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

Ácidos graxas

H20

j

\. -

Colesterol-

9

INTESTINO DELGADO

esterase

R-C - 0

•• •• •• • y•

)lo HO

Éster de colesterol (EC)

Col ester ol

o 11

-

CH20 C. / \ / \ J \ / \ / \ / \ / \

I I

~

2H~O

HC-0- C./\/VV=v=vv'\

PARA O SANGUE

Saís biliares emulsionam e enzimas pancreáticas degradam os lipídeos da dieta

2 Acides gr axas

O

f

~ Lip ases

I

HC - OH

I

CH 20P - OCH2CH2N+(CH3h

ü-

CH2 -0H

~

CH20P - OCH2CH2N+(CH3h I

o-

'------v----" Colina

Fosfatidilcolina (FL)

Gli ceri lfosforil coli na

•• • y

OUILOMICRA (LINFA)

PRINCIPAIS PRODUTOS Ácidos graxas livres 2-Monoacilglicerol Colesterol

Fragmentos remanescentes dos Fls

I

2 Ácidos graxas

o 11

~

? H2- o - c - R,

R2-C- O - y H ~ CH2 - 0 - C - R3 Triacilglicero l (TG)

2H\

.t

Lipase pancreática

~ y H20 H ., R2 - c - o - ? H

CH20 H 2-Monoac ilglicerol

Figura 15.2 Visão geral da digestão dos lipídeos.

que contêm ácidos graxos de cadeia curta ou média (menos de 12 carbonos, como aqueles encontrados na gordura do leite), são os principais alvos dessa enzima. Esses mesmos triacilgliceróis são também degradados por outra lipase, a lipase gástrica, secretada pela mucosa gástrica. Ambas as enzimas são relativamente estáveis em meio ácido, com pH ótimo entre 4 e 6. Essas "lipases ácidas" desempenham uma função particularmente importante na digestão de lipídeos em neonatos, para os quais a gordura do leite é a principal fonte de calorias. Elas são também enzimas importantes em indivíduos com insuficiência pancreática, como os portadores de fibrose císt ica. As lipases lingual e gástrica ajudam esses pacientes a degradar moléculas de triacilgliceróis (especialmente aquelas com ácidos graxos de cadeia curta ou média), apesar da ausência completa ou parcial da lipase pancreática (veja a seguir). B . Em ulsificação dos lipídeos da dieta no i ntestino delg ado O processo crítico de emulsificação dos lipídeos da dieta ocorre no duodeno. A emulsificação aumenta a área da superfície das gotículas de lipídeos hidrofóbicos, de modo que as enzimas digestivas, as quais trabalham na


Bioquímica Ilustrada

interface da gotícula e da solução aquosa que a envolve, podem agir eficientemente. A emulsificação é completada por dois mecanismos complementares, a saber, o uso das propriedades detergentes dos sais biliares e a mistura mecânica devido ao peristaltismo. Os sais biliares, sintetizados no fígado e armazenados na vesícula biliar, são derivados do colesterol (veja a pág. 222). Eles consistem em uma estrutura cíclica de esterol com uma cadeia lateral, à qual uma molécula de glicina ou de taurina está covalentemente ligada por ligação amida (Figura 15.3). Esses agentes emulsificantes interagem com as partículas de lipídeos da dieta e com os conteúdos aquosos do duodeno, estabilizando as partículas, pois na medida em que elas se tornam menores são impedidas de coalescer. Uma discussão mais completa do metabolismo dos sais biliares é encontrada na pág. 223. C. Degradação dos lipídeos da dieta por enzimas pancreáticas Os triacilgliceróis, os ésteres de colesterol e os fosfolipídeos da dieta são degradados enzimaticamente ("digeridos") por enzimas pancreáticas, cuja secreção é hormonalmente controlada.

1.

'

Degradação de triacilgliceróis: As moléculas de triacilgliceróis são muito grandes para serem captadas eficientemente pelas células mucosas das vilosidades intestinais. Assim, elas são atacadas por uma esterase, a /ipase pancreática, a qual remove ácidos graxos preferencialmente dos ca rbonos 1 e 3. Os produtos principais da hidrólise são então uma mistura de 2-monoacilgliceróis e ácidos graxos livres (veja a Figura 15.2). (Nota: Essa enzima é encontrada em altas concentrações em secreções pancreáticas [2 a 3% da proteína total presente] e apresenta alta eficiência catalítica, assegurando então que somente uma deficiência pancreática severa, tal como se apresenta na fibrose cística , resulte em uma absorção significativamente prejudicada de gordura.) Uma segunda proteína, a colipase , também secretada pelo pâncreas, liga a lipase na razão de um para um e a ancora na interface lipídeo-aquosa. (Nota: A colipase é secretada como o zimogênio prócolipase, o qual é ativado no intestino pela tripsina.) Xenical (orlistat), uma droga utilizada contra a obesidade, inibe as lipases gástrica e pancreática, diminuindo, desse modo, a absorção de gorduras, o que 1 resulta na perda de peso.

2.

Degradação dos ésteres de colesterol: A maior parte do colesterol da dieta está presente na forma livre (não-esterificado), com 10 a 15% presente na forma esterificada. Os ésteres de colesterol são hidrolisados pela hidra/ase dos ésteres de colesterol (co/esterol-esterase), a qual produz colesterol mais ácidos graxos livres (veja a Figura 15.2). A atividade da hidra/ase dos ésteres de colesterol é bastante aumentada na presença de sais bil iares.

3.

Degradação dos fosfo lipídeos: O suco pancreático é rico na próenzima da fosfolipase A 2 que, como a pró-colipase, é ativada pela tripsina e, como a hidra/ase dos ésteres de colesterol, necessita sais biliares para sua atividade ótima. A fosfolipase A2 remove um ácido graxo do carbono 2 de um fosfol ipídeo, originando um lisofosfolipídeo. Por exemplo, a fosfatidi lcolina (o principal fosfolipídeo observado durante a digestão) torna-se lisofosfatidilcolina. Os ácidos graxos que permanecem no carbono 1 podem ser removidos pela lisofosfolipase, originando a base glicerilfosforil (por exemplo, g licerilfosforilcol ina;

Veja o Capitulo 28 de Farmacologia Ilustrada (3" edição) e o Capitulo 42 (2" edição) para uma discussão sobre o orlistat.

Ácido cólico (um ácido biliar)

173

Glicina

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Glicocolato (um sal biliar)

Figura 15.3 Estrutura do glicocolato.

-

~

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-a l 00


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veja a Figura 15.2), a qual pode ser posteriormente degradada, excretada nas fezes, ou absorvida.

4.

Controle da digestão dos lipídeos: A secreção pancreática das enzimas hidrolíticas que degradam os lipídeos da dieta no intestino delgado é controlada hormonalmente (Figura 15.4). As células na mucosa do jejuno e do duodeno inferior produzem um pequeno hormônio peptídico, a colecistocinina (CCK, inicialmente chamada pancreozimina), em resposta à presença de lipídeos e proteínas parcialmente digeridas que entram nessas reg iões a partir do intestino delgado superior. A CCK age sobre a vesícula biliar (fazendo-a contrair-se e liberar bile) e sobre células exócrinas do pâncreas (fazendo-as liberar e nzimas digestivas). Ela também diminui a motilidade gástrica, resultando na liberação mais lenta dos conteúdos gástricos para o intestino delgado. Outras células intestinais produzem um outro pequeno hormônio peptídico, a secretina, em resposta ao baixo pH do quimo ao entrar no intestino. A secretina induz o pâncreas e o fígado a liberarem uma solução aquosa rica em bicarbonato, que ajuda a neutralizar o pH do quimo que entra no intestino, trazendo-o para o p\-1 apropriado à atividaê'= enzimática digestiva das enzimas pancreáticas.

O. Absorção dos lipídeos pelas células da mucosa intestinal ( enterócitos)

Degradação de lipídeos e proteína s da dieta

Figura 15.4 Controle hormonal do metabolismo dos lipídeos no intestino delgado.

Ácidos graxos livres, colesterol livre e 2-monoacilgliceróis são os principais produtos da degradação dos lipídeos da dieta no jejuno. Estes, juntamente com os sais biliares, formam as micelas mistas - agregados em forma de disco de lipídeos antipáticos que coalescem com os seus grupos hidrofóbicos pa ra o lado de dentro e seus grupos hidrofílicos para o lado de fora do agregado. As micelas mistas são, por isso, solúveis no meio aquoso do lúmen intestinal (Figura 15.5) . Essas partículas se aproximam do principal local de absorção de lipídeos, a membrana com borda em escova dos enterócitos (células mucosas). Essa membrana é separada dos conteúdos líquidos do lúmen intestinal por uma camada aquosa estacionária , que se mistura pouco com o flu ido total. A superfície hidrofílica das micelas facilita o transporte dos lipídeos hidrofóbicos através da camada aquosa estacionária da membrana com borda em escova, onde eles são absorvidos. (Nota: Ácidos graxos com cadeia curta e média não necessitam da participação de micelas mistas para absorção pela mucosa intestinal. Esta é uma importante consideração na terapia dietética de indivíduos com absorção prejudicada de outros lipídeos.)

E. Ressíntese de triacilgliceróis e ésteres de colesterol A mistura de lipídeos, absorvida pelos enterócitos, migra para o retículo endoplásmico, onde ocorre a biossíntese de lipídeos complexos. Os ácidos graxos são primeiro convertidos em sua forma ativada pela sintetase dos acii-CoA graxas (tiocinase) (Figura 15.6). Usando esses derivados acii-CoA, os 2-monoacilgliceróis absorvidos pelos enterócitos são convertidos em triacilgliceróis pelo complexo enzimático triacilglicerol-sintase. Esse complexo sintetiza tri acilgliceróis pela ação consecutiva de duas atividades enzimáticas - monoacilglicerol-aciltransferase e diacilglicerolaciltransferase. Os lisofosfolip ídeos são acilados novamente para formar fosfolipídeos por uma família de aciltransferases, e o colesterol é esterificado com um ácido graxo principalmente pela acii-CoA:colesterol-aciltransferase (veja a pág. 232). (Nota: Praticamente todos os ácidos graxos de cadeia longa que entram nos enterócitos são usados dessa maneira para fo rmar triacilgliceróis, fosfolipídeos e ésteres de colesterol. Os ácidos graxos de cadeia curta e média não são convertidos em seus derivados


Bioquímica Ilustrada

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CoA e não são reesterificados em 2-monoacilgliceróis. Em vez disso, eles são liberados para a circulação porta, sendo carregados para o fígado pela albumina do soro.) Absorção prejudicada de lipídeos Uma má absorção de lipídeos , que resulta em aumento de lipídeos (incluindo as vitaminas lipossolúveis A, D, E e K e ácidos graxas essenciais) nas fezes (isto é, esteatorréia), pode ser causada por distúrbios na digestão e/ou na absorção de lipídeos (Figura 15.7). Tais distúrbios podem resultar de diversas cond ições, incl uindo fibrose cística (causando uma digestão precária) e encurtamento do intestino (causando diminuição na absorção). 3. Secreção de lipídeos a partir dos enterócitos Os triacilgliceróis e os ésteres de colesterol sintetizados são muito hidrofóbicos, agregando-se em meio aquoso. É então necessário que eles sejam embalados como gotículas de gordura circundadas por uma fina camada composta de fosfolipídeos, colesterol não-esterificado e um único tipo de molécula protéica (apolipoproteína B-48, veja a pág. 226). Essa camada estabiliza a partícula e permite sua interação com o meio aquoso, evitando, dessa maneira, a coalescência de múltiplas partículas. (Nota: A presença dessas partículas na linfa após uma refeição rica em lipídeos dá à linfa uma aparência leitosa. Essa linfa é chamada quilo [em oposição ao quimo, o nome dado à massa semifluida de alimentos parcialmente digeridos que passa do estômago para o duodeno]. As pequenas partículas são cham adas quilomícron; plural, quilomicra.) Os qu ilomicra são liberados dos enterócitos por exocitose para os vãos lacteais (vasos linfáticos que se originam nas vilosidades do intestino delgado). Eles seg uem pelo sistema linfático até o dueto torácico e são então transportados pela veia subclávia esquerda, onde entram para o sangue. As etapas na produção dos quilomicra estão resumidas na Figura 15.6. (Para uma descrição mais detalhada da estrutu ra e do metabolismo do quilomícron , veja a pág. 226.)

Figura 15.5 Absorção dos lipídeos contidos em uma micela mista por uma célula da mucosa intestin al.

Aminoácidos ~ ~ ~

CÉLULA DA MUCOSA INTESTINAL

MonoacJ/g!Jcerol· acJ!transferase

Diacilglicerolaciltransferase

'""""""'"""'"' Q_>___(}· ) o ''

Sintetase dos acif·Coa graxas )

Rc -o- ------~~--~~~~~--~-

Ácidos graxas

Colesterol

7

(

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o 11

RC-CoA

CoA ATP AM P+ PP i

Aciftransferase

Figura 15.6 Produção e secreção de quilomicra por células da mucosa intestinal.

\1 CoA

)

Éster de colesterol PARA O SISTEMA LINFÁTICO


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H. Utilização dos lip ídeos da dieta pelos tec idos

INTESTINO DELGADO

Os triacilgliceróis presentes nos quilomicra são hidrolisados principalmente nos capilares do músculo esquelético e do tecido adiposo, mas também nos capilares do co ração, dos pulmões, dos rins e do fígado. Os triacilgliceróis dos q uilomicra são degradados pela lipase lipoprotéica, resultando ácidos graxas livres e glicerol. Essa enzima é sintetizada principalmente por adipócitos e por células musculares. Ela é secretada e se associa à superfície luminal das células endoteliais dos leitos capilares dos tecidos periféricos. (Nota: A deficiência familiar da lipase lipoprotéica [hiperlipoprote inemia do tipo I] é uma rara doença autossômica recessiva, que resulta da deficiência da lipase lipoprotéica ou de sua coenzima, a apo C-11 [veja a pág. 227]. O resu ltado é uma quilomicronemia massiva.)

Lipídeos da dieta

1.

Destino dos ácidos graxos livres: Os ácidos graxos livres derivados da hidrólise dos triacilgliceróis podem entrar diretamente nas células musculares ou nos adipócitos adjacentes. Alternativamente, os ácidos graxas livres podem ser transportados no sangue em associação com a albumina sérica, até serem captados pelas células. (Nota: A albumina sérica é uma proteína grande, secretada pelo fígado. Ela trans po rta um grande número de compostos, principalmente hidrofóbicos, através da 2 circulação, incluindo ácidos graxas livres e algumas drogas. ) Muitas célu las podem oxidar ácidos g raxas para produzir energia (veja a pág. 188). Os adipócitos podem também reesterificar os ácidos graxas livres para produzir moléculas de triacilglicerol, as quais são estocadas até que os ácidos graxas sejam necessários para o organismo (veja a pág. 185) .

2.

Destino do glicerol : O glicerol que é liberado a partir dos triacilgliceróis é utilizado quase q ue exclusivamente pelo fígado para produzir g licerol-3-fosfato, o qual pode entrar tanto na glicólise como na gliconeogênese, resultando, por oxidação, diidroxiacetona-fosfato (veja a pág. 188).

3.

