reagir di reta mente com o oxigênio

acopladoao

+

Transporte de prótons (H+) da

Matriz para o espaço intermembranas

visualizados como

criando

Gradientes elétrico e de pH através da

t [

Membrana mitocondrial interna

l

notável pois

É rica em proteínas Impermeável à maioria das moléculas pequenas Contém transportadores para compostos específ icos

permitindo

t Prótons para

Voltarem à matriz mitocondrial por

MATRIZ MITOCONDRIAL

t Passagem por um canal na molécula da ATP-sintase resultando em

Síntese de AT P a partir de ADP + Pi

Substrato oxidado

visuaUzada como

(

, ,";

·Membrana mitocondrial interna

~ + H+ H+ ~

+

~

H+ H+

H+

lr H+ H+

Figura 6.17 Resumo de conceitos-chave para a fosforilação oxidativa. (Nota: O fluxo de elétrons e a síntese de ATP são representados como conjuntos de engrenagens interconectadas para enfatizar a idéia de acoplamento. )

81


82

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

tam a permeabilidade da membrana mitocondrial interna a prótons. A energia produzida pelo transporte de elétrons é, nesse caso, liberada como calor, em vez de ser utilizada para a síntese de ATP. Mutações no DNA mitocondrial (DNAmt) são responsáveis por alguns casos de doenças mitocondriais, como a neuropatia óptica hereditária de Leber.

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 6. 1 Qual das seguintes alternativas a respeito da cadeia transportadora de elétrons está correta? A. Todos os componentes da cadeia transportadora de e létrons estão presentes em grandes complexos protéicos de subunidades múltiplas, embebidos na memb rana mitocondrial interna. B. O oxigénio oxida diretamente o citocromo c. C. A succinato-desidrogenase reduz diretamente o citocromo c. D. A cadeia transportadora de elétrons contém algumas cadeias polipeptídicas codificadas pelo DNA nuclear e algumas codificadas pelo DNAmt. E. O cianeto inibe o fluxo de elétrons, mas não o bombeamento de prótons ou a síntese de ATP 6 .2. Uma biópsia de músculo de um paciente com uma doença rara, a d oença de Luft, mostrou mitocôndrias anormalmente grandes, que contin ham cristas dobradas quando examinadas ao microscópio eletrônico. A atividade ATPásica basal d as mitocôndrias foi sete vezes maior que o normal. Por meio desses e de outros dados, concluiu-se que a oxidação e a fos forilação estavam parcialmente desacopladas. Qual das seguintes afirmativas sobre esse paciente está correta? A. A velocidade de transporte de elétrons é anormalmente baixa. B. O gradiente de prótons através da membrana mitocondrial interna é maior que o normal. C. Os níveis de ATP na mitocôndria são maiores que o normal. D. O cianeto não inibiria o fluxo de elétrons. E. O paciente apresenta hipermetabolismo e temperatura inte rna elevada.

Resposta correta = D. Treze dos aproximadamente 100 polipeptídeos necessários para a fosforilação oxidativa são codificados pelo DNA mitocondrial, incluindo-se aqui a produção de citocromo c e de coenzima O, componentes do transporte de elétrons. O oxigênio oxida diretamente a citocromo-oxidase. A succinato-desidrogenase reduz diretamente o FAD. O cianeto inibe o fluxo de elétrons, o bombeamento de prótons e a síntese de ATP.

Resposta correta = E. Quando a fosforilação está parcialmente desacoplada do fluxo de elétrons, espera-se um decréscimo no gradiente de prótons através da membrana mitocondrial interna e, assim, prejuízo na síntese de ATP. Em uma tentativa de compensar essa deficiência na captura de energia, o metabolismo e o fluxo de elétrons até o oxigênio são aumentados. Esse hipermetabolismo será acompanhado por aumento na temperatura corporal, pois a energia dos combustíveis é em grande parte desperdiçada, aparecendo como calor. A cadeia transportadora de elétrons ainda será inibida pelo cianeto.


Introdução aos Carboidratos

I. VISÃO GERAL Os carboidratos são as moléculas orgânicas mais abundantes na natureza. Eles possuem uma grande variedade de funções, as quais incluem o fornecimento de uma fração significativa da energia na dieta da maioria dos organismos e a atuação como uma forma de armazenamento de energia no corpo e como componentes da membrana celular, mediando algumas formas de comunicação intracelular. Os carboidratos também servem como componentes estruturais de muitos organismos, incluindo a parede celular de bactérias, o exoesqueleto de muitos insetos e as fibras de celu lose das plantas. A fórmu la empírica para muitos dos carboidratos mais simples é (CHP)n, daí o nome "hidratos de carbono".

11.

CLASSIFICAÇÃO E ESTRUTURA DOS CARBOIDRATOS

Os monossacarídeos (açúcares simples) podem ser classificados de acordo com o número de átomos de carbono que contêm . Exemplos de alguns monossacarídeos comumente encontrados em humanos estão listados na Figura 7 .1. Os carboidratos com um aldeído como seu grupo funcional mais oxidado são denominados aldoses, enquanto aqueles com um grupo cetona como seu grupo funcional mais oxidado são chamados cetoses (Figura 7.2). Por exemplo, o gliceraldeído é uma aldose, enquanto a diidroxiacetona é uma cetose. Os carboidratos que apresentam um grupo carbonila livre recebem o sufixo "-ose". (Nota: As cetoses [com algumas exceções, como, por exemplo, a frutose] recebem duas letras adicionais no seu sufixo; "-ulose", como, por exemplo, xilulose.) Os monossacarídeos podem ligar-se por ligações glicosídicas, criando estruturas maiores (Figura 7.3). Os dissacarídeos contêm duas unidades de monossacarídeos, os oligossacarídeos contêm cerca de 3 a 12 unidades de monossacarídeos e os polissacarídeos contêm mais de 12 unidades de monossacarídeos, podendo chegar a centenas de unidades de açúcares em sua estrutura.

Nomes genéricos 3 carbonos: 4 carbonos: 5 carbonos: 6 carbonos: 7 carbonos: 9 carbonos:

trioses tetroses pentoses hexoses heptoses nonoses

Exemplos Gliceraldeído Eritrose Ribose Glicose Sedoeptulose Ácido neuramínico

Figura 7.1 Exemplos de monossacarídeos encontrados em humanos, classificados de acordo com o número de carbonos que contêm.

• •

Grupo cetona

ÇH20H

C =O I

CH20H Gliceraldeído

CH20H Diidroxiacetona

Figura 7.2 Exemplos de glicídeo do tipo aldose (A) e do tipo cetose (B).


84

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

A. lsômeros e epímeros Carbono 4 da

CH2 0 H

~HOH OH

OH

Ligação glicosidlca

Lactose: galactosil-(3(1 .-,4)-glicose

Figura 7.3 Uma ligação glicosídica entre duas hexoses produzindo um dissacarídeo.

Os compostos que contêm a mesma fórmula química, mas estruturas diferentes, são denominados isômeros. Por exemplo, frutose, glicose, manose e galactose são todos isômeros um do outro, ou seja, apresentam a mesma fórmula quím ica, C6 H120 6 . Se dois monossacarídeos diferem na sua configuração ao redor de apenas um determinado átomo de carbono (com exceção do carbono da carbonila, veja "anômeros", a seguir), eles são definidos como epímeros um do outro. (Eles também são isômeros, é claro!) Por exemplo, a glicose e a galactose são epímeros em C-4 - suas estrutu ras diferem somente na posição do grupo -OH no átomo de carbono 4. (Nota: Nos açúcares, a numeração dos carbonos inicia na extremidade que contém o carbono da carbon ila, isto é, o grupo aldeído ou cetona [Figura 7.4].) A glicose e a manose são epímeros em C-2. A galactose e a manose, entretanto, NÃO são epímeros - eles diferem na posição do grupo -OH em dois átomos de carbono (2 e 4) e são, portanto, definidos somente como isômeros (veja a Figura 7.4).

B. Enantiômeros

CHO

=-l

I

HCOH I

HOCH

Galactose

HO-ÇH

HCOH I

CH 2 0 H Epímeros em C-4 'CHO

}

Um tipo especial de isomeria é observado em pares de estruturas que são imagens uma da outra no espelho. Essas imagens especulares são denominadas enantiômeros, e os dois membros do par são designados como o- e L-açúcares (Figura 7.5). Em seres humanos, a grande maioria dos açúcares é do tipo o-açúcares.

C. Ciclização de monossacarídeos Menos de 1% de cada monossacarídeo com cinco ou mais átomos de carbonos ocorre na forma de cadeia aberta (acíclica) . Ao contrário, eles são encontrados predominantemente na forma de anel, na qual o grupo aldeído (ou cetona) reagiu com um grupo álcool da mesma molécula.

H-•c- OH +- h I

HO -"C - H

Glicose

1.

Carbono anômero. A formação de um anel resulta na criação de um carbono anômero no carbono 1 de uma aldose, ou no carbono 2 de uma cetose. Essas estruturas são designadas configurações a ou ~ dos açúcares, por exemplo, a -o-glicose e ~-o-glicose (Figura 7 .6). Esses dois glicídeos são ambos moléculas de glicose, mas e les são anômeros um do outro. As enzimas são capazes de distinguir entre essas duas estruturas e utilizam uma de las preferencialmente. Por exemplo, o glicogênio é sintetizado a partir da a -o-glicopiranose, enquanto a celulose é sintetizada a partir da ~-o-glicopiranose . Os anômeros cíclicos a e ~ de um glicídeo em solução estão em equilíbrio um com o outro e podem ser espontaneamente interconvertidos (um processo denominado mutarrotação, veja a Figura 7.6).

2.

Glicídeos redutores. Se o átomo de oxigênio do ca rbono anômero (o grupo carbonila) de um glicídeo não está ligado a qualquer outra estrutura, esse glicídeo é um glicídeo redutor. Ele pode reagir com reagentes químicos (por exemplo, a solução de Benedict) e reduzir o componente reativo, enquanto seu carbono anômero torna-se oxidado. (Nota: Somente o estado do oxigênio no carbono anômero determina se o glicídeo é redutor ou não-redutor - os demais grupos hidroxila da molécu la não estão envolvidos.)

H- 'C- OH 1

H - •C-OH I

' CH 2 0H Epímeros em C-2

l Manose

CHO lsômeros

HO-CH I

HO~H HCOH I

HCOH I

CH2 0H

yH

2 0H} C =O I

Frutose

HO- C- H I

H -C - OH I

H C-OH I

CH2 0 H

D. Carboidratos complexos Figura 7.4 Epímeros em C-2 e em C-4 e um isômero da glicose.

Os carboidratos podem unir-se por ligações glicosídicas a estruturas que não são carboidratos, como purinas e pirimidinas (como as ligações encon-


85

Bioquímica Ilustrada

tradas em ácidos nucleicos), anéis aromáticos (tais como em esteróides e na bilirrubina), proteínas (encontradas em glicoproteínas e glicosaminoglicanos) e lipídeos (em glicolipídeos). A aldose, cujo carbono 1 (ou cetose, cujo carbono 2) participa da ligação glicosídica, é chamada de resíduo glicosil. Por exemplo, se o carbono anômero da glicose participa de tal ligação, esse glicídeo é denominado um resíduo glicosil; assim, o dissacarídeo lactose (veja a Figura 7.3) é uma galactosil-glicose. 1.

0-Giicosídeos e N-Giicosídeos. Se o grupo na molécula que não é carboidrato, à qual o glicídeo está ligado, é um grupo -OH, a estrutura é um 0 -glicosídeo. Se o grupo é um grupo - NH2 , a estrutura é um Nglicosídeo (Figura 7.7). (Nota: Todas as ligações glicosídicas glicídeoglicídeo são do tipo 0-.)

2.

Denominação das ligações glicosídicas. As ligações glicosídicas entre glicídeos são designadas de acordo com o número dos carbonos que estabelecem a conexão e também em função da posição do grupo hidroxila no carbono anômero do glicídeo envolvido na ligação. Se esse grupo hidroxila do carbono anômero está na configuração a , a ligação é uma ligação oo. Se o grupo estiver na configuração ~. a ligação é uma ligação ~-A lactose, por exemplo, é sintetizada pela formação de uma ligação glicosídica entre o carbono 1 de uma B-galactose e o carbono 4 da glicose. A ligação é, dessa forma, uma ligação glicosídica B(1~4) (veja a Figura 7.3). (Nota: Como a extremidade anômera do resíduo de glicose não está envolvida na ligação glicosídica, ela (e, dessa forma, a lactose) permanece sendo um glicídeo redutor.)

Figura 7 .5 Enantiômeros (imagens especulares) da glicose.

~

HO , ,H H-6-oH

H, , QH

H-t~H

J

I

H-6-oH

I

>

I

H-C

>

H-C -OH

I

H-C

I

H-C - OH

>

H-C-OH

I

H-C - OH

I

I

H

H

Jl-O·Giico-

o-Glicose

H a -D·Giico· piranose

piranose

III.

J

I

HO -C(-~HO +t HO-C( - H +!" H0 -9-~HO H-C-OH H-C-OH H-C-OH

DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS

Os principais sítios de digestão dos carboidratos da dieta são a boca e o lúmen intestinal. Essa digestão é rápida e geralmente está completa no momento em que o conteúdo estomacal atinge a junção entre duodeno e jejuno. Há poucos monossacarídeos presentes em dietas de origem mista, animal e vegetal. Portanto, as enzimas necessárias para a degradação da maioria dos carboidratos da dieta são principalmente dissacaridases e endoglicosidases (que quebram oligossacarídeos e polissacarídeos). A hidrólise de ligações glicos ídicas é catalisada por uma família de glicosidases que degrada carboidratos em seus glicídeos redutores componentes (Figura 7.8). Essas enzimas em geral são específicas para a estrutura e a configuração do resíduo glicosil a ser removido, bem como para o tipo de ligação a ser hidrolisada. A. A digestão dos carboidratos inicia na boca Os principais polissacarídeos da dieta são de origem animal (gl icogênio) e vegetal (amido, composto de amilose e amilopectina). Durante a mastigação, a a-amilase salivar atua brevemente sobre o amido da dieta, de maneira aleatória, hidrolisando algumas ligações a(1--74). (Nota: Existem na natureza ambas as endoglicosidases, a[1 ~4] e f3[1 ~ 4], mas os humanos não produzem nem secretam esta última nos sucos digestivos. Dessa forma, eles são incapazes de digerir a celulose - um carboidrato de origem vegetal que contém ligações glicosídicas ~[1 --7 4] entre seus resíduos de glicose.) Uma vez que tanto o glicogênio quanto a amilopectina são ramificados - eles também contêm ligações a( 1~6) - os produtos da digestão resultantes da ação da a.-amilase contêm uma mistura de moléculas de oligossacarídeos ramificados menores (Figura 7.9). A digestão dos carboidratos cessa temporariamente enquanto o alimento está no estômago, porque a elevada acidez inativa a a -amilase salivar.

Figura 7.6 A interconversão das formas anômeras a e B da glicose (mutarrotação).

aH + Açúcar

â - cH2-J NH2 Aspar agina

H 2 0~ OH

O

t H~

N -

Cadeia

~ oli

eptfdlca

C - CH 2

Liga~licosidica

a

OH + HO -CH2

H

Açúcar

H20

Seri na

, l :1

-l Cadela polirptídica

~~,;:;::~ Figura 7.7 Glicosídeos: exemplos de ligações Nglicosídicas e 0-glicosídicas.


86

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

0-JC) rH,O Glioo_,,

Ho O H

OH

HO

Figura 7.8 Hidrólise de uma ligação glicosídica.

B. A digestão subseqüente dos carboidratos pelas enzimas pancreáticas ocorre no intestino delgado Quando o conteúdo ácido do estômago atinge o intestino delgado, ele é neutralizado pelo bicarbonato secretado pelo pâncreas, e a (J..-amilase pancreática continua o processo de digestão do amido.

C. Digestão final dos carboidratos pelas enzimas sintetizadas pelas células mucosas intestinais O processo final da digestão ocorre no epitélio mucoso do jejuno superior, diminuindo à medida que os produtos seguem ao longo do intestino delgado, e inclui a ação de várias dissacaridases e oligossacaridases (Figura 7. 10). Por exemplo, a isomaltase rompe a ligação (1..(1 ~ 6) da isomaltose, e a maltase hidrolisa a maltose, ambas produzindo glicose; a sacarase hidralisa a sacarose, produzindo glicose e frutose, e a Jactase ([3 -ga/actosidase) hidrolisa a lactose, produzindo galactose e glicose. Essas enzimas são secretadas pelo lado luminal da membrana em forma de escova das células da mucosa intestinal e permanecem associadas a essa membrana.

D. Absorção dos monossacarídeos pelas células da mucosa do intestino

Parte de uma mol écula de glicogênio a-Amilase

~

O duodeno e o jejuno superior absorvem a maior parte dos glicídeos da dieta. A captação de glicose pelas células intestinais não requer insulina. Entretanto, diferentes glicídeos são absorvidos por meio de diferentes mecanismos. Por exemplo, a galactose e a glicose são transportadas para o interior das células mucosas por um processo ativo, que requer energia, envolvendo uma proteína transportadora específica e necessitando de uma captação concomitante de íons sódio. A absorção de frutose requer um transportador de monossacarídeo independente de sódio (GLUT-5). Todos os três monossacarídeos são transportados das células mucosas intestinais para a circulação porta por outro transportador, o GLUT-2. (Veja a pág. 95 para uma discussão desses transportadores.)

E. Degradação anormal de dissacarídeos

Malto-oligossacarideo (principalmente maltotri ose)

Oligossacarídeo

Todo o processo de digestão e absorção dos carboidratos é tão eficiente em indivíduos saudáveis que, normalmente, todo o carboidrato digerível da dieta é absorvido no momento em que o material ingerido atinge o baixo jejuno. Entretanto, devido à predominante absorção de monossacarídeos, qualquer defeito na atividade de determinada dissacaridase da mucosa intestinal causa a passagem do carboidrato não-digerido para o intestino grosso. Como conseqüência da presença desse material asmaticamente ativo, a água flui da mucosa para o intestino grosso, causando diarréia osmótica. Isso é reforçado pela fermentação bacteriana dos carboidratos remanescentes, produzindo compostos de dois ou três carbonos (os quais também são asmaticamente ativos), além de grande volume de C02 e gás H2 , causando cólicas abdominais, diarréia e flatulência.

1.

Figura 7.9 Degradação do glicogênio da dieta pela (J..-amilase salivar ou pancreática.

Deficiência de enzimas digestivas. Deficiências hereditárias de determinadas dissacaridases têm sido relatadas em bebês e crianças com intolerância a dissacarídeos. As alterações na degradação das dissacaridases também podem ser causadas por uma variedade de doenças intestinais, má-nutrição ou drogas que danificam a mucosa do intestino delgado. Por exemplo, as enzimas da membrana em forma de escova são rapidamente perdidas em indivíduos normais com diarréia grave, causando uma deficiência enzimática adqu irida e temporária. Assim, pacientes que sofrem ou estão se recuperando de tais doenças


Bioquimica Ilustrada não podem beber ou comer quantidades significativas de produtos derivados do leite ou sacarose sem exacerbar a diarréia. 2.

3.

4.

Dextri nas do amido lsomaltose Maltose Lactose r;o~....::..:~::---~ Sacarose Celulose

Intolerância à lact ose. Mais da metade dos adultos do mundo são intolerantes à lactose (Figura 7.11 ). Isso se manifesta particularmente em certas raças. Por exemplo, até 90% dos adultos com ascendência africana ou asiática são deficientes em lactase e, dessa forma, são menos capazes de metabolizar lactose que os indivíduos originários do norte da Europa. O mecanismo pelo qual a enzima é perdida não é claro, mas é determinado geneticamente e representa uma redução na quantidade da proteína enzimática, mais do que uma enzima modificada e inativa. O tratamento para esse distúrbio é simplesmente a remoção da lactose da dieta, ou ingerir a /actase em forma de pílulas antes de comer. Deficiência d e iso maltase-sacarase. Essa deficiência enzimática resulta na intolerância à sacarose ingerida. Esse distúrbio é encontrado em cerca de 10% dos esquimós da Groenlândia, enquanto 2% dos norte-ame ricanos são heterozigotos para essa deficiência. O t ratamento é a remoção da sacarose da dieta. Diagnóstico. A identificação de determinada deficiência enzimática pode ser real izada pelo desempenho em testes de tolerância oral ao dissacarídeo. A medida de gás hidrogênio no hálito é um teste confiável para determinar a quantidade de carboidrato ingerido e não-absorvido pelo organismo, mas metabolizado pela flora intestinal (veja a Figura 7.1 1).

IV. RESUMO DO CAPÍTULO Os monossacarídeos (glicídeos simples) que contêm um grupo aldeído são denominados aldoses, e aqueles com um grupo cetona são chamados cetoses . Os dissacarídeos, os oligossacarídeos e os polissacarídeos consistem em monossacarídeos unidos por ligações glicosídicas. Compostos com a mesma fórmula química são chamados isô meros. Se dois monossacarídeos isômeros diferem na configuração em torno de um determinado átomo de carbono (com exceção do carbono da carbonila), eles são definidos como epímeros um do outro. Se um par de glicídeos são imagens especulares um do outro (enantiômeros), os dois membros do par são designados como o- e L-açúcares. Quando um glicídeo cicliza, é criado um carbono anômero a partir do grupo aldeído de uma aldose ou do grupo cetona de uma cetose. Esse carbono pode ter duas configurações, a. ou ~- Se o oxigênio do carbono anômero não estiver ligado a qualquer outra estrutura, esse glicídeo é um glicídeo redutor. Um glicídeo com seu carbono anômero ligado a outra estrutura é chamado um resíduo glicosil. Glicídeos podem ligar-se a grupos -NH 2 ou -OH, produzindo N- ou 0-glicosídeos. A cxamilase salivar atua sobre o amido da dieta (glicogênio, amilose, amilopectina), produzindo o ligossacarídeos. A cx-amilase pancreát ica continua o processo de digestão do amido. O processo final ocorre no epitélio mucoso do intestino delgado. Várias dissacaridases (por exemplo, lactase [Jl-galactosidase], sacarase, maltase e isomaltase) produzem monossacarídeos (glicose, galactose e frutose). Essas enzimas são secretadas pelas células da mucosa intestinal e permanecem associadas com o lado lu minal da membrana em forma de escova . A absorção dos monossacarídeos requer transportadores específicos. Se a degradação do carboidrato é deficiente (como resu ltado de hereditariedade, doença intestinal, má-nutrição ou drogas que danificam a mucosa do intestino delgado), os carboidratos não-digeridos irão passar para o intestino grosso, onde podem causar diarréia osmótica. A fermentação bacteriana desses compostos produz grande volume de C02 e gás H2 , causando cólicas abdominais, diarréia e flatulência. A intolerância à lactose, causada pela deficiência ou ausência da lactase, é, sem dúvida, a mais comum dessas deficiências.

87

O baixo pH faz cessar a ação da a-ami lase salivar

a-Amilase pancreática Para o FÍGADO

lsomaltose Maltose Lactose Sacarose

t

Circulação porta

Enzim as ligadas à membrana das c élula !f-L-- - - , da mucosa:

(isomaltase maltase lactase sacarase)

Cel ulose

Fig ura 7.10 Digestão dos carboidratos.

Lactose

t

Galactose +

Glicose

Lactose

! BACTÉRIAS

/1 ~H ~

Metabólilos de 2 carbonos

/ C0 2

2

Metabólltos

~e ~arbonos

DISTENÇÃO ABDOMINAL DIARRÉIA DESIDRATAÇÃO

Figura 7.11 Metabolismo anormal da lactose.


88

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Monossacarídeos Podem ser classificados como

~--~A_Id_or~-es ~J ____

c~,e-~ro_se_s

I

_JJ [L ____Is_õ_~~e_ro_s__~J ~~---E~p_íf,e_r_os__~J [L ___En_a_n_ttr~_m_e_ro_s~

__

L[____

quando contêm

quando contêm

t

t

quando apresentam

Podem cic/izar, produzindo um

t

quando

quando são

t

t

Diferem na configuração ao redor de um determinado átomo de carbono

Imagens especulares um do outro

podem ligar·se para formar

Carbono anômero que contém

+

quando

classificado como

o glícídeo é c/assíflcado como

Dissacarídeos Por exemplo: Sacarose= glicose + fru tose Lactose= galactose + glicose Maltose = glicose + glicose

I

Oligossacarídeos

)

Polissacarídeos I

podem ser

f

I

Lineares

Ramificados

Por exemplo: amido

Por exemplo: glicogênio

Figura 7.12 Mapa de conceitos-chave para a estrutura dos monossacarídeos.

Questão para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 7.1 Um homem negro jovem foi ao consultório do seu médico qu e ixando-se de distensão abdominal e d iarréia . O paciente apresentava olheiras fundas e o médico notou sina is de desidratação. A temperatura do paciente estava normal. Ele explicou que o episódio ocorreu após uma festa de aniversário, na qual ele participou de um concurso de ingestão de sorvet e. O paciente relatou episódios anteriores de natureza similar após a ingestão de q uantidades significativas de derivados do leite. Este quadro clínico é mais provavelmente devido a uma deficiência de: A. 8. C. D. E.

o:-amilase salivar; isomaltase ; o:-amilase pancreática; sacarase; lactase.

Resposta correta = E. Os sintomas físicos sugerem a deficiência em uma enzima responsável pela degradação de carboidratos. Os sintomas observados após a ingestão de derivados do leite sugerem que o paciente é deficiente em lactase.


Glicólise

I.

INTRODUÇÃO AO METABOLISMO

No Capítulo 5, reações enzimáticas foram analisadas individualmente, na tentativa de explicar os mecanismos da catálise. Nas células, entretanto, essas reações raramente ocorrem isoladamente, sendo em geral organizadas em seqüências de múltiplos passos, denominadas vias , tais como a glicólise (Figura 8.1 ). Em uma via, o produto de uma reação serve como substrato para a reação subseqüente. Diferentes vias também podem formar intersecções, estabelecendo uma rede de reações químicas, integrada e com propósitos definidos. Essas redes de reações são, coletivamente, denominadas metabolismo, que é a soma de todas as mudanças químicas que ocorrem em uma célu la, um tecido ou um organismo. As vias, em sua maior parte, podem ser classificadas como catabólicas (de degradação) ou anabólicas (de síntese). Reações catabólicas quebram moléculas complexas, como proteínas, polissacarídeos ou lipídeos, em umas poucas moléculas mais simples, como C02 , NH3 (amônia) e água. Vias anabólicas formam produtos finais complexos a partir de precursores simples, como a síntese de um polissacarídeo, o glicogênio, a partir de glicose. Nos capítulos que se seguem, esse texto focalizará as vias metabólicas centrais envolvidas na síntese e na degradação de carboidratos, lipídeos e aminoácidos.

O produto de uma reação é o substrato da reação subseqüente.

\ ( Glic~7-6-P; Gli~

Frutose·6·P

~~

Frutose-1 ,6·bis·P

t

Gliceraldeído·3-P

::;

H 1,3-Bisfosfoglicerato

H

3-Fosfoglicerato

H 2·Fosfoglicerato

tt Fosfoenolpiruvato

~ Lactato ~ Piruvato

A. Mapa metabólico Ao investigarmos o metabolismo, será conveniente examinarmos suas vias componentes. Cada via é composta de seqüências multienzimáticas e cada enzima, por sua vez, pode apresentar importantes características catalíticas ou regulatórias. Para dar ao leitor uma "visão panorâmica", um mapa metabólico contendo as vias centrais mais importantes para o metabolismo energético é mostrado na Figura 8.2. Esse mapa é úti l para traçarmos conexões entre vias, visualizando o "movimento", com propósitos definidos, de metabólitos intermediários, e para imaginarmos o efeito do bloqueio de uma via sobre o fluxo de metabólitos, uma situação que poderia ocorrer, por exemplo, pelo efeito de uma droga ou da deficiência herdada na atividade de uma enzima. Ao longo das próximas três unidades deste livro, cada via em discussão será repetidamente caracterizada como parte do mapa metabólico principal, mostrado na Figura 8.2.

Figura 8.1 Glicólise, um exemplo de via metabólica.

~

Diidroxiacetona·P


90

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

6-P-Giiconato

Glicogênio

Ribulos~ ~conolaCOona

Ribose-~J/

~

Xilulose-5-P

(

Galactose

Glicrr· -P Glicose-6-P

t

~

0P-Giicose

~

Galactose-1-P

~ UDP-Galactose

~ Glicose

tt Frutose-6-P

Sedoeptulose-7-P

Frutose

~~

r T t~--j/.-7---------.t

Frutose-1,6-bis-P Gliceraldeído-3-P

Gliceraldeído

~

Gliceraldeído-3-P

•amw•

Diidroxiacetona-P

tt

1,3-Bisfosfoglicerato

L ~ Triacilglicerol

tt tt tt

La::;;

~; NH 3 T c o2

Fosfoeno lpiruvato

A~~

carbamoii-P

- ,

~

/

t

t

PiruF~Malonii-CoA +-

A~le ~

->

~rginina

I ~~clnalo Succinitc:~o!_

Ornitina

Aspartato

--

Oxalacetato //

I --!.-

Phe] Tyr

~

1

lsocitrato

i

)~ Fumarato

Uréta

Citrato

Maiato

Argininossuccinato

~

~

t

r \ Citrulina~

t

Acii-CoA graxo +-----Ácidos graxos Síntese e degradação de triacilgliceróis

~

L

i

t

2-Fosfoglicerato

-

+---- Glicerol

Gliceroi-P

3-Fosfoglicerato

Ala ~ Cys 1----~ - -Gly

t

Frutose-1-P

Gln

~ co2

(..

~

a-Cetoglularato ~ Glu +--

~

r

*-{

Metilmalonii-CoA

j

Pro

His Arg

Met lle

~

Vai Thr

Acetii-CoA Acii-CoA graxo (número ímpar de carbonos)

p roptom . ·lc - oA

~

Figura 8.2 Reações importantes do metabolismo intermediário. Diversas vias importantes, que serão discutidas nos capítulos que se seguem, estão destacadas. Setas de reações em curva ( O ) indicam reações em um sentido e no sentido inverso, catalisadas por enzimas diferentes. As setas retas ( ~ ) indicam reações em um sentido e no sentido inverso, catalisadas pela mesma enzima. Chave: texto em azul = intermediários do metabolismo dos carboidratos; texto em marrom = intermediários do metabolismo dos lipídeos; texto em verde = intermediários do metabolismo das proteínas.


Bioquímica Ilustrada

Estágio 1: Proteínas

I

Polissacarideos

J

Hidrólise de moléculas complexas em seus blocos constitutivos

Estágio 11: Conversão dos blocos constitutivos em acetii-CoA (ou outros intermediários simples)

Estágio III: Oxidação da acetii-CoA; fosforllação oxidat lva

'

I

Aminoácidos

I I

Glicerol , ácidos graxos

Monossacarideos

91

Lipídeos

I

' [ Acetii-CoA

j

t{;.~:->,} ac1do 'f '\.cítric~

--+ --+

~

Figura 8.3 Os três estágios do catabolismo.

B. Vias cataból icas As reações catabólicas têm o propósito de capturar a energia química, obtida da degradação de moléculas combu stíveis ricas em energ ia, formando ATP. O catabolismo também permite que molécu las da d ieta (ou moléculas nutrientes armazenadas nas células) sejam convertidas em blocos constitutivos, necessários para a síntese de moléculas complexas. A energia gerada pela degradação de molécu las complexas ocorre em três estágios, como mostrado na Figura 8.3.

1.

Hidrólise de moléculas complexas . No primeiro estágio, moléculas com pl exas são quebradas em seus blocos constitutivos. Por exemplo, proteínas são degradadas em aminoácidos, polissacarídeos em monossacarídeos e triacilgliceróis em ácidos graxos livres e glicerol.

2.

Conversão dos blocos constitutivos em intermediários mais simples. No seg undo estágio, esses blocos constitutivos dive rsos são posteriormente degradados em acetii-CoA e em umas poucas outras moléculas simples. Parte da energia é capturada como ATP, porém essa quantidade é pequena, comparada com a energia produzida durante o terceiro estágio do catabolismo.

3.

Oxidação d a acetii-CoA. O ciclo dos ácidos t ricarboxílicos {CAT) (veja a pág . 107) é a via final comum da oxidação de moléculas combustíveis, como a acetii-CoA . Grandes quantidades de AT P são geradas na fosforilação oxidativa (veja a pág. 77) , à medida que elétrons fluem do NADH e do FADH2 para o oxigênio.

C. Vias anabólicas As reações anabólicas reunem moléculas pequenas, como aminoácidos, para formar moléculas complexas, como as proteínas (Figura 8.4). As reações anabólicas necessitam energia, a qual, via de regra, é fornecida pela quebra de ATP, dando AD P e P,.. Freqüentemente, as reações anabólicas envolvem reduções químicas, nas quais o poder redutor é, geralmente, fornecido pelo

Aminoácidos Glicideos Ácidos graxos Bases nitrogenadas

Figura 8.4 Comparação entre vias catabólicas e anabólicas.


92

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

doador de elétrons NADPH (veja a pág. 145). Observe que o catabolismo é um processo convergente, ou seja, uma ampla variedade de moléculas é transformada em uns poucos produtos finais. Em contraste, o anabolismo é um processo divergente, no qual uns poucos precursores biossintéticos formam uma ampla variedade de produtos poliméricos ou complexos.

Sinalização sináptica

nervosa

Neurotransmissor

11.

REGULAÇÃO DO METABOLISMO

Sinalização endócrina

Hormônio

'

Q Célulaalvo

Contato direto

As vias metabólicas devem ser coordenadas, de modo que a produção de energia ou a síntese de produtos finais estejam de acordo com as necessidades da célula. Além disso, células individuais não funcionam isoladamente, mas são parte de uma comunidade de tecidos que interagem. Desse modo, um sofisticado sistema de comunicação evoluiu para coordenar as funções do organismo. Sinais regulatórios que informam uma determinada célula sobre o estado metabólico do organismo como um todo incluem hormônios, neurotransmissores e a disponibilidade de nutrientes. Esses, por sua vez, influenciam os sinais gerados dentro da célula (Figura 8.5). A. Sinais de dentro da célula (intracelulares)

Figura 8.5 Alguns mecanismos comumente usados para a transmissão de sinais reguladores entre células.

A velocidade de uma via metabólica pode responder a sinais reguladores que surgem de dentro da célula. Por exemplo, a velocidade de uma via pode ser influenciada pela disponibilidade de substratos, pela inibição ocasionada pelos produtos ou por alterações nos níveis de ativadores ou inibidores alostéricos. Esses sinais intracel ulares normalmente determinam respostas rápidas e são importantes para a regulação do metabolismo momento a momento.

8. Comunicação entre as células (intercelular)

O domínio extracelular contém o sitio de ligação para um ligante (um hormônio ou um neurotransmissor).

A capacidade de responder a sinais extracelulares é essencial para a sobrevivência e para o desenvolvimento de todos os organismos. A sinalização entre as células fornece uma integração mais ampla do metabolismo e normalmente resulta em uma resposta que é mais lenta, quando comparada com aquela observada com sinais que se originam dentro da cél ula. A comunicação entre células pode ser mediada pelo contato entre suas superfícies e, em alguns tecidos, pela formação de junções comunicantes, permitindo comunicação direta entre os citoplasmas de células adjacentes. Para o metabolismo energético, no entanto, a via mais importante de comunicação é a sinalização química entre as células, mediada, por exemplo, por hormônios trazidos pela corrente sangüínea ou por neurotransmissores. C. Sistemas de segundos mensageiros

transmembrana.

Figura 8.6 Estrutura de um receptor de membrana típico.

Hormônios ou neurotransmissores podem ser imaginados como sinais, e seus receptores como detectores de sinal. Cada componente serve como um elo na comunicação entre eventos extracelulares e alterações químicas dentro da célula. Muitos receptores sinalizam o reconhecimento de um ligante a eles ligado pelo desencadeamento de uma série de reações que, por fim, resulta em uma resposta intracelular específica. Moléculas denominadas "segundos mensageiros"- assim designadas por intervirem entre o mensageiro original (o neurotransmissor ou o hormônio) e o efeito final dentro da célula - são parte de uma cascata de eventos que traduz a ligação do hormônio ou neurotransmissor em uma resposta celular. Dois dos mais reconhecidos sistemas de segundos mensageiros são o sistema cálcio/fosfatidilinositol (veja a pág. 203) e o sistema da adenilato-ciclase, o qual é particularmente importante para a regulação das vias do metabolismo intermediário.


Bioquímica Ilustrada

D. Adenilato-ciclase O reconhecimento de um sinal químico por alguns receptores de mem1 brana, como os receptores adrenérgicos ~ e ~. irá disparar um aumento ou uma redução na atividade da adenilato-ciclase. Essa é uma enzima ligada à membrana, que converte ATP em 3',5'-monofosfato de adenosina (também denominado AMP cíclico ou AMPc). Esses sinais químicos são freqüentemente hormônios ou neurotransmissores, os quais se ligam especificamente a um determinado tipo de .receptor de membrana. Desse modo, tecidos que respondem a mais de um sinal químico devem apresentar diversos receptores diferentes, cada um dos quais pode estar ligado à adenilato-ciclase. (Nota: Certas toxinas, como aquela produzida pelo Vibrio cholerae, também podem ativar a cascata da adenilato-cic/ase, com conse2 qüências potencialmente desastrosas. ) Esses receptores caracterizam-se por apresentarem um domínio extracelular, onde ligam-se o ligante, sete hélices transmembrana e um domínio intracelular, que interage com proteínas G (Figura 8.6).

1.

2.

Proteínas reguladoras dependentes de GTP. O efeito da ocupação e da ativação do receptor sobre a formação do segundo mensageiro não é direto, mas mediado por proteínas triméricas especializadas que localizam-se na membrana celular. Essas proteínas, denominadas proteínas G por ligarem nucleotídeos da guanosina (GTP e GDP), formam um elo da cadeia de comunicação entre o receptor e a adenilato-cic/ase. A forma inativa da proteína G liga-se ao GDP (Figura 8.7). O receptor ativado interage com proteínas G, disparando uma troca de GDP por GTP. A proteína G trimérica, então, dissocia-se em uma subunidade a e um dímero ~'Y· A forma da subunidade a ligada ao GTP move-se do receptor para a adenilato-ciclase, que é então ativada. Muitas moléculas de proteína G ativa são formadas por um receptor ativado. (Nota: A capacidade de um hormônio ou neurotransmissor de estimular ou inibir a adenilato-ciclase depende do tipo de proteína G ligada ao receptor. Uma família de proteínas G, designadas G., é específica para a estimulação da adenilato-ciclase; outra família de proteínas G, designadas G;. causa inibição da enzima [não-mostrada na Figura 8.7].) As ações do complexo proteína G-GTP são de curta duração, pois a proteína G apresenta uma atividade GTPásica inerente, resulta ndo na hidrólise rápida do GTP a GDP. Isso causa a inativação da proteína G. Proteína-cinases. O próximo elo no sistema de segundo mensageiro do AMPc é a ativação, pelo AMPc, de uma família de enzimas denominadas proteína-cinases dependentes de AMPc, como, por exemplo, a proteína-cinase A (Figura 8.8). O AMPc ativa a proteína-cinase A ligandose às suas duas subunidades regulatórias, determinando a liberação das subunidades catalíticas ativas. As subunidades ativas catalisam a transferência de fosfato do ATP para resíduos específicos de serina ou treonina em proteínas que são substrato dessa enzima. As proteínas fosforiladas podem atuar diretamente sobre canais iônicos da célula ou podem tornar-se enzimas ativadas ou inibidas. A proteína-cinase A também pode fosforilar proteínas específicas, que se ligam a regiões promotoras no DNA, determinando um aumento na expressão de determinados genes. (Nota: Nem todas as proteína-cinases respondem ao AMPc; há diversos tipos de proteína-cinases que não são dependentes do AMPc, como, por exemplo, a proteína-cinase C, descrita na página 203.)

'

Veja o Capítulo 6 de Farmacologia Ilustrada (2" e 3" edições) para uma discussão acerca dos receptores adrenérgicos.

2

Veja a p. 185 de Microbiologia Ilustrada para uma discussão acerca da toxina da cólera (cholera).

O

O receptor, quando desocupado, não interage com a proteína G 5 •

Espaço eX1racelular

~

O

Hormônio ou neurotransmissor Membrana celular

Adenilatoc lclase i nativa

Citosol

fJ

93

O receptor, quando ocupado, sofre uma alteração conformaclonal e Interage com a proteína G8 , a qual libera o GDP e liga GTP.

GTP

Adenilatocic/ase i nativa

GDP

A subunidade a da proteína Gs se dissocia e ativa a adenilato-ciclase.

o

AMPc+ PP; Quando o hormônio não mais está presente, o receptor reverte para o estado basal. O GTP ligado à subunidade a é hidrolisado a GDP e a adenilato-ciclase é desativada.

(

P;

Adenilatociclase Inativa

Figura 8.7 O reconhecimento de sinais químicos por certos receptores de membrana dispara um aumento (ou, menos freqüentemente, um decréscimo) na atividade da adenilato-ciclase.


94

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Subunidades ~- ~""..,,...

3.

Desfosforilação de proteínas. Os grupos fosfato adicionados às proteínas pelas proteína-cinases são removidos pelas proteína-fosfatases - enzimas que cl ivam hidroliticamente ésteres de fosfato (veja a Figura 8.8). Isso assegura que mudanças na atividade enzimática, induzidas pela fosforilação de proteínas, não sejam permanentes.

4.

Hidró lise do AM Pc. O AMPc é rap idamente hidrolisado a 5' -AM P pela fosfodiesterase do AMPc, uma enzima de uma família que cliva ligações de 3',5'-fosfodiéster cíclico. O 5'-AMP não é uma molécula de sinalização intracelular. Desse modo, os efeitos do neurotransmissor ou do hormônio mediados pelo aumento do AMPc terminam rapidamente se o sinal extracelular for removido. (Nota: A fosfodiesterase é inibida por derivados de metilxantinas, como teofilina e cafeína. 3}

Subunidades catalíticas

regulatórias

proteína-cinase dependente de AMPc Adenilato·

ATP

ciclase )

··~1

-~ ~+­ ~~~ A ...

.r~

III. VISÃO GERAL DA GLICÓLISE

Unidade catatltica ativa da protelna-cinase

Proteína que funciona como substrato

f

)

Proteína fosforilada

~

ATP

ADP

P;

EFEITOS INTRACELULAR E$

Figura 8.8 Ações do AM Pc.

Proteína desfosforilada

A via glicolítica é utilizada em todos os tecidos para a quebra da glicose, com o objetivo de fornecer energia (na forma de ATP) e intermediários para outras vias metabólicas. A glicólise é o centro do metabolismo dos carboidratos, pois praticamente todos os glicídeos - sejam eles provenientes da dieta ou de reações catabólicas ocorrendo no o rganismo - podem ser, no final, convertidos em glicose (Figura 8.9A). O piruvato é o produto final da glicólise nas células que possuem mitocôndrias e um fornecimento adequado de oxigênio. Essa série de dez reações é denominada glicólise aeróbica, pois o oxigênio é necessário para a reoxidação do NADH formado durante a oxidação do gliceraldeído-3-fosfato (Figura 8.98 ). A glicólise aeróbica prepara as condições necessárias para a descarboxilação oxidativa do piruvato a acetii-CoA, o principal combustível do ciclo do ácido cítrico. Alternativamente, a glicose pode ser convertida em piruvato, que é reduzido pelo NADH para formar lactato (Figura 8.9C). Essa conversão de glicose em lactato é denominada glicólise anaeróbica, pois pode ocorrer sem a

Glicose-6-P .,__ Glicose

Glicose-6-P "'--' Glicose

H

H

Frutose-6-P

Frutose-6-P

<..

<..

Frutose-1 ,6-bis-P

t i

Frutose-1,6-bisfosfato

$

+

Gliceraldeído-3-P ~ DiidroxiNAD+------i acetona-P NADH ~ 1,3-Bisfosfoglicerato

H

3-Fosfoglicerato

Fosforilação oxidativa

NAD+

NADH ~

i

1 ,3-Bisfosfoglicerato

H 3-Fosfoglicerato

H

.(,t

2-Fosfoglicerato

2-Fosfoglicerato

H

H

Fosfoenolpiruvato

Fosfoenol piruvato

t

Piruvato

+

Gliceraldefdo-3-P ~ Diidroxia--..j cetona-P

t

Lactato -<::::::::::=~ Piruvato

Figura 8.9 A. Glicólise, mostrada como uma das vias essenciais do metabolismo energético. 8. Reações da glicólise aeróbica. C. Reações da glicólise anaeróbica. 3

Veja o Capitulo 10 de Farmacologia Ilustrada (2' e 3• edições) para uma discussão acerca dos derivados da metilxantina como droga.


95

Bioquímica Ilustrada

participação do oxigênio. A glicôlise anaerôbica permite a produção contínua de ATP em tecidos que não apresentam mitocôndrias (por exemplo, os eritrôcitos) ou em células em que o oxigênio esteja em quantidade insuficiente.

Glicose Espaço extracelular

IV. TRANSPORTE DA GLICOSE PARA DENTRO DAS CÉLULAS A glicose não pode difundir diretamente para dentro das cél ulas. Portanto, ela utiliza um dos dois seguintes possíveis mecanismos de transporte: um sistema de transporte por difusão facilitada, independente de Na•, ou um sistema de cotransporte monossacarídeo-Na•. A. Transporte por difusão facilitada, independente de Na• Esse sistema é mediado por uma família de pelo menos 14 transportadores de glicose encontrados nas membranas celulares. Eles são designados GLUT-1 a GLUT-14 (isoformas 1 a 14 dos transportadores de glicose, glucose transporters). Esses transportadores ocorrem na membrana em dois estados conformacionais (Figura 8.1 0). A glicose extracelular liga-se ao transportador, o qual, então, sofre uma alteração em sua conformação, transportando a glicose através da membrana. 1.

2.

Especificidade tecidual da expressão gênica dos GLUTs. Os transportadores de glicose apresentam um padrão de expressão com especificidade tecidual. Por exemplo, o GLUT-3 é o principal transportador da glicose nos neurônios. O GLUT-1 é abundante nos eritrôcitos e no encéfalo, mas apresenta pouca expressão no músculo do adulto, enquanto o GLUT-4 é abundante no tecido adiposo e no músculo esquelético. (Nota: O número de transportadores ativos do tipo GLUT-4 nesses tecidos é aumentado pela insulina. [Veja a pág. 310 para uma discussão a respeito do papel da insulina no transporte da glicose.)) As demais isoformas de GLUT também apresentam distribuição com especificidade tecidual. Funções especializadas das isoformas de GLUT. Na difusão facilitada, o movimento da glicose segue um gradiente de concentração, ou seja, de uma concentração maior de glicose para uma menor. Por exemplo, GLUT-1 , GLUT-.3 e GLUT-4 estão envolvidos principalmente na captação de glicose a partir do sangue. Em contraste, o GLUT-2, que é encontrado no fígado, no rim e nas células ~ do pâncreas, pode transportar a glicose tanto para dentro dessas células, quando os níveis de glicose no sangue estão altos, quanto das células para o sangue, quando os níveis sangüíneos de glicose estiverem baixos (por exempl o, no jejum). O GLUT-5 é singular, no sentido de que é o principal transportador para a frutose (em vez da glicose) no intestino delgado e nos testículos. O GLUT-7, encontrado no fígado e em outros tecidos gliconeogênicos, medeia o fluxo de glicose através da membrana do retículo endoplasmático.

B. Sistema de co-transporte monossacarídeo-Na• Esse é um processo que requer energia e que transporta a glicose "contra" um gradiente de concentração - ou seja, de concentrações menores de glicose, fora da célula, para um meio com concentrações maiores, no interior da célula. Esse sistema é um processo mediado por carreador, no qual o movimento da glicose está acoplado ao gradiente de concentração do Na•, o qual é transportado concomitantemente à glicose para o interior da célula. Esse tipo de transporte ocorre nas células epiteliais do intestino, túbulos renais e plexo corôide.

/">oli -u,

Transportador

J de glicose

('?~ (estado1)

\J()

Membrana celular

Citosol

Espaço extracelular

n (fij

J

Transportador de glicose

'~""· 2)

li o

Citosol

Figura 8.10 Representação esquemática do transporte facilitado de glicose através de uma membrana celular.

Fase de investimento de energia

{< t J t

2ATP

4AOP

Fase de produção de energia

2NAD+

L

> >

Produção líquida (glicólise aeróbica): Glicose 2ADP 2 NAO+

2 Piruvato 2ATP 2NAOH

Figura 8.11 As duas fases da glicôlise aeróbica.


96

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

V. REAÇÕES DA GLICÓLISE

o C-H H-C-OH HO-C-H H-C - OH H -C - OH H -Ç- OH H o-Glicose

~ATP

t~ADP

A conversão de glicose em piruvato acontece em dois estágios (Figura 8.11 ). As cinco primeiras reações da glicólise correspondem a uma fase de investimento de energia, na qual as formas fosforiladas dos intermediários são sintetizadas, à custa de gasto de ATP. As reações subseqüentes da glicólise constituem uma fase de produção de energia, na qual ocorre uma produção líquida de duas moléculas de ATP por molécula de glicose metabolizada, por fosforilação no nível do substrato. (Nota: Duas moléculas de NADH são formadas quando é produzido piruvato [glicólise aeróbica], enquanto o NADH é convertido novamente em NAD+ quando o lactato for o produto final [glicólise anaeróbica].)

o A. Fosforilação da glicose

C-H H-C-OH HO-C-H H-C-OH H-C - OH

H-c-o-® H

Glicose-6-fosfato

Figura 8.12 Fase de investimento de energia: fosforilação da glicose.

Moléculas fosforiladas de glicídeos não atravessam facilmente as membranas celulares, pois não há carreadores específicos na membrana para esses compostos, e eles são muito polares para difundir através da membrana celular. A fosfori lação irreversível da glicose (Figura 8.12), portanto, retém efetivamente o glicídeo na forma de glicose-6-fosfato citosólica, assegurando assim seu posterior metabolismo na célula. Os mamíferos possuem diversas isoformas da enzima hexocinase, que catalisa a fosforilação da glicose a glicose-6-fosfato. 1.

Hexocinase. Na maior parte dos tecidos, a fosforilação da glicose é catalisada pela hexocinase, uma das três enzimas reguladoras da glicólise (veja também a fosfofrutocinase e a piruvato-cinase) . A hexocinase apresenta especificidade ampla quanto ao substrato e é capaz de fosforilar diversas hexoses, além da glicose. A hexocinase é inibida pelo produto da reação, a glicose-6-fosfato, que se acumula quando a metabolização dessa hexose-fosfato está reduzida. A hexocinase apresenta um baixo Km (e, portanto, uma alta afinidade, veja a pág. 59) para a glicose. Isso permite a fosforilação eficiente e o metabolismo subseqüente da glicose, mesmo quando as concentrações teciduais da mesma estiverem baixas (Figura 8.1 3). A hexocinase, entretanto, apresenta baixa vmax para a glicose e, portanto, não pode seqüestrar (reter) fosfato celular na forma de hexoses fosforil adas, ou fosforilar maior quantidade de glicídeos que a célula pode utilizar.

2.

Glicocinase. Nas células do parênquima hepático e nas células das ilhotas no pâncreas, a glicocinase (também denominada hexocinase O, ou do tipo IV) é a principal enzima responsável pela fosforilação da glicose. Nas células ~ . a glicocinase funciona como um sensor de glicose, determinando o limiar para a secreção de insulina. No fígado, a enzima facilita a fosforilação da glicose durante uma hiperg licemia. (Nota: A despeito do nome popular - embora algo equívoco - da glicocinase, a especificidade dessa enzima quanto ao substrato é semelhante à especificidade das demais isozimas hexocinases.)

Concentração de glicose sangüínea no jejum Vmax

--- - --- ----- - -- -- -- --ãJicõCinãse --- -

Vmax hexocinase

Hexocinase

5

\o

15

20

Km Hexocinase

G licocinase

Concentração de g licose, mmoi/L

Figura 8.13 Efeito da concentração de glicose sobre a velocidade da reação de fosforilação, catalisada pela hexocinase e pela glicocinase.

a.

Cinética. A glicocinase difere da hexocinase quanto a diversas propriedades importantes. Por exemplo, ela apresenta um Km muito maior, requerendo uma maior concentração de glicose para hemissaturação (veja a Figura 8.13). Desse modo, a glicocinase funciona apenas quando a concentração intracelular de glicose no hepatócito está elevada, como durante o breve período que se segue ao consumo de uma refeição rica em carboidratos, quando altas quantidades de glicose são levadas até o fígado via veia porta. A glicocínase apresenta alta vmax• permitindo que o fígado remova eficientemente o excesso de gl icose fornecido pe la circulação porta. Isso impede que grandes quantidades de glicose cheguem


Bioqu ímica Ilustrada

97

à circulação sistêmica após uma refeição rica em carboidratos e, assim, minimiza a hiperglicemia durante o período absortivo. (Nota: O GLUT-2 assegura que a glicose sangüínea equilibre-se rapidamente entre os dois lados da membrana do hepatócito.) b.

c.

Regulação pela frutose-6-fosfato e pela glicose. A atividade da glicocinase não é inibida alostericamente pela glicose-6-fosfato, diferentemente das demais hexocinases, sendo, porém, inibida indiretamente pela frutose-6-fosfato (a qual está em equilíbrio com a glicose-6-fosfato) e estimulada indiretamente pela glicose, pelo mecanismo descrito a seguir. No núcleo dos hepatócitos, há uma proteína reguladora da glicocinase. Na presença de frutose-6-fosfato, a glicocinase é translocada para o núcleo, onde liga-se fortemente à proteína reguladora, o que inativa essa enzima (Figura 8.14). Quando aumentam os níveis de glicose no sangue (e também no hepatócito, em conseqüência da função do GLUT-2), a glicose induz a liberação da glicocinase de sua proteína reguladora, e a enzima retorna ao citosol, onde fosforila a glicose, dando glicose-6-fosfato. À medida que os níveis de glicose livre diminuem, a frutose-6-fosfato faz com que a glicocinase seja translocada de volta para o núcleo, onde se liga à proteína reguladora, inibindo assim a atividade da enzima. Regulação pela insulina. A atividade da glicocinase nos hepatócitos também é aumentada pela insulina. À medida que os níveis de glicose no sangue aumentam após uma refeição, as células ~ do pâncreas são estimuladas a liberar insulina na circulação porta. (Nota: Aproximadamente metade da insulina recém-secretada se ligará ao fígado durante a primeira passagem por esse órgão. O fígado está, portanto, exposto a duas vezes mais insulina, em relação àquela observada na circulação sistêmica.) A insulina também promove a transcrição do gene da glicocinase, resultando em um aumento da proteína enzimática no fígado e, assim, da atividade total da glicocinase. (Nota: A ausência da insulina, em pacientes com diabetes, causa uma deficiência na glicocinase hepática. Isso contribui para a incapacidade do paciente em diminuir eficientemente os níveis sangüíneos de glicose.)

B. lsomerização da glicose-6-fosfato A isomerização da glicose-6-fosfato, com produção de frutose-6-fosfato, é catalisada pela fosfoglicose -isomerase (Figura 8.15) . A reação é facilmente reversível e não é um passo limitante ou regulado. C. Fosforilação da frutose-6-fosfato A reação irreversível de fosforilação, catalisada pela fosfofrutocinase-1 (PFK-1) é o mais importante ponto de controle e o passo limitante da velocidade da glicólise (Figura 8.16). A PFK-1 é controlada pelas concentrações disponíveis de seus substratos, ATP e frutose-6-fosfato, e pelas substâncias reguladoras descritas a seguir. 1.

Regulação pelos níveis energéticos dentro da célula. A PFK-1 é inibida alostericamente por níveis elevados de ATP, o qual alua como um sinal de "riqueza energética", indicando uma abundância de compostos de alta energia. Níveis elevados de citrato, um intermediário do ciclo dos ácidos tricarboxílicos (veja a pág . 109), também inibem a PFK-1. Essa enzima, por outro lado, é ativada alostericamente por altas concentrações de AMP, que sinaliza depleção das reservas de energia da célula.

t t

F6P

t

G/icocinase (GK) (inativa)

Piruvato

Figura 8.14 Regulação da atividade da glicocinase pela prote ína reguladora da glicocinase.

o C-H H-C-OH HO-C-H H-C-OH H-C-OH

H-c-o-® H

lt

Glicose-6-fosfato Fo sfoglicose1somerase

~

H

H-C-OH CoO HO-C-H H-C- OH H-C-OH

H-c-o-® H

Frutose-6-fosfato

Figura 8.15 lsomerização da glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato.


98

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

2.

Frutose-6-fosfato

H

H-9-o-® C =O

HO-C-H I

~ H~~u®

~

Frutose-1,6-bisfosfato

~aseA

~

9 H C ,..

( >

®

HC

a.

Durante o estado alimentado. A diminuição nos níveis de glucagon, juntamente com níveis elevados de insulina, como ocorre após uma refeição rica em carboidratos, causa um aumento na frutose-2,6-bisfosfato e, portanto, na velocidade da glicólise no fígado (veja a Figura 8.17) . Desse modo, a frutose-2,6-bisfosfato atua como um sinal intracelular, indicando abundância de glicose.

b.

Durante o jejum. Níveis elevados de glucagon e baixos de insulina, como ocorre durante o jejum (veja a pág. 327) , determinam uma diminuição na concentração intracelular de frutose-2 ,6-bisfosfato hepática. Isso resulta em uma diminuição na velocidade geral da glicólise e um aumento na gliconeogênese.

<?=o

H- C - OH H

Triosefosfato-

H

H

H-c -o-®

Regulação pela frutose-2,6-bisfosfato. A frutose-2,6-bisfosfato é o mais potente ativador da PFK-1 (veja a Figura 8.16). Esse composto também atua como inibido r da frutose-1 ,6-bisfosfatase (veja a pág. 11 9 para uma discussão acerca da regulação da gliconeogênese) . As ações recíprocas da frutose-2,6-bisfosfato sobre a glicólise e a gliconeogênese asseguram que essas vias não estejam completamente ativas ao mesmo tempo. (Nota: Isso resu ltaria em um "ciclo fútil", em que a glicose seria convertida em piruvato, seguindo-se nova síntese de glicose a partir do piruvato.) A frutose-2,6-bisfosfato é formada pela fosfofrutocinase-2 (PFK-2), uma enzima diferente da fosfofrutocinase1. A frutose-2,6-bisfosfato é convertida novamente em frutose-6-fosfato pela frutose-bisfosfatase-2 (Figura 8.17). (Nota: As atividades cinásica e fosfatásica são diferentes domínios de uma molécula polipeptídica bifuncional.)

;somerase

Gliceraldeído3-fosfato

Oíidroxiacetonafosfato

Figura 8.16 Fase de investimento de energia (continuação): conversão da frutose6-fosfato em trioses-fosfato.