Destino dos compone ntes dos re manescen tes de qui lo micra: Após a remoção da maior parte dos triacilg liceróis, os qu ilomicra remanescentes (os quais contêm ésteres de colesterol, fosfolipídeos, apo lipoproteínas e alg uns triacilgliceró is) ligam-se a receptores no fígado (veja a pág. 228) e sofrem endocitose. Os remanescentes são então hidrolisados a seus constituintes. O colesterol e as bases nitrogenadas dos fosfolip ídeos (por exemplo, a colina) podem ser reciclados pelo corpo. (Nota: Se a remoção dos quilomicra remanescentes pelo fígado for defeituosa, eles se acumulam no plasma. Isso é observado na hiperlipoproteinemia do tipo III [também denominada disbetalipoproteinemia familiar, veja a pág . 229].)

CÉLULAS DA MUCOSA INTESTIN AL

ESTEATORRÉIA (excesso de lipídios nas fezes)

Figura 15.7 Possíveis causas de esteatorréia.

III.

RESUMO DO CAPÍTULO

A digestão dos lipídeos da dieta começa no estômago e continua no intestino delgado. A natureza hidrofóbica dos lipídeos exige que os lipídeos da dieta particularmente aqueles qüe contêm ácidos graxas de cade ia longa (AGCLs) sejam emulsificados para uma degradação eficiente. Os triacilgliceróis (TAGs) obtidos do leite contêm ácidos graxos de cadeia curta ou média, que podem ser degradados no estômago pelas lipases ácidas (lipases lingual e gástrica). Ésteres de colesterol (ECs), fosfolipídeos (Fls) e TAGs contendo AGCLs são

2

Veja o Capítulo 1 de Farmacologia Ilustrada ( 2• e 3• edições) para uma discussão sobre a interação de drogas com a albumina sé rica.


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Bioquímica Ilustrada

Substratos muito hidrofóbicos: Triacilgliceró is Colesterol Fosfolipídeos

apresentam desafios para a

Digestão dos lipídeos da dieta é iniciada no

t

'--------,-,

ESTÔMAGO

~

------'

Lipases estáveis em meio ácido (lipases lingual e gástrica)

ajuda a

-

Digestão de TAGs (encontrados no leite) pelos recém-nascidos

e conti1ua no

[ FÍGADO ]

libera bife contendo sais biliares no

INTESTINO DELGADO

I

estimula

no

ajudado por

I

estimula a secreção de enzimas

t Enzimas

Colecistocinlna

I

Bicarbonato Lipase pancreática Colesterol-esterase Fosfolipase A2

secreta

PÂNCREAS

estimula a secreção de bicarbonato

Colecistocinina

Secretina

t

Sais biliares Motilidade gástrica (para a emulsificação dos lipídeos)

Regulação hormonal

Regulação hormonal produz

t Produtos digestivos 2-Monoacilglicerol Colesterol ~cidos graxos livres 1

Sais biliares

produz

Vitaminas lipossolúvei s Micelas m istas i

facilitam a absorção dos lipídeos da dieta pelas

t CÉLULAS DA MUCOSA INTESTINAL (ENTERÓCITOS)

I

que reúnem

·----

para formar

+

Quilomicra i

~~ C~o~n~ e~x~ã~o~c~ o~n~c~e~ it~u~a~I____________J)

secretados no

t

SISTEMA LINFÁTICO i

que os transporta para o

+

SANGUE I

que os transporta para os

Figura 15.8 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo dos lipídeos da dieta.

18


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degradados no intestino delgado por enzimas secretadas pelo pâncreas. As mais importantes dessas enzimas são a lipase pancreática, a fosfolipase A2 e a colesterol-esterase. Os lipídeos da dieta são emulsificados no intestino delgado usando a ação peristáltica e os sais biliares, os quais servem como detergentes. Os produtos resultantes da degradação enzimática dos lipídeos da dieta são 2-monoacilglicerol , colesterol não-esterificado e ácidos graxas livres (mais alguns fragmentos resultantes da digestão dos Fls) . Esses compostos, mais as vitaminas lipossolúveis, formam as micelas mistas, que facilitam a absorção dos lipídeos da dieta pelas células da mucosa intestinal (enterócitos). Essas células sintetizam novamente os TAGs, ECs e Fls e também sintetizam proteínas (apolipoproteína 8-48). Todos esses compostos são então associados com as vitaminas lipossolúveis, formando os quilomicra. Essas partículas de lipoproteínas séricas são liberadas para a linfa, a qual as transporta até o sangue. A seguir, os lipídeos da dieta são transportados para os tecidos periféricos. A deficiência na capacidade de degradar os componentes dos quilomicra ou remover os seus remanescentes após a remoção dos TAGs resulta em hipercolesterolemia massiva.

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 15.1 Qual das seguintes afirmativas sobre a absorção de lipídeos no intestino delgado está correta? A. Os triacilgliceróis da dieta são parcialmente hidrolisados e absorvidos como ácidos graxas livres e monoacilgliceróis. B. Os triacilgliceróis da dieta devem ser completamente hidrolisados a ácidos graxas livres e glicerol antes da absorção. C. A liberação de ácidos graxas a partir de triacilgliceróis no intestino é inibida pelos sais biliares. D. Os ácidos graxas que contêm 1o carbonos ou menos são absorvidos e entram na circulação principalmente via sistema linfático. E. A formação de quilomicra na mucosa intestinal não necessita síntese protéica.

15.2 A forma na qual a maioria dos lipídeos da dieta é empacotada e exportada a partir das células mucosas intestinais é a seguinte: A. B. C. D. E.

ácidos graxas livres; micelas mistas; triacilglicerol livre; 2-monoacilglicerol; quilomicra.

Resposta correta = A. A lipase pancreática hidrolisa os triacilgliceróis da dieta produzindo principalmente 2-monoacilglicerol mais dois ácidos graxas. Esses produtos de hidrólise podem ser absorvidos pelas células mucosas intestinais. Os sais biliares não inibem a liberação de ácidos graxas dos triacilgliceróis, ao contrário, são necessários para a solubilização adequada e para a hidrólise dos triacilgliceróis da dieta no intestino delgado. Ácidos graxas de cadeias curta e média entram na circulação porta depois da absorção pelo intestino delgado. A síntese das apolipoproteínas, especialmente a apoB-48, é essencial para a associação e secreção dos quilomicra.

Resposta correta = E. Os quilomicra contêm um núcleo lipídico, o qual é composto de lipídeos da dieta e de lipídeos sintetizados nas células mucosas intestinais. Os ácidos graxas livres ligam-se por esterificação principalmente aos 2-monoacilgliceróis, formando triacilgliceróis, antes de serem exportados pelas células mucosas intestinais nos quilomicra. As micelas mistas são encontradas somente no lúmen do intestino delgado.


Metabolismo dos , Acidos Graxos e Triaci lg Iice róis I. VISÃO GERAL Os ácidos graxos existem no organismo na forma livre (isto é, não-esterificados) e também são encontrados como ésteres de acila em moléculas mais complexas. tais como os triacilgliceróis. Em todos os tecidos, existem níveis baixos de ácidos graxos livres, entretanto, algumas vezes, pode-se encontrar quantidades substanciais no plasma, em especial durante o jejum. Ácidos graxos livres no plasma (transportados pela albumina sé rica) estão circulando a partir da origem (triacilgliceróis do tecido adiposo ou das lipoproteínas da circulação) para o sítio de consumo (outros tecidos). Ácidos graxos livres podem ser oxidados por muitos tecidos - especialmente fígado e músculo - para produzir energia. Os ácidos graxos são também componentes estruturais dos lipídeos de membrana, como fosfolipídeos e glicolipídeos (veja o Capítulo 17, pág. 199). Os ácidos graxos podem ligar-se a certas proteínas intracelulares, aumentando a capacidade dessas proteínas de se associar às membranas. Os ácidos graxos são também precursores de prostaglandinas (veja a pág. 211 ). Ácidos graxos esterificados, na forma de triacilgliceróis armazenados nas células adiposas, servem como a principal reserva energética do organismo. A Figura 16.1 ilustra as rotas metabólicas de síntese e degradação dos ácidos graxos e sua relação com o metabolismo dos carboidratos.

--(~

"""""

Glicose

t

t

Gliceroi-P +--- Glicerol

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~ Triacilglicerol

t

Acii-CoA

1 11.

I

-coo-.

-{

.J.

+--Acido graxo

+_ ~alomi -CoA

A ESTRUTURA DOS ÁCIDOS GRAXOS

Um ácido graxo consiste em uma cadeia hidrofóbica de hidrocarboneto com um grupo carboxila terminal que tem um pK. ao redor de 4,8 (Figura 16.2). No pH fisiológico, o grupo carboxila terminal (- COOH) ioniza. tornando-se Esse grupo aniônico tem afinidade por água, conferindo ao ácido graxo natureza antipática (apresenta uma região hidrofóbica e outra hidrofílica). Entretanto, para os ácidos graxos de cadeia longa (AGCLs), a porção hidrofóbica é predominante. Essas moléculas são altamente insolúveis em água e precisam ser transportadas pela circulação associadas às proteínas. Mais de 90% dos ácidos graxos encontrados no plasma estão na forma de ésteres de ácidos graxos (basicamente triacilgliceróis, ésteres de colesterol e fosfolipídeos), contidos nas partículas de lipoproteínas da circulação (veja a pág. 225). Ácidos graxos não-esterificados são transportados na circulação associados com a albumina.

.

t

Figura 16.1 Síntese e degradação de triacilgliceróis.

Figura 16.2 Estrutura de um ácido graxo.


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A. Saturação dos ácidos graxos

<:;- -

Ligação saturada

A cadeia dos ácidos graxos pode não conter ligações duplas, isto é, ser saturada, ou conter uma ou mais ligações duplas, isto é, ser mono ou poliinsaturada. Quando ligações duplas estão presentes, elas encontramse quase sempre na configuração eis, e não na trans. (Veja a pág. 362 para uma discussão acerca da ocorrência na dieta de ácidos graxos insaturados eis e trans.) A introdução de uma ligação dupla com configuração eis causa uma curvatura ou "dobra" no ácido graxo naquela posição (Figura 16.3). Se o ácido graxo tem duas ou mais ligações duplas, elas são sempre espaçadas em intervalos de três carbonos. (Nota: Em geral , a adição de ligação dupla diminui a temperatura de fusão [Tf] do ácido graxo; por sua vez, o aumento do comprimento da cadeia aumenta a Tf. Uma vez que os lipídeos da membrana contêm tipicamente AGCLs, a presença de ligas duplas em alguns ácidos graxos pode ajudar a manter a natureza fluida daqueles lipídeos.)

~

Ligação ~ insaturada (configuração eis)

Figura 16.3 Um ácido graxo saturado (A) e um ácido graxo insaturado (8). (Nota: As ligações duplas eis determinam uma "dobra" na cadeia do ácido graxo.)

B. Comprimento da cadeia dos ácidos graxos Os nomes comuns e as estruturas de alguns ácidos graxos de importância fisiológica estão listados na Figura 16.4. Nesta figura, os átomos de carbono são numerados, começando com o carbono da carboxila como carbono 1. O número antes dos dois pontos indica o número de carbonos na cadeia e os números que se seguem indicam o número de ligações duplas e suas posições. Por exemplo, como mostra a Figura 16.5A, o ácido araquidônico, 20:4(5, 8, 11 , 14), tem 20 carbonos e 4 ligações duplas (entre os carbonos 5-6, 8-9, 11-12 e 14-15). (Nota: O carbono que é unido ao grupo carboxila (carbono 2) é também chamado de carbono a, o carbono 3 é o carbono ~ e o carbono 4 é o carbono y. O carbono do grupo metila terminal é chamado de carbono w, independentemente do comprimento da cade ia.) Os carbonos de um ácido graxo também podem ser contados começando pelo carbono w (ou metila terminal). O ácido araquidônico é referido como um ácido graxo w-6 (também chamado de n-6, veja a pág. 360), pois as ligações duplas começam 6 carbonos a partir da metila terminal (Figura 16.58). Outro ácido graxo w-6 é o ácido graxo essencial ácido linolêico, 18:2(9, 12). Por sua vez, o ácido linolênico, 18:3(9, 12, 15), é um ácido graxo (l)-3. (Veja a pág. 360 para uma discussão acerca do significado nutricional dos ácidos graxos w-3 e w-6).

Ácidos graxos com cadeias entre 4 e 1O átomos de carbono são encontrados em quantidades significativas no leite. Lipfdeos estruturais e triacilgliceróis contêm principalmente ácidos graxos de pelo m enos 16 carbonos.

C. Ácidos graxos essenciais

Ácido caprílico

Dois ácidos graxos são essencias em humanos (veja a pág. 361): o ácido linoléico, que é precursor do ácido araquidônico (o substrato para a síntese das prostaglandinas, veja a pág. 211 ) e o ácido linolênico, o precursor de outros ácidos graxos w-3 importantes para o crescimento e o desenvolvimento. (Nota: Deficiência de ácido linolênico resulta em diminuição da visão e alteração do aprendizado.) O ácido araquidônico torna-se essencial se o ácido linolêico for deficiente na dieta.

Ácido palmítico Ácido palmitoléico Ácido esteárico

18:0

Ácido oléico

18:1(9) 18:2(9,12)

,__,,._...."JU linolênico

18:3(9, 12, 15)

III.

Figura 16.4 Alguns ácidos graxos de importância fisiológica.

SÍNTESE DE NOVO DOS ÁCIDOS GRAXOS

Uma grande proporção de ácidos graxos usados pelo organismo é suprida pela dieta. Carboidratos, proteínas e outras moléculas, quando obtidas da dieta em excesso em relação às necessidades desses compostos, podem ser convertidos em ácidos graxos, q ue são armazenados como triacilgliceróis. (Veja o Capítulo 24, pág. 319, para uma discussão acerca do metabolismo de nutrientes da dieta no estado a limentado.) Em humanos, a síntese dos ácidos graxos ocorre principalmente no fígado e nas glândulas mamárias em lactação e,


181

Bioquímica Ilustrada

:'11 menor extensão, no tecido adiposo. O processo incorpora carbonos a partir

::a acetii-CoA na cadeia de ácido graxa em crescimento, usando ATP e nicotina...,ida-adenina-dinucleotídeo-fosfato (NADPH) reduzido.

n W

Ligações duplas entre os carbonos, numerados a partir do carbono da carboxila

A. Produção de acetii-CoA citosólica A primeira etapa da síntese de novo de ácidos graxas é a transferência de unidades acetato para o citosol, a partir da acetii-CoA mitocondrial. A acetiiCoA mitocondrial é produzida pela oxidação do piruvato (veja a pág. 107) e pelo catabolismo de ácidos graxas (veja a pág. 188), corpos cetônicos (veja a pág. 194) e certos aminoácidos (veja a pág. 263). A coenzima A, componente da acetii-CoA, entretanto, não pode atravessar a membrana mitocondrial; somente a porção acetila pode ser transportada para o citosol. Isso acontece na forma de citrato, que é produzido pela condensação do oxalacetato (OAA) e da acetii-CoA (Figura 16.6) . (Nota: Esse processo de translocação do citrato da mitocôndria para o citosol, onde o citrato é clivado pela ATP-citrato-líase, para produzir acetii-CoA e OAA, ocorre quando a concentração mitocondrial de citrato é alta. Isso é observado quando a isocitrato-desidrogenase é inibida por grande quantidade de ATP, causando acúmulo de citrato e isocitrato [veja a pág. 11 0]. Logo, o citrato citosólico pode ser reconhecido como um sinal de alta energia.) Como uma grande quantidade de ATP é necessária para a síntese de ácidos graxas, o aumento de ATP e citrato intensificam essa rota.

1":1 Ligações duplas entre os carbonos, 1.;1

numerados a partir da extremidade metila (w)

~~

~~

~~

~~

6-1[

HOOC(CH2hC= C-CH2 -C=C-CH 2-C =C - CH 2- ~(CH2)4CH3

Figura 16.5 Ácido araquidônico, ilustrando as posições das ligações duplas.

B. A malonii-CoA é formada pela carboxilação da acetii-CoA

A energia para as condensações carbono-carbono na síntese de ácidos graxas é suprida pelo processo de carboxilação e descarboxilação dos grupos acetila no citosol. A carboxilação da acetii-CoA para formar malonii-CoA é catalisada pela acetíi-CoA-carboxílase (Figura 16.7) e requer HC03- e ATP. A coenzima é uma vitamina, biotina, que é covalentemente ligada ao resíduo de lisina da carboxílase. MATRIZ MITOCONDRIAL

1.

2.

Regulação a curto prazo da acetii-CoA-carboxilase. Essa carboxilação é a etapa limitante e o passo regulado na síntese de ácidos graxas (veja a Figura 16.7). A forma inativa da acetíi-CoA-carboxilase é um protômero (dímero). A enzima sofre ativação alostérica por citrato, que provoca polimerização dos dímeros. A enzima pode ser inativada alostericamente por acii-CoA de cadeia longa (o produto final dessa via), que causa sua despolimerização. Um segundo mecanismo para a regulação a curto prazo é por fosforilação reversível. Na presença de hormônios contra-regulatórios, como adrenalina e glucagon, a aceti/CoA-carboxílase é fosforilada e, em conseqüência disso, inativada (Figura 16.8). (Nota: Esse mecanismo é semelhante ao da inativação da g licogênio-sintase, pág. 129.) Na presença de insulina, a acetíiCoA -carboxílase é desfosforilada e, portanto, ativada. Regulação de longa duração da acetii-CoA-carboxilase. Consumo prolongado de uma dieta contendo excesso de calorias (especialmente uma dieta hipercalórica com alto conteúdo de carboidratos) provoca um au mento na síntese da acetii-CoA-carboxilase, aumentando a síntese de ácidos graxas. Por outro lado, uma dieta com poucas calorias ou o jejum provocam uma redução na síntese de ácidos graxas por diminuir a síntese de acetíi-CoA-carboxilase. (Nota: A ácido graxo-síntase [veja a seguir) é regulada por esse mesmo tipo de manipulação dietética.)

OAA

I

Acetii·CoA

Citrato-sintase t~ CoA

;ti,_~r~~I ,t~ '

0

MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA ~ · .,..... i"''""J>'"'~ ·

~ ~.....,.

~

Citrato

CITOSOL

C. Ácido graxo-sintase: uma enzima multifuncional em eucariotos As reações restantes da síntese dos ácidos graxas em eucariotos são catalisadas por uma enzima dimérica multifuncional, a ácido graxo-sintase.

v

(15- 16) (1 2-13) (9-10)

Figura 16.6 Produção de acetii-CoA citosólica.


182

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

Acetif-CoA-carboxifase (dímero inativo)

Citrato

~

O C -c:(nnn

Acii-CoA de cadei a longa

~ ~ Acetii-CoA-carboxilase (polímero ativo)

~

-o o CH3- C-S CA- m 'c -CH2- C-S-CoA Acetii-CoA Ô Malonii-CoA

Cada monômero da ácido graxo-sintase é um polipeptídeo multicatalítico. com sete dife rentes atividades enzimáticas mais um dom ínio que se liga covalentemente a uma molécula de 4'-fosf opanteteína. (Nota: A 4'-fosfopanteteína, um derivado da vitamina ácido pantotênico (veja a pág. 379]. carrega unidades acetila e acila em seu grupo terminal tiol [-SH] durante a síntese dos ácidos graxas. É também um componente da coenzima A.) Em procariotos, a ácido graxo-sintase é um complexo multienzimático, e o domínio 4'-fosfopanteteína é uma proteína separada, referida como proteína carregadora de acilas (ACP). ACP é o termo utilizado a seguir para designar o domínio da molécula da ácido graxo-sintase em eucariotos que se liga à fosfopantete ína. Os números nos colchetes a seguir se referem à Figura 16.9. (Nota: A atividade enzimática listada são dom ínios catalíticas separados de cada monômero da ácido graxo-sintase multicatalítica.) (1] Uma molécula de acetato é transferida da acetil-CoA para o grupo -SH da AC P. Dom ínio: acetii-CoA-ACP-acetiltransaci/ase. (2] A seguir, esse fragmento de dois carbonos é transferido para um sítio temporário, o grupo tiol de um resíduo de cisteína da enzima.

co2 ATP

[3] A ACP, agora livre, aceita uma unidade de três carbonos malonato da malonii-CoA. Domínio: maloni/-CoA-ACP-transacilase.

ADP+ P;

Figura 16.7 Regulação alostérica da síntese de malonii-CoA pela acetii-CoAcarboxilase. O grupo carboxílico o riginário do co2é mostrado em azul.

[4] O grupo malonil perde o HC03 - originalmente adicionado pela acetii-CoA-carboxilase, faci litando o ataque nucleofílico sobre a ligação tioéster que liga o grupo acetila ao resíduo de cisteína. O resu ltado é uma unidade com quatro carbonos unidos ao domínio ACP. A perda da energia livre pela descarboxilação favorece a reação. Domínio: 3-cetoacii-ACP-sintase. As próximas três reações convertem o grupo 3-cetoacil em seu grupo correspondente acila saturado, por meio de um par de reações de redução utilizando NADPH e uma reação de desidratação. (5] O grupo cetona é reduzido a um álcool. Domínio: 3-cetoaci/-ACP-redutase. (6] A molécula de água é removida para introduzir a ligação dupla. Domínio: 3-hidroxiacii-ACP-desidratase. (7] Ocorre uma segunda etapa de redução. Domínio: enoit-ACP-redutase.

Acetil-CoAcarboxilase - P (lnativa)

Acetii-CoAcarboxilase (ativa)

Proteína-cinase dependente de AMPc ADP

o

ATP

~ Figura 16.8 Regulação cova lente da acetii-CoAcarboxilase, mediada por hormônio.

O resultado dessas sete etapas é a produção de um composto com quatro carbonos (butiril ), cujos três carbonos te rmi nais estão totalmente saturados, e que permanece unido à ACP. Essas sete etapas são repetidas. começando com a transferência da cadeia butiril da ACP para o resíduo de cisteína [2*], a ligação da molécula de malonato à AC P [3*] e posterior condensação das duas moléculas liberando HC03- (4*]. O grupo carbonila do carbono ~ (carbono 3- o terceiro carbono a partir do enxofre) é então reduzido [5*], desidratado [6*] e novamente reduzido [7*], gerando hexanoii-ACP. Esse ciclo de reações é repetido mais cinco vezes, a cada vez incorporando uma unidade de dois carbonos (derivada da malonii-CoA) na extremidade carboxila da cadeia em crescimento do ácido graxa. Quando o ácido graxa atinge o comprimento de 16 carbonos, o processo de síntese é terminado com palmitoii-S-ACP. A palmitoil-tioesterase cliva a ligação tioéster, produzindo a molécula completamente saturada de palmitato (16:0) (Nota: Todos os carbonos do ácido palmítico passaram pela formação da malonii-CoA, exceto os dois carbonos doados pela acetii-CoA original, que são encontrados na extremidade metila terminal do ácido graxa.)


Bioquímica Ilustrada

183

coo- adicionado pela

Resíduo

acetii-CoA-carboxilase

o 11

CH3 -C - S - CoA

A_c_et-il_~_o_A__~ ~t SH~

SH___

~S- C-CH 3

[ 11

SH

[2]

'ÁCIDO GRAXO· 5/NTASE Domínio da proteína transportadora de acilas, com 4' -fosfopanteteína (ACP-SH)

SH

SH

o

O H OH S-C-C -CH H I 3

-C

11

S -C -CH =CH -CH3

NADP+ NADPH + H+ [d ~ / CYS SH O 011 ( 11 [5] ACP S-C - CH2 - C- CH3

H

NADPH

~

+W

[7]

~!.

NADP+

Acii· ACP saturado, com quatro carbonos (butirii-ACP)

r

'

\

\

~

Repetir etapas

[2] - [7]

Acii-ACP saturado, com sei s carbonos (hexanoii-ACP)

~

mais cinco vezes

~

GYS J SH A

C

P

8 - Palmitato

Ácido graxo saturado de 16 carbonos (palmitoii-ACP)

~SH

W sH

PALMITATO

Figura 16.9 Síntese do palmitato (16:0) pelo complexo da ácido graxo-sintase. (Nota: Números entre colchetes na figura correspondem aos números entre colchetes no texto. Uma segunda repetição dos passos é indicada por números com asterisco [*].Os carbonos fornecidos diretamente pela acetii-CoA são mostrados em vermelho.)


184

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

D. Principais fontes do NADPH necessário para a síntese de ácidos graxos

o 11

c-o-

A rota das pentoses-fosfato é a maior fornecedora do NADPH para a síntese dos ácidos graxos. Dois NADPHs são produzidos para cada molécula de glicose que segue essa via . (Veja a pág. 143 para uma discussão acerca dessa seqüência de reações.) A conversão citosólica do maiato a piruvato, em que o maiato é oxidado e descarboxilado pela enzima málica citosólica (malato-desidrogenase dependente de NADP'), também produz NADPH citosólico (e HC03- , Figura 16. 10). (Nota: A concentração de maiato pode aumentar quando o oxalacetato (OAA) é reduzido pela ação da malato-desidrogenase NAD+ dependente citosólica (veja a Figura 16.1 0). Uma fonte do NADH citosólico necessário para essa reação é a glicólise [veja a pág. 102]. O OAA, por sua vez, pode ser sintetizado a partir do citrato transferido para o citosol. Observe na Figura 16.6 que o citrato move-se da mitocôndria para o citosol, onde é cl ivado em acetii-CoA e OAA pela ATP-citrato-Jiase.) Um resumo das inter-relações entre o metabolismo da glicose e a síntese de ácido palmítico é mostrado na Figura 16. 11 .

' O C= I

C~2

,C

o' 'oOxalacet ato

NADH +H+

Malato-desidrogenase citosólica, dependente deNAD+

NAD+

o

c-o1

H-C -OH I

yH2 ,C

E. Elongação posterior da cadeia dos ácidos graxos

o' 'o-

Embora o palmitato, um ácido graxo de cadeia longa (AGCL) com 16 carbonos (16:0) completamente saturado, seja o produto final da atividade da enzima ácido graxo-sintase, ele pode ser posteriormente alongado pela adição de unidades de dois carbonos no retículo endoplasmático (RE) e na mitocôndria. Essas organelas usam sistemas enzimáticos diferentes. O encéfalo possui particular capacidade de elongação, permitindo a produção de ácidos graxos de cadeia muito longa (até 24 carbonos), que são necessários para a síntese de lipídeos do sistema nervoso centra l.

Maiato

Malato-desidrogenase dependente de NAOp+ (enzima málica)

NADPH +H+

o 11

c-o' C=O I

CH3 Piruvato Síntese redutora de ácidos graxos, esteróides, es teróis ( Sistema do c itocromo P450 Destoxificação de i ntermediários reativos de oxigênio

Figura 16.10 Conversão citosólica de oxalacetato em piruvato, com produção de NADPH.

F.

Dessaturação das cadeias de ácidos graxos Enzimas presentes no RE são responsáveis pela dessaturação dos ácidos graxos (ou seja, adição de ligações duplas na configuração eis). Designadas como oxidases de fu nção mista, as reações de dessaturação reque rem NADPH e 0 2 . Uma variedade de ácidos graxos poliinsaturados pode ser produzida combi nando reações de dessaturação com elongamen to da cadeia. (Nota: Humanos perderam a capacidade de introduzir ligações duplas entre os carbonos 9 e o carbono final da cadeia, por isso necessitam dos ácidos poliinsaturados linolêico e linolênico provenientes da dieta [veja a Figura 16.4 para observar suas estruturas].)

G. Armazenamento dos ácidos graxos como componentes dos triacilgliceróis Mono-, di- e triacilgliceróis consistem em uma, duas ou três moléculas de ácidos graxas esterificando uma molécula de glicerol. Os ácidos graxos são esterificados por ligação aos seus grupos carboxila, resultando na perda da carga negativa e formação de um "lipídeo neutro". (Nota: Se uma espécie de acilglicerol é sólida à temperatura ambiente, é chamada de "gordura", se é liquida, é chamada de "óleo".)

1.

Estrutura dos triacilgliceróis (TAGs). Os três ácidos graxos que esterificam uma molécu la de glicerol normalmente são de tipos diferentes. O ácido graxo do carbono 1 é normalmente saturado, o do carbono 2 é, em geral, insaturado e o do carbono 3 pode ser qualquer um. Lembre que a presença de ácido(s) graxo(s) insaturado(s) diminui a temperatura de fusão do lipídeo. Um exemplo de molécula de TAG é mostrado na Figura 16.12.


Bioquímica Ilustrada

o

A vi a glicolítica produz piruvato, principal fonte de acetii-CoA mitocondrial, que é utilizada na síntese de ácidos graxas. Também produz equivalentes red utores de NADH citosólico. O piru vato entra na mitocôndria.

fJ

O oxalacetato (OAA) mitocondrial é produzido pelo primeiro passo da via gliconeogênica.

Glicose NADH

ADP+ P;

ATP

O citrato deixa a mitocôndria e é clivado no citosol, produzindo acetii-CoA citosólica. Equivalentes redutores citosólicos (NADH), produzidos durante a glicólise, contribuem para a redução do NADP+ a NADPH, necessário para a síntese de palmitoii-CoA.

Os carbonos da acetii-CoA citosólica são utilizados para a síntese de palm itato, utilizando NADPH como fonte de equivalentes redutores para essa via.

Figura 16.11 lnter-relação entre o metabolismo da glicose e a síntese de palmitato.

2.

Armazenamento de TAG. Como os TAGs são fracamente solúveis em água e não formam miscelas estáveis, eles coalescem dentro dos adipócitos, formando gotas oleosas quase anidras. Essas gotas lipídicas citosólicas são a maior reserva energética do organismo.

3.

Síntese de glicerol-fosfato. O glicerol-fosfato é o aceptor inicial dos ácidos graxos durante a síntese de TAG. Existem duas etapas para a prod ução de glicerol-fosfato (Figura 16.13). No fígado (o pri ncipal sítio de síntese de TAG) e no tecido adiposo, a produção de glicerol-fosfato pode se dar a partir da glicose, usando as primeiras reações da rota glicolítica até a produção de diidroxiacetona-fosfato (DHAP, veja a pág. 99). A seguir, a DHAP é reduzida a glicerol-fosfato pela glicerolfosfato-

11!11 A acetii-CoA é produzida na 1:11 mitocôndria e condensa com o oxalacetato para formar citrato, o primeiro passo do ciclo do ácido cítrico.