nmrmmrm~~~~~rm~

~~~UM~MMUM~~~MW~~~~~~~~~~u.~~~UM~~~~MM~~~ Ativação de muitas enzimas

O

Uma razão insulina/glucagon elevada causa uma diminuição no AMPc e redução nos níveis de proteína-cinase A ativa.

ATP

AMPc 'I

~

17

protefna-cinase Ã'ativa

.

.. ____ ,.. ___ 1

--------.

I I

~ Frutose-6-fos fato

Glicólise

:::::::::>

fJ

Frutose-6-fosfato

Diminuição na atividade da proteínacinase A favorece a desfosforilação do complexo PFK-2/FBP-2.

., r I

moooo-s p '-' Gloooso

.t

ATP

'•,,

~ ~#

Frutos o-6 · P

GllcOioldeldo-3-P

-:-----.

"'> DHAP

p

~

\

1

}

p ADP

<. Frutose-1 6-bi s.P

_. . ~ ... 11.~->

ADP

'(

H 1,3-BtSiosfogllccta!O

lt

p

3-Foslogllçcroto

!I

Frutose

Enzima bifuncio nal

~ .6 -bisfosfato

2-Fosioghc&rato

lt Fosloenolp1ruva1o

ft Concentrações elevadas de frutose-2,6-bisfosfato ati vam a PFK- 1, Iii levando a um aumento na velocidade da glicólise.

A PFK-2 desfosforilada é ativa, enquanto a FBP-2 é i nativa; isso favorece a produção da frutose-2,6-bisfosfato.

Figura 8.17 , Efeito de concentrações elevadas de insulina sobre a concentração intracelular de frutose-2,6-bisfosfato no fígado. PFK-2 = fosfofrutocinase-2; FBP-2 =frutose -bisfosfato-fosfatase-2.


Bioquímica Ilustrada

O. Clivagem da frutose-1 ,6-bisfosfato A a/do/ase A cliva a frutose-1 ,6-bisfosfato, dando diidroxiacetona-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato (veja a Figura 8.16). A reação é reversível e não é regulada. (Nota: A aldolase 8 , no fígado e no rim, também cliva a frutose-1,6-bisfosfato e funciona no metabolismo da frutose da dieta [veja a pág. 136).) E.

99

o

C-H H-C-OH H-Ç-o-® H Gliceraldeído3-fosfato

lsomerização da diidroxiacetona-fosfato A triose-fosfato-isomerase interconverte essas duas trioses, a diidroxiacetona-fosfato e o gliceraldeído-3-fosfato (veja a Figura 8.1 6). A diidroxiacetona-fosfato isomeriza, dando gliceraldeído-3-fosfato, para um posterior metabolismo pela via glicolítica. Essa isomerização resulta na produção líquida de duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato pelos produtos da cl ivagem da frutose-1 ,6-bisfosfato.

o

é- o-® H-C-OH H-Ç-o-® H

F.

Oxidação do gliceraldeído-3-fosfato A conversão do gliceraldeído-3-fosfato em 1,3-bisfosfoglicerato pela g/icera/deído-3-fosfato-desidrogenase é a primeira reação de oxidação-redução da glicólise (Figura 8.18). (Nota: Uma vez que há apenas uma quantidade limitada de NAo• na célu la, o NADH produzido nessa reação deve ser reoxidado a NAo • para que a glicólise continue. Os dois principais mecanismos para a oxidação do NADH são: [1) a conversão ligada ao NADH de piruvato em lactato [veja a pág. 101) e [2) a oxidação do NADH via cadeia respiratória [veja a pág. 75).) 1.

2.

3.

Síntese do 1 ,3-bisfosfoglicerato. A oxidação do grupo aldeído do g liceraldeído-3-fosfato a um grupo carboxi la está acoplada à ligação de um P; a esse grupo carboxila. O grupo fosfato de alta energia no carbono 1 do 1,3-bisfosfoglicerato (1 ,3-BPG) conserva boa parte da energia livre produzida pela oxidação do glice raldeído-3-fosfato. A energia desse fosfato de alta energia impele a síntese de ATP na próxima reação da glicólise. Mecanismo do envenenamento pelo arsênico. A toxicidade do arsênico é explicada principalmente pela inibição de enzimas como a piruvato-desidrogenase, que requer ácido lipóico como co-fator (veja a pág. 107). No entanto, o arsênico pentavalente (arsenato) também impede a produção líquida de ATP e de NADH durante a glicólise, sem a inibição da via em si. Isso ocorre porque o arsenato compete com o fosfato inorgânico como substrato da g/icera/deído-3-fosfato-desidrogenase, formando um complexo que espontaneamente hidrolisa, para produzir 3-fosfoglicerato (veja a Figura 8.18). Por passar ao largo da síntese e da desfosforilação do 1 ,3·BPG, a célula é privada da energia normalmente obtida na via glicolítica. Síntese de 2,3-bisfosfoglicerato nos eritróc itos. Parte do 1 ,3-bisfosfoglicerato é convertida em 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) por ação da bisfosfoglicerato-mutase (veja a Figura 8.18). O 2,3-BPG, que é encontrado apenas em quantidades-traço na maior parte das células, está presente em alta concentração nos eritrócitos (veja a pág. 31 ). O 2,3-BPG é hidrolisado por uma fosfatase, dando 3-fosfoglicerato, que também é um intermediário da glicólise (veja a Figura 8. 18). Nos eritrócitos, a glicólise é modificada pela inclusão desses "desvios" de reações.

1,3-Bisfosfoglicerato

t

ADP~e

g_o-

H-Ç-o-® H-C-O-@

Fosloglicerato cinsse

ATP

2,3-Bisfosf~glicerato

9c-o- ~H 2 0 H-c-oH Fosfatase H-c-o-® H ®-oH 3-Fosfoglicerato

Fosfoglicerato-t·l mutase ~

o

é-oH-Ç-o-® H-C-OH H 2-Fosfoglicerato

Eno/asef'l

t~ H20

o c-o-

c-o-®

H-C-H

Fosfoenolpiruvato

~~

Piruvatocmase ~ O

Frutose-1 ,6bisfosfato

ATP

c-oC=o

H-C-H H

Plruvato

Figura 8.18 Fase de produção de energia: conversão de gliceraldeído-3-fosfato em piruvato.


1 00

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

G. Síntese do 3-fosfoglicerato, com produção de AT P Quando o 1 ,3-BPG é convertido em 3-fosfoglicerato, o grupo fosfato de alta energia do 1,3-BPG é utilizado na síntese de ATP a partir de AD P (veja a Fig u ~a 8. 18). Essa reação é catalisada pela fosfoglicerato-cinase, a qual, diferentemente da maior parte das demais cinases, é fisiologicamente reversível. Uma vez que duas moléculas de 1 ,3-BPG são produzidas para cada molécula de glicose que entra na via glicolítica, a reação dessa cinase repõe as duas moléculas de ATP consumidas na formação inicial de g licose-6-fosfato e frutose-1 ,6-bisfosfato. (Nota: Esse é um exemplo de fosfo ri lação no n íve l do substrato, em que a prod ução de um fosfato de alta e nergia está diretamente acoplada à oxidação de um substrato, em vez de resultar da fosforilação oxidativa, via cadeia transportadora de elétro ns.) H. Troca do g rupo fosfato do carbono 3 para o carbono 2 A troca do grupo fosfato do carbono 3 para o carbono 2 do fosfoglicerato pela fosfoglicerato-mutase é livremente reversível (veja a Figura 8.18).

I.

Desidratação do 2-fosfogl icerato A desidratação do 2-fosfoglicerato pela enolase redistribui a energia dentro da molécula do 2-fosfoglicerato, resultando na formação do fosfoenolpiruvato (PEP), que contém um enol fosfato de alta energia (veja a Figura 8 .1 8). A reação é reversível, apesar do produto ser um composto de alta energia.

J. Formação d o p iruvato, com p rodução de ATP A conversão do PEP em piruvato é catalisada pela piruvato-cinase, a terceira reação irreversível da glicólise. O equilíbrio da reação da piruvatocinase favorece a síntese de ATP (veja a Figura 8.18). (Nota: Esse é outro exemplo de fosforilação no n ível do s ubstrato.)

ATP

1.

Regulação por proação. No fígado, a piruvato-cinase é ativada pela frutose-1 ,6-bisfosfato, o produto da reação da fosfofrutocinase. Essa regulação por proação (em vez da mais comum, por retroalimentação) tem o efeito de unir as atividades das duas cinases: um aumento na atividade da fosfofrutocinase resulta em níveis elevados de frutose-1 ,6bisfosfato, ativando a piruvato-cinase.

2.

Modulação covalente da p iru vato-cinase. A fosforilação por uma proteína-cinase dependente de AMPc leva à inativação da piruvatocinase no fígado (Figura 8.1 9). Quando os níveis sangüíneos de glicose estão baixos, um a umento no glucagon induz elevação nos n íve is intracelulares de AMPc, levando à fosfori lação e à conseqüente inativação da piruvato-cinase. Desse modo, o fosfoenolpiruvato não pode prosseguir na via glicolítica, entrando, então, na via da gliconeogênese. Isso explica, em parte, a inibição da glicólise e a estimulação da gliconeogênese observadas em resposta ao glucagon. A desfosforilação da piruvato-cinase por uma fosfoproteína -fosfatase resulta na reativação da enzima.

3.

Deficiência da p iruvato-cinase. Um eritrócito maduro normal não apresenta mitocôndrias e é, portanto, completamente dependente da glicólise para a produção de ATP. Esse composto de alta energ ia é necessário para satisfazer as necessidades energéticas do eritrócito e também para alimentar as bombas necessárias para a manutenção

AMPc +PP;

'1

Pro teína-cinas e A ativa

PEP ADP

p

ADP

~ ATP ,~,_--

Piruvato

Figura 8.19 Modificação covalente da piruvatocinase, resultando em inativação da enzima.


Bioquímica Ilustrada

da forma bicôncava e flexível dessa célula, o que permite que ela force seu caminho por capilares muito estreitos. A anemia observada na deficiência de enzimas glicolíticas é uma conseqüência da redução da velocidade da glicólise, levando à diminuição na produção de ATP. As alterações na membrana da célula vermelha do sangue, resultantes dessa condição, levam a mudanças no formato da célula e, por fim , a sua fagocitose por células do sistema reticuloendotelial, especi almente por macrófagos do baço. A lise e morte prematura dessas células vermelhas resulta em anemia hemolítica. Entre os pacientes com defeitos genéticos em enzimas glicolíticas, cerca de 95% apresentam deficiência na piruvato-cinase e 4% apresentam deficiência na fosfog/icose-isomerase. A deficiência de piruvatocinase (PK) é a segunda causa mais comum de anemia hemolítica re lacionada a enzimas (perdendo apenas para deficiência da glicose-6-fosfato-desidrogenase). A deficiência de PK restringe-se aos eritrócitos e produz anemia hemolítica (destruição dos eritrócitos) crônica, de moderada a grave, em que a forma grave requer transfusões regulares de eritrócitos. A gravidade da doença depende do grau de deficiência enzimática (geralmente de 5 a 25% dos níveis normais) e do grau em que os eritrócitos do paciente sejam capazes de compensar a deficiência, sintetizando níveis aumentados de 2,3BPG (veja a pág. 31 ). Quase todos os indivíduos com deficiência de PK possuem uma enzima mutante que apresenta propriedades anormais- freqüentemente, alterações na cinética (Figura 8.20).

K. Redução de piruvato a lactato O lactato, formado pela ação da lactato-desidrogenase, é o produto final da glicólise anaeróbica nas células eucarióticas (Figura 8.21). A formação do lactato é o principal destino do piruvato nos eritrócitos, no cristalino e na córnea do olho, na medula renal, nos testículos e nos leucócitos.

1.

Formação de lactato no músculo. No músculo esquelético em exercício, a produção de NADH (pela glicera/deído-3-fosfato-desidrogenase e pelas três desidrogenases dependentes de NAD• do ciclo do ácido cítrico) excede a capacidade oxidativa da cadeia respiratória. Isso resulta em um aumento na razão NADH/ NAD·, favorecendo a redução de piruvato a lactato. Portanto, durante o exercício intenso, o lactato se acumula no músculo, causando uma diminuição no pH intracelular, podendo levar a cãibras*. Muito desse lactato acabará difundindo para a corrente sangüínea, podendo ser utilizado pelo fígado para produzir glicose (veja a pág. 116).

2.

Consumo do lactato. O sentido da reação da /actato-desidrogenase depende das concentrações intracelulares relativas de piruvato e lactato e da razão NADH/NAD+ na célula. Por exemplo, no fígado e no coração, a razão NADH/NAD+ é mais baixa que no músculo em exercício. Esses tecidos oxidam lactato (obtido a partir do sangue), produzindo piruvato. No fígado, o piruvato pode ser convertido em glicose, pela gliconeogênese, ou oxidado no ciclo do ácido cítrico. O músculo cardíaco oxida lactato a C02 e H20, via ciclo do ácido cítrico.

101

Glicose-6-P "-' Glicose F A enzima pode apresentar uma resposta anormal ao ativador frutoseFru 1,6-bisfosfato.

Piruvatocinase

ATP Piruvato

H Lactato A atividade ou a estabilidade da enzima pode estar alterada ou a quantidade de enzima pode estar diminuída.

Figura 8.20 Alterações observadas em várias formas mutantes da piruvato-cinase.

Piruvato

NADH +

H+~CNADH +H+

Lactatodesidrogenase

NAD+

NAD+

çooH-c-oH CH3 Lactato

N. de T. A maioria dos autores considera que o lactato pode estar envolvido na dor muscular percebida durante o exercício (como um dos fatores), porém não na cãibra muscular (contração súbita e intensa do músculo, determinada por hiperexcitabilidade do neurõnio motor) . Acredita-se que a cãibra durante o exercício seja determinada por um desequilíbrio nas concentrações de eletrólitos, induzido pela sudorese, porém não há consenso a esse respeito.

Figura 8.21 lnterconversão de piruvato e lactato.


102

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

3. Glicose

ATP ADP

;JI •

Glicose-6-P

Frutose-6-P

=>ti

ATP ADP~ r--------,

Frutose-1,6-bisfosfato

Produção de NADH

Gliceraldeído-3-P

t

(

I

~

3> DHAP

i

2N91 :;;itI

2 NAD+

p, _

L

Produção de energia com a glicólise Apesar da produção de uma certa quantidade de ATP durante a glicólise, os produtos finais, piruvato ou lactato, ainda retêm a maior parte da energia originalmente contida na glicose. O ciclo do ácido cítrico é necessário para liberar completamente essa energia (veja a pág. 107).

2 (1 ,3-Bisfosfoglicerato)

2ADP 2ATP

1.

Glicólise anaeróbica. Duas moléculas de ATP são geradas para cada molécula de glicose convertida em duas moléculas de lactato (Figura 8.22). Não há produção ou consumo líquido de NADH. A glicólise anaeróbica, embora liberando apenas uma pequena fração da energia contida na molécula da glicose, é uma fonte valiosa de energia em diversas condições, como (1) quando o suprimento de oxigênio é limitado, como no músculo durante o exercício intenso e (2) em tecidos com poucas mitocôndrias ou nenhuma delas, como a medula renal, os eritrócitos maduros, os leucócitos e as células do cristalino, da córnea e dos testículos.

2.

Glicólise aeróbica. A produção e o consu mo diretos de ATP é o mesmo que aqueles da glicólise anaeróbica, ou seja, um ganho líquido de dois ATPs por molécula de glicose. Duas moléculas de NADH são também produzidas para cada molécula de glicose. A glicólise aeróbica requer a oxidação da maior parte desse NADH pela cadeia de transporte de elétrons, produzindo aproximadamente três ATPs para cada molécula de NADH que chega à cadeia respiratória (veja a pág. 77).

2 (3-Fosfoglicerato)

~t

2 (2-Fosfoglicerato)

~t

2 (Fosfoenolpiruvato)

2ADP : d

2A~P~.

,'"""")K 2 NAD+

'"'"~")

2 NADH + 2H+

VI. Figura 8.22 Resumo da glicólise anaeróbica. As reações envolvendo a produção ou o consumo de ATP ou NADH estão indicadas. As reações irreversíveis da glicólise são mostradas com setas grossas. DHAP = diidroxiacetonafosfato.

Acidose láctica. Concentrações elevadas de lactato no plasma, uma condição denominada acidose láctica, ocorrem quando há um colapso do sistema circulatório, como em um infarto do miocárdio, em uma embolia pu lmonar ou na hemorragia não-controlada, ou quando o indivíduo está em choque. A falha em levar quantidades adequadas de oxigênio aos tecidos resulta em prejuízo na fosforilação oxidativa e diminuição na síntese de ATP. Para sobreviver, as cé lulas utilizam a glicólise anaeróbica como um sistema auxiliar para a produção de ATP, produzindo ácido láctico como produto final. (Nota: A produção de quantidades escassas de ATP pode significar a sobrevivência da célula, durante o período necessário para o restabelecimento de um fluxo adequado de sangue para os tecidos.) O aumento no oxigênio, necessário para a recuperação após um período em que a sua disponibilidade foi inadequada, é denominado débito de oxigênio. Esse débito está freqüentemente relacionado à morbidade ou à mortalidade de pacientes. Em muitas situações clínicas, a medida dos níveis sangüíneos de ácido láctico fornece uma detecção rápida do débito de oxigênio. Por exemplo, os níveis sangüíneos de ácido láctico podem ser utilizados para avaliar a presença e a gravidade de um choque e para monitorar a recuperação do paciente.

REGULAÇÃO HORMONAL DA GLICÓLISE A regulação da glicólise por ativação ou inibição alostérica, ou por fosforilação/desfosforilação de enzimas-chave, é de curto prazo- ou seja, influencia o consumo de glicose durante períodos de minutos ou horas. Sobrepostas a esses efeitos que mudam de momento a momento estão influências hormonais, mais lentas e normalmente mais profundas, sobre a quantidade de proteína enzimática sintetizada. Esses efeitos podem resultar em aumentos da atividade enzimática de 10 a 20 vezes, que tipicamente ocorrem ao longo de horas a dias. Embora o foco deste capítulo seja a glicólise, alterações recíprocas ocorrem nas enzimas-chave da gliconeogênese, que são


Bioquímica Ilustrada

descritas no Capítulo 1O (veja a pág. 115). Consumo regular de refeições ricas em carboidratos ou administração regular de insulina determinam um aumento nas quantidades de glicocinase, fosfofrutocinase e piruvato-cinase no fígado (Figura 8.23). Essas mudanças refletem um aumento na transcrição gênica, resultando em aumento na síntese dessas enzimas. Uma alta atividade dessas três enzimas favorece a conversão de glicose em piruvato, uma característica do estado alimentado (veja a pág. 31 9). Por outro lado, a transcrição gênica e a síntese de glicocinase, fosfofrutocinase e piruvatocinase estão diminuídas quando o glucagon plasmático está alto e a insulina está baixa, como por exemplo no jejum e no diabetes.

VIl.

DESTINOS ALTERNATIVOS DO PIRUVATO

Glicose Glicocinase

,

I ,O ~ l!@li!!,@M

~

O "(•n..unnuQII[$(•(elel

Glicose-6-P

H Frutose-6-P Fosfofruto-

cinase

,

I ,O

~

O

~l!@iii!.@M ~...........Cijii[f[.[,Hi

Frutose-1 ,6-bisfosfato

t Gliceraldeido-3-P

li

A. Descarboxilação oxidativa do piruvato

A carboxilação do piruvato a oxalacetato (OAA) pela piruvato-carboxilase é uma reação dependente de biotina (veja a Figura 8.24). Essa reação é importante, pois repõe os intermediários do ciclo do ácido cítrico e fornece substrato para a gliconeogênese (veja a pág. 116).

C. Redução de piruvato a etanol (microrganismos) A conversão de piruvato em etanol ocorre por meio de duas reações, resumidamente mostradas na Figura 8.24. A descarboxilação do piruvato pela piruvato-descarboxilase ocorre e.m fungos e em certos microrganismos, mas não em humanos. A enzima requer, como coenzima, a tiamina-pirofosfato e catalisa uma reação semelhante àquela descrita para a piruvato-desidrogenase (veja a pág. 108).

VIII.

RESUMO DO CAPÍTULO

A maior parte das vias pode ser cla ssificada como catabólica (degrada moléculas complexas em uns poucos produtos simples) ou anabólica (sintetiza produtos finais complexos a partir de precurso res simples). As reações catabólicas também capturam energia química na fo rma d e ATP, a partir da degradação de moléculas ricas em energia. As reações anabólicas requerem energia, que é geralmente fornecida pela quebra do ATP. A velocidade de uma via metabólica pode responder a sinais reguladores, por exemplo ativadores ou inibidores alostéricos, originá rios de dentro da célula. A sinalização entre células fornece uma integração do metabolismo. A mais importante forma para esse tipo de comunicação é a sinalização química entre células, por meio, por exemplo, de hormônios ou neurotransmissores. Moléculas que funcionam como segundos mensageiros fazem a retransmissão do sinal químico (hormônio ou neurotransmissor) para respostas intracelulares adequadas. A adenilato-ciclase é uma enzima ligada à membrana que sintetiza AMP cíclico (AMPc) em resposta a sinais q uímicos, como os hormônios glucagon e adrenalina. Após a ligação de um hormônio a seu recepto r na superfície celular, uma proteína regu-

~

o/ Diidroxi· acetona-P

1 ,3-Bisfosfoglicerato

A descarboxilação oxidativa do piruvato pelo complexo da piruvato-desidrogenase é uma via importante nos tecidos com alta capacidade oxidativa, como o músculo cardíaco (Figura 8.24). A p iruvato-desidrogenase converte irreversivelmente o piruvato, produto fina l da glicólise, em acetii-CoA, principal combustível para o ciclo do ácido cítrico (veja a pág. 107) e bloco construtivo para a síntese de ácidos graxos (veja a pág. 181).

B. Carboxilação do piruvato a oxalacetato

103

H 3-Fosfoglicerato

H 2-Fosfoglicerato

-H

Fosfoenolpiruvato Piruvato-

cinase

, 1_o ~

O

~••·Miii!.GM

-<...........Cfflll!ffi[.[·j,i

Piruvato

H Lacta to

Figura 8.23 Efeito da insulina e do glucagon sobre a síntese de enzimas-chave da glicólise no fígado.


1 04

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

SÍNTESE DE ETANOL • Ocorre em fungos e em algumas bactérias (inclusive da flora intestinal). • Via dependente de tiaminapirofosfato.

Etanol

t~ r-_

NAD+ NADH+W

COMPLEXO DA PIRUVATODESIDROGENASE • Inibido por acetii-CoA. • Fonte de acetii-CoA para o c iclo do ácido cítrico e para a síntese de ácidos graxos. • É uma reação irreversível.

PIRUVATOCARBOXILASE • Ativada por acetii-CoA. • Repõe intermediários do ciclo do ácido cítrico. • Fornece substratos para a gliconeogênese.

Figura 8.24 Resumo dos destinos metabólicos do piruvato.

ladora dependente de GTP (proteína G) é ativada e, por sua vez, ativa a adenilato-ciclase. O AMPc ativa uma proteína-cinase, que tostorila um conjunto de enzimas, provocando a ativação ou desativação dessas enzimas. A fosfo rilação é reve rtida por proteínas fosfatases . A glicólise aeróbica, cujo produto final é o piruvato, ocorre em células com mitocôndrias e com suprimento adequado de oxigênio. A glicólise anaeróbica , cujo produto final é o ácido láctico, ocorre em células desprovidas de mitocôndrias ou em células que não apresentam quantidade suficiente de oxigênio. A glicose é transportada através da membrana por uma entre pelo menos 14 isoformas de transportadores de glicose (GLUTs). O GLUT-1 é abundante em eritrócitos e no encéfalo , o GLUT-4 (que é dependente de insulina) é encontrado no músculo e no tecido adiposo e o GLUT-2 é encontrado no fígado e nas células 13 do pâncreas. A conversão de glicose em piruvato (glicólise) ocorre em dois estágios: uma fase de investimento de energia, na qual intermediários fosforilados são sintetizados à custa de ATP, e uma fase de produção de energia, na qual o ATP é produzido. Na fase de investimento de energia, a glicose é fosforilada pela hexocinase (encon trada na maior parte dos tecidos) ou pela glicocinase (uma hexocinase encontrada em hepatócitos e nas células 13 do pâncreas). A hexocinase apresenta alta afinidade (baixo Km) pela glicose e baixa V max e é inibida pela glicose-6-fosfato. A glicocinase apresenta alto Km e maior Vmax para a glicose. Ela é inibida indiretamente pela frutose-6-fosfato e ativada pela glicose. A transcrição do gene da glicocinase é aumentada pela insulina. A glicose-6-fosfato é isomerizada, dando frutose-6-fosfato, que é fosforilada pela fosfofrutocinase, produzindo frutose-1 ,6-bisfosfato. Essa enzima é inibida alostericamente por ATP e por citrato e é ativada por AMP. A frutose-2,6-bisfosfato, cuja síntese é ativada pela insulina , é o mais potente ativador alostérico dessa enzima . Um total de dois ATPs são utilizados nessa fase da glicólise. A frutose -1 ,6-bisfosfato é clivada, formando duas trioses que são posteriormente metabolizadas pela via glicolítica, produzindo piruvato. Durante essas reações, quatro ATPs e dois NADHs são produzidos a partir de ADP e NAD+. O passo final na síntese de piruvato a partir do fosfoenolpiruvato é catalisado pela piruvato-cinase. Essa enzima é ativada alostericamente pela frutose-1 ,6-bisfosfato e controlada hormonal mente, sendo ativada pela insulina e inibida pelo glucagon, v ia sistema do AMPc. A deficiência da piruvato-cinase perfaz 95% de todos os defeitos herdados em enzimas glicolíticas. Essa deficiência restringe-se aos eritrócitos e causa anemia hemolítica crônica moderada a grave. Na glicólise anaeróbica, o NADH é reoxidado a NAD+ pela conversão de piruvato em ácido láctico. Isso ocorre em cé lulas que apresentam poucas ou nenhuma mitocôndria, como os eritrócitos, e em tecidos em que a produção de NADH excede a capacidade oxidativa da cade ia respiratória, como no músculo em exercício. Concentrações elevadas de lactato no plasma (acidose láctica) ocorrem quando há um colapso do sistema circulatório ou quando um indivíduo está em choque. O piruvato pode a inda ser (1) descarboxilado oxidativamente pela piruvato-desidrogenase, produzindo acetii-CoA, (2) carboxilado a oxalacetato (um intermediário do ciclo do ácido cítrico) pela piruvato-carboxilase ou (3) reduzido a etanol pela piruvato-descarboxilase, em microrganismos.


Bioquímica Ilustrada

Características metabólicas da glicólise

Regulação da glicólise

Glicólise

Estado alimentado

o

consiste em

Ingestão de glicose

Glicose [ Todos os t ecidos

ocorre em

[ Citosol

ocorre no

1OS

o

+

Glicose sangüínea

O

Liberação de insulina

Hexocinase

I NADH

produz

Que NADH seja reox idado a NAD+

I ATP

~=F=o=s:::fo:::f:ru:t:oc:i:na:s:e==J

NADH

g..------..

Piruvato-cinase (PK)

requer

produz

)

ATP

notável

ATP

Piruvato

Estado de jejum

pois

Piruvato

O

Glicose sangüínea

pode ser seguida por

requer

pode ser seguida por não requer

Oxigênio para reoxldar NADH a NAD+ pela

Oxigênio

cadeia de transporte

de elétrons

consiste em r-------A~------~

t

t

Piruvato

t t

Piruvato

Piruvato

t' NAOH f"NAD+

Acetii-CoA

ocorre em

t

E ritrócitos Músculo em exercício Tecidos anóxicos

t t

NADH

Etanol, co2

Lactato

Ac etii-CoA

r:

t......_NAD+

ocorre em

t

Fungos Alguns oulros microrganismos

pode resultar em

t

2C02

Acidose lática leva à

t Deficiência de piruvato-cinase causando

Co nc e it os r e l acio n ad os

Figura 8.25 Mapa de conceitos-chave para a glicólise.

Alteração no dobramento

Alteração na estrutura primária da enzima Ciclo do Ácido crulco

9


106

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 8.1

Qual das seguintes afirmativas a respeito da glicólise está correta?

A. A conversão de glicose em lactato requer a presença de oxigênio. B. A hexocinase é importante para o metabolismo hepático da glicose apenas durante o período absortivo, após o consumo de uma refeição contendo ca rboidratos. C. A frutose-2 ,6-bisfosfato é um potente inibidor da fosfofrutocinase. D. As reações limitantes da velocidade também são as reações irreversíveis. E. A conversão de glicose em lactato produz dois ATPs e dois NADHs. 8.2 A reação catalisada pela fosfofrutocinase:

A. B. C. D. E.

é ativada por altas concentrações de ATP e citrato; utiliza frutose- 1-fosfato como substrato; é a reação reguladora da via glicolítica; está próxima ao equilíbrio na maior parte dos tecidos; é inibida pela frutose-2,6-bisfosfato.

8.3 Comparado com o estado de repouso, o músculo em contração vigorosa apresenta: A. B. C. D. E.

um aumento na conversão de piruvato em lactato; redução na oxidação de piruvato a C02 e água; diminuição na razão NADH/NAD•; diminuição na concentração de AMP; redução nos níveis de frutose-2,6-bisfosfato.

8.4 Um homem de 43 a nos de idade apresentava sintomas de fraqueza, fadiga, falta de ar e tonturas. Seus níveis de hemoglobina estavam entre 5 e 7 g/dl (valores normais para o sexo masculino acima de 13,5 g/dl). Eritrócitos do paciente mostravam produção de lactato anormalmente baixa. Uma deficiência de qual das seguintes enzimas seria a causa m ais provável para a anemia observada nesse paciente? A. B. C. D. E.

Fosfoglicose-isomerase Fosfofrutocinase Piruvato-cinase Hexocinase Lactato-desidrogenase

Resposta correta : D. As reações da hexocinase, da fosfofrutocinase e da piruvato-cinase são todas irreversíveis e são os passos reguladores na glicólise. A conversão de glicose em lactato (glicólise anaeróbica) é um processo que não envolve uma oxidação ou redução líquida e, assim, o oxigénio não é necessário. A glicocinase (e não a hexocinase) é importante no metabolismo hepático da glicose apenas no período absortivo, após o consumo de uma refeição contendo carboidratos. A frutose-2,6-bisfosfato é um potente ativador (não inibidor) da fosfofrutocinase. A conversão de glicose em lactato produz dois ATPs, mas não há produção líquida de NADH.

Resposta correta : C. A fosfofrutocinase é a enzima marcapasso da glicólise. É inibida por ATP e por citrato, utiliza frutose6-fosfato como substrato e catalisa uma reação que está distante do equilíbrio. A reação é ativada por frutose-2,6-bisfosfato.

Resposta correta : A. O músculo em contração vigorosa mostra um aumento na produção de lactato e uma taxa aumentada de oxidação do piruvato, em comparação com o múscu lo esquelético em repouso. Os níveis de AMP e NADH aumentam, enquanto uma mudança na concentração de frutose-2,6-bisfosfato não representa um fator-chave na regulação da glicólise no músculo.

Resposta correta : C. Diminuição na produção de lactato no eritrócito indica um defeito na glicólise. Entre pacientes apresentando defeitos genéticos em enzimas da via glicolftica, cerca de 95% mostram uma deficiência na piruvato-cinase e 4% apresentam deficiência na fosfoglicose-isomerase. A deficiência da piruvato-cinase é a segunda causa mais comum (após deficiência na glícose-6-fosfato-desidrogenase) de anemia hemolítica relacionada a deficiências enzimáticas.


Ciclo do , Acido Cítrico

I. VISÃO GERAL O ciclo do ácido cítrico (também chamado ciclo de Krebs ou ciclo dos ácidos tricarboxíl icos) desempenha diversos papéis no metabolismo. É a via final para a q ual converge o metabolismo oxidativo de ca rboidratos, aminoácidos e ácidos g raxos, seus esqueletos carbonados sendo convertidos em C0 2 e H2 0 . Essa oxidação fornece energia para a produção da maior parte do ATP na maioria dos animais, incluindo humanos. O ciclo ocorre totalmente na mitocôndria e está, portanto, bastante próximo das reações de transporte de elétrons (veja a pág. 73), as quais oxidam as coenzimas reduzidas, produzidas pelo ciclo. O ciclo do ácido cítrico é, assim, uma via aeróbica, pois o 0 2 é necessário como aceptor final dos elétrons. O ciclo do ácido cítrico também participa em diversas reações sintéticas importantes. Por exemplo, o ciclo funciona na formação de glicose a partir de esqueletos carbonados de alguns aminoácidos e fornece blocos constitutivos para a síntese de alguns aminoácidos (veja a pág. 265) e do heme (veja a pág. 276). Além disso, intermediários do ciclo do ácido cítrico podem ser sintetizados pelo catabolismo de alguns aminoácidos. Portanto, esse ciclo não deve ser visto como um ciclo fechado, mas sim como um ciclo de tráfego, com compostos que entram e saem de acordo com as necessidades do o rganismo.

11.

REAÇÕES DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

No ciclo do ácido cítrico, o oxalacetato é inicialmente condensado com um grupo acetila, originário da acetii-CoA, e então é regenerado quando o ciclo se completa (Figura 9.1 ). Desse modo, a entrada de uma acetii-CoA em uma volta do ciclo do ácido cítrico não leva à produção ou ao consumo dos intermediários.

Acetii-CoA

~Citrato C

Oxalacetato

11

~ '

, Maiato

lsocitrato

Fumarato

a.-Cetoglutarato

if

r co2

\\ Succinato

~ C0 2

Succinii-CoA

~

A. Descarboxilação oxidativ a do piruvato O piruvato, produto final da glicólise aeróbica, deve ser transportado para dentro da mitocôndria antes que possa entrar no ciclo do ácido cítrico. Esse transporte é efetuado por um transportador específico para o piruvato, que ajuda esse composto a cruzar a membrana mitocondrial interna. Uma vez na matriz, o piruvato é convertido em acetii-CoA pelo complexo da piruvato-

Figura 9.1 O ciclo do ácido cítrico, mostrado como parte das vias centrais do metabolismo energético. (Veja a Figura 8.2, pág. 90, para uma visão mais detalhada do mapa metabólico.)


108

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

o 11

c-o' C=O I

CH3 Piruvato

CoA

desidrogenase, um complexo multienzimático (Figura 9.2). (Nota: A irreversibilidade da reação impede a formação de piruvato a partir de acetii -CoA e explica po r que a glicose não pode ser formada a partir de acetii-CoA, via gliconeogênese.) No sentido estrito, o complexo da piruvato-desidrogenase não é parte do ciclo do ácido cítrico propriamente, mas é uma importante fonte de acetii-CoA -o substrato de dois carbonos que alimenta o ciclo.

1.

Enzimas componentes do complexo. O complexo da piruvato-desidrogenase é um agregado multimolecular, que apresenta três enzimas, a piruvato-desidrogenase (E" também chamada descarboxilase), a diidrolipoil-transacetilase (E2 ) e a diidrolipoil-desidrogenase (E). Cada uma está presente em múltiplas cópias e cada uma delas cata lisa uma parte da reação geral (Figura 9.3). Sua associação física une as reações na seqüência apropriada, sem a liberação dos intermediários. Além das enzimas participantes na conversão do piruvato em acetiiCoA, o complexo também contém duas enzimas reguladoras fortemente ligadas, a proteína-cinase e a fosfoproteína -fosfatase.

2.

Coenzimas. O complexo da piruvato-desidrogenase contém cinco coe nzimas, que aluam como carreadores o u como ox idantes para os intermediários das reações mostradas na Figura 9.3. A E, requer tiamina-pi rofosfato, a E2 reque r ácido lipóico e coenzima A e a E3 requer FAD e NAD+. (Nota: Deficiências em tiamina ou niacina podem causar sérios problemas relacionados ao sistema nervoso central. Isso ocorre porque células nervosas são incapazes de produzir quantidade suficiente de ATP [via ciclo do ácido cítrico] para seu funcionamento adequado se a piruvato-desidrogenase estiver inativa.)

3.

Regulação do complexo da piruvato-desidrogenase. As duas enzimas reguladoras que fazem parte do complexo ativam e inativam a E 1 alternadamente: a proteína-cinase independente de AMPc fosforila e, desse modo, inibe a E 1, enquanto a fosfoproteína-fosfatase ativa a E, (Figura 9.4). A cinase é ativada alostericamente por ATP, acetii-CoA e NADH. Portanto, na presença desses sinais ricos em energia, o complexo da piruvato-desidrogenase tem sua ação diminuída. A acetil-

Piruvato· desidrogenase Acetii-CoA NADH

o 11

CoA-C- CH 3 Acetii-CoA

Figura 9.2 Descarboxilação oxidativa do piruvato.

o FADH 2 FAD Diidrolipoil- ~ desídrogenas~ O intermediário hldroxietil é oxidado, por transferência à forma dissulfeto do ácido lipóico, ligado cova lentemente à diidrolipoil-transacetilase.

NAD+

NADH+W

1::1 1!,1

A forma sulfidrila do ácido lipóico é oxidada pela diidrolipoildesídrogenase dependente de FAD, levando à regeneração do ácido llpólco oxidado.

A fl avoproteína reduzida é reoxidada a FAD pela diidrolipoil-desídrogenase, enquanto o NAD+ é reduzido.

Figura 9.3 Mecanismo de ação do complexo da piruvato-desidrogenase. TPP = pirofosfato de tiamina; L= ácido lipóico.


109

Bioquímica Ilustrada

CoA e o NADH também inibem alostericamente a forma desfosforilada (ativa) da E 1• A proteína-cinase é inativada alostericamente por NAD• e pela coenzi ma A - sinais de falta de energia que, desse modo, acionam a piruvato-desidrogenase (veja a Figura 9.2). O piruvato também é um inibidor potente da proteína-cinase. Desse modo, se a concentração de piruvato aumentar, a E 1 apresentará sua atividade máxima. O cálcio é um forte ativador da proteína-fosff!tase, estimulando a atividàae dã E~. (Nota: Isso é especialmente importante no músculo esquelético, onde a liberação de ca•• durante a contração estimula o complexo da piruvatodesidrogenase e, conseqüentemente, a produção de energia.) 4.

5.

Deficiência na piruvato-desidrogenase. A deficiência no complexo da piruvato-desidrogenase é a causa bioquímica mais comum de acidose láctica congênita,. A deficiência nessa enzima resulta na incapacidade de converfer piruvato em acetii-CoA, fazendo com que o piruvato seja desviado para a reação de formação de ácido láctico, via lactato-desidrogenase (veja a pág. 101 ). Isso gera problemas principal mente para o encéfalo, que depende do ciclo do ácido cítrico para a produção da maior parte de sua energia e é especialmente sensível à acidose. A forma mais grave dessa deficiência causa acidose láctica intensa, com morte neonatal. Uma segunda forma produz acidose láctica moderada, mas causa profundo retardo psicomotor, com lesões no córtex cerebral, nos núcleos da base e no tronco encefálico, levando à morte no início da infância. Uma terceira forma da deficiência causa ataxia (incapacidade de coordenar movimentos vol untários) episódica, induzida por refeições ricas em carboidratos. O defeito-na E 1 é ligado ao X, no entanto, devido à importância dessa enzima para o encéfalo, a deficiência afeta ambos os sexos. Assim sendo, o defeito é classificado como dominante ligado ao X. Não há tratamento comprovadamente eficiente para a deficiência do complexo da piruvato-desidrogenase, embora uma dieta cetogên ica (pobre em carboidratos e rica em gorduras) tenha se mostrado benéfica em alguns casos. Tal dieta fornece um suprimento de combustível alternativo, na forma de corpos cetônicos (veja a pág. 193), que pode ser utilizado pela maior parte dos tecidos, incluindo o encéfalo, embora não pelo fígado (veja a pág.194). Mecanismo do envenenamento pelo arsênico. Como descrito anteriormente (veja a pág. 99), o arsênico pode interferir com a glicólise na reação que utiliza gliceraldeído-3-fosfato, diminuindo, assim, a produção de ATP. O "envenenamento por arsê_nico", no entanto, é devido principalmente à inibição de enzimas que utilizam ácido lipóico como um co-fator, incluindo a piruvato-desidrogenase, a u -cetoglutaratodesidrogenase (veja a seguir) e a desidrogenase de u-cetoácidos de cadeia ramificada (veja a pág. 264).(0 arsenito (forma trivalente do arsênico) forma um complexo estável com os grupos tiol (-SH) do ácido lipóico, impedindo assi m que o composto possa ser utilizado como coenzima ) Ouando o arsenito se liga ao ácido lipóico no complexo da i' ' piruvato-desidrogenase, o piruvato (e, conseqüentemente, o lactato) se acumula. Assim como na deficiência do complexo da piruvato-desidrogenase, essa condição afeta especialmente o encéfalo, levando a distúrbios neurológicos e morte.

B. Síntese do citrato a partir de acetii-CoA e oxalacetato A condensação de acetii-CoA e oxalacetato para formar citrato é catalisada pela citrato-sintase (Figura 9.5). Essa condensação aldólica apresenta o equilíbrio bastante deslocado na direção da síntese de citrato. A citrato-sintase é 2 ativada alostericamente por Ca • e ADP e inibida por ATP, NADH, succiniiCoA e derivados acii-CoA graxos (veja a Figura 9.9). A principal forma de

p AOP

(H20

ca++O

Fosfoproteínatostatase

Piruvato

Figura 9.4 Regulação do complexo da piruvatodesidrogenase.

00 11 11 ·

o

o c-c-o·

11

CoA-C-CH3

11

+

·o-C-CH2

Acetii-CoA

Oxalacetato

Citrato·

F=;:H20

sintase

o

CoA

CH2-c- o·

IÇ? Ho-c-c-o·

Ç? I ·o- C- CH 2 Citrato Aconitase

ll

o

cH2-c- o·

1(91

H -C ~

Ç?l ·o-C-C-OH I

H lsocitrato

AD+ ADH + H+

lsocítratodesidrogenase

o 11

C(H2-c-o·

8

co2

Ç? C(H2 ·o-C-C:;O a.-Cetoglutarato

Figura 9.5 Formação de u-cetoglutarato a partir de acetii-CoA e oxalacetato.


11 O

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

regulação, no entanto, é também determinada pela disponibilidade de seus substratos, acetii-CoA e oxalacetato. (Nota: O citrato, além de ser um intermediário do ciclo do ácido cítrico, também serve como fonte de acetii-CoA para a síntese citosólica de ácidos graxos [veja a pág. 181]. Além disso, o citrato também inibe a fosfofrutocinase, a enzima que determina a velocidade da glicólise [veja a pág. 97], e ativa a acetii-CoA-carboxilase [a enzima limitante da velocidade de síntese de ácidos graxos; veja a pág. 181].)

a-Cetoglutarato

CoA

C. lsomerização do citrato O citrato é isomerizado pela aconitase, resultando em isocitrato (veja a Figura 9.5). (Nota: A aconitase é inibida por fluoracetato, um composto utilizado como raticida. O fluoracetato é convertido em fluoracetii-CoA, que condensa com o oxalacetato para formar fluorcitrato- um potente inibidor da aconitase- resultando em acúmulo de citrato.)

NADH +H+

oií

Ç? <(H2-c-o· CoA-C-CH2

D. Oxidação e descarboxilação do isocitrato

Succinii-CoA

A ísocítrato-desídrogenase catal isa a descarboxilação oxidativa irreversível do isocitrato, originando a primeira das três moléculas de NADH produzidas pelo ciclo e a primeira liberação de C02 (veja a Figura 9.5). Esse é um dos passos limitantes da velocidade do ciclo do ácido cítrico. A enzima é ativada alostericamente por ADP (um sinal de que a quantidade de energia na célula está reduzida) e por ca•• e é inibida por ATP e NADH, cujos níveis estão elevados quando a célula apresenta abundantes reservas de energia.

GDP+ P; Succinii-CoA-

tiocinase

GTP CoA

o 11

Ç? <(H2-c-o· ·o- C - CH2

E. Descarboxilação oxidativa do a-cetoglutarato

Succinato

A conversão de a-cetoglutarato em succinii-CoA é catalisada pelo complexo da a-cetoglutarato-desídrogenase, o qual consiste em três atividades enzimáticas (Figura 9.6). O mecanismo dessa descarboxilação oxidativa é muito semelhante àquele utilizado para a conversão de piruvato em acetiiCoA. A reação libera o segundo C02 e produz o segundo NADH do ciclo. As coenzimas necessárias são a tiamina-pirofosfato, o ácido lipóico, o FAD, o NAD+ e a coenzima A. Cada uma delas funciona como parte do mecanismo catalítico, de modo semelhante ao descrito para o complexo da piruvato-desídrogenase (veja a pág. 108). O equilíbrio da reação encontrase deslocado no sentido da formação de succinii-CoA - um tioester de alta energia, semelhante à acetii-CoA. O complexo da a -cetoglutarato-desidrogenase é inibido por ATP, GTP, NADH e succinii-CoA, além de ser ativado por ca++. J;le não é, no entanto, regu lado por reações de fosforilação/des!osforilação, como descrito para o complexo da piruvato-desidrogenase. (Nota: O a -cetoglutarato é também produzido por desaminação oxidativa ou por transam inação, a partir do aminoácido glutamato.)

Succinato- k : F A D desidrogenase

o

FADH 2

11

H, /c - o·

c

o(; li/

·o - c

'

H

Fumarato

H O I 11 Ho - c-c-o· c:?

I

·o-C - CH 2 L-Maiato

Figura 9.6 Formação de maiato a partir de a -cetoglutarato.

F.

Clivagem da succinii-CoA A succínato-tíocínase (também denominada succíníi-CoA-síntetase) cliva a ligação tioester de alta energia da succinii-CoA (veja a Figura 9.6). A reação está acoplada à fosforilação de GDP, produzindo GTP. O GTP e o ATP são energeticamente interconversíveis pela reação da nuc/eosídeo-dífosfato-cínase: GTP + ADP

~

GDP + AT P

A produção de GTP pela succínato-tíocínase é outro exemplo de fosforilação no nível do substrato (veja a pág. 100). (Nota: A succinii-CoA é também produzida a partir de propionii-CoA, que provém do metabolismo de ácidos graxos com número ímpar de átomos de carbono [veja a pág. 191] e do metabolismo de diversos aminoácidos [veja a pág. 264].)


Bioqu ím ica Ilustrada

G. Oxidação do succinato

H O I

11

Ho- c - c-o-

O succinato é oxidado a fumarato pela succinato-desidrogenase, produzindo a coenzima reduzida FADH 2 (veja a Figura 9.6). (Nota: O FAD, e não o NAD+, é o aceptor de elétrons, pois o poder redutor do succinato não é suficiente para reduzir o NAD+.) A succinato-desidrogenase é inibida pelo oxalacetato.

111

\11

-o-C-CH2

d,:::;~~.:~r;: NAD•

H. Hidratação do fumarato O fumarato é hidratado, resultando em maiato, em uma reação livremente reve rsível, catalisada pela fumarase (também denominada fumarato-hidratase, veja a Figura 9.6). (Nota: O fumarato é também produzido pelo ciclo da uréia [veja a pág. 251], na síntese de purinas [veja a pág. 293] e durante o catabolismo dos aminoácidos fenilalanina e tirosina (veja a pág. 261].)

I.

Oxidação do maiato O maiato é oxidado a oxalacetato pela malato-desidrogenase (Figura 9.7). Essa reação produz o terceiro e último NADH do ciclo. (Nota: O oxalacetato é também produzido por transaminação, a partir do aminoácido ácido aspártico.)

III.

\1 \1

c-c - o-

NADH + H+

\1 I

-o-C-CH2 Oxalacetato

Figura 9.7 Formação de oxalacetato a partir de maiato.

PRODUÇÃO DE ENERGIA PELO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

Dois átomos de carbono entram no ciclo na forma de acetii-CoA e o deixam na forma de C0 2 . O ciclo não envolve consumo ou produção de líquidos de oxalacetato ou de qualquer outro intermediário. Quatro pares de elétrons são transferidos durante uma volta do ciclo: três pares de elétrons reduzem NAD+ a NADH e um par reduz FAD a FADH 2 . A oxidação de um NADH pela cadeia transportadora de elétrons (veja a pág. 73) leva à fo rmação de aproximadamente três ATPs, enquanto a oxidação do FADH2 gera cerca de dois ATPs. O total de ATPs produzidos na oxidação de uma acetii-CoA está mostrado na Figura 9.8. A Figura 9.9 resume as reações do ciclo do ácido cítrico.

IV.

REGULAÇÃO DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

A. Regu lação por ativação e inibição de atividades enzimáticas Em contraste com a glicólise, que é regulada principalmente pela fosfofrutocinase, o ciclo do ácido cítrico é controlado pela regulação de diversas atividades enzimáticas (veja a Figura 9.9). As mais importantes dessas enzimas reguladas são a citrato-sintase, a isocitrato-desidrogenase e o complexo da a-cetoglutarato-desidrogenase.

Reação produtora de energia 3 NAOH FADH2 -

8 . Regulação pela disponibilidade de ADP 1.

Efeitos de um aumento no ADP. A energia consumida como resultado da contração muscular, de reações biossintéticas ou de outros processos leva à hidrólise do ATP em ADP e P;. O aumento resultante na concentração de ADP acelera a velocidade de reações que utilizam ADP para produzir ATP. a mais importante delas sendo a fosforilação oxidativa (veja a pág. 77). A p rodução de ATP aumenta, até que se equilibre com a taxa de consumo de ATP pelas reações que requerem energia.

3 NAO+ FAD

Número de ATPs produzidos 9

2

GDP+ P; --+- GTP 12 ATPs/acetii·CoA oxidada

Figura 9.8 Número de moléculas de ATP produzidas pela oxidação de uma molécula de acetii-CoA (utilizando ambos os processos, fosfori lação no nível do substrato e fosforilação oxidativa).


112

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

2.

V. NAD Succinato ~ccinii-CoA

CoA ,~ ATP (GTP)

~ ADP+ P (GDP + P~)

Quatro moléculas de co-fator reduzidas por acetii-CoA oxidada . , . _...._.....,_"" até C02.

m

Acetii-CoA C#ratosinlase

ATP NADH Succinii-CoA Derivados acii-CoA graxos

ADP

~-

Cttrato

~

NADH ATP Fumarato

ATP GTP NADH Succinii-CoA Succinato

~~

lsocitrato lsocitrato\O O desidro,- J genase"'

ADP Ca..

a-Cetoglutarato Complexo A da o.-Ceto-

~O 'Wil

g/utaralo-

des•drogenase

'""~ccinii-CoA

Figura 9.9 A. Produção de coenzimas reduzidas, ATP e co2 no ciclo do ácido cítrico. B. Inibidores e ativadores do ciclo.

Efeitos de uma diminuição no ADP. Se o ADP (ou o P,) está presente em concentração limitante, a formação de ATP pela fosfqrilação oxidativa diminui, como resultado da falta de aceptor do grupo fosfato (ADP) ou de fosfato inorgânico (P;)- A velocidade da fosforilação oxidativa é proporcional à relação [ADP][P;]/[ATP]; essa relação é conhecida como controle respiratório da produção de energia. A oxidação de NADH e de FADH 2 pela cadeia transportadora de elétrons também cessa se o ADP for limitante. Isso ocorre devido ao fato dos processos de oxidação e fosfori lação serem fortemente acoplados e ocorrerem simultaneamente (veja a pág. 78). À medida que o NADH e o FADH 2 se acumulam, há uma depleção de suas formas oxidadas, fazendo com que a oxidação de acetii-CoA pelo ciclo do ácido cítrico seja inibida, em função da falta de coenzimas oxidadas.

RESUMO DO CAPÍTULO

O piruvato é descarboxilado oxidativamente pelo complexo da piruvatodesidrogenase, produzindo acetii-CoA, principal combustível para o ciclo do ácido cítrico (ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos). Esse complexo enzimático requer cinco coenzimas: tiamina-pirofosfato, ácido lipóico, FAD, NAD+ e coenzima A (a qual contém a vitamina ácido pantotênico). A reação é ativada por NAD+, coenzima A, piruvato e cálcio, e inibida por ATP, acetii-CoA e NADH. A deficiência da piruvato-desidrogenase é a causa bioquímica mais comum de acidose láctica congênita. Uma vez que essa deficiência priva o encéfalo de aceti i-CoA, o sistema nervoso central é especialmente afetado, com profundo retardo psicomotor e morte ocorrendo na maioria dos pacientes. A deficiência é dominante, ligada ao X. O envenenamento por arsênico causa inativação da piruvato-desidrogenase, por ligar-se ao ácido lipóico. O citrato é sintetizado a partir de oxalacetato (OAA) e acetii-CoA, pela citrato-sintase. Essa enzima é ativada alostericamente por ADP e inibida por ATP, NADH, succinii-CoA e derivados de acii-CoA graxo. O citrato é isomerizado a isocitrato pela aconitase. O isocitrato é oxidado e descarboxilado pela isocitrato-desidrogenase, produzindo a -cetoglutarato, além de C02 e NADH . A enzima é inibida por ATP e NADH e ativada por AD P e ca++. O a -cetoglutarato é descarboxilado oxidativamente pelo complexo da a-cetoglutarato-desidrogenase, dando succi nii-CoA, C0 2 e NADH. A enzima é muito semelhante à piruvato-desidrogenase e utiliza as mesmas coenzimas. O complexo da a -cetoglutarato-desidrogenase é ativado por cálcio e inibido por ATP, GTP, NADH e succinii-CoA. A succinii-CoA é clivada pela succinato-tiocinase (também denominada succinii-CoA-sintetase), produzindo succinato e GTP. Este é um exemplo de fosforilação no nível do substrato. O succinato é oxidado a fumarato pela succinato-desidrogenase, produzindo FADH 2 . Essa enzima é inibida pelo oxalacetato. O fumarato é hidratado a maiato pela fumarase (fumaratohidratase) e o maiato é oxidado a oxalacetato pela malato-desidrogenase, produzindo NADH. Três NADHs, um FADH2 e um GTP (cujo fosfato terminal pode ser transferido ao ADP pela nucleosídeo-difosfato-cinase, produzindo ATP) são produzidos por uma volta do ciclo do ácido cítrico. A oxidação dos NADHs e do FADH2 pela cadeia transportadora de elétrons produz cerca de 11 ATPs, levando a 12 o número total de ATPs produzidos.


113

Bioquímica Ilustrada

Regulação do ciclo do ácido cítrico

Função do ciclo do ácido cítrico

consiste em

Carboidratos Aminoácidos Ácidos graxos

'

Regulação direta das atividades enzimát icas por ATP, ADP, NADH e outros efetores

Acetii-CoA

responde a

, J . . ;Citrato Oxalacetato

tlf

/ Maiato

k ...,.

Fumarato \

executa a

lsocitrato

1

( Estado de baixa energia J I

C02 '--- - - . -- --'

a-Cetoglutarato

Á

uccinato

Regulação indireta, por meio do acoplamento obrigatório entre oxidação e fosforilação

~inii-CoA

caracterizado por

em

co

+

o

,[ ---C-0- 2-'t_e _á_g_u_a_ 2

ATP I

caracterizado por

+

o

ATP I

e

t

ADP ou P;

t

o

ADP, AMP ou P;

c

leva à

+ ( ] Oxidação de NADH

produz

t NADH e FADH2

leva a

o

I

leva à

t

NADH/NAD+ leva à

t

Atividade do ciclo do ácido cítrico

como resultado da

t

o

I

X

leva a

ã o d e c o n c e i

t

l

NADH/ NAD+ leva à t

Atívidade do ciclo do ácido cítrico

I

o s

Fosforilação oxidativa

ADP ATP

Glicose / '

Piruvato + -

~~~~~fornece substrato para

Acetii-CoA

~Oxalaceta~

t

L . Citrato

Malal

Reações de síntese

tlf

lsocitrL

I

por exemplo

Gll concogênese

10

...,.C02

Amino-....Fu a ato ácidos \

S

. ucc: ; ;

a-Cetoglutarato + - Amino} /. ácidos

~ C02 ;ecinii-CoA + - Aminoácidos

Figura 9.10 Mapa de conceitos-chave para o ciclo do ácido cítrico.

o n e

L..__

_,C,...,o-,n-,-ex"" ã_ o _d-:-e-c_o_n_c_e..,-it:-o-s--"""""> -~~..:~~ ~~


114

Pame la C. C hampe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 9.1 A conversão de piruvato em acetii-CoA e C02 :

A. é reversível; B. envolve a participação de ácido lipóico; C. é ativada quando o complexo da piruvato-desidrogenase é fosforilado por uma proteína-cinase na presença de ATP; D. ocorre no citosol; E. depende da coenzima biotina. 9.2 Qual das seguintes condições diminui a oxidação de acetii-CoA pelo ciclo do ácido cítrico? A. Uma razão ATP/ ADP baixa. B. Baixas concentrações de NADH, devido à rápida oxidação a NAD• pela cadeia respiratória. C. Uma baixa razão NAD./NADH. D. Alta concentração de AMP. E. Uma baixa razão GTP/GDP 9.3 A reação a seguir é a soma de três passos do ciclo do ácido cítrico: A + B + FAD + H,O Reatante A A. Succinii-CoA B. Succinato

C. Fumarato D. Succinato E. Fumarato

~

Resposta correta = B. O ácido lipóico é um aceptor intermediário do grupo acetila, formado na reação. O complexo da piruvato-desidrogenase catalisa uma reação irreversível, que é inibida quando a enzima está fosforilada. A enzima localiza-se na matriz mitocondrial.