185


186

Pamela C. Champe, Richard A . Harvey, Denise R. Ferrier desidrogenase. Uma segunda via, observada no fígado, mas NÃO no tecido adiposo, utiliza a glicerol-cinase para converter glicerol livre em glicerol-fosfato (veja a Figura 16.1 3). (Nota: Adipócitos podem captar glicose somente na presença do hormônio insulina [veja a pág. 310). Logo, quando os níveis de glicose plasmática - e, conseqüentemente. de insulina plasmática - estiverem baixos, os adipócitos apresentarão uma capacidade limitada de sintetizar glicero l-fosfato e não poderão produzir TAG.)

/~ /C~2

HO

CH

OH

I

HO Glicerol Glicerol como componente de um triacilglicerol

4.

Ativação do ácido graxo livre. Os ácidos graxos precisam ser convertidos em sua forma ativada (unidos à coenzima A) a ntes de participarem da síntese de TAG. Essa reação, ilustrada na Figura 15.6 (veja a pág. 175), é catalisada por uma família de aci/-CoA-sintetases (tiocinases).

5.

Síntese de TAG a partir de glicerol-fosfato e acii-CoA graxa. Essa etapa envolve quatro reações, mostradas na Figura 16.14. Ela inclui adição seqüencial de dois ácidos graxos a pa rtir da acii-CoA, remoção de fosfato e adição de um terceiro ácido graxo.

H. Difere ntes destinos do TAG do fígado e do tecido adiposo No tecido adiposo, o TAG é armazenado no citosol das células em uma forma quase anidra. Ele serve como um "depósito de gordura", prontamente mobilizado como combustível quando o organismo necessitar. Pouco TAG é armazenado no fígado. Por outro lado, muitos TAGs são expo rtados, agrupados com ésteres de colestero l, fosfolipídeos e proteínas (apoproteína 8 -100, veja a pág. 229) para formar partículas lipoprotéicas chamadas de lipoproteínas de densidade muito baixa (VLDLs). A VLD L nascente é secretada para o sangue, onde amadurece e funciona entregando lipídeos endógenos para os tecidos periféricos. (Nota: Observe que os quilomicra entregam principalmente os lipídeos da dieta [exógenos].) As lipoproteínas plasmáticas são discutidas no Capítulo 18, pág. 225.

Figura 16.12

Um triacilg licerol.

FÍGADO

t

Glicose GLICÓLISE

Diidroxiaceto na-fosfato

TECIDO ADIPOSO

t

Glicose GLJCÓLISE

Diidroxiacetonafosfato

Figura 16.13 Vias para a produção de glicerol-fosfato no fígado e no tecido adiposo.


Bioquímica Ilustrada

IV.

MOBILIZAÇÃO DOS DEPÓSITOS DE GORDURA E OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS

y H20H HO - C - H O I

11

CH2 - 0 - \ -

Ácidos graxos armazenados no tecido adiposo, na forma de TAG, servem como a principal reserva de combustível do organismo. Os TAGs proporcionam energia metabólica concentrada, pois são altamente reduzidos e muito anidros. A oxidação completa dos ácidos graxos a C02 e H2 0 gera 9 kcal/g de gordura (comparadas às 4 kcal/g produzidas por proteínas ou carboidratos; veja a Figura 27.5, na pág. 357).

o-

o-

i:

Glicerol-fosfato

CoA - C · R1

Aciltransferase

C?,

CoA

A . Liberação dos ácidos graxos dos TAGs

o 11

A mobilização dos lipídeos armazenados requer a liberação hidrolítica do ácido graxa e do glicerol a partir dos TAGs. Esse processo é iniciado por uma lipase sensível a hormônio, que remove o ácido graxa do carbono 1 e/ou do carbono 3 do TAG. Lipases específicas adicionais removem os ácidos graxos remanescentes do diacilglicerol ou do monoacilglicerol. 1.

2.

Ativação da lipase sensível a hormônio (LSH). Essa enzima é ativada quando é fosforilada por uma proteína-cinase dependente de 3',5'-AMP cíclico. O 3',5'-AMP cíclico é produzido no adipócito, quando um de vários hormônios (normalmente a adrenalina) liga-se a seu receptor na membrana ce lular e ativa a adenilato-ciclase (Figura 16.15). O processo é similar à ativação da glicogênio-fosforilase (veja a Figura 11 .12, na pág. 131 ). (Nota: Quando a acetii-CoA-carboxilase é inibida por fosforilação mediada por hormônio [cascata mediada por AMPc, veja a Figura 16.8], a síntese de ácidos graxas é suspensa e a degradação de TAG é acionada.) Na presença de altas concentrações plasmáticas de insulina e glicose, a LSH é desfosforilada e torna-se inativa. Destino do glicerol. O glicero l liberado durante a degradação de TAG não pode ser metabolizado nos adipócitos, porque estes não possuem a enzima glicerol-cinase. Logo, o glicerol é transportado pela circulação sangüínea ao fígado, onde pode ser fosforilado. O glicerol-fosfato resultante pode ser utilizado para sintetizar TAG no fígado ou ser convertido em DHAP pela reve rsão da reação da glicerol-fosfato-desidrogenase ilustrada na Figura 16.13. A DH AP pode participar na glicólise ou na gliconeogênese.

y H2-0-C - R1 HO - C - H

O 11

I

CH 2 -o-~-

o-

i:

Ácido lisofosfatídico

CoA - C - R 2

C?,

Acíltransferase

CoA

o 11

C?,

y H2 -0-C - R1

R2 · C -O - C - H

O

I

11

-oo-

CH 2 - 0 - ~

Ácido fosfatídi co

H,O'i Rw><~ ~P; o 11

C?,

yH 2 - O - C - R 1

R2· C -O-y - H CH20H

i:

Diacilglicerol

3.

Destino dos ácidos graxos. Os ácidos graxas livres (não-esterificados) movem-se através da membrana celular dos adipócitos e imediatamente se ligam à albumina no plasma. Eles são transportados aos tec idos, entram nas células, tornam-se ativados formando derivados de CoA e são oxidados para produzir energia. (Nota: O transporte ativo de ácidos graxas através da membrana é mediado por uma proteína ligadora de ácidos graxos.) Observe que, independentemente de seus níveis plasmáticos, os ácidos graxas não podem ser utilizados como combustível pelos eritrócitos, pois estes não possuem mitocôndrias, ou pelo sistema nervoso central , em vista da barreira hemato-encefálica.

CoA - C - R 3

C?,

Aciltransferase

CoA

o 11

C?,

yH 2 - O - C - R 1

R2 · C -O-y - H

C?,

CH 2 -0-C - R3 Triacilglicerol

8 . p -Oxidação de ácidos graxos A principal etapa do catabolismo dos ácidos graxas saturados ocorre na mitocôndria, a chamada ~ - oxidação, em que fragmentos de dois carbonos são removidos do term inal carboxila da acii -CoA, produzindo acetii-CoA, NADH e FADH 2

Figura 16.14 Síntese de um triacilglicerol.

187


188

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

Insulina (baixa)

Adrenalina (alta)

J1,).

l liiiiJ

QcedJ '' 'I

l i o I

I' li

-·','...

P

1.

Transporte de ácidos graxos de cadeia longa (AGCLs) para dentro da mitocôndria. Após a entrada de um AGCL na célula, ele é convertido em um derivado da CoA pela aci/-CoA -sintetase dos ácidos graxas de cadeia longa (tiocinase) no citosol (veja a pág. 174). O ácido graxo precisa ser transportado através da membrana interna da mitocôndria. pois a ~-oxidação ocorre na matriz mitocondrial. Assim, um transportador especializado carrega o grupo acila de cadeia longa do citosol para a mat riz da mitocôndria. Esse transportador é a carnitina, e esse processo de transporte chama-se lançadeira da carnitin a (Figura 16.1 6) a.

Etapas para a translocação do AGCL. O grupo acila é inicialmente transferido da coenzima A citosólica para a carnitina, pela carnitina-palmitoiltransferase I ( CPT-0 - uma enzima associada à membrana externa da mitocônd ria. (Nota: A CPT-1 é também conheci da como CAT-1, carnitina-acilt ransferase 1.) Essa reação forma acil-carnitina e regenera a coenzima A livre. A seguir, a acilcarnitina é transportada para dentro da mitocôndria em troca da carnitina livre pela carnitina-aci/carnitina-translocase. A carnitinapalmitoiltransferase 11 ( CPT-11, ou CAT-10 - uma enzima da membrana interna da mitocôndria - catal isa a transferência do grupo acila da carnitina para a coenzima A na matriz mitocondrial, regenerando, então, carn itina livre.

b.

Inibidor da lançadeira da carn itina . A malonii-CoA inibe a C PT-1, imped indo a entrada na mat riz mitocondri al de grupos acila de cadeia longa. Assim , quando a síntese de ácidos graxos ocorre no citosol (como indicado pela presença de malonii-CoA), o palm itato recentemente formado não pode ser transferido para o inte rior da mitocôndria e ser degradado.

c.

Fontes de carnitina. A carnitina pode ser obtida a partir da dieta, sendo encontrada principalmente em carnes. A carnitina pode também ser sintetizada a partir dos aminoácidos lisina e metionina por enzimas encontradas no fígado e nos rins, mas não no músculo esquelético e no card íaco. Assim , esses tecidos são totalmente dependentes da carnitina distribu ída pelo sangue, proveniente dos hepatócitos ou da dieta. (Nota: O músculo esquelético contém cerca de 97% de toda a carn itina presente no corpo.)

d.

Funções adicionais da carniti na. O sistema carnitina também permite a exportação a partir da mitocôndria de grupos acila com cadeia ramificada (tais como os produtos do catabol ismo de aminoácidos ramificados). Além disso, o sistema carnitina está envolvido na captação e na excreção pelo rim de grupos acila que não podem ser metabolizados pelo o rganismo.

e.

Deficiência de ca rnitina. Tais deficiências resultam na diminuição da capacidade do tecido de utilizar AGCL como combustível meta bólico e podem também provocar o acúmulo de ácidos graxos livres e grupos acila ramificados em quantidades tóxicas nas células. A deficiência secundária de carnitina ocorre por muitas razões, inclu indo: 1) doenças hepáticas que provocam diminuição na síntese de carnitina; 2) indivíduos subnutridos ou estritamente vegetarianos; 3) indivíduos que necessitam uma maior quantidade de carn itina, como por exemplo na gravidez, infecções graves, queimaduras ou traumas; ou 4) aqueles submetidos a hemodiálise, que remove carnitina do sangue (Figura 16.17). Deficiências congênitas em um dos componentes do sistema da carnitina-palmitoiltransferase, na reabsorção tubular de carnitina ou deficiência

Lipase sensível a hormônio "'f\7( (inativa) '

v- ATP o

I

Fosfatase

Proteína-cínase ativa

\

f'·:}..ADP '

/

TRIACILGLICEROL

: ipase sensível a hormônio (ativa)

~

Ácido graxo

DIACILGLICEROL

Figura 16.15 Reg ulação hormonal da degradação de triacilgliceróis no adipócito.


Bioqufmica Ilustrada

189

Efeito líquido: ac ii-CoA de cadeia longa é transportada do c itosol p ara dentro da m itocôndria MEMBRANA MITOCONDRIAL EXTERNA

o 11

RC - CoA

o 11

RC - CoA

Acii-CoA

b 11

RC - CoA Acii-CoA

C ITOSOL

Fig ura 16.16 Lançadeira da carnitina.

na absorção de carnitina pelas células podem também causar deficiência de carnitina. Deficiência genética de CPT-1 afeta o fígado, incapacitando-o para a utilização de AGCL como combustível e prejudicando a capac idade desse tecido em sintetizar glicose durante o jejum, podendo levar à hipoglicemia grave, coma e morte. A deficiência de CPT-11 ocorre principalmente nos múscu los cardíaco e esq uelét ico , onde sintomas de deficiência de carnitina variam de cardiomiopatia a fraqueza muscular com mioglobinemia após exercício prolongado. (Nota: Esse é um exemplo de como prejuízo no fluxo de um metabólito de um compartimento celular a outro resulta em patologia.) O tratamento inclui evitar jejum prolongado, adotando dietas ricas em carboidratos e baixas em AGCL, mas suplementadas com AGCM (ácidos graxos de cadeia média) e, em casos de deficiência de carnitina, suplementadas com carnitina. 2.

Entrada de ácidos g raxos de cadeia c urta e média na mitocôndria. Ácidos graxos menores do que 12 carbonos podem atravessar a membrana interna da mitocôndria sem necessitar de carnitina ou do sistema CPT Uma vez internalizados na mitocôndria, eles são ativados em seus derivados de coenzima A por enzimas da matriz e são oxidados. (Nota: AGCMs são abundantes no leite humano. Como sua oxidação não é dependente da CPT-1, ela não é sujeita à inibição por malonii-CoA.)

3.

Reações da 13-ox idação . O primeiro ciclo da ~-oxidação é mostrado na Figura 16.18. Consiste em uma seqüência de quatro reações, que resultam na diminuição em dois carbonos da cadeia do ácido graxo. As etapas para a ~-oxidação incluem uma oxidação que produz FADH2 , uma etapa de hidratação, uma segunda oxidação que produz NADH e uma clivagem tiólica, que libera uma molécula de acetii-CoA. Para ácidos graxos saturados com número par de átomos de carbono, essas quatro etapas são repetidas em um número de vezes igual a n/2 -1 (onde n é o número de carbonos), sendo que cada ciclo produz um grupo acetila mais um NADH e um FADH 2 • A última clivagem tiólica produz dois grupos acetilas. (Nota: A acetii-CoA é um efetor alostérico positivo da piruvato-carboxi/ase [veja a pág. 11 6], ligando a oxidação dos ácidos graxos à gliconeogênese.)

,f ,


190

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier 4.

Energia produzida pela oxidação de ácid os graxas. Uma grande quantidade de energia é produzida pela ~ -ox id ação. Por exemplo, a oxidação de uma molécula de ácido palmítico até C02 e Hp produz 131 ATPs (Figura 16.19). Uma comparação dos processos de síntese e degradação de ácidos graxos saturados com número par de carbonos é mostrada na Figura 16.19.

5.

Deficiência de acii-CoA-desidrogenase de ácido graxa de cadeia média. Na mitocôndria, existem quatro espécies de acii-CoA-desidrogenases, cada uma específica para ácidos graxos de cadeia curta, média, longa ou muito longa. A deficiência da desidrogenase de AGCM é uma doença autossômica recessiva, sendo um dos mais comuns erros inatos do metabolismo, e o mais comum erro inato da oxidação dos ácidos graxos. É observada com uma freqüência de 1 em 12.000 nascimentos no ocidente e de 1 em 40.000 no mundo inteiro. Causa diminuição na oxidação de ácidos graxos e hipoglicemia grave (pois os tecidos não conseguem obter energia a partir de ácidos graxos, necessitando consumir glicose). O tratamento inclui dieta rica em carboidratos. (Nota: Bebês são particularmente afetados pela deficiência da desidrogenase dos AGCMs, porque sua nutrição depende do leite, que contém basicamente AGCM. A deficiência da desidrogenase de AGCM tem sido identificada como a causa da síndrome da morte súbita em crianças o u síndrome de Reye.)

6.

Oxidação de ácidos graxas com número ímpar de carbonos. A ~-oxidação dos ácidos graxas saturados com número ímpar de carbonos acontece pelas mesmas reações dos ácidos graxas de número par, finalizando com a formação de uma molécula de três carbonos. Esse composto, propionii-CoA , é metabolizado em três reações (Figura 16.20) . (Nota: A propionii-CoA é também produzida durante o metabolismo de certos aminoácidos [veja a Figura 20.1 O, na pág. 264].)

Carbono 13

~

o 11

CH3- (CH2)x-CH2 -CH 2 - C- S- CoA Acii-CoA

Acii-CoA·F desidrogenases (uma família de enzimas)

FAD FADH2

o 11

CH3 - (CH2)x-CH=CH - C- S- CoA Enoii-CoA

Enoii-CoA~ ~ H20 -·~t OH I

O 11

CH3 - (CH2)x-CH - CH2 - C- S- CoA 3-Hidroxiacii-CoA NAD+

F

3-Hidroxiaci/-CoAdesidrogenase

NADH +H+

o 11

o 11

CH 3 - (CH2 )x-C- CH 2 -C- S- CoA 3-Cetoacii-CoA

Aci/-CoA:t aciltransferase ("tio/ase")

a.

Síntese de o-metilmalonii-CoA. Inicialmente, a propionii-CoA é carboxilada formando o-metilmalonii-CoA. A enzima propionii-CoAcarboxilase necessita da coenzima biotina, assim como outras carboxilases (veja a pág. 379).

b.

Formação de L-metilmalonii-CoA. A seguir, o o-isômero é convertido na forma L pela enzima meti/malonii-CoA-racemase.

c.

Síntese de succinii-CoA. Finalmente, os carbonos da L-metilmalonii-CoA são rearranjados, formando succin ii-CoA, que pode ser utilizada no ciclo do ácido cítrico (veja a pág. 11 0). A enzima metilmaloni/-CoA-mutase requer a coenzima vitamina B, 2 (desoxiadenosilcobalamina) para sua ação. A reação da mutase é uma das duas únicas reações no organismo que requerem vitamina B12 (veja a pág. 373). (Nota: Em pacientes com defic iência de vitamina B 12 , propionato e metilmalonato são excretados na urina. Dois tipos hereditários de acidemia e acidúria metilmalônicas têm sido descritos: um em que a mutase está ausente ou deficiente [ou tem sua afinidade pela coenzima reduzida] e outro em que o paciente é incapaz de converter vitamina B 12 na sua forma de coenzima. Ambos os tipos resultam em acidose metabólica, observando-se retardo no desenvolvimento em alguns pacientes.)

CoA

o 11

o 11

CH 3-(CH2)x-C- S- CoA + CH 3 -C-S-CoA Acii-CoA

Figura 16.17 Enzimas envolvidas na acii-CoA.

Acetii-CoA

~ -ox idação

de

7.

Oxidação de ácidos graxas insaturados . A oxidação de ácidos graxas insatu rados produz menos energia que a dos ácidos graxos saturados, porque eles estão menos reduzidos e, portanto, menos equi-


192

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

SÍNTESE

DEGRADAÇÃO

Maior fluxo na via

Após refeição rica em carboidratos

No jejum

Estado hormonal que favorece a via

Razão elevada insulina/glucagon

-·-.. Diminuição na razão insulina/glucagon

Principal sítio tecidual

Principalmente no fígado

Músculo, fígado

Localização subcelular

Principalmente no citosol

Principalmente mitocôndria

Transportadores de grupos acil/acetil entre mitocôndria e citosol

Citrato (mitocôndria para citosol)

Carnitina (citosol para mitocôndria)

Carregadores ativos contendo fosfopanteteína

Domínio proteína carregadora de acilas, coenzima A

Coenzima A

Cc-fatores de oxidação/redução

NAD PH

NAD+, FAD

Doador/produto de dois carbonos

Malonii-CoA: doador de grupos acetila

Acetii-CoA: produto da ~-oxidação

Ativador

Citrato

Inibidor

Acii-CoA de cadeia longa (inibe a acetii-CoA-carboxilase)

Malonii-CoA (inibe a carnitinapalmitoiltransferase)

Produto da via

Palmitato

Acetii-CoA

·-~-

- -

-

--

--

--

---

Figura 16.19 Comparação entre a síntese e a degradação de ácidos graxas saturados com número par de carbonos.

:

C. a-Oxidação de ácidos graxos O ácido graxa ramificado, ácido titânico , não é um substrato para a acil· CoA-desidrogenase devido ao grupo metila em seu terceiro carbono (~) (Figura 16.22). Em vez de sofrer a ação dessa enzima, ele é hidroxilado no carbono a pela a -hidroxi/ase dos ácidos graxas. O produto é descarboxilado e então ativado, produzindo seu derivado de CoA, que é substrato para as enzimas da ~-oxidação. (Nota: A doença de Refsum , uma rara doença autossômica recessiva, é um distúrbio causado pela deficiência de a-hidraxi/ase. Resulta no acúmulo de ácido titânico no plasma e nos tecidos. Os sintomas são basicamente neurológicos e o tratamento envolve restrição dietética para impedir a progressão da doença.)

V.

CORPOS CETÔNICOS: UM COMBUSTÍVEL ALTERNATIVO PARA AS CÉLULAS

A mitocôndria do fígado tem a capacidade de converter acetii-CoA proveniente da ~-oxidação de ácidos graxas em corpos cetônicos. Os compostos classificados como corpos cetônicos são o acetoacetato, o 3-hidroxibutirato (chamado também de ~-hidroxibutirato) e a acetona (um produto colateral não-metabolizável; Figura 16.23). (Nota: Os dois corpos cetônicos funcionais são, na verdade, ácidos orgânicos.) O acetoacetato e o 3-hidroxibutirato são transportados pelo sangue aos tecidos periféricos. Ali, eles podem ser convertidos novamente em acetii-CoA, que é oxidada no ciclo do ácido cítrico. Os corpos cetônicos são importantes fontes de energia para os tecidos periféricos, porque 1) são solú-


Bioquímica Ilustrada

veis em meio aquoso e não necessitam ser incorporados a lipoproteínas ou transportados pela albumina, como outros lipídeos; 2) são produzidos no fígado durante períodos em que a quantidade de acetii-CoA excede a capacidade oxidativa do fígado; e 3} são usados pelos tecidos extra-hepáticos, como os músculos esquelético e cardíaco e o córtex renal, em quantidade proporcional a sua concentração no sangue. Mesmo o cérebro pode usar corpos cetônicos como fonte de energia, se os níveis sangüíneos aumentarem suficientemente. (Nota: Isso é importante durante o jejum prolongado; veja a pág. 330.)

193

Propionii-CoA

co 2 :rp

Propionii-CoA· carboxilase

A

Biotina

ADP+ P1

A. Síntese de corpos cetônicos pelo fígado Durante o jejum, o fígado é inundado com ácidos graxas mobilizados do tecido adiposo. Como resultado, eleva-se a acetii-CoA hepática, produzida basicamente pela degradação de ácidos graxas. A acetii-CoA inibe a piruvato-desidrogenase (veja a pág. 108) e ativa a piruvato-carboxilase (veja a pág . 117). O oxalacetato produzido é usado pelo fígado para a gliconeogênese, mais do que no ciclo do ácido cítrico. Assim sendo, a acetii-CoA é canalizada para a síntese de corpos cetônicos. 1.

2.

Síntese de 3-hidroxi -3-metilglutarii-CoA (HMG-CoA). A primeira etapa da síntese. formando acetoacetii-CoA, ocorre pela reação reversível da tio/ase, uma enzima da oxidação de ácidos graxos (veja a Figura 16.18). A HMG-CoA-sintase mitocondrial combina uma terceira molécula de acetii-CoA com acetoacetii-CoA, para produzir HMG-CoA. (Nota: HMG-CoA é também precursora de colesterol [veja a pág. 218]. Essas etapas são separadas por sua localização na célula e pelas condições da célula [veja a pág. 218].) A HMG-CoA-sintase é a etapa limitante na síntese dos corpos cetônicos e está presente em quantidades significantes somente no fígado. Síntese de corpos cetônicos . A HMG-CoA é clivada para produzir acetoacetato e acetii-CoA, como mostrado na Figura 16.23. O acetoacetato pode ser reduzido para forma r 3-hidroxibutirato, utilizando NADH como doador de hidrogênio. O acetoacetato pode também sofrer descarboxilação espontânea no sangue, formando acetona - um composto volátil, não-metabolizado biologicamente, que pode ser liberado na respiração. (Nota: O equilíbrio entre acetoacetato e 3-hidroxibutirato é determinado pela razão NAD./NADH. Uma vez que essa relação encontra-se reduzida durante a oxidação dos ácidos graxos, a síntese de 3-hidroxibutirato é favorecida.)

B. Utilização dos corpos cetônicos pelos tecidos periféricos Embora o fígado constantemente sintetize baixos níveis de corpos cetônicos, sua produ ção torna-se muito mais significante durante o jejum, quando os corpos cetôn icos são necessários para prod uzir energia nos tecidos periféricos. O 3-hidroxibutirato é oxi dado a acetoacetato pela 3-hidroxibutirato-desidrogenase, produzindo NADH (Figu ra 16.24). O acetoacetato recebe então uma coenzima A, doada pela succinii-CoA, em uma reação cata lisada pela succinii-CoA:acetoacetato-CoA-transferase (tioforase). Essa reação é reversível, mas o produto, acetoacetii-CoA, é ativamente removido por sua conversão em duas moléculas de acetii-CoA. Tecidos extra-hepáticos, incluindo o encéfalo, mas excluindo células que não têm mitocôndria (por exemplo, eritrócitos} , oxidam eficientemente acetoacetato e 3-hidroxibutirato dessa maneira. O fígado, ao contrário, embora produza corpos cetônicos, não possui a enzima tioforase, sendo incapaz de usar corpos cetônicos como combustível.

coo, H - C· CH

3

I

C - CoA 11

o 0-Metilmalonii-CoA Metilmalonii-CoA·l racemase

coo, H3 C - 9 - H C-CoA 11

o L-Metilmalonii-CoA

l

Forma de coenzima da vitamina B 12 (desoxiadenosil cobalamina)

Meti/malonii-CoAmutase

coo'

H29 · CH 2 C-CoA 11

o

-~__., 1-

z w o

<C

o

w

l-

Succinii-CoA

Figura 16.20 Metabolismo da propionii-CoA.

o

'' C-oH

Figura 16.21 Ácido titânico- um ácido graxo ramificado.

o :J co ãl


194

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

C. Produção excessiva de corpos cetônicos no diabetes melito Acii-CoA

Quando a velocidade de formação dos corpos cetônicos é maior do que a velocidade de seu consumo, seus níveis começam a aumentar no sangue (cetonemia) e, por fim , na urina (cetonúria). Essas duas condições são observadas mais freqüentemente em casos de diabetes melito do tipo 1 (dependente de insulina) não-controlado. Nesses indivíduos, a alta degradação de ácidos graxos produz quantidades excessivas de acetii-CoA. Isso depleta o conjunto de NAD+ e aumenta o conjunto de NADH, reduzindo a velocidade do ciclo do ácido cítrico (veja a pág. 11 2). Isso força o excesso de acetii-CoA para a rota da síntese de corpos cetônicos. Em indivíduos diabéticos com cetose grave, a excreção urinária de corpos cetônicos pode ser de até 5.000 mg/24 horas, e a concentração sangüínea pode atingir 90 mg/dl (em comparação com menos de 3 mg/dl em indivíduos normais). Um sintoma freqüente da cetoacidose diabética é o odor frutado na respiração, resultante da alta produção de acetona. Um aumento da concentração de corpos cetônicos no sangue resulta em acidemia. (Nota: O grupo carboxila dos corpos cetônicos tem pK8 ao redor de 4. Logo, cada corpo cetônico libera um próton [H•] quando circula pelo sangue, diminuindo o pH do organismo. Além disso, a excreção da glicose e de corpos cetônicos na urina resulta em desidratação do organismo. O aumento do número de H" na circulação e a diminuição do volu me plasmático podem causar acidose grave [cetoacidose].) Cetoacidose pode ser observada em casos de jejum (veja a pág. 327).

2 Acetii-CoA

Tio/ase /

~~CoA o11

o11

CH3 C - CH2 - C - CoA Acetoacetii·CoA

o 11

CH3 C- CoA HMG-CoAsintase

Acetii-CoA

CoA

O

OH

11

I

O 11

- o-C - CH2 - 9- CH 2 - C - CoA CH3 HMG-CoA

c;?

HMG-CoA-Iiaset

CH3 C - CoA Acetii-CoA

o 11

VI.

o

CH3C - CH2 - C - o Acetoacetato

r I'

O 11

CH 3 -C - CH3

H I

O 11

CH3 -9 · CH2 - c - o · OH

Acetona

RESUMO DO CAPÍTULO

11

3-Hidroxibutirato

Figura 16.22 Síntese dos corpos cetônicos. HMGCoA = hidroximetilglutarii-CoA.

Um ácido graxo, geralmente uma cadeia linear hidrocarbonada com um grupo carboxila terminal, pode ser saturado ou insaturado. Dois ácidos graxos são essenciais (devem ser adquiridos da dieta): ácidos linoléico e linolênico. Muitos ácidos graxos são sintetizados no fígado, após refeição contendo excesso de carboidratos ou proteínas. Os carbonos usados para sintetizar ácidos graxos são provenientes da acetii-CoA, sendo a energia fornecida pelo ATP e os equivalentes redutores pelo NADPH. Os ácidos graxos são sintetizados no citosol. O cjtrato carrega unidades acetila de dois carbonos a partir da matriz mitocondrial para o citosol. A etapa reguladora na síntese de ácidos graxos (acetii-CoA ---7 malonii-CoA) é catalisada pela acetii-CoA-carboxilase, que requer biotina. O citrato é um ativador alostérico, e acii-CoA de ácidos graxas de cadeia longa aluam inibindo. A enzima pode ser ativada na presença de insulina e inativada por adrenalina ou glucagon. As etapas restantes da síntese de ácidos graxos são catalisadas pelo complexo da ácido graxo-sintase, que produz palmitoii-CoA a partir de acetii-CoA e malonii-CoA, utilizando NADPH como fonte de equivalentes redutores. Quando ácidos graxos são req ueridos pelo organismo para produção de energ ia, a lipase sensível a hormônio das células adiposas (ativada por adrenalina e inibida por insulina) inicia a degradação dos triacilgliceróis armazenados. Os ácidos graxos são levados pela albumina sérica para o fígado e tecidos periféricos, onde serão oxidados para produzir energia. O glicerol resultante da degradação dos triacilgliceróis é levado pelo sangue ao fígado, onde serve como importante precursor da gliconeogênese. A degradação dos ácidos graxos (J3-oxidação) ocorre na mitocôndria. A lançadeira de carnitina é necessária para o transporte de ácidos graxos do citosol para a mitocôndria. São necessárias as enzimas carnitina palmitoiltransferase I e 11. A CPT-1 é inibida por malonii-CoA. Isso impede que ácidos graxos sintetizados no citosol a partir de malonii-CoA sejam transportados para dentro de mitocôndria, onde seriam degradados. Estando o ácido graxo dentro de mitocôndria, ele será oxidado produzindo acetii-CoA,


Bioquímica Ilustrada

0

OXIDAÇÃO DE CATABO~ISMO ÁCIDOS GRAXOS DE AMINOACIDO~ J

FÍGADO

195

, LICOLISE

2 Acetii-CoA

t

CoA

Acetii-CoA

(

./

3-Hidroxi-3-metilglutarii-CoA

Acetoacetii-CoA

Acetii-CoA

Acetoacetato - --

~

~

~ CoA

- - - - - - ------==---- - -- - -'

tco2

Acetoacetato

NA DH+H+

~NAD+ 3-Hidroxibutirato

Acetona ---~~---"'----------'

3-Hidroxibutirato

Figura 16.23 Síntese de corpos cetônicos no fígado e utilização nos tecidos periféricos.