Resposta correta = C. Uma baixa razão NAD"/NADH limita a velocidade das desidrogenases que requerem NAD". Razões ATP/ADP e GTP/GDP baixas estimulam o ciclo. O AMP não afeta diretamente o ciclo.

Resposta correta = B. Succinato + NAD" + FAD __, oxalacetato + NADH + FADH 2

C + FADH 2 + NADH Reatante B

Reatante C

GDP NAD• NAD• NAD• GT P

Succinato Oxalacetato Oxalacetato Maiato Maiato

9.4 Um bebê do sexo masculino de um mês de idade apresentou anormalidades no sistema nervoso e acidose láctica. Ensaios enzimáticos para a atividade da piruvatodesidrogenase (PDH) , em extratos de cultura de fibroblastos da pele, mostraram 5% da atividade normal, com baixa concentração (1 x 1 mM) de pirofosfato de tiamina (TPP) , mas 80% da atividade normal quando o ensaio continha uma alta (0,4 mM) concentração de TPP Qual das seguintes afirmativas, com relação a esse paciente, está mais correta?

o·•

A. Níveis elevados de lactato e piruvato no sangue predizem com confiabilidade a presença de deficiência de PDH. B. O paciente provavelmente-apresentará problemas na degradação de ácidos graxos. C. Espera-se que uma dieta consistindo em alta ingestão de carboidratos seja benéfica para esse paciente. D. A concentração de alanina no sangue provavelmente está abaixo do normal. E. A administração de tiamina provavelmente reduzirá a concentração sérica de lactato e levará a uma melhora dos sintomas clínicos.

Resposta correta = E. O paciente parece apresentar uma deficiência de PDH que responde à tiamina. A enzima não é capaz de ligar-se à tiamina-pirofosfato em baixas concentrações, mas apresenta atividade significativa em uma alta concentração do co-fator. Essa mutação, que afeta o K,. da enzima pelo co-fator, está presente em alguns, mas não em todos os casos de deficiência de PDH. Todos os erros inatos da PDH estão associados com níveis elevados de lactato, piruvato e alanina (o produto da transaminação do piruvato). Os pacientes rotineiramente apresentam defeitos neuroanatômicos, retardo no desenvolvimento e, freqüentemente, morte precoce. Aumento nos níveis de piruvato e lactato são também observados na deficiência da piruvato-carboxilase, outro defeito raro do metabolismo do piruvato. Uma vez que a PDH é parte integral do metabolismo dos carboidratos, uma dieta com baixo (e não alto) conteúdo de carboidratos poderia reduzir os efeitos da deficiência enzimática. Em contraste, a degradação dos ácidos graxas ocorre via conversão a acetii-CoA por 13-oxidação, um processo que não envolve piruvato como intermediário. Desse modo, o metabolismo dos ácidos graxos não está prejudicado nessa deficiência · enzimática.


Gliconeogênese

I. VISÃO GERAL Alguns tecidos, como o encéfalo, os eritrócitos, a medula renal , o cristalino e a córnea, os testículos e o músculo em exercício, requerem um suprimento contínuo de glicose como combustível metabólico. O glicogênio hepático, uma fonte essencial de glicose pós-prandial, pode satisfazer essas necessidades por apenas 1O a 18 horas na ausência de ingestão de carboidratos (veja a pág. 328). Durante um jejum prolongado, os depósitos de glicogênio hepático são depletados, e a glicose é formada a partir de precursores como o lactato, o piruvato, o glicerol (derivado do esqueleto dos triacilgliceróis, veja a pág. 188) e os a-cetoácidos (obtidos do catabolismo de aminoácidos glicogênicos, veja a pág. 260). A formação de glicose não ocorre por simples reversão da glicólise, pois o equilíbrio geral da glicólise favorece fortemente a formação de piruvato. Em vez disso, a glicose é sintetizada por uma via especial, a gliconeogênese. Durante um jejum de uma noite, cerca de 90% da gliconeogênese ocorre no fígado, com os rins fornecendo 1O% das moléculas de glicose recém-sintetizadas. Durante o jejum prolongado, no entanto, os rins tornam-se importantes ó rgãos produtores de glicose, contribuindo, segundo estimativas, com 40% da produção total de glicose. A Figura 10.1 mostra a relação entre a gliconeogênese e outras reações importantes do metabolismo intermediário.

Glicose-6-P

.J.t

~ Glicose

Frutose-6-P

Frulose\~-~-P 1t--

-----.,l

Gliceraldeído-3-P +- Diidroxiaj, ~ cetona-P

t

1,3-Bisfosfoglicerato

J.t 3-Fostoglicerato

11.

a

SUBSTRATOS PARA A GLICONEOGÊNESE

2-Fosfoglicerato

j,t Precursores gliconeogênicos são moléculas que podem ser utilizadas na produção líquida de glicose. Eles incluem todos os intermediários da glicólise e do-ciclo do ácido cítrico. Glicerol, lactato e a -cetoácidos, obtidos da desaminação de aminoácidos glicogênicos, são os mais importantes precursores gliconeogênicos.

Fosfoen~p,ruvato

E ato

~ P~ruvato

o~jll

1'

Oxalacelato

A. Glicerol O glicerol é liberado durante a hidrólise de triacilgliceróis, no tecido adiposo (veja a pág. 188), e é levado ao fígado pelo sangue. O glicerol é fosforilado pela glicerol-cinase, resu ltando em glicerol-fosfato, que é oxidado pela g/icerol-fosfato-desidrogenase, produzindo diidroxiacetona-fosfato - um intermediário da glicólise. (Nota: Os adipócitos não podem fosforilar o glicerol, pois não apresentam a glicero/-cinase. )

:

c· .

~

Figura 10.1 A via da gliconeogênese, mostrada como parte das vias essenciais do metabolismo energético. As reações numeradas são exclusivas da gliconeogênese. (Veja a Figura 8.2, pág. 90, para uma visão mais detalhada do mapa metabólico.)


116

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

B. Lactato O lactato é liberado no sangue pelo músculo esquelético em exercício e pelas célu las que não possuem mitocôndrias, como os eritrócitos. No ciclo de Cori, a glicose oriunda do sangue é convertida, pelo músculo em exercício, em lactato, o qual difunde para o sangue. Esse lactato é captado pelo fígado e reconvertido em glicose, que é liberada de volta para a circu lação (Figura 10.2).

C. Aminoácidos Os aminoácidos obtidos pela hidrólise de proteínas teciduais são as principais fontes de g licose no jejum. o:-Cetoácidos, como o oxalacetato e o o:-cetoglutarato, são produzidos pelo metabolismo de aminoácidos glicogênicos (veja a pág. 259). Essas substâncias podem entrar no ciclo do ácido cítrico e produzi r oxalacetato - um precursor direto do fosfoenolpiruvato. (Nota: Acetii-CoA e compostos que a produzem [por exemplo, acetoacetato e aminoácidos como lisina e leucina] não podem levar à síntese líquida de glicose. Isso se deve à natureza irreversível da reação da piruvato-desidrogenase, que converte piruvato em acetil-CoA [veja a pág. 107]. Esses compostos originam, em vez da glicose, os corpos cetônicos [veja a pág. 193] e são, portanto, denominados cetogênicos.)

Figura 10.2 O ciclo de Cori.

III.

REAÇÕES EXCLUSIVAS DA GLICONEOGÊNESE

Sete reações glicolíticas são reve rsíveis e são utilizadas na síntese de glicose a partir de lactato ou piruvato. Três das reações glicolíticas, no entanto, são irreversíveis e devem ser contornadas pela utilização de quatro reações alternativas, que favorecem energeticamente a síntese de glicose. Essas reações exclusivas da gliconeogênese são descritas a seguir.

A. Carboxilação do piruvato O primeiro "bloqueio na via" que deve ser contornado, na síntese de glicose a partir do piruvato, é a conversão de piruvato em fosfoenolpiruvato (PEP), que, na glicólise, é irreversível, catalisada pela piruvato-cinase. Na gliconeogênese, o piruvato é primeiramente carboxilado pela piruvato-carboxilase, produzindo oxalacetato (OAA), que é então convertido em PEP pela ação da PEP-carboxicinase (Figura 10 .3).

1.

A biotina é uma coenzima. A piruvato-carboxilase contém biotina (veja a pág. 379), que liga-se covalentemente à proteína enzimática pelo grupo ~- a mino da lisina, formando uma enzima ativa (veja a Figura 10 .3). Essa forma covalentemente ligada de biotina é denominada biocitina. A clivagem de um fosfato de alta energia do ATP impulsiona a formação do intermediário enzima-biotina-C02 . Esse complexo de alta energia, subseqüentemente, carboxila o piruvato, formando oxalacetato. (Nota: Essa reação ocorre na mitocôndria de células hepáticas e renais e tem dois propósitos: fornecer um substrato importante para a gliconeogênese e fornecer OAA, que pode repor os intermediários do ciclo do ácido cítrico, pois esses podem sofre r uma depleção, dependendo das necessidades de síntese da célula. As células musculares também contêm piruvato-carboxilase, mas utilizam o OAA apenas para esse último propósito - elas não sintetizam glicose.)

2.

Regulação alostérica. A piruvato-carboxilase é ativada alostericamente pela acetii-"CoA. Níveis elevados de acetii-CoA podem sinalizar


Bioquímica Ilustrada

Piruvato-carboxílase

o

Acetii-CoA

(com biotina ligada covalentemente)

o

O C02 é ativado e transferido ao piruvato pela piruvatocarboxilase, produzindo oxalacetato.

) o o c -c-o· 11

11

I

CH3

o 11

-o-c-

NBJN~ "fJ==-o-:-:-~,-'. -~-~-at_o_n_ã_o- - -, S

00 11 H

c-c-o·

91 -o-c-

cH2

Oxalacetato

pode atravessar a membrana mitocondrial, então é reduzido a maiato, que pode fazê-lo.

L-- - - - = - - - - - ----::.::;;> Maiato

CITOSOL

o ®-o-c-c-o· 11

CH 2

Fosfoenolpiruvato

Figura 10.3 Ativação e transferência de C02 para o piruvato, seguindo-se o transporte do oxalacetato para o citosol e subseqüente descarboxilação.

um de diversos estados metabólicos nos quais é necessária uma síntese aumentada de oxalacetato. Por exemplo, isso pode ocorrer durante o jejum, quando o OAA é utilizado para a síntese de glicose pela gliconeogênese no fígado e no rim. Por outro lado, quando os níveis de acetii-CoA estive rem baixos, a piruvato-carboxilase enco ntra-se bastante inativada, e o piruvato é, em sua maior parte , oxidado pela piruvatodesidrogenase, produzindo aceti i-CoA, que pode ser posteriorm ente oxidada pelo ciclo do ácido cítrico (veja a pág. 107) .

B. Transporte do oxalacetato para o citosol O oxa lacetato prod uzido na mitocôndria deve chegar ao citosol, onde outras enzimas da gliconeogênese estão localizadas. O OAA, e ntretanto, é incapaz de atravessar diretamente a membrana m itocondr ial inte rna ; ele deve ser primeiramente reduzido a maiato pela malato-desidrogenase mitocondrial. O maiato pode ser transportado da mitocôndria para o citosol, onde é reoxidado a oxalacetato pela malato-desidrogenase citosólica (veja a Figura 10.3).

C. Descarboxilação do oxalacetato citosólico O oxalacetato é descarboxilado e fosforilado no __çitosol pela PEP-carboxicinase (também chamada PEPCK) . A reação utiliza energia da hidrólise de

117


118

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

GTP (veja a Figura 10.3). As ações combinadas da piruvato-carboxilase e da PEP-carboxicinase fornecem uma via energeticamente favorável do piruvato ao PEP. O PEP sofre então as reações da glicólise, andando no sentido inverso, até chegar à frutose-1 ,6-bisfosfato.

Frutose-2,6-Bisfosfato

H I H-C-0- P

H I H-C- OH

I

I

C =O I HO-C-H I H-C-OH

C=O I HO-C-H I H- C- OH

I

I

H - C-OH

D. Desfosforilação da frutose-1 ,6-bisfosfato

H- C- OH

I

I

H -C- 0- P I

H Frutose-1 ,6bisfosfato

Frutose-1,6bisfosfatase

H-C-0- P I

A hidrólise da frutose-1 ,6-bisfosfato pela frutose-1,6-bisfosfatase contorna a reação irreversível da fosfofrutocinase-1 e fornece uma via energeticamente favorável para a formação de frutose-6-fosfato (Figura 10.4 ). Essa reação é um importante sítio regulatório da gliconeogênese.

H

1.

Regulação pelos níveis energéticos dentro da célula . A frutose-1,6bisfosfatase é inibida por níveis elevados de AMP, que sinalizam um estado de "baixa energia" na célula. Altos níveis de ATP e baixas concentrações de AMP, por-sua vez, estimulam a gliconeogênese.

2.

Regulação pela frutose-2,6-bisfosfato. A frutose-1 ,6-bisfosfatase, encontrada no fígado e no rim , é inibida por frutose-2 ,6-bisfosfato, um efetor alostérico cuja concentração é influenciada pe los níveis de glucagon circulante (Figura 10.5) . (Nota: Lembre que a frutose2,6-bisfosfato ativa a PFK- 1 da glicólise [veja a Figura 8 .1 7, pág. 98), permitindo assim o controle recíproco da síntese e da oxidação da glicose.)

Frutose-6fosfato

Figura 10.4 Desfosforilação da frutose-1 ,6bisfosfato.

Glucagon ......._ (alto) -..,.,

o

Uma alta razão glucagon/insulina leva a um aumento no AMPc e a nívei s aumentados de proteína-cinase A ativa.

fJ

ATP

Um aumento na atividade da proteína-cinase A f avorece a forma fosforilada do com plexo PFK-2/FBP-2.

Proteína-cinase A ativa

Frutose-6-fosfato Glic:o$e-6·P ......_Glicose

H Fruto....-6·P

ADP

')

~

. ............. _~ ...... ~

OliceraJdei Oo·3·P ~ DHAP

11

lt lt

FBP-2 (inativa)

y

1,3-Bislosfoglicçmto

3-Fosfogllcerato

ATP

~I

Frutose·1,6·bis·P

p

Enzima bifuncional

Frutose-1 ,6-bisfosfato

2·Fostogtieerato

H

Níveis diminuídos de frutose-2,6-bisfosfato levam a uma menor Inibição da FBP-1, o que implica em um aumento na velocidade da gliconeogênese.

n

U

A PFK-2 fosforilada é inativa, enquanto a FBP-2 é ativa; isso impede a formação da frutose-2,6-bisfosfato.

Figura 10.5 Efeito de níveis elevados de glucagon sobre a concentração intracelular de frutose-2,6-bisfosfato no fígado. PFK-2 = fosfofrutocinase-2; FBP-2 = Frutose-bisfosfato-fosfatase-2.


119

Bioquímica Ilustrada

E. Desfosforilação da glicose-6-fosfato A hidrólise da glicose-6-fosfato pela g/icose-6-fosfatase contorna a reação irreversível da hexocinase .e fornece uma via energeticamente favorável para a formação de gl icose livre (Figura 10.6). O fígado e o rim são os únicos órgªos que liberam glicose livre a partir da glicose-6-fosfato. Esse processo, na verdade, requer duas enzimas: a glicose-6-fosfato-trans/ocase, que transporta a glicose-6-fosfato através da membrana do retícu lo endoplasmático (RE), e uma segunda enzima RE, a g/icose -6-fosfatase (encontrada apenas em células gliconeogênicas), que remove o fosfato, produzindo glicose livre (Figura 10.6). (Nota: Essas enzimas são necessárias para o último passo da glicogenólise [veja a pág. 127], além de o serem para a gliconeogênese. A doença do armazenamento do glicogênio do tipo la [veja a pág. 128] é resultado de uma deficiência herdada em uma dessas enzimas.) Transportadores específicos são responsáveis pela liberação de glicose livre e de fosfato de volta ao citosol e, nos hepatócitos, para o sangue. (Nota: O músculo não possui a g/icose-6-fosfatase e, portanto, não pode fornecer glicose para o sangue a partir da gliconeogênese. Além disso, a glicose-6-fosfato obtida a partir do glicogênio muscular não pode ser desfosforilada para produzir glicose livre.)

F.

o

o

ti

li

C-H I H- COH I HO-C-H I H-CI - OH H-C-OH I H- C- O- p I H

Glicose· 6·fosfatase

o - Glicose

Glícose-6fosfato

Figura 10.6 Desfosforilação da glicose-6-fosfato.

Resumo das reações da glicólise e da gliconeogênese Das 11 reações necessárias para converter piruvato em glicose livre, sete são reversíveis, catalisadas por enzimas glicolíticas (Figura 10.7). As reações irreversíveis da glicólise, catalisadas pela hexocinase, pela fosfofrutocinase e pela piruvato-cinase são contornadas pela ação das enzimas g/icose-6-fosfatase, frutose - 1, 6-bisfosfatase e piruvato-carboxilase/PEPcarboxicinase. Na gliconeogênese, o equilíbrio das sete reações reversíveis da glicólise é deslocado para favorecer a síntese de glicose como resultado da formação essencialmente irrevers ível de PEP, frutose-6-fosfato e glicose, catalisada pelas enzimas gliconeogênicas. (Nota: A estequiometria da gliconeogênese a partir do piruvato acopla a clivagem de seis ligações de fosfato de alta energia e a oxidação de dois NADHs com a formação de cada molécula de glicose [veja a Figura 10.7].)

Glicose-6· P

+t

~ ))9 .r

Frutose·1 ,6·bis-P

1

2GDP + 2 P;

1,3·Bisfosfoglicerato

lP::6:

1.

Alterações em efetores alostéricos. O glucagon diminui os níveis de frutose-2,6-bisfosfato, resultando na ativação da frutose - 1,6-bisfosfatase e na inibição da fosfofrutocina se (veja a Figura 10.5). (Nota: Veja a pág. 98 para o papel da frutose-2,6-bisfosfato na regulação da glicólise.)

2

3·Fosfoglicerato

2

2·Fosfoglicerato

2

Fosfoenolpiruvato

.t..t

a

2

~ Piruvato

co~~~ATP~ y ; ADP+2 P(~ 2 Oxalacetato

A. Glucagon Esse hormônio, produzido em ilhotas pancreáticas (veja a pág. 3 11 ), estimula a gliconeogênese por meio de três mecanismos.

l

G;;:~~>e: ~~~~~

REGULAÇÃO DA GLICONEOGÊNESE

A regulação momento a momento da gliconeogênese é determinada principalmente pelos n íveis circulantes de glucagon e pela disponibilidade de substratos gliconeogênicos. Além disso, lentas mudanças adaptativas na atividade enzimática resu ltam de alterações na velocidade de síntese ou degradação de enzimas, ou em ambas. (Nota: O controle hormonal do sistema glicorregulador é apresentado no Capítulo 23, pág. 305.)

~ Glicose

Frutose·6· P

2

IV.

"V

C-H I H- COH I HO- CH I H-COH I H-C- OH I H-C-OH I H

2GTP

Figura 10.7 Resu mo das reações da glicólise e da gliconeogênese, mostrando as necessidades energéticas da gliconeogênese.


120

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

ATP

AMPC +PP;

'1

Proteína-cínase A ativa

Glicose

t t

2.

Modificação da atividade enzimática por ligação covalente. O glucagon, via aumento nos níveis de AMPc e na atividade da proteinacinase dependente de AMPc, estimula a conversão da piruvato-cinase em sua forma inativa (fosforilada). Isso diminui a conversão do PEP em piruvato, tendo o efeito de redi recionar o PEP para a síntese de glicose (Figura 10.8).

3.

Indução da síntese de enzimas. O glucagon aumenta a transcrição do gene da PEP-carboxicinase, aumentando assim a disponibilidade de atividade enzimática no momento em que os níveis de seu substrato aumentam, com o jejum. (Nota: A insulina causa uma diminuição na transcrição do RNAm para essa enzima. )

B. Disponibilidade de substrato

ADP

A disponibilidade de precursores gliconeogênicos, especialmente de aminoácidos glicogênicos, influencia significativamente a velocidade da síntese hepática de glicose. Níveis diminuídos de insulina favorecem a mobilização _de aminoácidos a partir das proteínas musculares e fornecem esqueletos carbonados para a gliconeogênese.

~ Piruvato

C. Ativação alostérica pela acetii-CoA Figura 10.8 A modificação covalente da piruvatocinase resulta em inativação dessa enzima. OAA = oxalacetato.

Durante o jejum, ocorre a ativação alostérica da piruvato-carboxilase hepática pela acetii-CoA. Como resultado da lipólise excessiva no tecido adiposo, o fígado é inundado com ácidos graxas (veja a pág. 328). A velocidade de formação de acetii-CoA pela ~-oxidação desses ácidos graxas excede a capacidade do fígado de oxidá-la a C02 e H2 0 . Como resultado, a acetii-CoA se acumula, levando à ativação da piruvato-carboxilase. (Nota: A acetii-CoA inibe a piruvato-desidrogenase [veja a pág. 108]. Desse modo, esse único composto pode red irecionar o piruvato no sentido da gliconeogênese, removendo-o da oxidação no ciclo do ácido cítrico.) D.

Inibição alostérica pelo AMP A frutose-1,6-bisfosfatase é inibida por AMP- um composto que ativa a fosfofrutocinase . Desse modo, um aum ento no AMP estimula vias que oxidam nutrientes, fornecendo energia para a célula. (Nota: ATP e NADH, produzidos em grandes quantidades no jejum por vias catalíticas, como a oxidação dos ácidos graxas, são necessários para a gliconeogênese.)

V.

RESUMO DO CAPÍTULO

Os precursores gliconeogênicos incluem todos os intermediári os da glicólise e do ciclo do ácido cítrico, o glicerol liberado pela hidrólise de triacilgliceróis no tecido adiposo, o lactato liberado no sangue por células que não possuem mitocôndrias e pelo músculo esquelético em exercício e os o:-cetoácidos originários do metabolismo dos a minoácidos glicogênicos. Sete das reações da glicólise são reversíveis e são util izadas pela gliconeogênese no fígado e nos rins. Três reações são fisiologicamente irreversíveis e devem ser contornadas. Essas reações são catalisadas pelas enzimas glicolíticas piruvato-cinase, fosfofrutocinase e hexocinase. O piruvato é convertido em fosfoenolpiruvato (PEP) pelas enzimas piruvato-carboxilase e PEP-carboxicinase. A carboxilase requer biotina e ATP e é ativada alostericamente por acetii-CoA. A PEP-carboxicinase requer GTP. A transcrição de seu RNAm é aumentada pelo glucagon e diminuída pela insulina. A frutose-1,6-bisfosfato é conve rtida em frutose-6-fosfato pela frutose-1 ,6-bisfosfatase. Essa enzima é inibida por níveis elevados de AMP e ativada por níveis aumentados de


Bioquímica Ilustrada

121

ATP . Essa enzima é também inibida por frutose-2,6-bisfosfato, principal ativador alostérico da glicólise. A glicose-6-fosfato é convertida em glicose pela glicose-6-fosfatase. Essa ativid ade enzimática é também necessária para o último passo na degradação do glicogênio, além de ser necessária na gliconeogênese. Uma deficiência nessa enzima resulta na doença do armazenamento do glicogênio do tipo la.

Substratos para a gliconeogênese

Regulação da gliconeogênese no jejum Estado de jejum

[ Gliconeogênese I

consiste em

Liberação de ácidos graxos do tec ido adiposo

t Piruvato

1----------·1-----~1

t

Passos regulados Oxidação de ácidos graxos no fígado

Oxalacetato

Eritrócitos Músculo em exercício

t

fornecem

+

t

Esqueletos carbonados para a s íntese de novo de glic ose

t

t

t t

Tecido adiposo

~P:ir:u:va:t:o:-c:a:r=b=ox=i=la:s=e=~- -IJ

I

que consistem em

o

O

t

t

Glicerol e l actato, que entram diretamente na gliconeogênese

Glicose

I

e

+ A minoácidos I cuj o metabolismo converge para o

Acetii-CoA

~Citrato

-

~~

t

Oxalacetato

...... lsocitrato L ._

I

Ma,la

Ciclo do ác ido cítrico _;__:....;__:_:_:....;:...:..._...J

LC02

~~

~ Fum\ arato

o:-Ceto~ glutarato ~-

) Conexãodeconceitos) ~

Succinato

....,

S

.. C A 1 o

;yrm.

C02 : . ..

Figura 10.9 Mapa de conceitos-chave para a gliconeogênese.

·-

-~

Acetii-CoA no fígado

Frutose-1 ,6bisfosfatase

Ciclo do Àctdo Cítrico

9

Glic ose sangüínea


122

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 10.1 A síntese de glicose pela gliconeogênese a partir do piruvato: A. B. C. D. E.

ocorre exclusivamente no citosol; é inibida por níveis elevados de glucagon; requer a participação de biotina; envolve lactato como intermediário; requer oxidação/redução de FAD.

10.2 Qual das seguintes afirmativas a respeito da gliconeogênese está correta? A. B. C. D.

Ocorre no músculo. É estimulada pela frutose-2,6-bisfosfato. É inibida por níveis elevados de acetii-CoA. É importante para a manutenção da glicose sangüínea durante o jejum que normalmente ocorre durante a noite. E. Utiliza esqueletos carbonados originários da degradação de ácidos graxas.

10.3 Qual das seguintes reações é excl usiva da gliconeogênese? A. B. C. D. E.

Lactato -4 Piruvato Fosfoenolpiruvato --7 Piruvato Oxalacetato -4 Fosfoenolpiruvato Glicose-6-fosfato -4 Frutose-6-fosfato 1,3-Bisfosfoglicerato -4 3-Fosfoglicerato

10.4 Uma menina de 13 anos de idade é trazida ao consultório por sua mãe, que está preocupada com os sintomas de fadiga crônica, tonturas e perda de peso apresentados pela filha. A paciente apresentava 165 cm de altura e pesava 47 kg. Exames de laboratório mostraram leucopenia, glicose sangüínea = 50 mg/dl (glicose sangüínea normal no jejum = 70 a 90 mg/dl) e níveis elevados de corpos cetônicos. Um questionamento insistente revelou que a jovem havia praticamente jej uado por quatro meses, esperando obter um "rosto delgado", como um requisito para a carreira de modelo. Qual das seguintes alternativas explica melhor a hipoglicemia da paciente? A. B. C. D. E.

Prejuízo na secreção de insulina. Secreção aumentada de glucagon. Prejuízo na hidrólise do glicogênio hepático. Prejuízo na conversão de aminoácidos em glicose. Prejuízo na mobilização de triglicerídeos.

Resposta correta = C. A biotina é a coenzima/grupo prostético da piruvato-carboxilase. A carboxilação do píruvato ocorre na mitocôndria, enquanto as outras reações da gliconeogênese ocorrem no citosol. O glucagon estimula a gliconeogênese. O lactato não é um intermediário na conversão de píruvato a glicose.

Resposta correta = O. Durante o jejum que ocorre à noite, o glicogênio sofre uma depleção parcial e a gliconeogênese forn ece glicose para o sangue. A gliconeogênese é inibida pela frutose 2,6-bisfosfato e estimulada por níveis elevados de acetii-CoA. A degradação de ácidos graxas produz acetii-CoA, que não pode ser convertida em glicose. Os esqueletos carbonados da maior parte dos aminoácidos, porém, são gliconeogênicos.

=

Resposta correta C. As demais reações são comuns tanto à gliconeogênese quanto à glicólíse.

Resposta correta = O. Essa paciente mostra muitos sinais de um transtorno alimentar denominado anorexia nervosa. Essa condição caracteriza-se por aversão ao alimento, que leva a um estado de jejum e definhamento. Os pacientes freqüentemente apresentam uma visão distorcida de seu próprio peso ou forma, e não se preocupam com as sérias conseqüências de seu baixo peso para a saúde. Após diversos meses de quase inanição, a glicose sangüínea nesta paciente está sendo mantida pela gliconeogênese, principalmente a partir de aminoácidos mobilizados de proteínas teciduais. Esse processo envolve diversas vitaminas (piridoxina, tiamina, biotina) e, embora não tenha sido determinado, a paciente provavelmente apresenta deficiência vitamínica. As explicações alternativas são insustentáveis. O glícogênio hepático será exaurido nos primeiros dias de jejum. Prejuízo na secreção de insulina ou secreção aumentada de glucagon levariam a uma hiperglicemia. Diminuição na hidrólise de triacilgliceróis no tecido adiposo não levari.a à hipoglicemia.


Metabolismo do Glicogênio I. VISÃO GERAL Uma fonte constante de glicose sangüínea é uma necessidade absoluta para a vida humana. A glicose é a fonte preferencial de energia para o encéfalo e fornece a energia necessária para células com poucas ou nenhuma mitocôndria, como os eritrócitos maduros. Ela é também essencial como fonte de energia para o músculo em exercício, onde se constitui em substrato para a glicólise anaeróbica. A glicose sangüínea pode ser obtida de três fontes principais: dieta, degradação do glicogênio e gliconeogênese. A ingestão, através dos alimentos, de glicose e de seus precursores (como o amido, os monossacarídeos e os dissacarídeos) é esporádica e, dependendo do tipo de alimentação, nem sempre representa uma fonte segura de glicose para o sangue. Em contraste, a gliconeogênese (veja a pág. 115) pode fornecer uma síntese sustentada de glicose, mas é um tanto lenta para responder a uma redução no nível sangüíneo dessa substância. Sendo assim, o corpo desenvolveu mecanismos para armazenar um suprimento de glicose em uma forma rapidamente mobilizável , o glicogênio. Na ausência de uma fonte de glicose na alimentação, esse composto é rapidamente liberado a partir do glicogênio hepático e renal. Da mesma forma, o glicogênio muscular é degradado em grande quantidade durante o exercício, proporcionando uma importante fonte energética a esse tecido. Quando os estoques de glicogênio se esgotam, determinados tecidos sintetizam glicose de novo, usando aminoácidos das proteínas teciduais como principal fonte de carbonos para a via gliconeogênica. A Figura 11 .1 apresenta as reações de síntese e degradação do glicogênio como uma parte das vias essenciais do metabolismo energético.

Glicogênio

(

\ UDP-Glicose

J

Glicose-1-P

11.

ESTRUTURA E FUNÇÃO DO GLICOGÊNIO

Os principais estoques de glicogênio no corpo se encontram nos músculos esqueléticos e no fígado, embora a maioria das ou tras cé lu las armazene pequenas quantidades para uso próprio. A função do glicogênio muscular é servir como reserva de combustível para a síntese de ATP durante a contração muscular. A função do glicogênio hepático é manter a concentração de glicose sangüínea, especialmente durante o início do jejum (Figura 11 .2, e veja a pág. 328).

tt

Glicose-6-P

O

Glicose

Figura 11 .1 Síntese e degradação de glicogênio são mostradas como parte das reações essenciais do metabolismo energético (veja a Figura 8.2, na pág. 90, para maiores detalhes das reações do metabolismo geral).


124

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

A. Quantidades de glicogênio hepático e muscular Aproximadamente 400 g de glicogênio compõem 1 ou 2% do peso do múscu lo em repouso, e cerca de 100 g perfazem até 10% do peso do fígado de um adulto bem alimentado. Não se sabe ao ce rto o que limita a produção de glicogênio a esses níveis. Contudo, em algumas doenças vinculadas ao armazenamento de glicogênio (veja a pág.128), sua quantidade no fígado e/ou no músculo pode ser significativamente mais elevada.

B. A estrutura do glicogênio O glicogênio é um homopolissacarídeo de cadeia ramificada formado, exclusivamente, por a-o-glicose. A união glicosídica primária é uma ligação cx(1~4) . Após uma média de 8 a 1O resíduos glicosil, há uma ramificação contendo uma ligação cx( 1 ~6) (Figura 11.3). Uma única molécula de glico8 gênio pode ter uma massa molecular de até 10 dáltons. Essas moléculas existem em grânulos citoplasmáticos diferenciados, que contêm a maioria das enzimas necessárias para a síntese e para a degradação de glicogênio.

C. Flutuação dos estoques de glicogênio Os estoques de glicogênio hepático aumentam durante o estado alimentado (veja a pág. 321) e são depletados durante o jejum (veja a pág. 328). O glicogênio muscular não é afetado por períodos curtos (alguns dias) de jejum e só diminui moderadamente em jejuns prolongados (semanas). O glicogênio muscular é sintetizado para repor os estoques dos músculos, depois de terem sido esgotados, por exemplo, após um exercício extenuante. (Nota: A síntese e a degradação de glicogênio são processos que acontecem de forma contínua. As diferenças entre as velocidades desses dois processos determinam os níveis de glicogênio armazenado durante estados fisiológicos específicos.)

Figura 11.2 Funções do glicogênio muscular e do glicogênio hepático.

III.

SÍNTESE DE GLICOGÊNIO (GLICOGÊNESE)

O glicogênio é sintetizado a partir das moléculas de ex-o-glicose. O processo ocorre no citosol e requer energia fornecida pelo ATP (para a fosforilação da glicose) e trifosfato de uridina (UTP).

Figura 11.3 Estrutura ramificada do glicogênio, mostrando as ligações cx-1 ,4 e cx-1 ,6.


Bioquímica Ilustrada

A. Síntese de UDP-glicose UDP-Glicos e

A a -o-glicose ligada ao difosfato de uridina (UD P) é a fonte de todos os resíduos glicosil que são adicionados à molécula de glicogênio em formação. A UDP-glicose (Figura 11.4) é sintetizada a partir da glicose-1-fosfato e de UTP pela UDP-glicose-pirofosfori/ase (Figura 11.5). A ligação rica em energia do pirofosfato (PP;), o segundo produto da reação, é hidrol isada em dois fosfatos inorgânicos (P,) pela p irofosfatase, garantindo que uma reação de síntese se dê na direção da produção de UDP -glicose. (Nota: A glicose6-fostato é convertida em glicose-1-fosfato pela fosfoglicomutase. A glicose1,6-bisfosfato é um intermediário obrigatório nessa reação [Figu ra 11.6].) Glicose

Uridina-di fosfato

B. Síntese de um iniciador (segmento inic ial) para principiar a síntese de glicogênio Figura 11 .4 A estrutura da UDP-glicose.

A glicogênio-sintase é responsáve l pela formação das ligações a( 1~4) no glicogênio. Essa enzima não pode iniciar a síntese da cadeia homopolissacarídica usando glicose livre como aceptora de uma molécula de glicose a partir de UDP-glicose. Em vez disso, ela só pode alongar cadeias já existentes de glicose. Sendo assim, um fragmento de glicogênio pode servir como segmento inicial (iniciador) em células cujos estoques de glicogênio não estejam totalmente esgotados. Na ausência de um fragmento de glicogênio, uma proteína chamada g licogen ina pode servir como aceptora de resíduos de glicose (veja a Figura 11.5). O grupo hidroxila da cadeia lateral de uma tirosina específica serve como local onde a unidade glicosil inicial é unida. A transferência das primeiras moléculas de glicose da UDP-glicose à glicogenina é catalisada pela própria glicogenina, que pode, então, transferir outras unidades glicosil a(1 ~4) para a cadeia em formação. Essa cadeia

Glicose-6-fosfato

-tt

Tiroslna

Fosfoglicomutase

UTP + Glicose-1-fosfato

H,o

i

UDP·glicose -pirofosfori/ase

lHO~"'--.._

PP;

Glicogenina

p;,.~,.,.~

I •-.~-~--~ ---~---0~ Ligação a{1 ~6)

2 P;

.: 1}

Ligações a{1 ~4)

\ ·I-.).1"·-·-· ·1

e

d

. " '' '

EXTREMIDADES

tI

,_

Alongamentos posteriores nas extremidades não-reduto ras pela glicogênio-síntase, estabelecendo ligações a(1~4).

Ramificações adicionais, com estabelecimento --}de ligações o.(1 ~6).

NÃO-REDUTORAS

GLICOGÊNIO

Figure 11 .5 Síntese de glicogênio.

12 5


126

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Glícose-6-

®

Glicose-1 ,6I

curta serve para receber futuros resíduos de glicose, como descrito a seguir. (Nota: A glicogenina continua associada à molécula completa de glicogênio e se encontra em seu centro.)

®

C. Alongamento das cadeias do glicogênio pela glicogênio-sintase O alongamento de uma cadeia de glicogênio envolve a transferência de um resíduo de glicose a partir da UDP-glicose para a extremidade não-redutora da cadeia em crescimento, formando uma nova ligação glicos idica entre a hidroxila do carbono anômero (carbono 1) da glicose ativada (UDP-glicose) e a hidroxila do carbono 4 do resíduo glicosil aceptor (veja a Figura 11.5). (Nota: A extremidade "não-redutora" de uma cadeia de carboidrato é aquela em que o carbono anômero do açúcar terminal está unido por uma ligação glicosídica a outro composto, tornando o açúcar terminal em "não-redutor'' [veja a pág. 84].) A enzima responsável pela formação de ligações cx(1 ~4) no glicogênio é a glicogênio-sintase. (Nota: O UDP liberado quando a nova ligação glicosídica cx{1~4) é formada pode ser convertido novamente em UTP pela nucleosídeo-difosfato-cinase (UDP + ATP ~ UTP + ADP, veja a pág. 294].)

p

,.- - -:- - - :- .X

Gl ~1-

p

p

Figure 11.6 lnterconversão de glicose-6fosfato e glicose-1-fosfato pela fosfoglicomutase.

O. Formação das ramificações no glicogênio Se nenhuma outra enzima de síntese agir sobre a cadeia, a estrutura resultante será uma molécula linear de resíduos de glicosil, unidos por ligações a.(1 ~4). Um composto com essas características é encontrado em tecidos vegetais e é denom inado amilose. Em vez disso, o glicogênio possui ramificações localizadas, em média, a cada oito resíduos glicosil de intervalo, resultando em uma estrutura altamente ramificada, semelhante a uma árvore (veja a Figura 11.3), e que, por sua vez, é muito mais solúvel do que a cadeia não-ramificada da amilose. As ram ificações aumentam o número de extremidades não-redutoras às quais se podem acrescentar novos resíduos glicosil (e, como descrito posteriormente, das quais se pod em remover esses resíduos), acelerando assim a velocidade em que podem ocorrer a síntese e a degradação de glicogênio. Além disso, as ramificações aumentam muito o tamanho dessa molécula.

IV.

1.

Formação das ramificações. As ramificações são formadas pela ação da "enzima de ramificação" amilo-a(1~4)~ a.{l~ 6)-transglicosidase. Essa enzima transfere uma cadeia de 5 a 8 resíduos glicosil da extremidade não-redutora da cadeia do glicogênio [clivando uma ligação cx{1~4) ) para outro resíduo na cadeia, unindo-a por meio de uma ligação a(1 ~ 6). A nova extremidade não-redutora (veja "j" na Figura 11.5), bem como a antiga extremidade não-redutora, da qual 5 a 8 resíduos foram removidos (veja "o" na Figura 11.5), pode, agora, ser ainda mais alongada pela glicogênio-sintase.

2.

Formação de ramificações adicionais. Após o alongamento dessas duas extremidades por ação da glicogênio-sintase, os seus 5 a 8 resíduos glicosil terminais podem ser removidos e utilizados para formar outras ramificações.

DEGRADAÇÃO DO GLICOGÊNIO (GLICOGENÓLISE)

A via de degradação, que mobiliza o glicogênio armazenado no fígado e no músculo esquelético, não é o inverso das reações de síntese. Em vez disso, um conjunto de enzimas citosólicas diferentes é necessário. Quando o glicogênio


127

Bioquímica Ilustrada

é degradado, o produto primário é a glicose-1-fosfato, obtida pela clivagem das ligações g licosídicas a(1 -?4). Além disso, glicose livre é liberada a parti r de cada resíduo glicosil unido por ligações a(1-?6).

H,_~ H,_O\, H,_O\, Hr \ , H~~ ··· ~~H OH

A. Encurtamento de cadeias A glicogênio-fosforilase cliva, seqüencialmente, as ligações glicosídicas a (1-?4) entre os res íduos glicosil, a partir das extremidades não-redutoras das cadeias de glicogênio, por meio de fosforólise simples, até que restem quatro unidades glicosil em cada cadeia antes do ponto de ramificação (Figura 11 .7). (Nota: Essa enzima contém uma molécula de piridoxal-fosfato ligada covalentemente, que é necessária como coenzima.) A estrutura resultante é chamada de dextrina-limite e a fosforilase não consegue degradá-la mais (Figura 11.8).

8 . Remoção das ramificações As ramificações são removidas por duas atividades enzimáticas (veja a Figura 11 .8). Em primeiro lugar, a oligo-a(1 -? 4)-?a(1-?4)-glican-transferase remove os três resíd uos glicosil mais externos, entre os quatros unidos na ramificação. A seguir, ela os transfere para a extremidade não-redutora de outra cadeia, alongando-a. Dessa forma, uma ligação a (1 -?4) é rompida e outra ligação a(1 -?4) é formada. Logo após, o resíduo de glicose restante , unido por ligação a(1-?6), é removido por hidrólise, pela atividade da ami/o-a ( 1~6)-glicosidase , liberando glicose livre. (Nota: Tanto a transferase quanto a glicosidase são domínios de uma mesma cadeia polipeptídica, a "enzima de desramificação".) A cadeia glicosídica está, novamente, disponível para a degradação pela glicogênio-fosforilase, até que sejam alcançadas quatro unidades glicosil antes da próxima ramificação.

C. Conversão de glicose-1-fosfato em glicose-6-fosfato A glicose-1-fosfato, produzida pela glicogênio-fosforilase, é convertida no citosol em glicose-6-fosfato pela fosfoglicomutase - uma reação que produz glicose-1 ,6-bisfosfato como intermed iário temporário, mas essencial (veja a Fi gura 11 .6) . No fígado, a glicose-6-fosfato é transposta para o retículo endoplasmático (RE) pela glicose-6-fosfato-trans/ocase. Nessa estrutura, ela é convertida em glicose pela g/icose-6-fosfatase - a mesma enzima utilizada na última etapa da gliconeogênese (veja a pág. 119). A glicose resultante é, então, transportada para fora do RE até o citosol. Os hepatócitos liberam as moléculas de glicose derivadas do glicogênio no sangue, para ajudar a manter os níveis sangüíneos de glicose até que a via gliconeogênica esteja, ativamente, produzindo glicose. (Nota: No músculo, a glicose-6-fosfato não pode ser desfosforilada devido à ausência da glicose6-fosfatase. Em vez disso, ela entra na via glicolítica, fornecendo a energia necessária para a contração muscular.)

D. Degradação lisossômica do glicogênio U ma pequena quantidade de glicogênio é, continuamente, degradada pela enzima lisossômica a(t-?4)-glicosidase (maltase ácida). O objetivo dessa via é desconhecido. Entretanto, a deficiência dessa enzima gera um acúmulo de glicogênio em vacúolos no citosol, resultando na grave doença de armazenamento do glicogênio tipo 11 (doença de Pompe, veja a Figura 11.8).

OH

~

OH

OH

Cadeia de glicogênio

L"!~---H~ H~O -PO," OH Glicose-1 -P

+

H:r-0\, Hrc\, H:r-0\,

H~ ··· ~~H OH

OH

OH

Glicogênio restante

Figura 11.7 Clivagem de uma ligação a( 1 ~ 4 ) glicosídica por fosforólise.


128

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

EXTREMIDADE

/;,-;. -

-

'>-'

·· ·- -·-

ligação a -1 ,6

-._-·-·-

• Deficiência inata da enzima lisossômica • Generalizada (principalmente fígado, coração, músculos) • Concentrações elevadas de glicogênio presentes em vacúolos anormais no citosol • Níveis n ormais de g licose sangüínea • Cardiomegalia grave • Morte precoce devida, geralmente, à falha do coração • Glicogênio com estrutura normal

TIPO V: SÍNDROME DE McARDLE (DEFICIÊNCIA DA GLICOGÊNIO-FOSFORILASE DOS MÚSCULOS ESQUELÉTICOS)

• • • • • •

Músculo esquelético é afetado; enzima hepática normal Fraqueza temporária e cãibra nos músculos esqueléticos após exercício Sem elevação do lactato sangüíneo durante exercício extenuante Desenvolvimento mental normal Mioglobinemia e mioglobinúria Prognóstico de razoável a bom Alto nível de glicogênio com estrutura normal no músculo (/

Glicose-1-P

,

e

9

~·-

,O

c. 'O $

DEXTRINALIMITE 6

CJ

e

f

g

.

o

"'

<. '

i -·

a'

b'

.-

------::0~ c'

d'

9'

e'

e' \'

-· -· ·

<:=====

Gl~o••1 IJ

~

-

ENZIMA DE DESRAMIFICAÇAO

11

o'

6

_.-'·-·-· . -·- -· -·-···-·--.,1 .-• ·-·-' •-

<:==

c

a (1->4) -glicosidase /isossômica

TIPO 11: DOENÇA DE POMPE (DEFICIÊNCIA DA o.(1-'>4)-GL/COSIDASE L/SOSSÔMICA)

EXTREMIDADES NÃO-REDUTOR

REDUTORA

· -· -· o

ENZIMA DE DESRAMIFICAÇÃO

-·-·-·-·-··-· .--·-·-·-·-·-·-· '

a'

b'

c'

d'

' <! ' . -

e' \

-• - -· -• · iI Continua na próxima página

Figura 11.8 Degradação do glicogênio, mostrando algumas das doenças de armazenamento do mesmo. (Continua na próxima página.)


Bioquímica Ilustrada

129

oa

(Continuação da Figura 11.8) TIPO la: DOENÇA DE VON GIERKE (DEFICIÊNCIA DA GL/COSE-6-FOSFATASE) Tipo lb: DEFICIÊNCIA DA GL/COSE6-FOSFA TO-TRANSLOCASE

I Repetição t dos passos GLICOSE-1-P

1':1 1':1 1:11

+

GLICOSE

(Razão - 8:1)

• • • • • • •

Afeta fígado, rins e intestino Hipoglicemia no jejum -grave Fígado graxa, hepatomegalia Doença renal progressiva Retardo no crescimento e atraso da puberdade Hiperacidemia láctica e hiperuricemia Estrutura normal do glicogênio; aumento do glicogênio armazenado • Tratamento: infusão gástrica de glicose durante a noite ou administração regular de amido de milho não-cozido

Figura 11.8 (Continuação)

V.

REGULAÇÃO DA SÍNTESE E DA DEGRADAÇÃO DO GLICOGÊNIO

Devido à importância da manutenção dos níveis de glicose no sangue, a síntese e a degradação do glicogênio, forma de armazenamento da glicose, são firmemente reguladas . No fígado, a síntese do glicogênio é acelerada quando o corpo está bem alimentado, enquanto a degradação do glicogênio é acelerada em períodos de jejum. No músculo esquelético, a degradação do glicogênio ocorre durante o exercício, e a síntese começa assim que o músculo entra novamente em descanso. A regulação da síntese e da degradação do glicogênio ocorre em dois níveis. Em primeiro lugar, a glicogênio-sintase e a glicogênio-fosforilase são controladas alostericamente. Em segundo, as vias de síntese e de degradação do glicogênio são reguladas hormonalmente. (Nota: A regulação da síntese e da degradação de glicogênio é extremamente complexa, envolvendo muitas enzimas [por exemplo, proteínacinases e fosfatases], cálcio e inibidores de enzimas, entre outros moduladores. Uma discussão completa dessas vias vai além da abrangência de um livro de revisão básica. Sendo assim, esta seção apresenta um panorama geral dos mecanismos fundamentais da regulação da síntese e da degradação do glicogênio.)

m

FÍGADO Glicogênio

Glicose-6-P ........

Glicogénio-

Regulação da síntese e da degradação de glicogênio no estado alimentado. No estado alimentado, a glicogênio-sintase é alostericamente ativada por glicose-6-fosfato quando esta estiver presente em concentrações elevadas (Figura 11.9). Em contraste, a g/icogênio-tos-

Glicogênio-

....

m

Glicose-1-fosfato

MÚSCULO Glicogênio

~ ~ \0~

Glicose·6·P ........

A. Regulação alostérica da síntese e da degradação do glícogênio

1.

Glicose-6-P

Giioo~ ~z l~

ATP ........~

A glicogênio-sintase e a g/icogênio-fosforilase respondem aos níveis dos metabólitos e às necessidades energéticas da célula. É lógico, portanto, que a síntese do glicogênio seja estimulada quando a disponibilidade de substrato e os níveis de energia são altos, e a degradação do glicogênio seja aumentada quando os níveis de energia e o suprimento de glicose disponível são baixos.

~ f:/ \0~

O(

ATP ........~

O(

Glicogênio·

Ca2+

~O\ "Iase

Glicose-6-P

)sintase Glicogenio-

AMP~ o

Glicose-1-fosfato

Figura 11.9 Regulação alostérica da síntese e da degradação de glicogênio no (A) fígado e no (B) músculo.


130

Pamela C. Cham pe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

tori/ase é inibida alostericamente por glicose-6-fosfato, bem como por ATP, um sinal de alto nível energético na célula. (Nota: No fígado, a glicose também serve como inibidor alostérico da glicogênio-fosfori/ase.)

2.

Ativação da degradação do glicogênio no músculo pelo cálcio. Durante a contração muscular, há uma necessidade rápida e urgente de ATP, ou seja, de energia, a qual é fornecida pelo estoque de glicog ênio no músculo. Impulsos nervosos causam despolarização da 2 membrana, a qual, por sua vez, promove a liberação de Ca + do retículo sarcop lasmático para o sarcoplasma das cé lu las musculares. O Ca2 + liga-se à calmodulina, uma proteína da fam ília de pequenas proteínas ligantes de cálcio. (Nota: A cal modulina é a mais amplamente distribuída dessas proteínas e está presente em praticamente todas as células.) A ligação de quatro íons Ca2 • à calmodulina desencadeia uma 2 mudança conformacional, de fo rma que o complexo Ca +-calmodulina ativado associa-se a mo léculas p rotéicas - muitas vezes en zimas - ativando-as, moléculas essas que eram inativas na ausência desse complexo (Figura 11 .10). Dessa maneira, a calmodulina funciona como uma subunidade essencial de muitas proteínas complexas. Uma delas 2 é a tostori/ase-cinase, que é ativada pelo complexo Ca +-calmodulina sem necessidade de que a cinase seja fosforilada pela proteína-cinase dependente de AMPc (veja a seguir e veja a Fi gura 11 .11). Quando o músculo relaxa, o Ca2+ retorna ao retículo sarcoplasmático e a fosfori/ase-cinase se torna inativa. (Nota: A fosforilase-cinase apresenta sua atividade máxima durante o exercício muscular, quando se encontra, 2 ao mesmo tempo, fosforilada e ligada ao Ca +.)

3.

Ativação da degradação do glicogên io no músculo pelo AMP . A glicogênio-fosforilase muscular está ativa na presença das altas concentrações de AM P que ocorrem no músculo, em condições extremas de anóxia e de depleção de ATP. O AMP se liga à fo rma inativa da glicogênio-fosforilase, causando a sua ativação sem a fosforilação (veja a Figura 11.11).

Ca2+ é liberado do retículo endoplasmático em resposta à l igação de h ormônios o u de neurotransmissores a · recept ores da superfície celular.

O aumento temporário da concentração de Ca2+ intracelular favorece a formação do c omplexo Ca2+-calmodulina.

B. Ativação da degradação de glicogênio pela via direcionada pelo AMPc A ligação de hormônios, como glucagon ou adrenalina, a receptores de membrana sinaliza a necessidade de que o glicogên io seja degradado para elevar os níveis da glicose sangüínea ou para fornecer a energia para o músculo em exercício. 1.

Ativação da proteína-cinase. A ligação do glucagon ou da adrenalina a seus receptores específicos nas membranas celulares resu lta na ativação mediada pelo AMPc da p roteína-cinase dependente de AMPc. Essa enzima é um tetrâmero, possuindo duas subunidades regulado ras (R) e duas subunidades catalíticas (C) . O AMPc liga-se ao dímero de subunidades regu latórias, liberando as subunidades catalíticas ind ividuais, que são ativas (veja a Figura 11.11 ). (Nota: Quando o AM Pc é removido, o tetrâmero inativo, R2 C2 , forma-se novamente.)

2.

Ativação da fosforilase-cinase. A fosfori/ase-cinase existe em duas formas: uma forma inativa "b" e uma forma ativa "a". A proteína cinase dep endente de AMPc ativada fosforila a forma inativa da fosforilase-cinase, resultando na sua ativação (veja a Figura 11.11 ). (Nota: A enzima fosforilada pode ser desativada por meio da remoção hidrolítica do seu fosfato pela prote ína-fosfatase 1. Essa e nzima é ativada por uma cascata de sinais mediada por cinases, iniciada pela insulina [veja a pág. 309].)

O complexo Ca2+-cal modulina é um compon ente essencial de m uitas enzimas dependentes de Ca2+.

Figura 11.10 A calmodulina medeia muitos efeitos do cálcio intracelular.


Bioquímica Ilustrada

a:::--:::l

Gl~cagon

......

(FIGADO)

0

131

Adrenalina (MÚSCULO e FÍGADO)

GLICOGÊNIO FUNÇÃO DO CÁLCIO NO MÚSCULO Durante a contração muscular, o Ca2+ é liberado do reticulo sarcoplasmático. O Ca 2+ liga-se à subunidade calmodulina da fosforilase-cinase, ativando-a sem fosforilação. A fosforilase-cinase pode, então, ativar a glicogênio-fosforilase, causando a degradação de glicogênio.

É

Fosfodiesterase

AMPc (• ) -------')~ 5'-AMP

~

Proteína-cinase A dependente de AMPc

(inativa)

~0

Proteína-cinase A dependente de AMPc

0

+

(ativa)

(inativa)

.fu

w

G/icogênio: fosforilase a

0@7 Glicogêniofosforilase-cinase b

DEGRADADO

(ativa)

p Glicogênio-' fosforilase·cinase a

Proteínafosfatase 1

(ativa)

.. -"9'0

Glicogênio· fosfori/ase b Proteína-fosfatase 1 FUNÇÃO DO AMP NO MÚSCULO No múscul o, sob condições extremas de anóxia e de depleção de ATP, o AMP ativa a g/icogênio-fosforitase b sem que ela esteja fosforilada.

Figura 11 .11 Ativação e inibição da degradação do glicogênio.

3.

Ativação da glicogênio-fosforilase. A glicogênio-fosforilase também existe em duas formas: a forma inativa, b, desfosforilada, e a forma ativa, a, fosforilada. A fosforilase -cinase at ivada fosforila a g/icogênio-fosforilase b, gerando a glicogênio-fosforilase a, que dá início à degradação do glicogênio. A fosforilase a é convertida novamente em fosforilase b pela hidrólise de seu fosfato pel a proteína-fosfatase 1 (Nota: Quando a glicose se liga à glicogênio-fosfori/ase a, sinalizando que a degradação de glicogênio não é mais necessária, esse complexo se torna um substrato melhor para a proteína-fosfatase 1. Além disso, quando a glicogênio-fosforilase b muscular estiver ligada à glicose, ela não poderá ser ativada, alostericamente, pelo AMP. No músculo, a insulina inibe indiretamente essa enzima por aumentar a captação de glicose [veja a pág. 308], permitindo o aumento do nível de glicose-6fosfato - um potente inibidor alostérico da glicogênio-fosforilase [veja a Figura 11.9].)

4.

Resumo da regulação da degradação do glicogênio. A cascata de reações listada anteriormente resulta na degradação do glicogênio. O grande número de etapas seqüenciais serve para amplificar o efeito do sinal hormonal, ou seja, algumas moléculas de hormônios associadas aos seus receptores resultam na ativação de um determinado número de moléculas de proteína-cinase e, cada uma delas, pode ativar muitas moléculas de fosforilase-cinase. Isso resulta na produção de muitas moléculas de glicogênio-fosforilase a ativas que podem degradar o glicogênio.

~

(I nativa)

:vt

Insulina


132

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Glucagon (FÍGADO)

r:v

Adrenalina (MÚSCULO e FÍGADO)

C. Inibição da síntese de glicogênio por uma via direcionada pelo AMPc A enzima regulada na síntese de glicogênio é a glicogênio-sintase. Ela também existe em duas formas, a forma "a", que não é fosforilada e é a forma mais ativa, e a forma "b", fosforilada e inativa (Figura 11.12). A glicogêniosintase a é convertida na forma b (e, portanto, inativada) por fosforilação em vários sítios da enzima, os quais determinam um nível de inativação proporcional ao seu grau de fosforilação. Esse processo de conversão é catalisado por várias proteína-cinases diferentes, que são reguladas pelo AMPc ou outros mecanismos sinalizadores. (Nota: A proteína-cinase C, uma proteína-cinase dependente de Ca2 • e de fosfolipídeos [veja a pág. 203], também fosforila a glicogênio-sintase. Nem a proteína-cinase A, nem a proteínacinase C fosforilam diretamente a glicogênio-fosforilase.) A associação dos hormônios glucagon ou adrenalina com seus receptores nos hepatócitos, ou da adrenalina com os receptores das células musculares, resu lta na ativação da adenilato-ciclase, mediada por uma proteína G (veja a pág. 93). Essa enzima catalisa a síntese do AMPc, que ativa a proteína-cinase A, dependente de AMPc, como descrito na pág. 93. A seguir, a proteínacinase A fosforila e, assim, inativa a glicogênio-sintase. A glicogênio-sintase b pode ser transformada novamente em sintase a pela proteína-fosfatase 1, que remove hidroliticamente os grupos fosfato.

o

AMPc (• )

Fosfo- ) diesterase

Protefna-cinase A dependente de AMPc

+

(ativa)

~

5'-AMP

fu

-w

~p

Glicogêníosintase a

Glícogênio~ sintase b

(ativa)

(inativa)

~ Proteína-fosfatase 1

o

t

VI.

DOENÇAS DE ARMAZENAMENTO DO GLICOGÊNIO

Esse é um grupo de doenças genéticas resultantes de um defeito em uma das enzimas necessárias para a síntese ou para a degradação de glicogênio. Elas resultam na formação de glicogênio com estrutura anormal ou no acúmulo de quantidades excessivas de glicogênio normal em tecidos específicos, como conseqüência de uma degradação prejudicada. Uma enzima específica pode estar defeituosa em um único tecido, como o fígado, ou o defeito pode ser mais generalizado, afetando fígado, músculo, rim, intestino e miocárdio. A gravidade das doenças de armazenamento (depósito) do glicogênio (DDG) varia entre as fatais na infância e os transtornos leves, que não ameaçam a vida. Algumas das DDGs mais comuns são mostradas na Figura 11.8.

VIl.

RESUMO DÓ CAPÍTULO

Insulina

SÍNTESE DO GLICOGÊNIO É INIBIDA

Figura 11.12 Regulação hormonal da síntese de glicogênio. (Nota: Ao contrário da glicogênio-fosforilase, a glicogêniosintase é inativa se fosforilada.)

Os principais estoques de glicogênio no corpo são encontrados nos músculos esqueléticos, onde servem como reserva de combustível para a síntese de ATP durante a contração muscular, e no f ígado, onde o glicogên io é usado para manter a concentração de glicose sangüínea, especialmente nos estágios iniciais do jejum. O glicogênio é um polímero altamente ramificado de a-o-glicose. A principal ligação glicosídica é a ligação a(1-74). Após aproxidamente 8 a 10 resíduos glicosil, há uma ramif icação contendo uma ligação a(1-76). UDP-glicose, o fragmento construtivo de glicogênio, é sintetizado a partir de glicose-1-fosfato e de UTP pela UDP-glicose-pirofosforilase . A glicose da UDP-glicose é transferida para as extremidades não-redutoras das cadeias de glicogênio pela glicogênio-sintase, que estabelece ligações a(1 -74). As ramificações são formadas pela amilo-a(1-7 4)-7 a (1 -76)-transglicosidase, que transfere um oligossacarídeo de 5 a 8 resíduos glicosil, da extremidade não-redutora da cadeia principal do glicogênio para outro resíduo na cadeia principal (clivando uma ligação a[1 -74] e inserindo o oligossacarídeo por meio de uma ligação a[1-76]). A glicogêniofosforilase cliva as ligações o:(1-74) entre resíduos glicosil nas extremidades não-redutoras das cadeias de glicogênio, produzindo glicose-1-tosfato,


Bioquímica Ilustrada

133

requerendo piridoxal-fosfato como coenzima. Essa degradação seqüencial continua até que restem quatro unidades glicosil em cada cadeia antes do ponto de ramificação. A estrutura resultante é chamada de dextrina-limite. A oligo-a(1 ~ 4)~a(1 ~4)-glican -transferase (nome comum, glicosil-(4:4) transferase) remove os três resíduos glicosil mais externos dos quatro ligados a uma ramificação e os transfere à extremidade não-redutora de outra cadeia, onde eles podem ser convertidos em glicose-1-fosfato pela glicogênio-fosforilase. A seguir, o único resíduo de glicose que resta unido por ligação a-1,6 é removido hidroliticamente pela atividade da amilo-a-1 ,6glicosidase, liberando glicose livre. A glicose-1 -fosfato é convertida em glicose-6-fosfato pela fosfoglicomutase. No músculo, a glicose-6-fosfato entra na via glicolítica. No fígado, o fosfato é removido pela glicose-6-fosfatase, liberando glicose livre, que pode ser usada para manter os níveis de glicose no sangue no início de um jejum. Uma deficiência dessa fosfatase causa a doença do armazenamento de glicogênio de tipo 1 (doença de Von Gierke). Essa doença resulta na incapacidade do fígado de fornecer glicose livre para o corpo durante o jejum. Essa deficiência afeta a degradação de glicogênio e o último passo da gliconeogênese. A glicogênio ...sintase e a glicogênio-fosforilase são reguladas alostericamente. No estado alimentado, a glicogênio-sintase é ativada pela glicose-6-fosfato, mas a glicogênio-fosforilase é inibida pela glicose-6-fosfato, bem como pelo ATP. No fígado, a glicose também serve como inibidor alostérico da glicogênio-fosforilase. O Ca2+ é liberado pelo retículo sarcoplasmático durante o exercício. Ele ativa a fosforilase-cinase no músculo ao associar-se à subunidade calmodulina da enzima. Isso permite que a enzima ative a glicogênio-fosforilase, causando assim a degradação de glicogênio. A síntese e a degradação de glicogênio são reciprocamente reguladas pelos mesmos sinais hormonais, ou seja, um nível elevado de insulina resulta em um aumento geral da síntese e em uma diminuição na degradação de glicogênio,

Ca racterísticas metabólicas

[ Fígado, músculo

j

ocorre principalmente no ocoffeno

[ Citosol

Regulaçã o

Glicogênio

Enzimas reguladas

~P-Giicose)

requer

[ UTP

Glicose-1-P

Estado alimentado

D

lngestã~ de glicose leva à

D

:~,c------....!..-.., leva ã

Estado de jejum

O

Ingestão ~e alimento! leva a

levaà

O

Glico; sangüínea

leva a

t

I

Glicose sangüínea I

ATP Glicose~P

Glicose (fígado)

f

OUberação l

Figura 11 .13 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo de glicogênio no fígado.

leva à

Á~-........,

de insulina Duberação de glucagonj

)


134

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

enquanto que um nível elevado de glucagon (ou de adrenalina) determina maior degradação e menor síntese de glicogênio. Enzimas fundamentais são fosforiladas por uma família de proteína-cinases, algumas das quais são dependentes de AMPc (composto que aumenta por ação do glucagon e da adrenalina). Grupos fosfato são removidos pela proteína-fosfatase 1 (ativada quando os níveis de insulina estão elevados).

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta . 11 .1 Um menino de dois anos foi levado ao pronto-socorro, sofrendo de hipoglicemia grave. Examinado fisicamente, concluiu-se que ele apresentava hepatomegalia. Exames de laboratório ind icaram que ele também apresentava hiperacidemia láctica e hiperuricemia. Uma biópsia do fígado mostrou que os hepatócitos continham quantidades ma iores do que as normais de glicogên io, de estrutura normal. Posteriormente, se concluiu que a criança apresentava deficiência em qual das seguintes enzimas? A. Glicogênio-sintase B. Glicogênio-fosforilase C. Glicose-6-fosfatase D. Amilo-a(1-76)-glicosidase E. Amilo-a (1-74)-7a(1-76)-transglicosidase 11 .2 Adrenalina e glucagon a presentam qual dos seguintes efeitos sobre o metabolismo do glicogênio no fígado? A. A síntese liquida de glicogênio é aumentada. 8. A glicogênio-fosforilase é ativada, enquanto a glicogênio-sintase é inativada. C. Tanto a glicogênio-fosforilase quanto a glicogênio-sintase são ativadas, mas em taxas significativamente diferentes. D. A glicogênio-fosforilase é inativada, ao passo que a glicogênio-sintase é ativada . E. A proteína-cinase dependente de AMPc é ativada, ao passo que a fosforilase-cinase é inativada. 11.3 Na contração dos músculos esqueléticos, uma súbita elevação na concentração de Ca2• citosólico irá resultar em : A. ativação da proteína-cinase dependente de AMP cíclico; 8. dissociação da proteína-cinase dependente de AMP cíclico em subunidades catalíticas e reguladoras; C. inativação da fosforilase -cinase, causada pela ação de uma proteína-fosfatase; O. ativação da fosforilase-cinase; E. conversão de AMPc em AMP pela fosfodiesterase.

Resposta correta = C. Uma deficiência de glicose-6-fosfatase (doença de Von Gierke) impede o fígado de liberar glicose livre no sangue, causando hipoglicemia grave no jejum, hiperacidemia láctica e hiperuricemia. Uma deficiência de glicogêniofosforilase resultaria em uma diminuição na degradação de glicbgênio, causando hlpoglicemia de jejum, mas não os outros sintomas. Uma deficiência de glicogênio-sintase resultaria em quantidades menores de glicogênio estocado. A amilo-u(1-> 6)-glicosidase remove resíduos glicosil únicos unidos à cadeia de glicogênio por meio de uma ligação glicosidica a(1->6). Uma deficiência nessa enzima resultaria em diminuição da capacidade da célula de degradar ramificações do glicogênio, produzindo dextrinas-limite. A deficiência de amilo-a(1->4)-> a(1->6)-transglicosilase diminuiria a capacidade da célula de formar ramificações.

Resposta correta = B. Tanto a adrenalina quanto o glucagon aumentam a degradação do glicogênio no fígado. Sendo assim, a atividade da glicogênio-fosforilase aumenta, ao passo que a ativídade da glicogênio-sintase diminui. A proteina-cinase dependente de AMPc e seu substrato, a fosforilase-cinase, também são ativadas.

Resposta correta = O. O Ca2 ' liberado do retículo sarcoplasmático durante o exercício associa-se à subunidade calmodulína da fosforílase-cinaJe, ativando, assim, essa enzima. As outras alternativas não sao determinadas por uma elevação do cálcio citosólico.


Metabolismo de Monossacarídeos e Dissacarídeos Glicogênio

I. VISÃO GERAL Embora muitos monossacarídeos encontrados na natureza tenham sido identificados, apenas alguns açúcares aparecem como intermediários metabólicos ou componentes estruturais nos mamíferos. A glicose é o monossacarídeo mais consumido pelo homem, e seu metabolismo tem sido discutido exaustivamente. Contudo, dois outros monossacarídeos - a frutose e a galactose - ocorrem em quantidades significativas na dieta e dão contribuições importantes ao metabolismo energético. Além disso, a galactose é um componente importante dos ca rboidratos estruturais da célula. A Figura 12.1 mostra o metabolismo da frutose e da galactose como uma parte das vias essenciais do metabolismo energético.

11.

Galactose

\

u~P-Giicose

(

Glicose-1 -P

H

Glicose-6-P

l

t

Galactre-1-P

~UDP-Galactose G-

Glicose

METABOLISMO DA FRUTOSE

Cerca de 10% das calorias contidas nas dietas ocidentais provêm da frutose (cerca de 50 g por dia). Sua principal fonte é o dissacarídeo sacarose, o qual, quando clivado no intestino, libera quantidades eqüimolares de frutose e glicose (veja a pág. 86). Ela é também encontrada como monossacarídeo livre no xarope de milho - em alta concentração (55% de frutose/45% de glicose, que é utilizada para adoçar a maioria dos refrigerantes de cola) - , em muitas frutas e no mel. Sua entrada nas células não é dependente da insulina (diferentemente da glicose em certos tecidos; veja a pág. 95) e, ao contrário da glicose, não promove a secreção de insulina. Frutose

A. A fosforilação da frutose Para entrar nas vias do metabolismo intermediário, a frutose deve antes ser fosforilada (Figura 12.2). Isso pode ser alcançado pela ação da hexocinase ou da frutocinase (também chamada cetoexocinase). A hexocinase fosforila a glicose em todas as células do corpo (veja a pág. 96) e várias outras hexoses podem servir como substratos para essa enzima. Entretanto, ela tem uma baixa afinidade (ou seja, um alto Km, veja a pág. 59) para a frutose. Sendo assim, a menos que a concentração intracelular de frutose se torne extraordinariamente alta, a presença de concentrações normalmente saturantes de glicose faz com que pouca quantidade de frutose seja convertida

~

t

Gliceraldeído

Gliceraldeido-3-P

~

T

Frutose-1 -P

Diidroxiacetona-P

Figura 12.1 Metabolismo da galactose e da frutose, como parte das vias essenciais do metabolismo energético (veja a Figura 8.2, pág. 90, para uma visão mais detalhada das reações gerais do metabolismo).


136

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

METABOLISMO DA FRUTOSE

em frutose-6-fosfato pela hexocinase. A frutocinase proporciona o principal mecanismo para a fosforilação da frutose (veja a Figura 12.2). Essa enzima é encontrada no fígado (que processa a maior parte da frutose da dieta), nos rin s e na mucosa do intestino delgado, e converte a frutose em frutose-1 -fosfato , utilizando ATP como doador de fosfato. (Nota: Esses três tecidos contêm também a a/do/ase B, discutida a seguir.)

GLICÓLISE

A menos que a concentração intracelul ar de frutose se torne extraordinariamente alta, a hexocinase está saturada com glicose e fosforila glicose e não frutose.

ÇH20H C=O I HO - C - H I H- C-OH

s_ Clivagem da frutose-1 -fosfato A frutose-1-fosfato não é convertida em frutose-1 ,6-bisfosfato, como ocorre com a frutose-6-fosfato (veja a pág. 97), e sim clivada pela a/do/ase B (também chamada de frutose-1 -fosfato-a/do/ase), produzindo diidroxiacetonafosfato (DHAP) e gliceraldeído_ (Nota: Tanto a a/do/a se A [encontrada em todos os tecidos] quanto a a/do/ase B clivam a frutose-1,6-bisfosfato produzida durante a glicólise, resultando DHAP e gliceraldeído-3-fosfato [veja a pág. 99).) A DHAP pode entrar, diretamente, na glicólise ou na gliconeogênese, ao passo que o gliceraldeído pode ser metabolizado por diversas vias, como ilustrado na Figura 12.3.