'IIADH e FADH 2 . A primeira etapa da rota de ~-oxidação é catal isada por uma :Jas quatro enzimas da família das acii-CoA-desidrogenases, cada enzima com especificidade para ácido graxo de cadeia curta, média, longa ou muito longa. Deficiência na ac ii-CoA-desidrogenase dos ácidos de cadeia média é um jos mais comuns erros inatos do metabolismo. Causa diminuição na oxidação je ácidos graxos, resultando em hipoglicemia. O tratamento inclui dieta rica em :arboidratos. A oxidação de ácidos graxos com número ímpar de carbonos pro:ede a liberação de dois carbonos (acetii-CoA) por vez, até finalmente formar ~ma molécula de três carbonos (propionii-CoA). Esse composto é convertido em metilmalonii-CoA (uma reação que requer biotina), que é então conver. da em succinii-CoA pela metilmalonii-CoA-mutase (que requer vitamina 8 12) . Jm erro genético na mutase ou deficiência na vitamina 8 ,2 causa acidemia e acidúria metilmalô nicas. A mitocôndria hepática pode converter acetii-CoA, Jroveniente da oxidação de ácidos graxos, em corpos cetônicos, aceto ace:.ato e 3-hidroxibutirato. Tecidos periféricos que possuem mitocôndria podem Jxidar 3-hidroxibutirato em acetoacetato, que pode ser convertido novamente em acetii-CoA, gerando energia para a célula. Ao contrário dos ácidos graxos, ::s corpos cetônicos podem ser utilizados pelo sistema nervoso, sendo impor:ante combustível durante o jejum. O fígado não tem capacidade de degradar ::orpos cetônicos e, assim sendo, somente os sintetiza para consumo pelos ecidos periféricos. Cetoacidose ocorre quando a velocidade de formação de ::orpos cetônicos é maior do que sua velocidade de consumo, observada por exemplo em casos de diabetes melito do tipo 1 (dependente de insulina) ~ ão-controlado.

Liberação hepática de corpos cetônicos

!

Cetoacidos~

Figura 16.24 Mecanismo da cetoacidose diabética, observada no d iabetes do tipo 1.


196

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

Síntese de triacilgliceróis ocorre em resposta à

t

Degradação de triacilgliceróis ocorre em resposta a

Ingestão de excesso de calorias como carboidratos tevà à

t

Liberação de glucagon, adrenalina

envolve

envolve

lev~à

I

t

Atividade da proteínacinase

TECIDO ADIPOSO

FÍGADO

~Glicerol

Acetii-CoA

t

-

Triacilglicerol

Mal onii-CoA catalisada por

catalisada por

Glicerol Ácidos graxo s

c4

I

Ce Malonii-CoA

Cs

Ácidos graxos

t

NADPH

t

C12

C1e

C14

C14

t

t

t t

r:

FAD

C12

Gliceroi-P

C1o

Triacilglicerol

tCs

F

roteínas ostolipídeos olesterol

t

FADH2 NADH

Ce

t

VLDL

c4

t

SANGUE

Acetii-CoA

t

TECIDO ADIPOSO

PARTE DOS TECIDOS Ácidos graxos

t

t t C14 t C12 t c10 C1e

t

Acii·CoA

MAIOR

Acii-CoA

Acii-CoA

c10

r

Ácidos graxos

FÍGADO

t t t

r

'------+- Ácidos graxos

t

Cs

tCe

FAD NAD+

FADH2 NADH

t c4

t

Acetii-CoA -+- Ciclo do ácid cítric o

t

Acetoacetato 3-Hidroxibutirato

Tri acilglicerol Acetoacetato 3 -Hidroxibutirato

Figura 16.25 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo dos ácidos graxos e dos triaci lgliceróis.

Acetoacetato 3-Hidroxi butirato


Bioquímica Ilustrada

197

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 16.1 Moléculas de triacilgliceró is armazenadas no tecido adiposo representam a maior reserva de substrato fornecendo energia durante o jejum prolongado. Du rante tal jejum: A. os ácidos graxas armazenados são liberados do tecido adiposo ao plasma como componentes das lipoproteínas plasmáticas, VLDLs; B. os ácidos graxas livres são produzidos em alta velocidade no plasma pela ação da lipase lipoprotéica sobre os quilomicra; C. o glicero l produzido pela degradação de triacilgl iceró is é uma importante fonte de energia para adipócitos e fibroblastos; D. a lipase sensível a hormônio é fosforilada pela proteína-cinase dependente de AMP cíclico.

Resposta correta: D. A lipase sensível a hormônio é fosforilada por uma proteína-cinase dependente de AMP cíclico, que é ativada por glucagon. Os ácidos graxos liberados do tecido adiposo são transportados pela albumina sérica, não pelas VLDLs. Durante um jejum, a quantidade de triacilglicerol na circulação (encontrado nos quilomicra e VLDLs) é baixa. Logo, existe pouco substrato para a lipase lipoprotéica. O glicerol produzido durante a degradação de triacilgliceróis não pode ser metabolizado nos adipócitos ou nos fibroblastos, mas pode ser consumido pelo fígado, onde é fosforilado (pela glicerol-cínase).

14

16.2 Níveis baixos de dióxido de carbono marcado com C são eliminado acidentalmente na atmosfera por uma indústria. Os trabalhadores respi raram esse ar contaminado por uma hora. Dos compostos a segu ir, qual se encontrará marcado rad ioativamente? A. Todos os carbonos dos ácidos graxas sintetizados recentemente . B. Cerca da metade dos carbonos dos ácidos graxas sintetizados recentemente. C. A carboxila dos ácidos graxas sintetizados recentemente. D. Cerca de um terço dos carbonos da malonii-CoA sintetizada recentemente. E. Metade dos carbonos da acetii-CoA sintetizada recentemente . 16.3 Um adolescente preocupado com seu peso resolveu fazer uma dieta livre de gordu ra por sete se manas. Se a sua capacidade de sintetizar vários lipídeos fosse examinada, quais compostos estariam com sua síntese deficiente: A. Triacilgliceróis. B. Fosfolipídeos. c. Coleste rol. D. Esfingolipídeos. E. Prostaglandinas.

Resposta correta: D. A malonii-CoA (três carbonos) é sintetizada a partir de acetii-CoA (dois carbonos), pela adição de C02 , usando a enzima acetii-CoA-carboxilase. O co, é removido durante a síntese do ácido graxo, de forma que a marcação radioativa não aparecerá em qualquer posiç{lo dos ácidos graxos sintetizados recentemente.

Resposta correta: E. Prostaglandinas são sintetizadas a partir do ácido araquidônico. O ácido araquidônico é sintetizado a partir do ácido linolêico, um ácido graxo essencial, obtido em humanos a partir dos lipídeos da dieta. O adolescente seria capaz de sintetizar todos os outros compostos, mas provavelmente em quantidade diminuída.


Metabolismo dos Lipídeos Complexos MEMBRANA

ESPAÇO EXTRACELULAR Esqueleto de glicerol

I. VISÃO GERAL DOS FOSFOLIPÍDEOS

Cauda

o

=osfolipídeos são compostos polares iônicos, que têm uma ponte fosfodiéster _nindo a parte polar com o glicerol (no caso dos glicerofosfolipídeos) ou com a =sfingosina (no caso dos esfingofosfolipídeos), os quais por sua vez estão uni::os a ácidos graxos. Como os ácidos graxos, os fosfolipídeos são de natureza :infipática, isto é, têm uma cabeça hidrofílica (o grupo fosfato ligado a serina, :::olina, etanolamina ou inositol, evidenciados em azul na Figura 17.1 A) e uma onga cauda hidrofóbica (contendo ácidos graxos ou derivados, mostrados em aranja na Figura 17.1 A). Os fosfolipídeos são os lipídeos predominantes nas membranas celulares. Nestas, a parte hidrofóbica dos fosfolipídeos está associada com as partes apoiares de outros constituintes da membrana, tais como glicolipídeos, proteínas e colesterol. A cabeça hidrofílica (polar) dos fosfolip ídeos estende-se para fora, isto é, fica em contato com o ambiente aquoso intra ou extracelular (veja a Figura 17. 1A). Os fosfolipídeos da membrana também funcionam como um reservatório de mensageiros intracelulares e, para algumas proteínas, servem como pontos de ancoramento. Os fosfo/ipídeos não-consti:uintes das membranas apresentam outros papéis no organismo; por exemplo, :::omo surfactante nos alvéolos pulmonares e como componentes fundamentais da bile, onde sua propriedade detergente ajuda a solubilização do colesterol.

~ c~

" C·O·CH 2 'ii I C-0-CH

+

NH3

CH2·® CH2CH

coo-

Fosfatidilserina

.. ·(,

IL. I!·• "'

...... .... 1 1,.,

.~.

'

Fosfatldlletanolamína

o

" O·CH2 C·

'ii

I

C·O·ÇH

CH

I

3

CH2 ·® CH2CH2N+

11. A ESTRUTURA DOS FOSFOLIPÍDEOS

/I

CH3 CH3

-lá duas classes de fosfolipídeos: aqueles que contêm glicerol como esqueleto carbonado ligado ao fosfato e aqueles que contêm esfingosina. Ambas as classes são componentes estrutu rais de membranas e ambas exercem papel na geração de derivados lipídicos envolvidos na sinalização.

Fosfatídílcolína

o

" C·O·CH 2

'ii

I

C·C>-CH

A. Glicerofosfolipídeos

CH2·® Ácido fosfatídico

Os fosfolipídeos que contêm glicerol são chamados de glicerofosfolipídeos (ou fosfoglicerídeos). Os glicerofosfolipídeos constituem a maior classe de fosfolipídeos. Todos contêm (ou são derivados do) ácido fosfatídico (diacilglicerol, com um fosfato ligado à hidroxila do terceiro carbono do

Figura 17.1 A. Estrutura de alguns glicerofosfolipídeos. B. Ácido fosfatídico. ® = fosfato, P0 4 •2•


200

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

glicerol, Figura 17.1 B). O ácido fosfatídico é o mais simples fosfoglicerídeo e é precursor dos demais membros do grupo.

1.

Cardiolipina

Figura 17.2 Estrutura da cardiolipina.

D o

~

r r

Grupo acila

t

6-

Esqueleto de glicerol

Fosfatidaletanolamina

Esqueleto de glicerol

Fator ativador de plaquetas

Figura 17.3 A. O plasmalogênio fosfatidaletanolamina. B. Fator ativador de plaquetas.

+ AF

~

Fosfatidilserina

Etanolamina

+ AF

~

Fosfatidiletanolamina (cefalina)

Colina

+ AF

~

Fosfatidilcolina (lecitina)

lnositol

+ AF

~

Fosfatidilinositol

Glicerol

+ AF

~

Fosfatidilglicerol

Cardiolipina. Duas moléculas de ácido fosfatídico são esterificadas, através de seus grupos fosfato, a uma molécula de glicerol, formando a chamada cardiolipina (difosfatidilglicerol, Figura 17.2). Esse é o único glice rofosfolipídeo humano com propriedade antigênica conhecida. Por exemplo, a cardiolipina é reconhecida por anticorpos gerados contra o Treponema pallidum, o agente etiológico da sífilis. (Nota: A cardiolipina é um importante componente da membrana mitocondrial interna e de membranas bacterianas.)

3.

Plasmalogênios. Quando um ácido graxo esterificado (acil) ao carbono 1 dos glicerofosfolip ídeos é substituído por um alcenil fo rmando então um ligação éter (em vez de éster), teremos um plasmalogênio. Por exemplo, o fosfatidaletanolamina (abundante no tecido nervoso, Figura 17.3A), é um plasmalogênio similar em estrutura à fosfatidi· letanolamina. A f osfatidalcolina (abundante no tecido cardíaco) é outro lipídeo contendo ligação éter quantitativamente importante em mamíferos.

4.

Fator ativador de plaquetas (PAF, de platelet-activating facto(). O PAF é um glicerofosfolipídeo, que contém ligação éter no carbono 1 e que, em vez de um ácido graxa, tem ácido acético ligado ao carbono 2 (Figura 17.38). O PAF é sintetizado e liberado por uma variedade de tipos celulares. Ele se liga a receptores de membrana, desencade· ando potentes respostas trombóticas e inflamatórias. Por exemplo, o PAF ativa as células inflamatórias e medeia as reações de hipersensibilidade, as reações inflamatórias agudas e as reações anafi láticas. Ele induz a agregação de plaquetas, a liberação do conteúdo de seus grânulos (degranulação) e estimula a geração de radicais superóxidos pelos neutrófilos e pelos macrófagos alveolares (veja a página 148, onde é discutido o papel dos superóxidos na morte de bactérias). (Nota: O PAF é uma das moléculas bioativas mais potentes conhe· cidas, exercendo seus efeitos em concentrações tão baixas quanto 12 1o- moi/L.)

/

'?H2-0- CH =CH -C-0- CH o11 I + '----.--J CH -0- P-DCH CH NH 2 2 2 3 11

Serina

2.

Insaturado Ligação éter

Os glicerofosfolipídeos são formados a partir do ácido fosfatídico esterificado a uma hidroxila de outro composto. O grupo fosfato do ácido fosfatídico (AF) pode ser esterificado a outro composto contendo um grupo hidroxila, como a colina, por exemplo (veja a Figura 17.1 ). Os principais são:

B. Esfingofosfolipídeos: a esfingomielina O esqueleto carbonado da esfingomielina é a esfingosina, um aminoálcool de cadeia longa*, em vez do glicerol (Figura 17 .4). Quando um ácido graxa está ligado ao grupo amino da esfingosina por uma ligação amida, forma-se N. de T. A esfingosina tem uma cadeia longa de 3 C (proveniente da serina) e mais 14 C (do ácido palmítico) (como a esfinganina, indicada na Figura 17.4) e uma insaturação entre os carbonos 4 e 5, não mostrada naquela figura. Veja a Figura 17.1 O, adiante.


201

Bioquímica Ilustrada

a ceramida, a qual serve como precursora dos glicolipídeos (veja a pág. 207). Quando a hidrox ila do carbono 1 da esfingosina está esterificada pela fosforilcolina temos a esfingomielina, o único esfingofosfolipídeo conhecido em quantidades significativas em humanos. A esfingomielina é um constituinte fundamental da bainha de mielina das fibras nervosas. (Nota: A bainha de mielina é uma estrutura membranosa em camadas que isola e protege os axônios neuronais.)