ÇH 20 H C =O I HO - C - H I H- C - OH I H- C - OH

I

H - C-OH

I

I

CH 20- p

CH20H

Frutose6-fosfato

.. '!.~".Of. ':'f!~.e. ;> 1

Frutose

1/"ATP

1/"ATP

Frutocínase

Fosfofrutocinase

tADP

tADP

~H20- P

ÇH20 - P C =O I HO - C-H

C =O I HO- C - H I H- C-OH

C. Cinética do metabolismo da frutose O metabolismo da frutose é mais rápido que o da glicose, porque as trioses formadas a partir da frutose-1-fosfato desviam da reação da fosfofrutocinase - a etapa marca-passo mais importante no controle da velocidade na glicólise (veja a pág. 97). (Nota: Com a administração de frutose ao fígado, por meio de infusão intravenosa, por exemplo, pode-se elevar significativamente a taxa de lipogénese, em função do aumento da produção de acetiiCoA.)

I

H - C - OH

I

I

H- C-OH

H - C-OH I

I

CH20 - p

CH 20H Frutose1-fosfato

D.

A deficiência de uma das enzimas-chave necessárias para a entrada da frutose nas vias do metabolismo intermediário pode resultar tanto em uma condição benigna (deficiência de frutocinase), quanto em um distúrbio grave do metabolismo no fígado e nos rins, devido à deficiência da a/dofase B (intolerância hereditária à frutose, IHF) , que se estima ocorrer em 1:20.000 nascidos vivos. Os primeiros sintomas surgem quando o bebê é desmamado e começa a receber alimento conten do sacarose ou frutose. A frutose-1-fosfato se acumula, e os níveis de ATP e de fosfato inorgânico caem significativamente, com a adenina sendo convertida em acido úrico, causando hiperuricemia. A diminuição da disponibilidade de ATP no fígado afeta a gliconeogênese (causando hipoglicemia com vômitos) e a síntese de proteínas (causando uma redução nos fatores de coagulação sangüíneos e de outras proteínas essenciais). Se a frutose (e, portanto, a sacarose) não for removida da dieta, podem ocorrer falência hepática e morte. O diagnóstico de IHF pode ser realizado com base na presença de frutose na urina ou pelo teste de polimorfismo de comprimento do fragmento de restrição (veja a pág. 454).

Frutose1 ,6-bisfosfato

A/do/ase 8

o

o

C- H

C- H

11

11

I

H I H-C-OH

H- C - OH I

I

H - C - OH I

CH20 - P

I

C=O I

CH 20 - P Gllceral deído

I

Gliceral deído3-fosfato

Diidroxiacetonafosfato

Figura 12_2 Fosfori lação da frutose e clivagem dos seus produtos fosforilados.

Deficiências do metabolismo da frutose

E.

Conversão da manose em frutose-6-fosfato A manose, o epímero em C-2 da glicose (veja a pág. 84), é um componente importante das glicop roteínas (veja a pág.164). A hexocinase fosforila a manose, produzindo manose-6-fosfato, a qual, por sua vez, é (reversivelmente) isomerizada a frutose-6-fosfato pela fosfomanose-isomerase_(Nota: Há pouca manose nos carboidratos da dieta. A maior parte da manose intracelular é sintetizada a partir da frutose ou é manose preexistente, liberada durante a degradação de carboidratos estruturais e reaproveitada [salva] pela hexocinase.)


Bioquímica Ilustrada

GLICOSE

Glicose-6-fosfatase

(

Glicose-6-P

----:> ----:>

"

SACAROSE------~1------~>

GLJCQGÊNIQ

Fosfoglicoisomerase

Saca rase

~ Frutose-6-P

FRUTOSÚRIA ESSENCIA L

"'

• Ausência da frutocinase.

P;

Frutose1,6-bisfosfatase

~

• Autossômica recessiva (1 em 130.000 nascimentos).

Frutose-1 -P

• Benigna, condição assintomática.

A~~

l \

• Frut ose acumula na urina.

t

Gliceraldeído INTOLERÂ NCIA HEREDITÁRIA À FRUTOSE ("ENVENAMENTO POR FRUTOSE" )

NADH + H+

• A ausência da aldolase 8 conduz à retenção intracelular da frutose-1-P. • Causa hipoglicem ia grave, vômitos , ictericia, hemorragia, hepatomegalia e hiperuricemia. • Pode causar falência hepát ica e morte.

~

t

"'(

NAo•4

ADP

Glicerol

ATP~

...C:(' - - - - ~(--

Gliceroi-P

)/ Gliceroi-P· desidrogenase

)/

~~

Conversão da glicose em frutose, via sorbitol A maioria dos açúcares é fosforilada rapidamente após sua entrada nas cé lulas, sendo então aprisionados nelas, pois os fosfatos orgânicos não podem cruzar membranas livremente, sem transportadores específicos. Um mecanismo alternativo para metabolizar um monossacarídeo é convertê-lo em polio l por meio da redução do grupo aldeído, produzindo assim mais um grupo hidroxila. 1.

Trios!

isomerase

Diidroxiacetona~P

Figura 12.3 Resumo do metabolismo da frutose .

F.

GH~<.to-3-P

)

Glicerol-cinase

TRIACILGLICERÓIS

Triose-Pisomerase

Triocinase

Alcoot-

ADP ~

Diidroxiacetona-P

ATP

desidrogenase

• Terapia: Detecção rápida e remoção imediata da f rutose e da sacarose da dieta.

FOSFQGLJCERÍDEQS

Frutose-1,6-bis-P

Síntese de so rb it ol. A aldose-redutase reduz a glicose. produzindo sorbitol (glucitol, Figura 12.4). Essa enzima é encontrada em muitos tecidos, incluindo o cristal ino, a retina, as células de Schwann dos nervos periféricos, o fígado, os rins, a placenta, os eritrócitos e as células dos ovários e da vesícula seminal. Nas células do fígado, dos ovários, nos espermatozóides e nas vesículas sem inais, há uma segunda enzima, a sorbítol-desidrogenase, que é capaz de oxidar o sorbito l, produzindo frutose (veja a Figura 12.4). Essa rota com duas reações, que transformam glicose em frutose nas vesículas seminais, ocorre em

l l

PIRUVATO

GLICÓLISE

n

137


138

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

A

função dos espermatozóides utilizarem a frutose como uma importante fonte ene rgética. A via do sorbitol à frutose no fígado proporciona um mecanismo pelo qual qualquer sorbitol disponível é convertido em um substrato que pode entrar na glicólise ou na gliconeogênese.

VESÍCULAS SEMINAIS Glicólise

t

t

2.

CHO I

H-C-OH HO- C-H

H-~-OH H - C-OH

'

SANGUE

CH20H

Glicose

Glicose

~ADPH + W

A/dose· redu/ase

NADP+

<;:H20H H-C-OH HO-C-H I H - C- OH

H-~-OH CH20 H

Sorbitol

O efeito da hiperglicemia no metabolismo do sorbitol. Como a insulina não é necessária para a entrada de glicose nas células listadas no parágrafo anterior, grandes quantidades de glicose podem entrar nessas células em períodos de hiperglicemia, como por exemplo no diabetes não-controlado. Concentrações elevadas de glicose intracelular e um suprimento adequado de NADPH fazem com que a a/dose-redufase produza um aumento significativo na quantidade de sorbitoll que não consegue atravessar de forma eficiente as membranas celulares e, portanto, permanece preso dentro da célula (veja a Figura 12.4). Isso é exacerbado quando a sorbitol-desidrogenase é deficiente ou ausente, como por exemplo na retina, no cristalino, nos rins e nas células nervosas. Como resultado, o sorbitol acumula nessas células, gerando efeitos osmóticas fortes e, assim, as células incham como resultado da retenção de água. Algumas das alterações patológicas associadas ao diabetes podem ser, parcialmente, atribuídas a esse fenô meno, incluindo a formação de catarata, a neuropatia periférica e os problemas vasculares que levem à nefropatia e à retinopatia. (Veja a pág. 343 para uma discussão a respeito das complicações do diabetes.)

ADPH+W

III.

Sorbitol· desidrogenase

METABOLISMO DA GALACTOSE

NADP+

A principal fonte de galactose na alimentação é a lactose (galactosi l-~ - 1 ,4-glicose) obtida do leite e dos seus derivados. (Nota: A digestão da lactose pela ~-galactosidase [lactase] da membrana das cél ulas da mucosa intestinal foi discutida na pág. 86.) Alguma galactose pode também ser obtida por degradação lisossomal de carboidratos complexos, como glicoproteínas e glicolipídeos, que são componentes importantes da membrana. Assim como a frutose, a entrada de galactose nas células não depende da insulina.

CH20H I

C =O HO-C- H H- C - OH

H-~-OH CH20H

Frutose

B

CRISTALINO, NERVOS, RINS Glicólise

t

t

SANGUE

Glicose (elevada)

Glicose ADPH + W Aldoseredutase

NADP+ ~ Sorbitol

A. Fosforilação da galactose Assi m como a frutose, a galactose deve ser fosforilada antes de ser metabalizada. A maioria dos tecidos possui uma enzima específica para essa reação, a ga/actocinase, que produz galactose-1-fosfato (Figura 12.5) . O ATP é o doador de fosfato. B. Formação de UDP-galactose A galactose-1 -fosfato não pode entrar na via glicolítica, a menos que seja antes convertida em UDP-galactose (veja a Figura 12.5). Isso ocorre em uma reação de troca, na qual o UMP é removido da UDP-glicose (produzindo glicose-1-fosfato) e a seguir transferido para a galactose-1-fosfato, produzindo UDP-galactose (Figura 12.6). A enzima que catalisa essa reação é a ga/actose-1-fosfato-uridi/transferase. C. Uso da UDP-galactose como fonte de carbono para a glicólise ou para a gliconeogênese

Figura 12.4 Metabolismo do sorbitol.

Para que a UDP-galactose entre no metabolismo da glicose, ela deve ser convertida em seu epímero em C-4, a UDP-glicose, pela UDP-hexose-4epimerase. Essa "nova" UDP-glicose (produzida a partir da UDP-galactose original) pode então participar em muitas reações biossintéticas, bem como ser usada na reação da uridiltransferase descrita anteriormente, conver-


Bioquímica Ilustrada

139

..

GALACTOSEMIA CLÁSSICA • Deficiência da uridiltranferase. • Doença autossômica recessiva (1 em cada 23.000 nascimentos). DEFICIÊNCIA DA GALACTOCINASE • Causa galactosemia e galactosúria. • Causa acúmulo de galactitol se a galactose estiver presente na dieta.

··• • Causa galactosemia e galactosúria, vômitos, ;$; diarréia e icterícia. ~

,

• Acúmulo de galactose-l-fosfato e galactitol no sistema nervoso, no cristalino, no fígado e nos rins causa lesão hepática, retardo mental grave e catarata.

'' • Diagnóstico pré-natal é possível por meio de --""""""=c1!'1 amostras de vilosidades coriônicas. • Terapia: rápido diagnóstico e imediata remoção da galactose (e, portanto, da lactose) da dieta.

UDP-Glicose

Galactose-I-P

ALDOSE-REDUTASE • A enzima está presente no fígado, nos rins, na retina, no cristalino, no tecido nervoso, na vesícula seminal e nos ovários. • Não é fisiologicamente importante para o metabolismo da galactose, a menos que os níveis dessa galactose estejam altos (como no caso da galactosemia). • Galactitol elevado pode causar catarata.

ATP

ADP

Galactose· t -Ios/ato ·

v··· UDP-Giicose-

uridiltransferase

pirotostorifase

LACTOSE

+----

UDP-GALACTOSE

Glicose-1-P

t

~

JL' JL'

JL'

UDP·hexose·

GLICOLIPÍDEOS GLICOPROTEÍNAS GLICOSAMINOGLICANOS

rf

__/"-uTP

Fosfoglicomutase

Glicose-6-P

Gl~os~ostatase (fígado)

Figura 12.5 Metabolismo da galactose.

tendo outra galactose-1-fosfato em UDP-galactose e liberando glicose-1 fosfato, cujos carbonos são aqueles da galactose original. (Veja a Figura 12.5 para um resumo dessa interconversão.)

UDP-Galactose

D. Papel da UDP-galactose em reações biossintéticas A UDP-galactose pode servir como doadora de unidades de galactose em uma série de vias sintéticas, incluindo a síntese de lactose (veja a seguir), glicoproteínas (veja a pág. 164), glicolipídeos (veja a pág. 207) e glicosami noglicanos (veja a pág . 155). (Nota: Se a galactose não for fornecida pela dieta [por exemplo, quando não puder ser liberada a partir da lactose, em razão de uma deficiência da ~ -galactosidase em pessoas com intolerância à lactose]. todas as necessidades de UDP-galactose podem ser satisfeitas pela ação da UOP-hexose-4-epimerase sobre a UDP-glicose, que é eficientemente produzida a partir de glicose-1-fosfato [veja a Figura 12.5].)

E. Deficiências do metabolismo da galactose A ga/actose-1-fosfato-uridi/transferase encontra-se deficiente em indivíduos com a galactosemia clássica (veja a Figura 12.5) . Nessa doença, a galactose-1-fosfato e, portanto, a galactose acumulam-se nas células. As conseqüências fisio lógicas são semelhantes àquelas encontradas na into lerância hereditária à frutose (veja a pág. 136), mas afetam um espectro mais amplo

~~---~-----~

Galactose

UDP

Figura 12.6 Estrutura da UDP-galactose.


140

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

de tecidos. A galactose acumulada é desviada para vias secundárias, como a da produção de galactitol. Essa reação é catalisada pela a/dose-redufase, a mesma enzima que converte a glicose em sorbitol (veja a pág. 137). (Nota: Uma forma mais benigna de galactosemia é causada pela deficiência da galactocinase [veja a Figura 12.5].)

p-o-Galactosiltransferase (proteína A)

vi

a-Lactalbumina (proteína B)

IV.

UDP-galactose:glicose galactosiltransferase

UDP-galactose ~ UDP +glicose

i

Lactose

H~~~ r~"" ~O~HOH OH

OH

~~ ~-Galactose

A lactose é um dissacarídeo que consiste em uma molécula de ~-ga l actose unida à glicose por uma ligação ~{ 1 ~4) . Dessa forma, a lactose corresponde à ga/actosi/-~( 1~ 4) -glicose. A lactose, conhecida como o "açúcar do leite", é produzida pelas glândulas mamárias da maioria dos mamífe ros, de modo que o leite e a maioria dos seus derivados são fontes de lactose na dieta. A lactose é sintetizada no retículo endoplasmático pela lactose-sintase (UDP-galactose: glicose-galactosiltransferase), que transfere a galactose da UDP-galactose para a glicose, liberando UDP (Figura 12.7). Essa enzima é composta de duas proteínas, A e B. A proteína A é a ~ -o-ga/actosiltransferase e é encontrada em vários tecidos. Em locais diferentes das glândulas mamárias lactantes, essa enzima transfere galactose da UDP-galactose para a N-acetil-o-glicosam ina, formando a mesma ligação ~(1 ~4) encontrada na lactose e produzindo N-acetilactosamina - um componente das estruturalmente importantes N-glicoproteínas (veja a pág. 165). A proteína B, por sua vez, encontra-se apenas nas glândulas mamárias lactantes. É a a -lactalbumina, e sua síntese é estimulada pelo hormônio peptídico prolactina. A proteína B forma um complexo com a enzima, a proteína A, alterando a especificidade daquela transferase de modo que lactose é produzida, em vez de N-acetilactosamina (veja a Figura 12.7).

Glicose

V. Figura 12.7 Síntese da lactose.

SÍNTESE DE LACTOSE

RESUMO DO CAPÍTULO

A principal fonte de frutose é a sacarose, a qual, quando hidrolisada, libera quantidades eqüimolares de frutose e glicose. A entrada da frutose nas células é independente de insulina. Em primeiro lugar, a frutose é fosforilada a frutose-1-fosfato pela frutocinase e, a seguir, clivada pela aldolase B dando diidroxiacetona-fosfato e gliceraldeído. Essas enzimas são encontradas no fígado, nos rins e na mucosa do intestino delgado. Uma deficiência da frutocinase causa uma condição benigna {frutosúria), mas uma deficiência de aldolase B causa a intolerância hereditária à frutose, na qual hipoglicemia grave e falência hepática levam à morte se a quantidade de frutose (e, portanto, de sacarose) na dieta não for severamente limitada. A manose, um componente importante das glicoproteínas, é fosforilada pela hexocinase em manose-6-fosfato, que é isomerizada reversivelmente a frutose-6-fosfato pela fosfomanose-isomerase. A glicose pode ser reduzida a sorbitol {glucitol) pela aldose-redutase em vários tecidos, incluindo cristalino, retina , células de Schwann, fígado, rins, ovários e vesícula seminal. Nas células do fígado, dos ovários e da v~sícula seminal , uma segunda enzima, a sorbitol-desidrogenase, pode oxidar sorbito l para produzir frutose. A hiperglicemia resulta no acúmulo de sorbitol naquelas células que têm deficiência de sorbito/-desidrogenase. Os eventos osmóticas resultantes causam inchaço das células e podem contribuir para a formação de catarata , neuropatia periférica, nefropatia e retinopatia que ocorrem no diabetes. A principal fonte de galactose na dieta é a lactose. A entrada da galactose nas cél ulas não é dependente de insulina. A galactose é inicialmente fosforilada pela galactocinase, que produz


Bioquímica Ilustrada

141

galactose-1 -fosfato. Esse composto é convertido em UDP-galactose pela galactose-1-fosfato-uridiltransferase, com o nucleotídeo sendo fornecido pela UDP-glicose. Uma deficiência dessa enzima causa galactosemia clássica. A galactose-1-fosfato acumula, e o excesso de galactose é convertido em galactitol pela aldose-redutase. Isso causa danos hepáticos, retardamento mental grave e catarata . O tratamento exige a rem oção da galactose (e, portanto, da lactose) da dieta. Para a UDP-galactose entrar nas rotas do metabolismo da glicose, a UDP-galactose deve antes ser convertida em UDP-glicose pela UDP-hexose-4-epimerase. Essa enzima pode também ser usada para produzir UDP-galactose a partir da UDP-glicose, quando a primeira for necessária para a síntese de carboidratos estruturais. A lactose é um dissacarídeo que cons iste de galactose e glicose. O leite e seus derivados são fontes de lactose na dieta. A lactose é sintetizada pela lactose-sintase a partir da UDP-galactose e da glicose na glândula mamária lactante. A enzima tem duas subunidades, a proteína A (que é uma galactosil-transferase encontrada na maioria das células, onde sintetiza N-acetilactosamina) e a proteína B (o:-lactalbumina, que se encontra apenas nas glândulas mamárias lactantes, e cuja síntese é estimulada pelo hormônio peptídico prolactina). Quando ambas as subunidades estão presentes, a transferase produz lactose.

Monossacarídeos importantes na dieta incluem

Frutose i

Leite Outros laticínios Galactose

são fontes importantes de

metabolizada por

são fontes importantes de

Galactose I metabolizada por

t

t

Glicólise ou

Glicogênio fornecendo

t

(

Energia ou glicose

/ Glicose-1-P

I

por uma via que utiliza

t Aldolase B

UD~Giicose

Frutose

t

(

Galactose

-+y-+-

Galactlse-1·P

Uridiltransferase ~ A...,. UDP-Galactose

H

Frutose·1·P

Glicose

Aldolase B clinicamente importante porque

t

clinicamente importante porque

Gliceraldeído

~

Dudroxiacetona·P

mutações no DNA do gene da uridiltransferase

Mutações no DNA do gene da aldolase B

I t

I

levam à

Deficiência da atividade enzimática

levam à

Piruvato Intolerânci a herdada à frutose

Figura 12.8 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo da frutose e da galactose.

Galactosemia clássica

~

Deficiência da atividade enzimática


142

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 12.1 Após a injeção intravenosa de lactose em um rato, a sua metabolização não é observada. Contudo, a ingestão de lactose leva a um rápido metabolismo desse dissacarídeo. A diferença nessas observações é resultado da: A. 8. C. D.

presença de lactase no soro; ausência de galactocinase hepática; ausência de maltase no soro; presença de lactase no intestino.

12.2 Uma fêmea galactosêmica consegue produzir lactose por que: A. a galactose livre (não-fosforilada) é o aceptor da glicose transferida pela lactose-sintase na síntese de lactose; B. a galactose pode ser produzida a partir de um metabólito da glicose por epimerização; C. a hexocinase pode fosforilar eficientemente a galactose da dieta, produzindo galactose-1-fosfato; D. a enzima deficiente na galactosemia é ativada por um hormônio produzido na glândula mamária; E. a galactose pode ser produzida a partir da frutose por isomerização. 12.3 Um recém-nascido apresenta distensão abdominal, cólicas intestinais graves e diarréia após ser alimentado com leite. Uma análise do hidrogénio presente no ar expirado revela um aumento de 80 vezes na produção de H2 , 90 minutos após a alimentação com leite. O bebê, provavelmente , sofre de: A. B. C. D. E.

deficiência de galactocinase; deficiência de ~-ga l ac tos idase {lactase); deficiência de ~-glicosi dase (isomaltase); deficiência de sacarase; deficiência de galactose-1-fosfato-uridiltransferase.

Resposta correta = D. A tactase e a maltase são enzimas intestinais não-encontradas no soro. Sendo assim, a lactose ingerida é degradada, e a injetada não é. Se a galactocinase hepática estiver ausente, a galactose da lactose não é metabolizada, mas a glicose ainda pode ser.

Resposta correta = B. A UDP-hexose-4-epimerase converte a UDP-glicose em UDP-galactose, fornecendo, assim, a forma adequada de galactose para a síntese de galactose. A UDPgalactose, e não a galactose livre, é a fonte da porção galactose da lactose. A galactose não é convertida em galactose 1-fosfato pela hexocinase. A isomerização da frutose a galactose não ocorre no homem.

Resposta correta = B. A lactase é uma enzima digestiva encontrada no intestino. É responsável por degradar a lactose em glicose e galactose, que podem ser absorvidas pela mucosa intestinal. Se houver deficiência de lactase, a flora intestinal fermenta o dissacarídeo, produzindo gases H2 e C02, causando distensão intestinal, cólicas intestinais graves e diarréia após uma alimentação com leite. As deficiências de galactocinase ou de galactose-1-fosfato-uridiltransferase afetam muitos tecidos-'mas a galactosemia não produz os sintomas descritos. A isomaltase e a sacarase são enzimas digestivas que degradam a isomaltose e a sacarose - compostos que não são encontrados no leite.


Via das PentosesFosfato e NADPH

I. VISÃO GERAL A via das pentoses-fosfato (também chamada de desvio da hexose-mono--- fosfato ou via do 6-fosfogliconato) ocorre no citosol da cé lula. Ela cons iste em duas reações de oxidação irreversíveis, seguidas de uma série de interconversões reversíveis de açúcar-fosfato (Figura 13.1). Nenhum ATP é consumido ou produzido diretamente no ciclo. O carbono 1 da glicose-6-fosfato é liberado na forma de C02 , e dois NADPHs são produzidos para cada molécula de glicose-6-fosfato que entra na parte oxidante da via. A velocidade e o sentido das reações reversíveis da via das pentoses-fosfato são determinados pela oferta e demanda de intermediários do ciclo. A via proporciona a maio r quantidade de NADPH do organismo, sendo que esse nucleotídeo tem como função agir como red utor bioquímico. A via produz também a ribose5-fosfato, necessária para a biossíntese de nucleotídeos (veja a pág. 290), e proporciona um mecanismo para o uso metabólico de açúcares de cinco carbonos, obtidos da dieta ou da degradação de carboidratos estruturais do organismo.

11.

Glo

~ ~~--[~ -

Meti:mli:®II·GoA

1

-Prc:plooii-C;oA

l~AcP,tl-CoA

tr~~~rtt~J:~~.OS)

REAÇÕES DE OXIDAÇÃO IRREVERSÍVEIS

A porção oxidativa da via das pentoses-fosfato consiste em três reações, que levam à fo rmação de ribulose-5-fosfato, C02 e duas moléculas de NADPH para cada molécula de glicose-6-fosfato oxidada (Figura 13.2). Essa porção da via é especialmente importante no fígado e nas glândulas mamárias lactantes, tecidos ativos na biossíntese de ácidos graxos, no córtex adrenal, que atua na síntese de esteróides, dependente de NADPH, e nos eritrócitos, que exigem NADPH para manter a glutationa reduzida . A. Desidrogenação da glicose-6-fosfato A g/icose-6-fosfato-desidrogenase (G6PD) catal isa a reação de oxidação irreversíve l da glicose-6-fosfato a 6-fosfogliconolactona, em uma reação que usa especificamente NADP+ como sua coenzima. A via das pentoses-fosfato é regulada basicamente na reação da g/icose-6-fostato-desidrogenase. O NADPH é um potente inibidor competitivo da enzima e,

Gliceraldeido·3·P

Figura 13.1 Desvio da hexose-monofosfato (via das pentoses-fosfato), mostrada como um componente do mapa metabólico (veja a Figura 8.2, pág. 90, para uma visão mais detalhada da via metabólica).


144

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

na maioria das condições metabólicas, a relação NADPH/NADP• é suficientemente alta para inibir de forma substancial a atividade da enzima. Entretanto, com o aumento da demanda por NADPH, a relação NADPH. NADP• d iminui, e o fluxo através do ciclo aumenta, devido à maior atividade da g/icose-6-fosfato-desidrogenase. A insulina aumenta a expressão do gene da G6PD, de modo que o fluxo através da via cresce no estado alimentado.

8. Formação de ribulose-5-fosfato A 6-fosfog liconolactona é hidrolisada pela 6-fosfogliconolactona-hidro/ase. A reação é irreversível e não-limitante. A subseqüente descarboxilação oxidativa do 6-fosfogliconato é catalisada pela 6-fosfog/iconato-desidrogenase. Essa reação irreversível produz uma pentose-fosfato (ribulose-5-fosfato), C0 2 (do carbono 1 da glicose) e uma segunda molécula de NADPH (veja a Figura 13.2).

Reações oxidativas (irreversíveis)

-

I

Reações não-oxidat ivas (reversíveis)

- ---------------'--------------H I H- C-OH

Vias anabólicas redutoras

I

~ 1.~:~,~~~.~:.1 <:: NADPH, H+

NADPH, H+

"I'

... ~

H-~~~H NAr + H0-9-H H -C- OH I H-C- OH

H20~

H - c-o-®

"' '

o " C-H I H-C-OH

H

C=O I HO-C-H I H-C-OH

I

I

o " C-H I H- C - OH

I

H -C-OH

H- C-OH

I

I

H-C-OH H

I

H- C - 0-®

I

Ribose-5fosfato

H - C- OH

I

H-C-0-®

I

I

H- C-OH

I

H-c-o-®

I

C =O I HO-C- H

I

H-C-OH

I

H -C-OH

H-C-0-® I

I

H

H

H

Sedoeptulose7-fosfato

Eritrose-4fo sfato

Xilulose-5fosfato

HH~=6=~H -h~ "·r ~~ HHj~~H-6-o" -(~ H-~-K K~:~X ---;)~Ho-6~~ H~=6~~H 2

\

I

H-C-OH

â -H

2

H-c-o-®

I

H-C - OH H-c-o-®

4

I

I

I

â -H I

H- C-OH

H-C - OH

H- C-OH

H - C- OH

H -c-o -®

H-c-o-®

H- c - o - ®

H - c-o- ®

I

I

I

I

I

I

I

H

H

H

H

H

H

H

Gliceraldeído3-fosfato

Frutose-6f osfato

Glicose-6fosfato

6-Fosfogliconato

Ribulose-5fosfato

Xilulose-5fosfat o

_______

\..

~

y

Gliceraldeído3-fosfato

________

Via glicolítica

Figura 13.2 Reações da via das hexoses-monofosfato. As enzimas numeradas acima são 1) glicose-6-fosfato-desidrogenase e 6fosfog/iconolactona-hidro/ase, 2) 6-fosfog/icona to-desidrogenase, 3) ribose-5 -fosfato-isomerase, 4) fosfopentose-epimerase, 5) e 7) transcetolase (coenzima: tiamina-pirofosfato) e 6) transa/do/ase.

-

-

-

-- -.,

~

--

/

_I


Bioquím ica Ilustrada

III.

REAÇÕES REVERSÍVEIS NÃO-OXIDATIVAS

As reações não-oxidativas da via das pentoses-fosfato ocorrem em todos os tipos de células que sintetizam nucleotídeos e ácidos nucleicos. Essas reações catalisam a interconversão de açúcares de três, quatro, cinco, seis e sete carbonos (veja a Figura 13.2). Essas reações reversíveis permitem que a ribulose-5-fosfato (produzida pela parte oxidativa da via) seja convertida em ribose-5-fosfato (necessária para a síntese de nucleotídeos, veja a pág. 29 1) ou em intermediários da glicólise - frutose-6-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato. Por exemplo, muitas células que possuem reações biossintéticas de redução apresentam maior necessidade de NADPH do que de ribose-5-fosfato. Nesse caso, a transceto/ase (que transfere unidades de dois carbonos) e a transa/do/ase (que transfere unidades de três carbonos) convertem a ribulose-5-fosfato, que é o produto final das reações de oxidação, em gliceraldeído-3-fosfato e frutose-6-fosfato, os quais são intermediários da glicólise. Por outro lado, em condições nas quais a demanda por ribose, para incorporação em nucleotídeos e em ácidos nucleicos, é maior do que a necessidade de NADPH, as reações não-oxidativas podem proporcionar a biossíntese da ribose-5-fosfato a partir de gliceraldeído-3-fosfato e de frutose-6-fosfato, na ausência das etapas oxidantes (Figura 13.3).

IV.

145

I GLICÓLISE I Figura 13.3 Formação de ribose-5-fosfato a partir de intermediários da glicólise.

USOS DO NADPH

A coenzima NADP+ difere da coenzima NAD+ apenas pela presença de um grupo fosfato (-PO/ ") em uma das unidades de ribose (Figura 13.4). Essa mudança aparentemente pequena na estrutura permite que o NADP+ interaja com as enzimas específicas para NADP• , que cumprem papéis únicos na célula. Por exemplo, a relação NADP./NADPH no estado estacionário, no citosol dos hepatócitos, é de aproximadamente 0,1, o que favorece o uso de NADPH em reações biossintéticas de redução. Em contraste, a alta relação NAD./ NADH (aproximadamente 1.000 no citosol de hepatócitos) favorece um papel oxidante para o NAo•. Esta seção resume algumas funções específicas importantes do NADP+ ou do NADPH.

A. Biossíntese redutora O NADPH pode ser considerado uma molécula de alta energia, da mesma forma que o NADH. Contudo, os elétrons do NADPH são destinados à biossíntese redutora , em vez da transferência para o oxigênio, como é o caso dos elétrons do NADH (veja a pág. 73). Dessa forma, nas transformações metabólicas da via das pentoses-fosfato, parte da energia da glicose-6fosfato é convertida em NADPH - uma molécula que pode ser usada em reações que demandam alto poder redutor de um doador.

B. Redução do peróxido de hidrogênio O peróxido de hidrogênio é um membro da famíli a das espécies reativas de oxigênio, formadas a partir da redução parcial do oxigênio molecular (Figura 13.5A}. Esses compostos são formados continuamente como subprodutos do metabolismo aeróbico, por meio de reações com drogas e toxinas do ambiente e quando o nível de antioxidantes é reduzido, situações que criam condições para o estresse oxidativo. Os intermediários altamente reativos de oxigênio podem causar danos químicos graves ao DNA, às proteínas e aos lipídeos insaturados, podendo levar à morte celular. Essas espécies reativas de oxigên io têm sido implicadas em uma série de processos patológicos, entre os quais a injúria da reperfusão,

Figura 13.4 Estrutura do NADPH.


146

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

m

e-

02

e-

~

0 2-.

Oxigênio

m

i 02 Oxigênio

~

-

Oz: Superóxido

H20 2

~

-

-{HzOz

Peróxido de hidrogênio

2 G-SH

OHi

~

Radic al hidroxila

Peróxido de hidrogênio

Superóxido

e-

e-

-

OHi Radical hidroxila

H20 Água

-

1

H 20

Água

G-5-S-G

Figura 13.5 A. Formação dos intermediários reativos a partir do oxigênio molecular. 8. Ações de enzimas antioxidantes. G-SH = glutationa reduzida; G-S-S-G = glutationa oxidada.

câncer, doenças inflamatórias e envelhecimento. A cé lula possui d iversos mecan ismos protetores, que minimizam o potencia l tóxico desses compostos. 1.

Enzimas que catalisam reações antioxidantes. A glutationa reduzida, um tripeptídeo tioló lico (y-glutamilciste ini lglici na) presente na maioria das células, pode destoxificar, quimicamente, o peróxido de hidrogênio (Figura 13.58 ). Essa reação, catalisada pela glutationa-peroxidase, dependente de selênio, forma glutationa oxidada, a qual não mais apresenta propriedades protetoras. A célula regenera a glutationa reduzida e m uma reação cata lisada pela gluta tiona-redutase, usando NADPH como fonte de elétrons redutores. Sendo assim, o NADPH proporciona, indiretamente, elétrons para a redução do peróxido de hidragênio (Figura 13.6). (Nota: Os eritrócitos são totalmente dependentes da via das pentoses-fosfato para seu suprimento de NA DPH, pois, diferentemente da maioria dos outros tipos celu lares, eles não têm uma fonte alternativa dessa coenzima essencial. Se a glicose-6-fosfatodesidrogenase estiver de alguma forma deficiente, os níveis de NADPH d iminuirão, e a glutationa oxidada não poderá ser reduzida. Co mo conseqüê ncia, o peróxido de hidrogênio se acumula rá , co locan do em risco a estabilidade da membrana e causando lise de eritrócitos.) Outras enzimas, como a superóxido-dismutase e a cata/ase, catalisam a conversão de outros intermediários tóxicos de oxigênio em produtos inofensivos (veja a Figura 13.58). Como grupo, essas enzimas servem como sistema de defesa contra os efeitos tóxicos das espécies reativas de oxigênio.

2.

Su bstâncias antioxidantes. A lguns agentes redutores intracelulares, com o o ascorbato (veja a pág. 375), a vitamina E (veja a pág. 389) e o (3-caroteno (veja a pág. 380), conseg uem reduzir e, assim, destoxificar intermediários do oxigênio em laboratório. O consumo de alimentos ricos nesses compostos antioxidantes tem sido correlacionado co m redução dos riscos para certos tipos de câncer, bem como com uma menor freqüência de outros problemas crônicos de saúde.

G-SH

NADPH~H + G-5-S-G~ H20 (oxidada)

.

':

.

NADP+

..

~

. . .. . .

.

;

2 G-SH (reduzida)

.

H20 2

Figura 13.6 A. Estrutura da glutationa (G-SH). (Nota : O glutamato é unido à ciste ína por meio de uma y-carboxila, em vez de uma o:-carboxila.) 8 . Redução do peróxido de hidrogênio por NADPH, mediada pela glutationa.


Bioquímica Ilustrada

Sendo assim, é tentador especular que os efeitos desses compostos são, em parte, uma expressão de sua capacidade de combate r os efeitos tóxicos dos intermediários de oxigênio. Entretanto, testes clínicos com antioxidantes como suplementos alimentares não conseguiram mostrar efeitos benéficos claros. No caso de suplementação a limentar com ~-caro t eno, a incidência d e câncer de pul mão entre fumantes aumentou, em vez de diminuir. Portanto, os efeitos positivos de frutas e legumes sobre a saúde provavelmente refletem uma interação complexa entre muitos compostos de ocorrência natural, o que ainda não foi reproduzido pelo consumo de compostos antioxidantes isolados.

NADPH + H+

NADP+

Citocromo P450· redutase

C . Siste ma citocromo P450-monoxigenase As monoxigenases (oxidases de função mista) incorporam um átomo do oxigênio molecular no substrato (criando um grupo hidroxila), com o o utro átomo sendo reduzido a água. No sistema citocromo P450-monoxigenase, o NADPH proporciona os equivalentes redutores necessários para essa série de reações (Figura 13.7). Esse sistema cum pre funções distintas em dois locais separados nas células. A reação geral catal isada por uma enzima citocromo P450 é:

FAD

Substrato

l

A-H P450-Fe+3 I

A-H

P450-Fe+3

P450-Fe+2 I

A-H

R-H + 0 2 + NADPH + W -7R-OH + Hp + NADP+ onde R pode ser um esteróide, uma droga ou outra substância química. (Nota: Os citocromos P450 [CYP] são, na verdade, uma superfam ília composta de centenas de genes codificantes de enzimas que contêm grupo heme e que participam de uma ampla variedade de reações.) 1.

2.

Sistema m itocondria l. A fu nção do sistema citocromo P450-monoxigenase mitocondrial é participar da hid ro xilaç ão d e esteróides, um processo que torna esses compostos hidrofóbicos mais solúveis em água. Por exemplo, nos tecidos produtores de hormônios esteróides, como a placenta, os ovários, os testículos e o córtex adrenal, esse sistema é usado para hidroxilar intermediários da conversão de colesterol em hormônios esteróides. O fígado usa esse sistema na síntese de ácidos biliares (veja a pág. 222) , e o rim o utiliza para hidroxilar a vitam ina 25-hidroxicolecalciferol (vitamina D, veja a pág . 384), produzindo sua forma bio logicamente ativa 1 ,25-hidroxilada. Siste ma m icrossomal. Uma função ext remamente importante do sistema citocromo P450-monoxigenase microssomal, que está associado às membranas do retículo e ndo pl asmático liso (especialmente no fígado ) é a dest ox ificação de compostos estranhos ao organismo (xeno bi óticos). Entre eles estão diversas drogas e uma variedade de poluentes, incluindo produtos do petróleo, compostos carcinogên icos e pesticidas. O sistema citocromo P450-monoxigenase pode ser usado para hidroxilar essas toxinas, mais uma vez usando o NADPH como fonte de equivalentes redutores. Há dois propósitos para essas modificações. Em primeiro lugar, elas podem ativar ou inativar uma droga ou, em segundo, tornar um composto tóxico mais solúvel, facilitando, assim, sua excreção pela urina ou pelas fezes. Freqüentemente, contudo, o novo grupo hidroxila servirá como sítio para a conjugação com um composto polar, como o ácido glicu rônico (veja a pág. 159) , o que aumentará significativamente a solubilidade do composto.

147

P450-Fe+2 I ' A-H 02

A-OH Produto

Citocromo P450redu tase FAO

NADP+

NADPH + H+

Figura 13.7 Ciclo do citocromo P450monoxigenase.


148

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

o

D. Fagocitose por leucócitos

Associação de um patógeno a uma célula fagocítica

Fagocitose é a ingestão, efetuada por endocitose mediada por receptores, de microrganismos, partículas estranhas e fragmentos celulares, por células como neutrófilos e macrófagos (monócitos). É um importante mecanismo de defesa do organismo, especialmente em infecções bacterianas. Os neutrófilos e os monócitos são dotados de mecanismos, tanto dependentes quanto independentes do oxigênio, para matar bactérias. Os mecanismos dependentes de oxigênio incluem o sistema mieloperoxidase (MPO) e um sistema que gera radicais livres derivados do oxigênio (Figura 13.8). Os sistemas independentes de oxigênio usam mudanças de pH nos fagolisossomos e enzimas lisossomais para destruir os patógenos. Em termos gerais, o sistema MPO é o mais potente dos mecanismos bactericidas. Uma bactéria invasora é reconhecida pelo sistema imunológico e atacada por anticorpos que a ligam a um receptor em uma célula fagocítica. Depois que a internalização do microrganismo ocorreu, a NADPH-oxidase, localizada na membrana celular dos leucócitos, converte o oxigênio molecular do tecido ao redor em superóxido. O rápido consumo do oxigênio molecular que acompanha a formação do superóxido é conhecido como exploxão respiratória. (Nota: A NADPHoxidase é uma enzima complexa, com subunidades que contêm um citocromo e uma coenzima do grupo das flavinas. Deficiências genéticas nessa enzima causam granulomatose crônica, uma doença que se caracteriza por infecções piogênicas crônicas, graves e persistentes.) A seguir, o superóxido é, espontaneamente, convertido er:n peróxido de hidrogênio. Qualquer superóxido que escape do fagolisossomo é convertido em peróxido de hidrogênio pela superóxido-dismutase (SOO). Esse produto é então neutralizado pela cata/ase ou pela glutationa-peroxidase (veja a Figura 13.5). Na presença de MPO, uma enzima lisossomal presente dentro do fagolisossomo, o peróxido mais íons cloreto são convertidos em ácido hipocloroso (HCIO, o principal componente da água sanitária doméstica) , que mata as bactérias. O peróxido em excesso é neutralizado pela cata/ase ou pela glutationa-peroxidase.

BACTÉRIA

r--..· · ~ fJ Ingestão do microrganismo

Lisossomo

NADPH~

E. Síntese do óxido nítrico

NADPHoxidase

O óxido nítrico (NO) é reconhecido como mediador em um amplo conjunto de sistemas biológicos. Q NO é o fator relaxante derivado do e':'dotélio, que causa vasodi@tação ao relaxar os músculos vasculares lisos. Além disso, o NO age como neurotransmissor, impede a agregação plaquetária e cump re um papel essencial na função do macrófago. (Nota: O NO é um radical livre gasoso, freqüentemente confundido com o óxido nitroso [Np], o "gás do riso", usado como anestésico' e que é quimicamente estável.) O NO tem uma meia-vida muito curta nos tecidos (3 a 10 segundos), porque reage com o oxigênio e com o superóxido, sendo convertido em nitratos e nitrilos.

NADP+

02: Espontaneamente

1

cl-~ H 0 2

2

}FeFe

Mie/opero...:::;

x1dase

2

-l

"' ~ocr OH·~

+3

+

. €;.

1.

"" Figura 13.8 Fagocitose e a via dependente de oxigênio para a morte de micróbios. lgG = anticorpo imunoglobulina G

1

Síntese de NO. Arginina, 0 2 e NADPH são substratos para a NO-sintase citosólica (Figura 13.9). Flavina mononucleotídeo (FMN), flavina adenina dinucleotídeo (FAD), heme e tetraidrobiopterina são coenzimas para essa enzima, sendo o NO e a citrulina os produtos da reação. Três NO-sintases já foram identificadas. Duas são enzimas constitutivas (sintetizadas a uma velocidade constante, independentemente da demanda fisiológica) e dependentes de Ca2+·calmodulina. São encon tradas basicamente no endotélio (eNOS) e no tecido neural (nNOS) e produzem constantemente baixos níveis de NO. Uma enzima induzível,

Veja o Capítulo 11 em Farmacologia Ilustrada (2ª e 3ª edições), para uma discussão mais detalhada sobre o óxido nitroso.


149

Bioquímica Ilustrada

independente de Ca2+ (iNOS) , pode ser expressa em muitas células, incluindo hepatócitos, macrófagos, monócitos e neutrófilos. Os indutores específicos da NO-sintase variam com o tipo celular e incluem o fator de necrose tumoral a , endotoxinas bacterianas e citocinas inflamatórias. Tem sido demonstrado que esses compostos promovem a síntese de iNOS, que pode resultar em grandes quantidades de NO produzidas durante horas ou dias. 2.

V.

Ações do NO no endotélio vascular. O NO é um importante mediador no controle do tônus dos músculos lisos dos vasos. O NO é sintetizado pela eNOS nas células endoteliais, difundindo-se para o músculo liso dos vasos, onde ativa a forma citosólica da guanilato-ciclase. (Nota: Essa reação é análoga à formação do AMPc pela adeni/ato-ciclase [veja a pág. 92], exceto pelo fato de que a guanilato-ciclase não é associada à membrana.) O resultante aumento do GMPc causa relaxamento dos músculos por ativação da proteína cinase G, que fosforila a cinase da cadeia leve da miosina, tornando-a inativa, diminuindo assim a contração do músculo liso. (Nota: Os nitratos vasodilatores, como a 2 nitroglicerina e o nitroprussiato , são metabolizados a óxido nítrico, que causa relaxamento do músculo vascular liso e, portanto, diminui a pressão sangüínea. Dessa forma, o NO pode ser considerado um nitrovasodilatador endógeno.)

3.

A função do NO como mediador da atividade bactericida dos macrófagos . Nos macrófagos, a atividade da iNOS é normalmente baixa, mas a síntese da enzima é bastante estimulada por lipopolissacarídeos bacterianos e pela liberação de y-interferon, em resposta à infecção. Macrófagos ativados formam radicais superóxido (veja a pág. 148} que se combinam com o NO para formar intermediários, os quais se decompõem, formando o radical OH'-, altamente bactericida. (Nota: A produção de NO em macrófagos é também eficaz contra infecções por vírus, fungos, helmintos e protozoários.)

4.

Outras funções do NO. O NO é um potente inibidor da agregação plaquetária (ao ativar a via do GMPc). Ele também tem sido caracterizado como um neurotransmissor no encéfalo.

C=NH2+

~H

\

ÇH2

~H2 C=O

I

' NH I

ÇH2

ÇH2

ÇH2

ÇH2 HÇNH3+

Ç H2 HÇNH3+

L-Arginina

L-Cit rulina

coo·

coo·

NO ÓXIDO NÍTRICO

Relaxa músculo liso

DEFICIÊNCIA DA GLICOSE-6-P-DESIDROGENASE

A deficiência de glicose-6-tostato-desidrogenase (G 6PD) é uma doença hereditária que se caracteriza por anemia hemolítica, causada pela incapacidade de destoxificar agentes oxidantes. A deficiência de G6PD é a mais co mum anormalidade enzimática que produz doenças em seres humanos, afetando mais de 200 milhões de indivíduos no mundo inteiro. A sua mais a lta incidência está no Oriente Médio, na África tropical e na Ásia, além de partes do Mediterrâneo. A deficiência de G6PD é ligada ao X, e é, na verdade, uma fam ília de deficiências causadas por mais de 400 mutações diferentes no gene codificante da G6PD. Apenas algumas dessas mutações causam sintomas clínicos. A vida de muitos indivíduos com deficiência de G6PD é, de certo modo, reduzida por complicações resultantes da hemólise crônica. Esse efeito negativo da deficiência de G6PD foi contrabalançado, ao longo da evolução, por uma vantagem na sobrevivência - uma maior resistência à malária falcípara, apresentada por mulheres portadoras da mutação. (Nota: O traço falciforme e a 13-talassemia menor também conferem resistência.)

2

NADPH +H+

NH2

Veja o Capítulo 19 de Farmacologia Ilustrada (2• e 3• edições). para uma discussão mais detalhada sobre vasodilatores.

Funciona como neurotrans missor no encéfalo

Medeia ações tumoricidas e bacterici das de macrófagos

Figura 13.9 Síntese e algumas das ações do óxido nítrico.


150

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Glico se

A deficiência de g licose-6-fosfatodesldrogenase p rejudica a capaci dade do eritrócito de produzir NADPH, resultando em hemólise.

Glico se

I Glicose-6-fosfato

~ G6P

(G6P)

'

l 6-Fosfogliconato

Figura 13.1O Vias metabólicas da glicose-6-fosfato nos eritrócitos.

A. Função da G6PD nos eritrócitos

Figura 13.11 Corpos de Heinz em eritrócitos de paciente com deficiência de G6PD.

A diminuição da atividade da G6PD prejudica a capacidade da célula de formar o NADPH, que é essencial à manutenção do conjunto reduzido de glutationa. Isso resulta em uma queda na destoxificação celular de radicais livres e peróxidos, formados no interior da célula (Figura 13.1 O). A glutationa também ajuda a manter os estados reduzidos dos grupos sulfidrila nas proteínas, incluindo a hemoglobina. A oxidação desses grupos sulfidrila leva à desnaturação de proteínas, que formam massas insolúveis (chamadas de corpos de Heinz) que se associam às membranas do eritrócito (Figura 13.11 ). A oxidação adicional das proteínas das membranas faz com que os eritrócitos se tornem rígidos e não-deformáveis, sendo removidos da circulação por macrófagos no baço e no fígado. Embora a deficiência de G6PD ocorra em todas as células do indivíduo afetado, ela é mais grave nos eritrócitos, onde a via das pentoses-fosfato corresponde à única forma de gerar NADPH. Outros tecidos têm fontes alternativas para a produção de NADPH (tais como malato-desidrogenases dependentes de NAOP', veja a Figura 16.11, pág. 184), que podem manter a glutationa reduzida. O eritrócito não tem núcleo ou ribossomos e não pode renovar seu suprimento da enzima. Sendo assim , os eritrócitos são especialmente vulneráveis a variantes da enzima com estabilidade reduzida.

B. Fatores precipitantes na deficiência de G6PD A maioria dos indivíduos que herdaram uma das muitas mutações de G6PD não apresenta manifestações clínicas (Figura 13.12). Entretanto, alguns pacientes com deficiência de G6PD desenvolvem anemia hemolítica se forem tratados com drogas oxidantes, ingerirem feijão-fava ou contraírem uma infecção grave.

1.

Drogas oxidantes. Drogas utilizadas freqüentemente, que produzem anemia hemolítica em pacientes com deficiência de G6PD, são melhor lembradas pelo mnemônico AAA = Antibióticos (por exemplo, sulfame-


Bioquímica Ilustrada

toxazol e cloranfenicol), Antimaláricos (por exemplo, primaquina, mas não quinino) e Antipiréticos (por exemplo, acetanilida, mas não acetaminofen). 2.

Cl asse

Favismo. Algumas variantes da deficiência de G6PO - por exemplo, a variante mediterrânea - são particularmente suscetíveis ao efeito hemolítica do feijão-fava, um alimento básico da reg ião. O favismo, efeito hemolítica da ingestão do feijão-fava, não é observado em todos os indivíduos com deficiência de G6PD, mas todos os pacientes com favismo apresentam deficiência de G6PD.

3.

Infecção. Uma infecção é o fator desencadeante mais comum de hemólise na deficiência de G6PO. A resposta inflamatória à infecção resulta na geração de radicais livres nos macrófagos, que podem difundir para dentro dos eritrócitos e causar danos oxidativos.

4.

Icterícia neonatal. Bebês com deficiência de G6PO podem desenvol- ver icterícia neonatal, a qual surge entre o primeiro e o quarto dia após o parto. A icterícia, que pode ser grave, resulta do catabolismo hepático prejudicado do grupo heme ou do aumento na produção de bilirrubina.

I

11 III

IV

Sintomas clínicos Muito graves Graves Moderados Ausentes

151

Atividade enzimática resi dual <2% <10% 10-50% 60-150%

Figura 13.12 Classificação das variantes deficientes de G6PD.

C. Propriedades das variantes enzimáticas Quase todas as variantes de G6PO são causadas por mutações pontuais no gene da G6PD. Algumas mutações não perturbam a estrutura do sítio ativo da enzima e, portanto, não afetam a atividade enzimática. Entretanto, muitas enzimas mutantes apresentam propriedades cinéticas alteradas. Por exemplo, variantes enzimáticas podem apresentar diminuição na atividade catalítica, menor estabilidade ou uma alteração da afinidade de ligação por NADP•, NADPH, ou glicose-6-fosfato. A gravidade da doença geralmente está correlacionada à quantidade de atividade residua l da enzima nos eritrócitos do paciente. Por exemplo, as variantes podem ser classificadas como demonstrado na Figura 13.13. A variante G6PD A- é o protótipo da forma moderada da doença (classe III). Os eritrócitos contêm uma G6PD instável, mas cineticamente normal, com a maior parte da atividade enzimática presente nos reticulócitos e nos eritrócitos mais jovens (veja a Figura 13 .1 3). As células mais velhas, portanto, apresentam um nível mais baixo de atividade enzimática, e são removidas preferencialmente em um episódio hemolítica. A G6PD mediterrânea é o protótipo de uma deficiência mais grave (classe 11), na qual a enzima apresenta estabilidade normal, mas uma atividade pouco detectável em todos os eritrócitos. Mutações de classe I costumam estar associadas à anemia crônica não-esferocítica, ocorrendo mesmo na ausência de estresse oxidativo. D.

Embora a ativ idade da enzima normal diminua à medida que os eritrócitos envelhecem, mesmo as células mai s velhas apresentam um nível de atividade suficiente para proporcionar proteção contra danos oxidativos e hemólise.

"' 100 B

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~ Idade do eritrócito {dias)

Biologia molecular da G6PD A clonagem do gene da G6PD e o seqüenciamento de seu DNA complementar (veja a pág. 448 para uma discussão sobre o DNAc) permitiram a identificação de mutações que causam a deficiência de G6PD. Mais de 300 diferentes mutações ou combinações de mutações foram identificadas nesse gene, uma descoberta que explica as numerosas variantes bioquímicas que foram descritas. A maioria dessas mudanças no DNA é de mutações pontuais com perda de sentido (veja a pág. 431 ). Tanto a G6PD A- quanto a G6PD mediterrânea representam enzimas mutantes que diferem das respectivas variantes normais por um único aminoácido. Não foram identificadas mutações com grandes deleções ou com alteração do módulo de leitura, o que sugere que a ausência completa da atividade de G6PD provavelmente é letal.

Em comparação, poucos eritrócitos da variante G6PD mediterrânea apresentam atividade enzimática sufic iente para prevenir o dano oxidativo, ao passo que uma fração considerável dos eritrócitos G6PD A- é capaz de proporcionar proteção.

Figura 13.13 Diminuição das atividades das três formas mais com umente encontradas da G6PD em relação ao envelhecimento celu lar.


152

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

VI. RESUMO DO CAPÍTULO A via das pentoses-fosfato consiste em duas reações de oxidação irreversíveis, seguidas de uma série de interconversões reversíveis de oses fosfatadas. t::ienhum ATP é, diretamente, ÇQJJ§illllido ou produzido I}Q cjçlo. A parte oxidante da via das pentoses-fosfato é especialmente importante no fígado e nas glâ~ dulas mamárias, que agem na biossíntese de ácidos graxos; no córtex adrenãi que atua na síntese dependente de NADPH de esteróides ; e nos eritrócitos, que precisam de NADPH para manter a glutationa red uzida. A glicose-6-fosfato é convertida ir:_reversivelmente em ribulose-5-fosfato, enquanto dois NADPHs são produzidos. O passo regulado é a glicose-6-fosfato-desidrogenase (G6PO), fortementé ini bida por NADPH. Reações reversíveis não-oxidativas interconvertem açúcares. Essa parte da via é a fonte de ribose-5-fosfato, necessária para a síntese de nucleotídeos e ácidos nucleicos. Como as reações são reversíveis, elas podem ser iniciadas a partir de frutose-6-fosfato e de gliceralde ído-3-fosfato (intermediários glicolíticos) se a ribose for necessária e a glicose-6-fosfato-desidrogenase estiver inibida. O NADPH é fonte de equivalentes reduto res nas biossínteses redutoras, como na produção de ácidos graxos e de esteróides. Ele também é necessário para a redução do peróxido de hidragênio, proporcionando os equivalentes redutores necessários para a glutationa reduzida (GSH). A GSH é utilizada pela glutationa-peroxidase para reduzir o peróxido à água. A glutationa oxidada é reduzida pela glutationa-redutase, usando NADPH çom fonte de elétrons. O NADPH proporciona equivalentes redutores para o sistema c itocromo P450-monoxigenase, que é usado na hidroxilação de esteróides para produzir hormônios esteróides, na síntese de ácidos biliares pelo fígado e na ativação de vitamina D. O sistema também destoxifica compostos estranhos, como drogas e variados poluentes, incluindo produtos carcinogênicos, pesticidas e produtos de petróleo. O NADPH proporciona os equivalentes redutores para os fagócitos no processo de eliminação de microrganismos invasores. A NADPH-oxidase usa o oxigênio molecular e elétrons do NADPH para produzir radicais superóxido, os quais, por sua vez, podem ser convertidos em peróxido, ácido hipocloroso e radicais hidroxila. A mieloperoxidase é uma enzima importante nessa via. Um defeito genético na NADPH-oxidase causa granulomatose crônica, uma doença caracterizada por infecções piogênicas graves, persistentes e crôn icas. O NAD PH é necessário para a síntese de óxido nítrico (NO}, uma molécula importante que causa vasodilatação ao relaxar o músculo vascular liso, age como uma espécie de neurotransmissor, previne a agregação de plaquetas e ajuda a mediar a atividade bactericida dos macrófagos. A deficiência de G6PD prejudica a capacidade da célula de formar o NADPH essencial à manutenção do conjunto de glutationa reduzida. Essa deficiência é uma doença genética caracterizada pela anemia hemolítica. As células mais comumente afetadas são os eritrócitos, pois não têm fontes adicionais de NADPH. Os radicais livres e os peróxidos, formados no interior da célula, não podem ser neutralizados, causando desnaturação de proteínas no citosol (por exemplo, da hemoglobina, formando corpos de Heinz) e de proteínas de membrana. As células tornam-se rígidas, sendo removidas pelo sistema retículo endotelial do baço e do fígado. A anemia hemolítica pode ser causada pela produção de radicais livres e peróxidos após a ingestão de drogas oxidantes, de feijão-fava ou na presença de infecções graves. Bebês com deficiência de G6PD podem desenvolver icterícia neonatal, que surge entre o primeiro e o quarto dia após o parto. O nível de gravidade da anemia depende da localização da mutação no gene da G6PD. Mutações de Classe I são as mais graves (por exemplo, G6PD mediterrânea). Elas costumam estar associadas à anemia crônica não-esferocítica. Mutações de Classe III (por exemplo, G6PD A-) causam uma forma mais moderada da doença.


Bioquímica Ilustrada

Função da glicose6-fosfato-desidrogenase

Características metabólicas da via das pentoses-fosfato e do NADPH

ocorre no

( Citosol

produz

Ribose para síntese de DNA e RNA

Passo limitante da velocidade

Tecidos ativos na biossíntese redutora • Fígado • Tecido adiposo • Córtex adrenal • Gônadas • Eritrócitos

o

ocorre princi-

notável pois

palmente em '-- -- - - - -- - - -- - -- - -..)

t

Mutações no DNA do gene para GGPD

levam à

O

Malato-desidrogenase dependente de NADP'" (exceto pelos eritrócitos)

t

Atividad~ enzimática leva à

[)

t

Produção de NADPH

leva à

[)

t

Redução da glutationa

leva a

t

• Síntese de ácidos graxos • Síntese de esteróides • Metabolismo de drogas • Redução da glutationa • Produção de superóxido em tagócitos pela

Intermediários reativos de oxigênio

consumido por consumido or consumido por consumido por

levam à

NADPH

inibe leva à

consumido or

NADPH-oxidase I

[)

t

Hemólise I

notável pois

leva à

t

Anemia hemolítica

Mutações no DNA do gene da NADPH-oxidase

levam à

t

Redução na atividade enzimática

leva à

t

Granulomatose crônica

Figura 13.14 Mapa de conceitos-chave da via das pentoses-fosfato e do NADPH.

t

153


154

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Den ise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 13.1 Em pacien tes do sexo masculino que são homoz igotos para deficiência de glicose-6-fosfato-desidrogenase (G6PD), as conseqüências fisiopatológicas são mais aparentes nos eritrócitos do que em outras células, como as do fígado. Qual das alternativas apresenta uma explicação razoável para essa resposta diferente desses tipos individuais de tecidos? A. A glicose-6-P em excesso no fígado, mas não nos eritrócitos, pode ser canalizada para a síntese de glicogênio, prevenindo, assim, danos celulares. B. Hepatócitos, diferentemente dos eritrócitos, têm mecanismos alternativos para fornecer o NADPH necessário para manter a integridade metabólica e celular. C. A atividade da glicose-6-fosfatase nos eritrócitos remove a glicose-6-fosfato em excesso, resultando em dano celular. Isso não acontece no hepatócito. O. Como os eritrócitos não têm mitocôndrias, a produção de ATP necessária para manter a integridade das células depende exclusivamente de direcionar a glicose-6fosfato para a via das pentoses-fosfato. E. As propriedades catalíticas das enzimas do fígado são bastante diferentes daquelas das enzimas dos eritrócitos.

Resposta correta = B. O dano celular está diretamente relacionado à diminuição da capacidade da célula em regenerar a glutationa reduzida, para a qual são necessárias grandes quantidades de NADPH. Os eritrócitos possuem glutationaperoxidase em abundância. As propriedades catalíticas da glicose-6-fosfato-desidrogenase no fígado e nos eritrócitos são muito semelhantes.

30 mg de primaquina diariamente

.9 ·c

50

:9 E

40

Hemólise aguda

....

o

"' I"'

A. O paciente continuará a ser resistente à hemólise induzida por drogas após seis meses ou mais. B. Os eritrócitos desse paciente apresentam uma vida mais longa do que em indivíduos normais. C. Durante o período de pico da hemólise, os eritrócitos do paciente não devem apresentar qualquer atividade de G6PD. O. A concentração intracelular de NADPH nos eritrócitos do paciente é maior do que o normal. E. O paciente apresenta maior eritropoiese na medula óssea.

.

...........

30

.

'

'

12~ ! !

~

o ~ -······· ~~~

-8 13.2 Um indivíduo com G6PD A- foi tratado com primaquina do dia O ao dia 120 (Figura 13.1 5). A hemólise ocorre imediatamente após o início da terapia com medicamento, como indicado pela anemia progressiva, hemoglobinúria e reticulocitose. Entretanto, apesar da administração continuada da droga, a hemólise diminui espontaneamente e a sobrevivência dos eritrócitos melhora com o tempo. A atividade da G6PD no eritrócito foi medida dois meses após o término da terapia e foi de 10% do normal. Qual das seguintes afirmações sobre esse paciente é correta?

Resistência ou equilíbrio

Recuperação

o

8

16

I

I

I

24

32

40

. ........ 114 120

Tempo (dias)

Figura 13_15 Curso temporal da hemólise induzida por primaquina em um paciente com deficiência de G6PD.

Resposta correta = E. À medida que os eri trócitos envelhecem, a atividade da G6PD diminui (Figura 13.13). Apesar dessa perda de atividade enzimática, eritrócitos mais velhos e normais contêm atividade suficiente de G6PD para gerar NADPH e, assim , sustentar os níveis de GSH em face de estresse oxidativo. Em contraste, as variantes de G6PD com hemólise têm meias-vidas muito mais curtas. O correlato clínico dessa instabilidade enzimática em função da idade é que a hemólise, em pacientes com G6PD K , geralmente é leve e limitada aos eritrócitos deficientes mais velhos. A anemia é autolimitada, porque a população mais velha e vulnerável de eritrócitos é substituída por eritrócitos mais novos, com suficiente atividade de G6PD para suportar um ataque oxidante. Embora a sobrevivência das hemácias permaneça reduzida enquanto continuar o uso da droga, a compensação pela medula eritróide abole efetivamente a anemia em sujeitos com G6PD A-. A sensibilidade continuada do indivíduo aos efeitos da droga é revelada interrompendo-se a sua administração por vários meses, para permitir que a taxa de produção pela medula óssea seja normalizada. Durante essa fase, os eritrócitos mais velhos conseguem sobreviver, e a população de eritrócitos se torna sensível à hemólise induzida pela droga.


Glicosaminoglicanos e Glicoproteínas

I. VISÃO GERAL DOS GLICOSAMINOGLICANOS

Açúcar aminad o N-acetilado

Açúcar ácido

Glicosaminoglicanos (GAG) são grandes complexos de cadeias de heteropolissacarídeos com carga negativa. Geralmente, eles estão associados a pequenas quantidades de proteínas, formando proteoglicanos, os quais tipicamente são constituídos por mais de 95% de carboidratos. (Nota: Isso em comparação com as glicoproteínas, que consistem basicamente em proteínas, com uma pequena quantidade de carboidrato. As glicoproteínas serão discutidas neste capítu lo, começando na pág. 163.) Os glicosaminoglicanos têm a capacidade especial de se ligar a grandes quantidades de água, formando uma espécie de gel, que por sua vez é a base da substância matriz no organismo. As propriedades viscosas e lubrificantes das secreções das mucosas também resultam da presença de glicosaminoglicanos, o que levou ao nome original desses compostos: mucopolissacarídeos.

11.

ESTRUTURA DOS GLICOSAMINOGLICANOS

Glicosaminoglicanos são cadeias de heteropolissacarídeos longas, lineares, geralmente compostas por uma unidade de dissacarídeo que se repete (açúcar ácido- açúcar aminado)" (Figura 14.1 ). O açúcar aminado é o-glicosamina ou o-galactosamina, nas quais o grupo amino é, geralmente, acetilado, eliminando assim sua carga positiva. O açúcar aminado pode também ser sulfatado nos carbonos 4 ou 6 ou no nitrogênio não-acetilado. O açúcar ácido é o ácido o-glicurônico ou seu epímero no carbono-S, o ácido L-idurônico (Figura 14.2). (Nota: A única exceção é o queratan sulfato, no qual a galactose está presente, em vez do açúcar ácido.) Esses açúcares ácidos contêm grupos carboxila com carga negativa no pH fisiológico e que, junto com os grupos sulfato, dão aos glicosaminoglicanos sua natureza fo rtem~n te negativa. A. Relaç ão entre a estrutura e a funçã o d os g licosaminogl icanos Devido à grande quantidade de cargas negativas, essas cadeias de heteropolissacarídeos tendem a estar estendidas quando em solução. Elas se repelem e são cercadas por uma camada de moléculas de água. Quando colocadas juntas, elas "escorregam" umas sobre as outras, de modo semelhante a dois ímãs com a mesma polaridade, que parecem "deslizar" um

'

~

COOH

'o OH

NH

Grupo acetila

{C =O CH 3

n

Figura 14.1 Dissacarídeo de repetição.

CH 20 H

.0a. NH2

Glicosamina

COOH

~0. OH

Ácido o-glic urônico

.~?a.

OH Ácido L-idurônico

Figura 14.2 Alguns monossacarídeos encontrados em glicosaminoglicanos.


156

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

1

Comp"'"'o

sobre o outro. Isso produz a consistência "escorregadia" das secreções das mucosas e do fluido sinovial. Quando uma solução de glicosaminoglicanos é comprim ida, a água é "espremida" e os glicosaminogl icanos são forçados a ocupar um volu me menor. Quando a compressão é suspensa, os glicosaminoglicanos voltam ao seu volume original hidratado, em função da repulsão das suas cargas negativas. Essa propriedade contribui para a resiliência do fluido sinovial e do humor v ítreo dos olhos (Figura 14.3).

8. Classificação dos glicosaminoglicanos As seis principais classes de glicosaminoglicanos são divididas conforme a sua composição monomérica, o tipo de ligação glicosídica, o número e a localização do radical sulfato. As estruturas dos glicosaminoglicanos e sua distribuição no corpo estão ilustradas na Figura 14.4.

C. Estrutura dos proteoglicanos Todos os glicosaminoglicanos, com exceção do ácido hialurônico, são encontrados unidos a proteínas, pela ligação covalente, formando monômeros de proteoglicanos.

III.

Figura 14.3 Resi liência dos glicosaminoglicanos.

1.

Estrutura dos monômeros de proteoglicanos. Um monômero de proteoglicano encontrado na cartilagem consiste em uma proteína central à qual se unem as cadeias lineares de glicosaminoglicano, por meio de ligação covalente. Essas cadeias, cada uma das quais podendo ser composta por mais de 100 monossacarídeos, estendem-se a partir da proteína central e se mantêm separadas em função da repulsão das cargas. A estrutura resu ltante lembra uma "escova para frascos" (Figura 14.5). No proteoglicano da cartilagem, as espécies de glicosami noglicanos encontradas incluem condroitina sulfato e queratan sulfato. (Nota: Diversos proteoglicanos foram caracterizados e nomeados em fu nção de sua estrutura e localização funcional. Por exemplo, sindecan é um proteoglicano integral de membrana, versican e agrecan são os proteoglicanos extracelulares predominantes, neurocan e cerebrocan são encontrados principalmente no sistema nervoso.)

2.

Ligação entre a cadeia glicídica e a proteína. Essa união ocorre mais comumente por um trissacarídeo (galactose-galactose-xilose) e um resíduo de serina, respectivamente. Uma ligação 0-glicosídica é formada entre a xilose e o grupo hidroxila da serina (Figura 14.6).

3.

Agregados de proteoglicanos. Os monômeros proteoglicanos se associam a uma molécula de ácido hialurônico para formar agregados de proteoglicanos. A associação não é covalente, mas acontece principalmente por meio de interações iônicas entre a proteína central e o ácido hialurônico. A associação é estabilizada por pequenas proteínas adicionais chamadas proteínas de ligação (Figura 14.7).

SÍNTESE DOS GLICOSAMINOGLICANOS

As cadeias de polissacarídeos são alongadas pela adição seqüencial alternada de açúcares ácidos e de açúcares aminados, doados por seus derivados de UDP. As reações são catalisadas por uma família de transferases específicas. A síntese dos glicosaminoglicanos é análoga à do glicogênio (pág. 124) , exceto pelo fato de que os glicosaminoglicanos são produzidos e exportados da célu la. Sua síntese ocorre, portanto, no retículo endoplasmático e no Golgi, em lugar do citosol.


Bioquímica Ilustrada

CONDROITIN 4· e 6-SULFATO • Unidade dissacarídica: N-acetilgalactosamina com sulfato em C-4 ou C-6 e ácido glicurônico. • GAG mais abundante no organismo. • Presente em cartilagens, tendões, ligamentos e aorta. • Forma agregados de proteoglicanos, agregando-se freqüentemente de forma nãocovalente com o ácido hialurônico. • Na cartilagem, eles se associam ao colágeno e mantêm as fibras em uma rede firme e forte. Também são encontrados na aorta, nos tendões e nos ligamentos.