SÍNTESE DE FOSFOLIPÍDEOS

IIL

Ceramida CH3 ······-·····-··········· I CH2~CH 2 CH 2 N+

o11

L

I :

/

I •···:

Colina

I

: CH3 CH3 C-NH- CH = ~

CH-OH •

.. /.. ..~~~i~:~~~~: .....1 Ácidos graxos

A síntese de glicerofosfolipídeos é feita a partir do ácido fosfatídico, que pode se conjugar com o CTP formando o CDP-diacilglicerol, que origina posteriormente fosfatidilinositol e fosfatidilglicerol , ou pode perder o fosfato e receber um composto fosfatado previamente ligado a um nucleotídeo da citidina, como por exemplo a fosforilcolina da CDP-colina, em um mecanismo que origina posteriormente a fosfatid ilcolina, a fosfatid ilserina e a fosfatidiletanolamina (Figura 17.5) . (Nota: CTP e CDP são nucleotídeos da citidina, tri e difosfatados, respectivamente [veja a pág. 289].) Em ambos os casos, o CDP ligado à colina ou ao diacilglicerol é considerado um "intermediário ativado", e o CMP é liberado como produto na rota de síntese dos glicerofosfolipídeos. Um conceito-chave na síntese de glicerofosfolipídeos, portanto, é a ativação, tanto do diacilglicerol quanto do álcool (inositol, glicerol ou colina), pela ligação ao CDP. (Nota: Isso é similar, em princípio, à ativação de açúcares mediada pelo UDP (veja a pág. 124].) Os ácidos graxos esterificados ao glicerol podem variar amplamente, contribuindo para heterogeneidade desse grupo de compostos. Os fosfolipídeos são sintetizados no retículo endoplasmático liso. Dali eles são transferidos ao aparelho de Golgi e então às membranas de organelas e à membrana plasmática, ou são secretados por exocitose.

Figura 17.4 A estrutura da esfingomielina, mostrando a esfinganina (no quadro verde) e os componentes da ceramida (no quadro pontilhado).

o11 H2ç-o -c

A. Síntese do ácido fosfatídico (AF) O A F é o precursor de muitos outros fosfolip ídeos. Os passos de sua síntese a partir do glicerol-fosfato e de duas acii-CoA estão ilustrados na Figura 16.14, pág.1 87, na qual o AF é mostrado como um precursor do triacilglicerol. (Nota: Basicamente todas as células, com exceção dos eritrócitos maduros, sintetizam fosfolipídeos, enquanto a síntese de triacilgliceróis ocorre apenas no fígado, no tecido adiposo, na glândula mamária em lactação e nas células da mucosa intestinal.)

11

I

lnositol

COP-Diacilglicerol

~ CMP o11 H2ç-o- c C-0 - C - H 11

I

O

Fosfatidilcolina e fosfatidiletanolamina são os fosfolipídeos mais abundantes na maioria das células de eucariotos. A rota primária de síntese usa colina ou etanolamina, obtidas tanto da dieta quanto do reaproveitamento dos fosfolipídeos. (Nota: No fígado, a fosfatidilcolina pode ser sintetizada a partir da fosfatidilserina ou da fosfatidiletanolamina [veja a seguir].) Síntese de fosfatidiletanolamina e de fosfatidilcolina a partir de colina e etanolami na preexistentes. Essas rotas de síntese envolvem a fosforilação da colina e da etanolamina por cinases, seguida pela conversão para a forma ativada, CDP-colina ou CDP-etanolamina. Por fim, a colina-fosfato ou a etanolamina-fosfato é transferida do nucleotídeo (liberando CMP) para uma molécula de diaci lglicerol (veja a Figura 17.5). a.

Significado da reutilização da colina. A reutilização de colina é importante porque, apesar dos humanos poderem sintetizar colina de novo, a quantidade produzida é insuficiente para as necessida-

Glicerol

O H2C - O - CDP

B. Síntese de fosfatidiletanolamina e de fosfatidilcolina

1.

ÁLCOOL

+

~c-o-c- H

H2C

-®- Álcool

Fostolipídeo

o 11

9

H2ç - o-c '-C-O - C- H I

H2C-OH

+

CDP-ÁLCOOL CDP-Colina COP-Etanolamina

Diacilglicerol

Figura 17.5 Ativação do diacilglicerol ou do álcool em uma ligação mediada pelo CDP para a síntese de fosfolipídeos.


202

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

des. Portanto, a colina é um nutriente essencial da dieta, sendo recomendado, para uma ingestão adequada (pág. 356), cerca de 550 mg para homens e 420 mg para mulheres.

o

" CH 2 C·O·

I

+ NH3 CH2 ·®· CH2CH I

crl

b.

C·ü-CH

coo-

Fosfatidilserina

Etanolamina

1 Fosfatidi/serina· descarboxilase

co2

Fosfatidiletanolamina· serina-transferase (reação de troca de base) /

\

o

" C·ü-CH2

+

~H3

I

cr/

HOCH2CH

C-0- 9H

+

C00-

CHz-@·CH2CH2- NH3 Fosfatidiletanolamina

Serina

ÇH3 Adenosina - 5+

CH2 I CH 2 HCNH3+ I

coo· S-Adenosilmetionina

2.

N-Metiltransferase

Adenosina -S

CH2 I CH 2 HCNH3+

' coo·

S-adenosilhomocistefna

Papel da fosfatidilcolina como surfactante pul monar. A via descrita anteriormente é a principal rota de síntese da dipalmitoilfosfatidilcolina , o u dipalmitoil-lecitina. Na dipalmitoil-lecitina, as posições 1 e 2 do glicerol são ocupadas por palmitato. Esse fosfolípideo, produzido e secretado por pneumócitos granulares, é o principal componente lip ídico do surfactante pulmonar - uma camada de fluido extracelular que cobre os alvéolos. O surfactante serve para reduzir a tensão superficial dessa camada fluida, red uzindo a pressão necessária para inflar e, portanto, impedindo o colapso alveolar (atelectasia). A síndro me da angústia respiratória (SAR) e m recém-nascidos prematuros está associada com a produção insuficiente de surfactante e é uma causa importante de óbito neonatal nos países ocidentais. (Nota: A maturidade pulmonar no feto pode ser avaliada determinando-se a razão dipalmitoil-lecitina/ esfingomielina, comumente escrita como U E [L de lecitina e E de esfingomielina], no líquido am niótico. A razão UE igual ou maior que 2 indica maturidade, porque reflete um maior desvio para a síntese de dipalmitoil-lecitina a partir de esfingomielina, que ocorre nos pneumócitos em cerca de 32 semanas de gestação. A maturação pulmonar pode ser acelerada pela administração de glicorticóides à gestante antes do parto. A administração [intratraqueal] de surfactantes naturais ou sintéticos também é usada para prevenção e tratamento da SAR.) Essa síndrome também pode ocorrer em adultos que tiveram os pneumócitos produtores de surfactante lesados ou destruídos, como por exemplo por um efeito colateral do uso de imunossupressores ou quimioterápicos.

Síntese de fo sfatidilc ol ina a part ir d e fo sfat id i lserina n o fígado . O fígado requer um mecanismo produto r de fosfatidilcolina, mesmo quando os níveis de colina são baixos, porque ele exporta uma quantidade significativa de fosfatidilcolina na bile, e como um componente das lipoproteínas. Para prove r essa necessidade de fosfat idilcolina, a fosfatidilserina é descarboxilada, dando fosfatidiletanolamina, por uma fosfatidilserina-descaboxilase, que requer piridoxalfosfato como co-fator. A fosfatidiletanolamina sofre então três reações de metilação, como ilustrado na Figura 17.6. A S-adenosilmetionina (SAM) é a doadora de grupos metila (veja a pág . 262).

C. Fosfatidilserina

o

" C-O-CH 2

I c-o-9H cr/

CH3

1

CH2 ·®·CH2CH2N+- CH3

I

CH3 Fosfatidilcolina

Figura 17.6 A síntese de fosfatidilcolina a partir da fosfatidilserina no fígado.

A rota primária para a síntese de fosfatidilserina nos tecidos de mam íferos envolve uma reação de troc a das bases, na qual a etanolamina (uma base primária) da fosfatidiletanolamina é trocada por serina livre (veja a Figura 17.6). Essa reação, embora reversível, é usada principalmente para produzir fosfatidilserina , necessária para a síntese de mem branas.

D. Fosfatidilinositol O fosfatidilinositol (abreviadamente, no inglês, PI) é sintetizado a partir de inositol livre e de CDP-diacilglicerol, como mostrado na Figura 17.5. O PI é um fosfolípideo especial, que contém freqüentemente ácido esteárico no carbono 1 e ácido araquidônico na posição 2 do glicerol. O PI, portanto, serve c omo um reservatório de ác id o araquidôn ic o na mem brana e,


Bioqu ímica Ilustrada

conseqüentemente, fornece o substrato para a síntese de prostaglandinas quando necessário (veja a pág. 211 para uma discussão acerca desses compostos). 1.

O papel do PI na transmissão de sinais através da membrana. A fosfori lação de fosfatidilinositol componente de membrana produz importantes fosfoinositídeos, como, por exemplo, o fosfatidi linositol 4,5bisfosfato (abreviadamente, PIP2 - veja a Figura 17.7). A degradação do PIP2 pela fosfolipase C ocorre em resposta à ligação de uma variedade de neurotransmissores, hormônios e fatores de crescimento em receptores da membrana (Figura 17.8). Os produtos dessa degradação são o inositol trisfosfato (IP3 ) e o diacilglicerol (DAG), que medeiam a mobilização do cálcio intracelular e a ativação da proteína-cinase C, respectivamente, os quais agem sinergicamente para evocar a resposta celular. Assim é efetuada, portanto, uma transmissão de sinais através da membrana.

203

o

" C·C>-CH 2

ç I

C·C>-CH

CH2 -®

O=T-~HI o- H H

HO

O OH H H

I

H

OH

O=P ·ol

oFosfatidilinositol 4,5-bisfosfato

Figura 17.7 A estrutura do fosfatidilinositol 4,5bisfosfato.

o

O hormônio liga-se a um receptor específico.

A fosfolipase Cativada hidrolisa fosfalidilinositol 4,5-bisfosfato, formando inositoltrisfosfato (IP3) e diacilglicerol.

A subunidade alfa da proteína G se dissocia e ativa a fosfolipase C.

Cálcio e diacilglicerol ativam a proteína- . cinase C.

Hormônio

Fosfo/ipase C

fJ

O receptor interage com a proteína G.

{') liga GTP.

lnositol 1 ,4,5trisfosfato (IP 3)

Proteínas fosforiladas

il

O IP3 liga-se a um receptor específico no retículo endoplasmático, promovendo liberação de Ca++ estocado.

EFEITOS INTRACELULARES

RETÍCULO

A protefna-cinase C catalisa a fosforilação de proteínas que medeiam a res posta celular ao horm ônio.

ENDOPLASM~~C~~~~~~~~~~~~~'

Figura 17.8 O papel do inositol trisfosfato na sinalização intracelular.


204

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

2.

ESPAÇO EXTRACELULAR

~

Proteína ancorada

I

O =C I

NH Etanolamina Etanolam ina -

®-

® I

Oligossacarideo

I

(GicNH2 ) I

o

~H?H

?H2-~H-CH2-®~H

9

9

OH

O papel do PI no ancoramento de proteínas à membrana. Proteínas específicas podem estar covalentemente ligadas ao PI de membrana por uma ponte de carboidrato (Figura 17 .9}. (Nota: Exemp los de tais proteínas incluem a fosfatase-alcalina [uma enzima digestiva que, na superfície do intestino delgado, degrada fosfatos orgânicos da dieta] e a acetilcolinesterase [uma enzima na membrana pós-sináptica, que degrada a acetilcolina]. As proteínas da superfície celular ligadas ao glicosilfosfatidilinositol [GPI] são também encontradas em uma variedade de protozoários parasitas [por exemplo, tripanossomos e leishmania].) Estarem associadas à membrana lipídica (em vez de serem partes integrais da membrana) permite que as proteínas ancoradas ao GPI tenham maior mobilidade lateral na superfície celular. As proteínas podem ser removidas de suas âncoras por ação da fosfolipase C (veja a Figura 17.8), liberando diacilglicerol. (Nota: Uma deficiência na síntese de GPI em células hematopoiéticas resulta em uma anemia hemolítica, denominada hemoglobinúria noturna paroxística.)

E. Fosfatidilglicerol e cardiolipina O fosfatidilglicerol está presente em quantidade relativamente grande nas membranas mitocondriais e é precursor da cardiolipina. Ele é sintetizado em duas reações a partir do CDP-diacilglicerol e do glicerol-3-fosfato. A cardiolipina (difosfatidilglicerol, veja a Figura 17.2} é composta de duas moléculas de ácido fosfatídico conectadas por uma molécula de glicerol. Ela é sintetizada pela transferência de diacilglicerolfosfato do CDP-diacilglicerol para uma molécula preexistente de fosfatidi lglicerol.

OH

O=C O =C

F.

Esfingomielina A esfingomielina, um fosfolipídeo derivado da esfingosina, é um importante lipídeo estrutural em membranas do tecido nervoso. A síntese de esfingomielina é mostrada na Figura 17. 1O. Resumidamente, uma molécula de palmitoii-CoA condensa-se com serina, liberando coenzima A e o grupo carboxila da serina (como C02 ) . (Nota: Essa reação, como as reações de descarboxilação envolvendo aminoácidos, requ er piridoxal fosfato [um derivado da vitamina 8 6] como coenzi ma [veja a pág. 376].) O produto da fusão é reduzido, em uma reação dependente de NADPH , à esfinganina, a qual é acilada no grupo amina por um ácido graxo entre uma variedade de ácidos graxos de cadeia longa e então é dessaturada (entre os carbonos 4 e 5} para produzir ceramida, um precursor imediato da esfingomielina. (Nota: A ceramida com um ácido graxo de 30 C é um importante componente da pele, regulando nesta a permeabilidade à água.) A fosforilcolina da fosfatidilcolina é transferida para a ceramida, produzindo esfingomielina e diacilglicerol. (Nota: A esfingomielina da bainha de mielina contém predominantemente ácidos graxos de cadeia mais longa, como o ácido lignocérico e o ácido nervônico, enquanto a esfingomielina da massa cinzenta encefálica contém primariamente ácido esteárico.)

As cadeias laterais lipofílicas do fosfatidilinositol são inseridas na membrana celular.

CITOPLASMA

Figura 17.9 Exemplo de uma proteína ancorada a um fosfatidilinositol glicano de membrana. GlcNH2 = glicosamina.

IV.

DEGRADAÇÃO DE FOSFOLIPÍDEOS

A degradação de fosfolipídeos é executada por fosfolipases encontradas em todos os tecidos e no suco pancreático (veja a discussão acerca da digestão de fosfolipídeos na pág. 173). Um grande número de toxinas e venenos tem atividade fosfolipásica, e várias bactérias patogênicas produzem fosfolipases que atacam as membranas celulares, o que permite espalhar a infecção. A esfingomielina é degradada pela esfingomielinase, uma fosfol ipase lisossomal.