~~/'L___y H

OH

GlcUA

H

~1,3

HNCOCH3

GaiNAC

n

~~~

~i H

DERMATAN SULFATO

OH

GlcUA

• Unidade dissacarídica: N-acetilglicosamina e galactose (sem ácido urônico). O conteúdo de sulfato é variável, podendo estar presente no C-6 de quaisquer dos monossacarídeos. • São os glicosaminoglicanos mais heterogêneos, porque contêm monossacarídeos adicionais como L-fucose, ácido N-acetilneuramínico e manose. • o as 11 é um proteoglicano encontrado em agregados com o condroitin sulfato no tecido conjuntivo frouxo. O as I é encontrado na córnea.

~1,3

GaiNAC

n

• Unidade dissacarídica: N-acetilgalactosamina e ácido L-idurônico (com quantidades variáveis de ácido glicurônico). • Encontrado na pele, nos vasos sangüíneos e nas válvulas cardíacas.

HEPARINA ldUA

a 1,3

GaiNAC

Gal

~1 ,4

GlcNAC

GlcUA

a1,4

GleN

n

n

ÁCIDO HIALURÔNICO • Unidade dissacarídica: N-acetilglicosamina e ácido glicurônico. • Diferente de outros GAGs: não é sulfatado, liga-se de forma não· covalente a proteínas e é o único GAG não-limitado a tecidos animais, sendo também encontrado em bactérias. • Serve para lubrificação e absorção de choques. • Presente no fluido sinovial das articulações, humor vítreo do olho, cordão umbilical, tecido conjuntivo frouxo e cartilagem.

157

~~'v-i

~~ H OH

GlcUA

~1 ,3

GlcNAC

n

• Unidade dissacarídica: Glicosamina e ácido glicurônico ou idurônico. A maioria dos resíduos de glicosamina está unida por ligações sulfamidas . O sulfato é também encontrado no C-3 ou no C-6 da glicosamina e no C-2 do ácido urônico (uma média de 2,5 @ por unidade de dissacarídeo). • Diferentemente de outros GAGs que são compostos extracelulares, a heparina é um componente intracelular dos mastócitos presentes nas artérias, especialmente do fígado, dos pulmões e da pele. • Funciona como um anticoagulante.

HEPARAN SULFATO • Unidade dissacarídica: Mesma da heparina, exceto pelo fato de que algumas glicosaminas são acetiladas e de haver menos grupos sulfato. • GAG extracelular, presente na membrana basal e encontrado como componente ubíquo das superfícies celulares.

Figura 14.4 :=strutura e distribu ição dos glicosaminoglicanos (GAGs). Grupos sulfato (@ ) são mostrados em todas as posições :>assíveis. GlcUA = ácido glicurônico; ldUA = ácido idurônico; GaiNAC = N-acetilgalactosamina; GlcNAC = Nacetilglicosamina; GleN = glicosamina; Gal = galactose.


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A. Síntese de açúcares aminados

Proteína

Os açúcares aminados são componentes essenciais de glicosaminoglicanos, glicoprote ínas, glicolipídeos e certos oligossacarídeos, sendo também encontrados em alguns antibióticos. A via sintética dos aminoaçúcares é muito ativa no tecido conjuntivo, onde até 20% da glicose flui por essa via.

(Vista lateral)

1.

N-Acetilglicosamina (GicNAc) e N-acetilgalactosamina (GaiNAc). O monossacarídeo frutose-6-fosfato é o precursor de GlcNAc, GaiNAc e dos ácidos siálicos, incluindo o ácido N-acetilneuramínico (NANA, um monossacarídeo ácido de nove carbonos). Em cada um desses açúcares, um grupo hidroxila do precursor é substituído por um grupo amino doado pelo aminoácido glutamina (Figura 14.8) . (Nota: Os grupos amino são quase sempre acetilados.) Os derivados UDP de GlcNAc e GaiNAc são sintetizados por reações análogas àquelas descritas para a síntese de UDP-glicose (veja a pág. 124). Essas são as formas ativadas de monossacarídeos, que podem ser utilizadas para alongar as cadeias de carboidratos.

2.

Ác ido N-ac etilneuramínico. O ácido N-acetilneuramínico (NANA) é um membro da família dos ácidos siálicos, cada um dos quais é acetilado em um ponto distinto. Esses compostos são geralmente encontrados como res íduos glicídicos termi nais de cade ias oligossacarídicas laterais de glicoproteínas, glicolipídeos ou, com menor freqüência, de glicosaminoglicanos. Os carbonos e o nitrogênio do NANA vêm de N-acetilmanosamina e fosfoeno lpiruvato (um intermediário da via glicolítica, veja a pág. 100). (Nota: Antes que possa ser acrescentado a um oligossacarídeo crescente, o NANA deve ser convertido em sua forma ativa, por reação com trifosfato de citid ina [CTP]. A enzima N-acetilneuraminato-CMP-pirofosforilase remove o pirofosfato do CTP e une o CMP remanescente ao NANA. Esse é o único nucleotídeo-açúcar no metabolismo humano no qual o nucleotídeo carregador é um monofosfato.)

(Vista de cim a)

Figura 14.5 Modelo do tipo "escova para frascos" de um monômero de proteoglicano de cartilagem.

~ Proteína central

TH2 0

} daCadei~ lateral serma

I Xilose

Gala~tose

} Região de ligação

I

Galactose

r~çúcar aminad~l Açúcar ácido

Unidade dissacarídica n de repetição

Figu ra 14.6 Região de ligação dos glicosaminoglicanos.

Figura 14.7 Agregado de proteoglicanos.


Bioquímica Ilustrada

Glutamina Glutamato Glicose6-fosfato

~

Frutose6-fosfato

\.

L)

Aminotransferase

UTP

Glicosamina'>. Glicosamina6-fosfato ..,.(:------37~ 1-fosfato

ATP

CoA

Glicose

Ácido siálico, gangliosídeos, glicoproteínas

<:=====

k. )t

)t CMP-

NANA

~

UOPGUCOSAMINA

~

Acetii-CoA

ADP

159

PP i

~

Glicosaminoglicanos

~

UDP-NACETILGLICOSAMINA

"'

UDP-NACETILGALACTOSAMINA

Figura 14.8 Síntese de amino-açúcares.

B. Síntese de açúcares ácidos O ácido o-glicurônico, cuja estrutura é a da glicose com o carbono 6 oxidado (-CH2 0H ~ -COOH), e seu epímero em C-5, o ácido L-idurônico, são componentes essenciais dos glicosaminoglicanos. O ácido glicurônico é também necessário nas reações de destoxificação de uma série de compostos insolúveis, como bilirrubina (veja a pág. 280), esteróides e várias drogas. Em plantas e mamíferos (com exceção de porcos-da-índia e de primatas, incluindo o homem), o ácido glicurônico serve como precursor do ácido ascórbico (vitamina C). A via do ácido urônico proporciona também um mecanismo pelo qual a o-xilulose da dieta pode entrar nas vias metabólicas centrais .. 1.

Ácido glicurônico. O ácido glicurônico pode ser obtido em pequenas quantidades na dieta. Ele pode também ser obtido a partir da degradação lisossomal intracelular de glicosaminoglicanos, ou pela via do ácido urônico. O produto final do metabolismo do ácido glicurônico em seres humanos é a o-xilulose-5-fosfato, que pode entrar na via das pentosesfosfato e produzir os intermediários glicolíticos gliceraldeído-3-fosfato e frutose-6-fosfato (Figura 14.9; veja também a Figura 13.2, pág. 144). A forma ativa do ácido glicurônico, que doa o açúcar na síntese de glicosaminoglicanos e em outras reações de glicuronização, é o UDPácido glicurônico, que é formado pela oxidação da UDP-glicose (Figura 14.10).

2.

Síntese do ácido L·idurônico. A síntese dos resíduos de ácido L-idu rônico ocorre após o ácido o-glicurônico ser incor porado na cadeia oligossacarídica. A uronosi/-5-epimerase catalisa a epimerização do açúcar o em L.

C. Síntese da proteína central A proteín a central é sintetizada sobre o retículo endoplasmático rugoso (RER) e nele penetra. Após, a proteína é glicosilada por transferases ligadas à membrana, enquanto se move pelo RE.

Glicosaminoglicanos, gicoproteínas


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02

....

ÁCIDO o-GLICURÔNICO

/'

L-Gulonato

t

~ -h ~

t2

L-Xilulose XILITOL-DESIDROGENASE DEPENDENTE DE NADP+ • Sua deficiência causa " pentosúria essencial" . • A L-Xilulose, neste caso, é encontrada em quantidades significativas na urina. • Essa é uma característica comum, clinicamente assintomática, dos judeus Ashkenazi.

Xilitol

jé'

r·'"

.•.

·d~·,,_.,.

«·.·

·.. <

•••

L·GULONOLACTONA-OXIDASE

t

__,

o-Xilulose

jé'

ÁCIDO ASCÓRBICO

~

• Esta enzima está ausente em primatas e porcos-da-índia. • Portanto, nesses animais (incluindo os seres humanos), o ácido ascórbico é uma vitamina essencial na dieta.

Dieta

o-XILULOSE-5-P

~

VIA DAS PENTOSESFOSFATO

Figura 14.9 Via do ácido urânico.

Glicose

Uridina difosfato (UDP)

O. Síntese da cadeia oligossacarídica A formação da cadeia oligossacarídica começa pela síntese de uma pequena região de ligação na proteína central , sobre a qual a síntese da cadeia oligossacarídica será iniciada. A região de ligação mais comum é formada pela transferência de uma xilose da UD P-xilose para o grupo hidroxila de uma serina (ou treonina) , catalisada pela xilosiltransterase. Duas moléculas de galactose são acrescentadas, completando o tri· hexosí· deo. A isso se segue uma ad ição seqüencial alternada de açúcares ácidos e aminados (Figura 14.11 ), e a conversão de alguns resíduos de o-glicuronil a L·iduronil.

~ .,----------.. 1

UDP-Glicose

E. Adição de grupos sulfato 2

A sulfatação da cade ia o ligossarídica ocorre após o monossacarídeo a se r sulfatado ter sido incorporado à cadeia o ligossarídica crescente. A fonte d e sulfato é o 3'-fosfoadenosil-5'-fosfossulfato (PAPS, uma molécula de AMP com um grupo sulfato ligado ao 5'-fosfato). Sultotransterases determinam a su lfatação da cadeia de carboidratos em s ítios específicos. (Nota: Um exemplo da síntese de um glicosaminoglicano sulfatado, o condroiti n sulfato, é mostrado na Figura 14.1 1.) O PAPS é também o doador de enxofre na síntese de glicoesfingolipídeos. (Nota: Um defeito no processo de sulfatação resulta em uma de várias doenças autossômicas recessivas que afetam o desenvolvimento adequado e a manutenção do sistema esquelético, o que ilustra a importância do passo da sulfatação.)

H 0*2NAD+

UDP· Giicosedesidrogenase

2 NADH +2 H

COOH

~o~

H~-UDP OH UDP-Ácido glicurônico

Glicosaminoglicanos Conjugação com compostos menos polares (por exemplo, bilirrubina, esteróides e algumas drogas)

Figura 14.10 Oxidação de UDP-glicose a UDPácido glicurônico.

IV.

DEGRADAÇÂO DE GLICOSAMINOGLICANOS

Os glicosaminoglicanos são degradados nos lisossomos, os quais contêm enzimas hidrolíticas que são mais ativas em um pH de aproximadamente 5. (Nota: Portanto, essas enzimas como um grupo são denominadas de hidrolases ácidas.) O baixo pH ótimo é um mecanismo de proteção, que impede que


Bioquímica Ilustrada

161

as enzimas destruam a célula caso ocorra um escapamento das mesmas para o citosol, onde o pH é neutro. Com exceção do queratan sulfato, que tem uma meia-vida maior do que 120 dias, os glicosaminoglicanos têm uma meia-vida relativamente curta, entre três dias para o ácido hialurônico e dez dias para o condroitin e o dermatan sulfatos.

A. Fagocitose de glicosaminoglicanos extracelulares Por serem compostos extracelulares ou da superfície celular, os glicosaminoglicanos devem ser envolvidos por uma invaginação da membrana celu lar (fagocitose), formando uma vesícula, dentro da qual os glicosaminoglicanos são degradados. A seguir, essa vesícula se funde com um lisossomo, formando uma única vesícula digestiva na qual os glicosaminoglicanos são degradados de forma eficaz (veja a pág. 148 para uma discussão sobre a fagocitose).

B. Degradação lisossomal dos glicosaminoglicanos A degradação lisossof!lal dos glicosaminoglicanos requer um grande número de hidrolases ácidas para a digestão completa. Inicialmente, as cadeias polissacarídicas são clivadas por endoglicosidases, produzindo oligossacarídeos. A degradação posterior dos oligossacarídeos ocorre seqüencialmente, a partir da extremidade não-redutora de cada cadeia (veja a pág. 127), sendo que o último grupo (sulfato ou açúcar) acrescentado durante a síntese será o primeiro a ser removido. Exemplos de algumas dessas enzimas e das ligações que elas hidrolisam são mostrados na Figura 14.12.

V.

MUCOPOLISSACARIDOSES

As mucopolissacaridoses são doenças hereditárias clinicamente progressivas. Elas são caracterizadas pelo acúmulo de glicosaminoglicanos em vários tecidos, provocando sintomas variados, como deformações esqueléticas e da matriz extracelular e retardamento mental. As mucopolissacaridoses são causadas por uma deficiência em uma das hidrolases lisossomais, normalmente envolvidas na degradação de heparan sulfato e/ou dermatan sulfato (veja a Figura 14.12). Isso resulta na presença de oligossacarídeos na urina, em função da degradação lisossomal incompleta dos glicosaminoglicanos. Esses fragmentos podem, então, ser utilizados para diagnosticar o tipo específico de mucopolissacaridose, identificando-se a estrutura presente na extremidade não-redutora do oligossacarídeo. Esse resíduo seria o substrato para a enzima deficiente. O diagnóstico é confirmado medindo-se o nível celular das hidrolases lisossomais do paciente. As crianças que são homozigotas para uma dessas doenças são aparentemente normais ao nascer, mas sua situação se deteriora gradativamente. Em casos graves, a morte ocorre na infância. Todas as deficiências são autossômicas recessivas , com exceção da síndrome de Hunter, que é ligada ao cromossoma X . Transplantes de medula óssea estão sendo utilizados atualmente com sucesso para tratar a síndrome de Hunter; os macrófagos transplantados produzem a sulfatase necessária para degradar glicosaminoglicanos no espaço extracelular. (Nota: Algumas das enzimas lisossomais necessárias para a degradação dos glicosaminoglicanos também participam da degradação dos glicolipídeos e das glicoproteínas. Sendo assim, um indivíduo que sofra de um tipo específico de mucopolissacaridose também poderá ter lipidose ou glicoproteína-oligossacaridose.)

Etapas 4 e 5 são repetidas até que a cadeia esteja completa

I

Legenda

{o:

Ser~ Q

:GicUA

Xii

:Gal O:GaiNAc

Figura 14.1 1 Síntese de condroitin sulfato.


162

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~

ldUA - GleN - GicUA- GicNAc - GicUA ........ I

I

® SÍNDROME DE HURLER (MPS I H) • Deficiência da a-L-iduronidase. • Turvação da córnea, retardo mental, nanismo, feições faciais rudes, obstrução das vias aéreas superiores. • A degradação de dermatan sulfato e de heparan sulfato é afetada. • Deposição na artéria coronariana leva à isquemia e à morte precoce. • Essa doença pode ser tratada por meio de transplante de medula óssea, preferencialmente antes dos 18 meses de vida.

®

~

SÍNDROME DE HUNTER (MPS 11) • Deficiência de iduronato-sulfatase. • Deficiência ligada ao cromossoma X. • Amplo espectro de gravidade. Sem turvamento da córnea, mas com deformidade física e retardo mental de leve a grave. • Degradações de dermatan sulfato e de heparan sulfato são afetadas.

ldUA- GicN - GicUA - GicNAc- GicUA· .......

i:~ /d! ,.,w ~~ldUA

SÍNDROME DE SANFILIPPO TIPOS A-D (MPS III) • Quatro etapas enzimáticas são necessárias para a remoção dos resíduos de glicosamina N-sulfatados ou N-acetilados do heparan s ulfato: Tipo A: deficiência da heparan-sulfamidase Tipo B: deficiência da N-acetilglicossulfatase Tipo C: deficiência da glicosamina-N-acetiltransferase Tipo D: deficiência da N-aceti/glicosamina-6-sulfatase • Deficiências graves do sistema nervoso, retardo mental.

SÍNDROME DE SLY (MPS VIl) • Deficiência da [3-glicuronidase. • Hepatoesplenomegalia, deformidades ósseas, baixa estatura, tur vamento da córnea, deficiência mental. • Degradações de dermatan sulfato e de heparan sulfato são afetadas.

GlcNAc -GicUA ........

Figura 14.1 2 Degradação do glicosaminoglicano heparan sulfato por enzimas lisossomais, indicando as deficiências enzimáticas em algumas mucopolissacaridoses.


Bioquímica Ilustrada

VI.

VISÃO GERAL DAS GLICOPROTEÍNAS

Glicoprote ínas são proteínas às quais oligossacarídeos estão ligados de forma covalente. Elas diferem dos proteoglicanos (que podem ser considerados como um caso especial de glicoproteínas) pelo fato de que a cadeia o ligossacarídica das glicoproteínas é relativamente pequena (geralmen te de 2 a 1O resíduos de oses, embora possa ser mais longa), ao passo que essa cadeia pode ser muito longa nos glicosaminoglicanos (veja a pág. 155). Além disso, enquan to os glicosaminoglicanos têm unidades dissacarídicas repetidas , os carboidratos das glicoproteínas não têm repetições em série. As cadeias oligossacarídicas das glicoproteínas são muitas vezes ramificadas, em vez de lineares, e podem ter carga negativa ou não. As glicoproteínas contêm quantidades altamente variáveis de carboidratos. Por exemplo, a imunoglobulina lgG contém menos de 4% de sua massa como carboidrato, enquanto a glicoproteína gástrica humana (mucina) têm mais de 80% de carboidrato. Glicoproteínas ligadas à membrana participam de vários fenômenos celulares, incluindo reconhecimentos na superfície celular (por outras células, hormônios, vírus), antigenicidade (como os antígenos de grupo sangüíneo), como componentes da matriz extracelular e como as mucinas dos tratos gastrintestinal e urogenital, onde atuam como lubrificantes biológicos proletores. Além disso, q uase todas as proteínas globulares presentes no p lasma humano são glicoproteínas. (Veja a Figura 14.1 3 para um resumo de algumas das funções das glicoproteínas.)

VIl.

·y ,.

' .

ESTRUTURA DOS OLIGOSSACARÍDEOS DAS GLICOPROTEÍNAS

Os componentes oligossacarídicos das glicoproteínas são geralmente heteropolímeros ramificados, formados basicamente de D-hexoses, com a adição, em alguns casos, de ácido neuramínico e de L-fucose - uma 6-desoxi-hexose.

A. Estrutura da ligação entre o carboidrato e a proteína O oligossacarídeo pode estar ligado à proteína por uma ligação N- ou 0 glicosídica (veja a pág. 85) . No primeiro caso, a cadeia oligossacarídica está unida ao grupo amino da cadeia lateral de uma asparagina e, no segundo, ao grupo hidroxila da cadeia lateral de uma serina ou de uma treonina. (Nota: No caso do colágeno, há uma ligação 0 -glicosídica entre galactose ou glicose e o grupo hidroxila da hidroxilisina [veja a pág. 45] .)

Muc inas '>';. ·

B. Oligossacarídeos N- e O-ligados Uma glicoproteína pode conter apenas um tipo de ligação glicosídica (N- ou 0 -), ou pode ter oligossacarídeos 0 - e N-ligados dentro da mesma molécula.

1.

Oligossacarídeos O-ligados. Os oligossacarídeos O-ligados podem conter um ou uma ampla variedade de açúcares, organizados na forma de cadeias lineares ou ramificadas. Muitos oligossacarídeos O-ligados são encontrados como glicoproteínas componentes de membranas ou em glicoproteínas extracelulares. Por exemplo, oligossacarídeos O-ligados ajudam a fornecer os determinantes dos grupos sangüíneos ABO.

2.

Oligossacarídeos N-ligados. Os oligossacarídeos N-ligados são de duas grandes classes: os complexos e os ricos em manose. Ambos

Figura 14.1 3 Funções das glicoproteínas.

·'

' :(.-

163


164

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

NANA

contêm o mesmo pentassacarídeo central mostrado na Figura 14.14, mas os oligossacarídeos complexos contêm um grupo distinto de açúcares adicionais, por exemplo, N-acetilglicosamina (GicNAc), L-fucose (Fuc), ácido N-acetilneuramínico (NANA), enquanto os oligossacarídeos ricos em manose contêm, basicamente, manose (Man).

NANA

I

I

Gal

Gal

I

I

GlcNAc

GlcNAc

"Man Man / "Man -/ 1- GlcNAc I

VIII.

SÍNTESE DE GLICOPROTEÍNAS

GlcNAc

I GlcNAc -1-- Fuc

I

___ __,..

~ Asn ......_

~

Cadeia protéica

Pentassacarideo central

Man

I Man

Man Man

" " Man Man " Man

/

/-

1- GlcNAc

I GlcNAc

I

GlcNAc -

1- Fuc

I , . . . -Asn ......._

, Cadeia protéica

Figura 14.14 Oligossacarídeos complexos (parte superior da figura) e ricos em manose (parte inferior da figura).

A maioria das proteínas se destina ao citoplasma e é sintetizada em ribossomos livres no citosol. Entretanto, as proteínas, incluindo muitas glicoproteínas, que se destinam às membranas celu lares, ao lisossomo, ou a serem exportadas a partir da célula, são sintetizadas em ribossomos ligados ao RER. Essas proteínas contêm seqüências sinalizadoras específicas na sua extremidade N-terminal, que funcionam como "etiquetas de endereço" moleculares, as quais encaminham as proteínas a seus devidos destinos. Essas seqüências sinalizadoras permitem que o polipeptídeo crescente seja deslocado ao lúmen do RER. A seguir, as proteínas são transportadas, através de vesículas secretoras, ao complexo de Golgi, que funciona como um centro de triagem (Figura 14.15). No Golgi, aquelas glicoproteínas que devem ser secretadas a partir da célula (ou que são destinadas aos lisossomos) permanecem livres no lúmen, enquanto aquelas que devem se tornar componentes da membrana celular se integram à membrana do Golgi, com suas porções glicídicas orientad as para o lúmen. As vesículas brotam do Golgi e se fundem com a membrana celular, liberando as glicoproteínas livres ou acrescentando as proteínas ligadas à membrana da vesícu la à membrana celular. As glicoproteínas de membrana são, assim, orientadas de forma que a porção glicídica esteja voltada para o lado de fora da célula (Figura 14.15).

A. Componentes glicídicos das glicoproteínas Os precursores dos componentes glic ídicos das glicoproteínas são os nucleotídeos-açúcares, os quais incluem UDP-glicose, UDP-galactose, UDP-N-acetilglicosamina e UDP-N-acetilgalactosamina. Além disso, GDPmanose, GDP-L-fucose (sintetizada a partir da GDP-manose) e CMP-ácido N-ac,etilneuramínico podem doar açúcares à cade ia em crescimento. (Nota: Quando NANA estiver presente, o oligossacarídeo terá uma carga negativa em pH fisiológico.) Os oligossacarídeos são unidos de forma covalente a grupos específicos da cadeia lateral (R) de aminoácidos da proteína, onde a estrutura tridimensional da proteína define se um determinado grupo R de um aminoácido é glicosilado ou não.

8 . Síntese dos glicosídeos O-ligados A síntese dos glicosídeos O-ligados é muito semelhante à dos glicosaminoglicanos (veja a pág. 156). Em primeiro lugar, a proteína à qual os oligossacarídeos devem ser unidos é sintetizada no RER e deslocada ao seu lúmen. A glicosilação começa imediatamente, com a transferência de uma N-acetilgalactosamina (a partir de UDP-N-acetilgalactosamina) a um grupo específico serila ou treonila da cadeia lateral (R) de um aminoácido.

1.

Função das glicosiltransferases. As glicosiltransferases responsáveis pela síntese gradual dos oligossacarídeos estão ligadas às membranas do RE ou ao aparelho de Golgi. Elas agem em uma ordem específica, sem usar um modelo como é necessário para a síntese de DNA, RNA


165

Bioquímica Ilustrada

ou de proteínas (veja a Unidade VI deste texto), mas reconhecendo a estrutura real do oligossacarídeo em crescimento como o substrato adequado.

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO (RER)

• O RER é constituído por uma série de m embranas em forma de sacos interconectados. • Ribossomos est ão unidos ao lado cit osólico da membrana.

C. Síntese dos glicosídeos N-ligados A síntese de glicosídeos N-ligados também ocorre no lúmen do RE e do Golgi. Entretanto, essas estrutu ras passam por passos extras de processamento e requerem a participação de um lipídeo (dolicol) e de seu derivado fosforilado, o dolicol pirofosfato (Figura 14.16). 1.

2.

Síntese do dolicol-oligossacarídeo. Em primeiro lugar, como acontece com glicosídeos O-ligados, a proteína é sintetizada no RER e entra no seu lúmen. A própria proteína não é glicosilada com açúcares individuais nessa etapa da síntese; é formado, primeiramente, um oligossacarídeo ligado a lip ídeo. Esse lipídeo consiste no do licol (um lipídeo da membrana do RE co m 80 a 100 átomos de carbono de comprimento) unido por meio de uma ligação pirofosfato a um oligossacarídeo contendo N-aceti lglicosamina, manose e g licose. Os açúcares acrescentados ao dolicol pelas g/icosiltransferases de membrana são, em primeiro lugar, N-acetilglicosamina, seguido de manose e glicose (veja a Figura 14. 16). O oligossacarídeo é transferido do dolicol para a cadeia lateral de uma asparagina da p roteína por uma proteina-oligossacarídeo-transferase presente no retículo endoplasmático.

do Golgi e seus conteúdos se destinam à membrana celular, ao ambiente extra· celul ar ou aos lisossomos.

Processamento final de oligossacarídeos N-ligados. Após a incorporação na proteína, o oligossacarídeo N-ligado é processado pela remoção de resíduos manosil e glicosil específicos, à medida que a

Lisossomo

Glicoproteínas que devem ser secretadas da célula permanecem livres no lúmen. São liberadas quando a vesícula se funde com a membrana da célula. Proteína

ESPAÇO INTRACELULAR

J

Membrana

'f celular

lJ1lll!lliD!J!illilll!llllli!!ll!DllliDlUJlll.lilliDJIJ1lllD.1ill!l!llliillulllílllllllll!llDJ!]!UJ!llllliill!!!illillllD.1í!ill ESPAÇO EXTRACELULAR

Glicoproteínas que devem se tornar componentes da membrana da célula são integradas à membrana das vesículas secretoras que brotam do Golgi e se fundem com a mem brana da célula.

t ID!lffilllllll>J!!liDI

r.,.'~ Q%J ',~

/

Carboidrato

c c'ó'c'

ó

Figura 14.15 Transporte de glicoproteínas pelo aparelho de Golgi e sua subseqüente liberação ou incorporação ao lisossomo ou à membrana celular.

~


166

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

Ribossomos

Extremidade 5' ~

~

Extremidade 3'

A síntese protéica começa no retículo endoplasmático (RE) e a cadeia polipeptídica é deslocada para o seu lúmen.

Peptídeo em crescimento

+

Um oligossacarídeo ramificado é s intetizado unido ao dolicol

O oligossacarídeo é transferido do dolicol a um resíduo de asparagina da cadeia polipeptídica em crescimento.

O corte da cadeia oligossacarídica começa à medida que a proteína se movimenta pelo RE.

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO

APARELHO DE GOLGI No Golgi, ocorrem mais cortes e/ou adições de monossacarídeos. Glicoproteína complexa

Figura 14.1 6 Síntese das N-glicoproteínas. O = N-acetilglicosamina; O = manose; • = glicose; • = N-acetilgalactosamina; <> ou <J por exemplo, fucose ou ácido N-acetilneuramínico.

glicoproteína se movimenta através do RE. Por fim, as cadeias oligossacarídicas são completadas no Golgi por meio da adição de vários açúcares (por exemplo, N-acetilglicosamina, N-acetilgalactosamina e outras manoses e, a seguir, fucose ou NANA como grupos terminais) para produzir uma glicoproteína complexa, ou não são mais processadas, deixando cadeias ramificadas, contendo manoses, formando uma glicoproteína rica em manose (veja a Figura 14.16). O destino final das N-gl icoproteínas é o mesmo das 0-glicoproteínas; por exemplo, elas podem ser liberadas pelas células ou fazerem parte da membrana celular ou , alternativamente, N-glicoproteínas podem ser translocadas para os lisossomos. 3.

Enzimas destinadas aos lisossomos. As N-glicoproteínas, ao serem processadas no Golgi, podem ser fosforiladas em um ou mais


Bioquímica Ilustrada

CITOSOL

Manose fosforilada

Oligossacarídeo N-li gado

DO ENÇA DA CÉLULA I • Causada por uma defi ciência na capacidade de fosforilar manose. • Caracterizada por anormalidades ósseas, restrição nos movimentos das articulações, feições faciais rudes e d ificuldades psicomotoras graves. • A mort e geralmente ocorre ao redor dos o ito anos de i dade.

Figura 14.17 Mecanismo de transporte de N-glicoproteínas aos lisossomos.

resíduos específicos de manose. Os receptores de manose-6-P, localizados no aparelho de Golgi, ligam-se aos resíduos de manose-6-P dessas enzimas-alvo, resultando no seu transporte aos lisossomos. A d o ença d a célu la I é uma síndrome rara, na qual as enzimas hidrolases ácidas, normalmente encontradas nos lisossomos, estão a usentes, resultando em um acúmulo de substratos norm almente degradados pe las enzimas lisossomais nessas vesícu las. (Nota: A doença da célula I tem esse nome em função dos grandes corpos de inclu são observados nas células de pacientes com essa doença.) Alé m disso, quant idades elevadas de enzimas lisossomais são encontradas no plasma desses pacientes, sugerindo que o processo de transporte direcionado aos lisossomos (e não a via sintética dessas enzimas) esteja deficiente. Já fo i determinado que indivíduos com a doença da célu la I não têm a capacidade enzimática de fosforila r os resíduos de manose das potencia is enzimas lisossomais, ca usando um transporte d irecionado incorreto dessas proteínas a sítios extracelula res, em lugar de enca minhá-las às vesículas lisossomais (Figura 14.17) . A doença da célula I se caracte riza por anormalidades ósseas, restrição nos movimentos das a rticu lações, feições faciais rudes e dificuldades psicomotoras graves. A morte geralmente ocorre ao redor dos oito anos de idade.

TRANSGOLGI

Receptor de manose-6-P

167


168

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

IX.

DEGRADAÇÃO LISOSSOMAL DE GLICOPROTEÍNAS

A degradação de glicoproteínas é semelhante à dos glicosaminoglicanos (veja a pág. 160). Geralmente, cada enzima hidrolítica lisossomal é específica para a remoção de um componente da glicoproteína. Essas enzimas são, basicamente, exoenzimas, que removem seus respectivos grupos em seqüência, na ordem inversa de sua incorporação ("último a entrar, primeiro a sair"). Se qualquer enzima degradativa estiver faltando, a degradação por parte das outras exoenzimas não poderá continuar. Um grupo de doenças genéticas chamado de doenças do armazenamento de glicoproteínas (o ligossacaridoses), causadas por uma deficiência de uma das enzimas degradativas, resulta no acúmulo de estruturas parcialmente degradadas nos lisossomos. Após a morte celular, os fragmentos de oligossacarídeos aparecem na urina. (Nota: Essas doenças muitas vezes estão diretamente associadas às mesmas deficiências enzimáticas envolvidas nas mucopolissacaridoses e na incapacidade de degradar glicolipídeos.)

X.

RESUMO DO CAPÍTULO

Os glicosaminoglicanos são cadeias de heteropolissacarídeos lineares longas, de carga negativa, geralmente compostas de uma unidade de dissacarídeo que se repete (açúcar ácido- açúcar aminado)n. O amino açúcar é o-glicosamina ou o-galactosamina, nas quais o grupo amino costuma ser acetilado, eliminando assim a sua carga positiva. O amino açúcar pode.também ser sulfatado no ca rbono 4 ou 6 ou em um nitrogênio não-acetilado. O açúcar ácido é o ácido o-glicurônico ou seu epímero no carbono 5, o ácido L-idurônico. Esses compostos associam-se a grandes quantidades de água, produzindo assim a matriz semelhante a um gel que forma a base da substância fundamental do organismo. As propriedades viscosas e lubrificantes das secreções das mucosas são também devidas à presença de glicosaminoglicanos, o que levou esses compostos a serem originalmente chamados de mucopolissacarídeos. Como componentes essenciais da superfície das células, os glicosaminoglicanos cumprem um importante papel na sinalização célula-célula e na adesão celular. Há seis principais classes de glicosaminoglicanos, incluindo condroitin 4- e 6-sulfato, queratan sulfato, dermatan sulfato, heparina, heparan sulfato e ácido hialurônico. Todos os glicosaminoglicanos, com exceção do ácido hialurônico, são encontrados unidos covalentemente a proteínas, formando monômeros de proteoglicanos, que consistem em uma proteína central à qual as cadeias lineares de glicosaminoglicano são unidas covalentemente. Os monômeros de proteoglicanos se associam a uma molécula de ácido hialurônico para formar agregados de proteoglicanos. Os glicosaminoglicanos são sintetizados no retícu lo endoplasmático e no Golgi. As cadeias de polissacarídeos são alongadas pela adição seqüencial alternada de açúcares ácidos e açúcares aminados, doados por seus respectivos UDP-derivados. A última etapa da síntese é a sulfatação de alguns dos amino-açúcares. A fonte do sulfato é o 3'-fosfoadenosil-5'-fosfossulfato. Os glicosaminog licanos são degradados pelas hidrolases lisossomais. Os oligossacarídeos são inicialmente clivados da proteína e, a seguir, são degradados em seqüência a partir da extremidade não-redutora de cada cadeia. Uma deficiência de uma das hidrolases resulta em uma mucopolissacaridose. Estas são doenças hereditárias, nas quais os glicosaminoglicanos se acumulam nos tecidos, causando sintomas como deformidades ósseas e na matriz extracelular e retardo mental. Entre essas doenças genéticas estão as síndromes de Hunter e de Hurler. As glicoproteínas são proteínas que possuem oligossacarídeos ligados covalentemente. Elas diferem dos proteoglicanos em relação à cadeia oligossarídica da glicoproteína, que é relativamente curta (geralmente de 2 a 1 O resíduos de açúcar, embora possa ser mais longa). Os carboidratos das glicoproteínas


169

Bioquímica Ilustrada

GLICOSAMINOGLICANOS

+

[

t

l

Proteínas I

Cadeia heteropolissacarídica

incluindo I

t Proteína central

J

• • • • • •

• Associação de grandes quantidades de água • Viscosos • Lubrificantes

t [ Proteína>J de ligação

I

classifica;os como:

propriedades ffsicoquímicts incluem

compostos de

degradtdos por

[

Condroitin sulfato Queratan sulfato Dermatan sulfato Ácido hialurônico Heparina Heparan s u Ifato

Hidrolases lisossomais

J

I

importantes devfoa [ Deficiências enzimáticas hereditárias

caracterirdos por:

com a função de:

que dettrminam

t

• Cadeias longas • Lineares • Carregadas negativamente • Unidades dissacarídicas de repetição

J

• Suporte celular e componentes fibrosos dos tecidos • Mediadores da sinali zação célula-célula e da adesão celular

Mucopolissacaridoses • • • •

Síndrome de Hurler Síndrome de Sanfilippo Síndrome de Hunter Síndrome de Sly

GLICOPROTEÍNAS compo~tas

[

t Proteína

l

t

[

degradtdas por

cotêm

por Oligossacarídeos

I

l

I

Seqüências sinaliza- l doras N-terminais

que direcionam

com função de

t

[

compostos por

l

A cadeia polipeptídica crescente

[

• • •

I

l

Lúmen do retículo endoplasmático

t

Oligossacaridoses J

e subseqüentemente ao

I

t

l

Complexo de Golgi I

onde

t

J

Carboidrato é adicionado à proteína

J

• Reconhecimento da superfície celular • Antigenicidade na superfície celular • Componentes da matriz extracelular e de mucinas adequados • Proteínas globulares pl asmáticas

1

t

r

Proteínas são distribuídas aos seus destinos

1

por exemplo

t

rSecreção par~l fora da célula

~ Incorporação na ~=~~:na

J

que determinam

t

J

J

importantes devfoa

[ Deficiências enzimáticas hereditárias

ao

Cadeias heteropolissacarídicas Cadeias curtas Ramificadas Carregadas negativamente ou não Sem unidades dissacarídicas de repetição

Hidrolases lisossomais

I

t

r Inclusão nos

Figura 14.18 Mapa de conceitos-chave para glicosaminoglicanos e glicoproteínas.

lisossomos

I


170

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier

não têm repetições em série como os glicosaminoglicanos. As glicoproteínas ligadas à membrana participam de um amplo espectro de fenômenos celulares, incluindo reconhecimento celular (por outras células, hormônios, vírus), antigenicidade celular (como os antígenos de grupos sangüíneos) e como componentes da matriz extracelular e das mucinas dos tratos gastrintestinal e urogenital, onde atuam como lubrificantes biológicos protetores. Além disso, quase todas as proteínas globulares presentes no plasma humano são glicoproteínas. As glicoproteínas são sintetizadas no retículo endoplasmático e no Golgi. Os precursores dos componentes glicídicos das glicoproteínas são os nucleotídeos-açúcares. As 0 -glicoproteínas são sintetizadas pela transferência seqüencial de açúcares a partir de seus nucleotídeos carregadores para a prote ína. As N-glicoproteínas contêm quantidades va riáveis de manose. Elas são sintetizadas pela transferência de um oligossacarídeo pré-formado a partir do seu carreador lipídico de membrana, o dolicol, para a proteína. Elas requerem o dolicol como carreador intermediário da cade ia oligossacarídica em crescimento. Uma deficiência na fosforilação dos resíduos de manose em pré-enzimas que são N-glicoproteínas destinadas aos lisossomos resulta na doença da célula I. As glicoproteínas são degradadas nos lisossomos por hidrolases ácidas. Uma deficiência de uma dessas enzimas resulta nas doenças de armazenamento de glicoproteínas (oligossacaridoses), causando acúmulo de estruturas parcialmente degradadas no lisossomo.

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 14. 1 Mucopolissacaridoses são doenças genéticas de armazenamento. Elas são causadas por: A. B. C. D.

uma maior velocidade de síntese de proteoglicanos; síntese de polissacarídeos fOm estrutura alterada; defeitos na degradação de proteoglicanos; síntese de quantidades extraordinariamente pequenas de proteína central; E. uma quantidade insuficiente de enzimas proteol íticas.

14.2 A presença dos seguintes compostos na uri na de um paciente sugere uma deficiência em qual das enzimas listadas a seguir? Sulfato

Su lfato

Gai N ac~GicUA~Gai N Ac

A. Galactosidase B. Glicosidase c. Glicuronidase D. Manosidase E. Sulfatase

Resposta correta = C. Nas mucopolissacaridoses, a síntese de proteoglicanos não é afetada, tanto em termos de estrutura quanto na quantidade de matéria sintetizada. As doenças são causadas por uma deficiência em uma das enzimas lisossomais hidrolíticas responsáveis pela degradação dos glicosaminoglicanos (e não da proteína central).

Resposta correta = E. A degradação de glicoproteinas segue a regra "último a entrar, primeiro a sair". Como a sulfatação é o último passo na síntese dessa seqüência, é necessária uma sulfatase para o próximo passo na degradação do composto anterior.


Metabolismo dos Lipídeos da Dieta I. VISÃO GERAL Os lipídeos constituem um grupo heterogêneo de moléculas orgânicas insolúveis em água (hidrofóbicas), que podem ser extraídas dos tecidos por solventes não-polares (Figura 15.1 ). Devido a sua insolubilidade em soluções aquosas, os lipídeos corporais são geralmente compartimentalizados, como no caso dos lipídeos associados à membrana ou de gotículas de triacilgliceróis nos adipócitos, ou tran sportados no plasma em associação com proteínas, como nas partículas de lipoproteínas (veja a pág. 175). Os lipídeos são a principal fonte de energia para o corpo, e também fornecem a barreira hidrofóbica que permite a partição dos conteúdos aquosos das células e de estruturas subcelu lares. Os lipídeos também são utilizados para outras funções no organismo, como as funções regulatórias ou de coenzimas, apresentadas por algumas vitaminas lipossolúveis, e as importantes funções no controle da homeostase corpora l, desempenhadas pelas prostaglandinas e por hormônios esteróides. Não é surpreendente, portanto, que deficiências ou desequilíbrios do metabolismo dos lipídeos possam levar a alguns dos principais problemas clínicos observados, como aterosclerose e obesidade.

11.

ÁCIOOGRAXO

c-o''o TRIACILGLICEROL

~~

CH2-0- C

H

I

C- 0 - C - H I

0 11

CH2- 0 - c

~

FOSFOLIPÍDEO

\_

o 11

o

CH 2-o-c C- 0 - C - H o I

~

+

11

CH2-0 - P - O-CH2CH2 N(CH3)a

6-

ESTERÓIDE

DIGESTÃO, ABSORÇÃO, SECREÇÃO E UTILIZAÇÃO DOS LIPÍDEOS DA DIETA

Um adu lto ingere cerca de 60 a 150 g de lipídeos diariamente, dos quais normalmente mais de 90% são constituídos por triacilgliceróis (inicialmente chamados triglicerídeos). O restante dos lipídeos da dieta consiste principalmente de colesterol, ésteres de colesterol, fosfolipídeos e ácidos graxos não-esterificados ("livres"). A digestão dos lipídeos da dieta está resumida na Figura 15.2.

o

o

HO

(

# GLICOLIPÍDEO

RI C=O I

HN OH I

I

?-CH2- y-y Carboidrato H H

..............,

A. Processamento dos lipídeos da dieta no estômago A digestão dos lipídeos começa no estômago, catalisada por uma lipase estável em meio ácido, que se origina de glândulas localizadas na base da língua (Jipase lingua~ . Moléculas de triacilgliceróis, particularmente aquelas

Figura 15.1 Estruturas de algumas classes comuns de lipídeos. As porções hidrofóbicas das moléculas estão mostradas em laranja.

Bioquímica Ilustrada - Pamela Champe (Parte 1 de 3)  
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