Bioquímica Ilustrada

o 11

CH3 (CH 2) 14 -C - CoA Palmitoii-CoA

205

coo-

+

+ I H3N -y-H CH2 0H Seri na

o FAD ··-.,v.--CH3(CH2ln-C- CoA Acii-CoA graxo

FADH2

~~CoA

A. Degradação dos glicerofosfolipídeos As fosfolipases hidrolisam as ligações fosfodiéster dos glicerofosfolipídeos, com enzimas específicas para cada sítio dessas ligações. As principais enzimas responsáveis pela degradação dos fosfoglicerídeos são mostradas na Figura 17.11. (Nota: A remoção dos ácidos graxos das posições 1 ou 2 de um fosfog licerídeo produz um lisofosfoglicerídeo, que é substrato para as lisofosfolipases.) As fosfolipases liberam moléculas que podem ser mensageiros (por exemplo, DAG e IP3) ou que são substratos para a síntese de mensageiros (por exemplo, o ácido araquidônico) . (N ota: As fosfolipases são responsáveis não apenas pela degradação dos fosfol ipídeos, mas também pela "remodelação" destes. Por exemplo, as fosfolipases A 1 e A2 removem ácidos graxos específicos de fosfolipídeos da membrana, que podem ser substitu ídos por ácidos graxas alternativos por ação de acii-CoA-transferases. Esse mecanismo é usado para gerar o surfactante pulmonar, a dipalmitoilfosfosfatidilcolina [veja a pág. 202), e para assegurar que na posição 2 do fosfatidilinositol [e algumas vezes da fosfatidilcolina) esteja ligado o ácido araquidônico.) 8. Degradação d a esfingomielina

FOSFOLIPASE A 2 • A fos folipase A 2 está presente em muitos tecidos de mamíferos e no s uco pancreático. Também está presente no veneno de cobras e de abelhas.

Diacilglicerol

H H I

I

O

+

11

R - CH • CH -y-y ·CH20 -~- OCH2CH2N(CH3b

OHNH I

o-

~

C=O

Colina

I

(yH2ln CH3

Figura 17.10 Síntese da esfingomielina.

FOSFOLIPASE D • A fosfolipase D é encontrada prin- ,·· cipalmente em tecidos de plantas.

A, O

A2

~

I

R2-C O - Ct+

I

f~

f;' - 0

oc

o

... -~.

FOSFOLIPASE A 1

CH2- 0

Figura 17.11 Degradação de glicerofosfolipídeos por fosfolipases.

t

• A fosfol/pase A 1 está presente em muitos tecidos de mamíferos.

• A fosfolipase A2> agindo sobre o fosfatidilinos itol, libera ácido araquidônico (o precursor das prostaglandinas).

• A fosfolipase A 2 é inibida por gli cocorticóides (por exemplo, cortisol).

~ Fosfatidilcolina

Esfingomielina

A esf1ngomielina é degradada pela esfingomielinase, uma enzima lisossomai que remove por hid rólise a fosforilcolina, liberando a ceramida. A ceram ida é, por sua vez, clivada pela ceramidase em esfingosina e ácido

• Secreções pancreáticas são especialmente ricas na proenzima da fosfolipase A2> que é ativada por tripsina e requer sais biliares para sua atividade.

Ceramida

• A fosfolipase C é encontrada em lisossomos hepáticos e na a-toxina de clostridia e de outros bacilos. • A fosfolipase C associada à membrana . é atlvada pelo si stema PIP2 , exercendo assim uma função na produção de segundos mensageiros.

IL

I~

"


206

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

graxa livre (Figura 17.1 2). (Nota: A ceramida e a esfingosina liberadas na degradação da esfingomielina podem exercer papel como mensageiros intracelulares. As ceramidas parecem estar envolvidas na resposta ao estresse e a esfingosina na inibição da proteína-cinase C.) A doença de Niemann-Pick (tipos A e B) é uma doença autossômica recessiva causada pela incapacidade de degradar a esfingomielina. A enzima deficiente é a esfingomielinase, um tipo de fosfolipase C. Os depósitos lipídicos que se formam são principalmente de esfingomielina não-degradada (Figura 17. 13). Na forma infantil e grave da doença (tipo A), o fígado e o baço, que são os locais primários de depósito desses lipídeos, estão tremendamente aumentados. As crianças com essa doença apresentam uma neurodegeneração rápida e progressiva, como resu ltado da deposição da esfingomielina no SNC, e morrem nos primeiros anos de vida. A forma menos severa da doença (tipo B) causa menos danos ao tecido nervoso, mas afeta pulmões, fígado, baço e medula óssea, levando a uma forma crônica da doença, com uma baixa expectativa de vida, apenas até o início da vida adulta. Embora a doença de Niemann-Pick atinja a todos os grupos étnicos, ambos os tipos, A e B, ocorrem mais freqüentemente na população Ashkenazi* do que na população em geral. (Nota: Na população Ashkenazi , a incidência do tipo A é de 1:40.000 nascidos vivos e a do Tipo B é de 1:80.000. A incidência da doença na população em geral é de menos que 1:1 00.000.)

DOENÇA DE NIEMANN-PICK • Deficiência de esfingomielinase • Aumento do fígado e baço contendo muitos lipídeos • Grave retardo mental e neurodegeneração • Morte no início da infância

Esfingomielinase

..I. lO

. Ceramida

HI HI CH3(CH2),2·CH=CH-C-C-CH2-0

--+OHNH

Ceramidase

CH3(CH2Jn- C }

0

11

+

P·OCH2CH2 N(CH3b

~ Fosforilcolina

.

Acido graxo

Figura 17.1 2 Degradação da esfingomielina.

v.

VISÃO GERAL DOS GLICOLIPÍDEOS

Os glicolipídeos são moléculas que contêm carboidratos e lipídeos em sua composição. Como a esfingomielina, quase todos os glicol ipídeos são derivados das ceramidas, nas quais um ácido graxa de cadeia longa está ligado ao aminoálcool esfingosina. Eles são, portanto, mais precisamente chamados de glicoesfingolipídeos. (Nota: As ceram idas, portanto, são precursoras de ambos esfingolipídeos, fosforilados e glicosilados.) Como os fosfolipídeos, os glicoesfingolipídeos são componentes fundamentais de todas as membranas do co rpo, mas são encontrados em maiores quantidades no tecido nervoso. Eles são localizados no folheto externo da membrana plasmática, onde podem interagir com o meio extracelular. Sendo assim, eles exercem um papel na regulação das interações celulares, do crescimento e do desenvolvimento. Os glicoesfingolipídeos são antigên icos e têm sido identificados como fontes de antígenos de grupos sangüíneos, vários antígenos de estágios específicos do desenvolvimento fetal e alguns antígenos tumorais. (Nota: A porção glicosídica do glicol ipídeo é o determinante antigênico.) Eles também servem como receptores na superfície celular para as toxinas colérica e tetânica, bem como para determinados vírus e micróbios. Quando as células são transformadas (isto é, quando elas perdem o controle da divisão e do crescimento celular), há uma mudança dramática na composição dos glicoesfingolipídeos de membrana. Desordens genéticas associadas com uma incapacidade para degradar adequadamente os glicoesfingolipídeos resu ltam no acúmulo intracelular desses compostos.

VI.

Figura 17.13 O acúmulo de lipídeos em células do baço de um paciente com a doença de Niemann-Pick.

A ESTRUTURA DOS GLICOESFINGOLIPÍDEOS

Os glicoesfingolipídeos diferem da esfingomielina por não conterem fosfato e pela função da cabeça polar ser exercida por um monossacarídeo ou um oligossacarídeo ligado diretamente à ceramida por uma ligação 0-glicosídica (Figura

'

N. de T. Ashkenazi: judeus descendentes de alemães ou europeus do leste.


Bioquímica Ilustrada

17.14). O número e o tipo de carboidratos ajudam a determinar o tipo de glicoesfingolipídeo.

A. Glicoesfingolipídeos neutros Os mais simples glicoesfingolipídeos neutros (isto é, sem carga elétrica) são os cerebrosídeos. Eles são ceramidas monossacarídicas, que contêm uma molécula de galactose (galactocerebrosídeo, o mais comum cerebrosídeo encontrado em membranas, veja a Figura 17.14) ou glicose (glicocerebrosídeo, que serve primariamente como um intermediário na síntese e na degradação de glicoesfingolipídeos mais complexos). (Nota: Os membros de um grupo de galactocerebrosídeos [ou também de glicocerebrosídeos] também podem diferir entre si pelo tipo de ácido graxo ligado à esfingosina.) Como está indicado no nome, os cerebrosídeos são principalmente encontrados no sistema nervoso central e periférico, com altas concentrações na bainha de mielina. As ceramidas oligossacarídicas (globosídeos) são produzidas pela ligação de monossacarídeos adicionais (incluindo GaiNAc) a um glicocerebrosídeo. Exemplos desses compostos incluem: Cerebrosídeo (glicocerebrosídeo):

Cer-Gic

Globosídeo (lactosilceramida):

Cer-Gic-Gal

Ceramida (cauda hidrofóbica)

Figura 17.14 Estrutura de um glicoesfingolipídeo neutro, o galactocerebrosídeo.

Globosídeo (antígeno de Forssman): Cer-Gic-Gai-Gai-GaiNAc-GaiNAc (Cer = ceramida, Glc = glicose, Gal galactosamina)

= galactose,

GaiNAc

= N-acetilCERAMIDA

B. Glicoesfingolipídeos ácidos Os glicoesfingolipídeos ácidos são ca rregados negativamente em pH fisiológico. A carga negativa é devida à presença de ácido N-acetilneuramínico (NANA, Figura 17.15) nos gangliosídeos ou de grupos sulfato nos sulfatídeos. (Nota: O NANA é também referido como ácido siálico.)

1.

2.

VIl.

Gangliosídeos. Esses são os glicoesfingolipídeos mais complexos e foram encontrados inicial mente nos terminais das células ganglionares do sistema nervoso, em especial em terminais nervosos. Eles são derivados de ceram idas oligossacarídicas e contêm uma ou mais moléculas de NANA. A nomenclatura para esses compostos é G (de gangliosídeo), seguido das letras M, O, T ou Q subscritas, indicando uma, duas, três ou quatro moléculas de NANA no gangliosídeo, respectivamente. Números ou letras adicionais subscritos indicam a seqüência de carboidratos ligados à ceramida. (Veja a estrutura do GM2 na Figura 17.15.) Os gangliosídeos são de interesse para a área médica, pois várias doenças de depósitos lipídicos envolvem acúmulo de glicoesfingolipídeos contendo NANA (veja a Figura 17.20, pág. 21O). Sulfatídeos. Sulfoglicoesfingolipídeos (sulfatídeos) são cerebrosídeos que contêm resíduos de galactosil sulfatados e, portanto, são negativamente ca rregados em pH fisiológico. Sulfatídeos são encontrados abundantemente nos tecidos nervoso e renal.

SÍNTESE E DEGRADAÇÃO DOS GLICOESFINGOLIPÍDEOS

A síntese dos glicoesfingol ip ídeos ocorre no retículo endoplasmático e no Golgi, pela adição seqüencial de monômeros glicosil do nucleotídeo doador

N-Acetilgalactosamina

CH 11

CH I

C H- OH I O=C- HN- CH

I

H

~~~H2

NH I C=O

~

O H

CH 2 0H~

tg H

H O H

OH

Glicose

H '

H

OH

Galactose

OH

H

Ácido N-acetilneuramínlco (NANA)

Figura 17.15 Estrutura do gangliosídeo GM2 •

207


208

o

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

N:CNH2

ligado ao carboidrato para a molécula aceptora. O mecanismo é similar ao utilizado na síntese de glicoproteínas (veja a pág. 164).

N INJ

A. As enzimas envolvidas na síntese

<

o

~N

~~~

-o -s.-0 - P- O-CH2 O

o

As enzimas envolvidas na síntese de glicoesfingolipídeos são glicosil-transferases, específicas para cada nucleotídeo-carboidrato (doador) e molécula aceptora. (Nota: Essas enzimas reconhecem ambos, glicoesfingolipídeos e glicoproteínas, como substratos.)

I

o-

o

OH

I

- o - P=O

oI

B. Adição de grupos sulfato

Figura 17.16 Estrutura do 3'-fosfoadenosina-5'fosfossulfato (PAPS).

O grupo sulfato do carregador de sulfato, o 3'-fosfoadenosina-5'-fosfossulfato (PAPS, Figura 17.16), é adicionado pela sulfotransferase ao grupo 3'-hidroxila da galactose nos galactoce rebros ídeos. O galactocerebrosídeo-3-sulfato é o principal sulfatídeo no sistema nervoso (Figura 17.17). (Nota: O PAPS é também um doador de sulfato na síntese de glicosaminoglicanos (veja a pág. 160] e no catabolismo de hormônios esteróides [veja a pág. 238].) Uma visão geral da síntese de esfingolipídeos é mostrada na Figura 17.18.

C. A degradação de glicoesfingolipídeos Os glicoesfingolipídeos são internalizados por endocitose, como descrito para os glicosaminoglicanos. Todas as enzimas requeridas para o processo de degradação estão presentes nos lisossomos, os quais se fundem com as vesículas endocíticas. As enzimas lisossomais cl ivam hidroliticamente e irreversivelmente ligações específicas nos glicoesfingolipídeos. Como vimos para os glicosaminoglicanos (veja a pág. 161) e pa ra as glicoproteínas (veja a pág. 168), a degradação é um processo seqüencial, de acordo com a regra "último a entrar, primeiro a sai r'', em que o último grupo adicionado durante a síntese é o primeiro a ser removido durante a degradação.

D. Esfingolipidoses Em um indivíduo normal, a síntese e a degradação de esfingolipídeos está em equilíbrio, tanto que a quantidade desses compostos presente na membrana é constante. Se uma determinada hidrolase, necessária ao processo de degradação, é perdida parcial ou totalmente, o esfingolipídeo seu substrato acumula nos lisossomos. As doenças de depósito lip ídico causadas por essas deficiências são denominadas esfingolipidoses. O resultado da deficiência de uma determinada hidrolase pode ser observado dramaticamente no tecido nervoso, onde a deterioração neu rológica pode levar à morte. (Nota: A renovação de gangliosídeos no SNC é expressiva durante o desenvolvimento neonatal.) (Veja a Figura 17.20 para visualizar as linhas gerais das rotas de degradação dos esfingolipídeos e a descrição de algumas esfingolipidoses.)

CERAMIDA

CH 11

CH I

CH-OH O =C- HN- CH

I CH2 I

~} H

Galactose

OH

Figura 17.17 Estrutura do galactocerebrosídeo-3sulfato.

1.

Propriedades comuns. Uma hidrolase lisossomal específica está deficiente em cada uma dessas doenças. Portanto, em geral apenas um único esfingolipídeo (o substrato para a enzima deficiente) acumula nos órgãos envolvidos em cada doença. (Nota: Comumente, a taxa de biossíntese do lipídeo acumulado é normal.) As doenças são progressivas e, embora sejam fatais na infância, uma enorme variedade fenotípica tem sido observada, levando à classificação de diferentes tipos clínicos, tais como A e B na doença de Niemann-Pick. A variabilidade genética


Bioquímica Ilustrada

209

Ceramida UDP-galactose Globosídeo UDP Esfingomielina

~MP-NANA

UDP

Galactocerebrosideo

~CMP

~ PAPS Sulfatideo

Glicocerebrosídeo

Gangliosideo

Figura 17.1 8 Visão geral da síntese de esfingolipídeos.

é observada também porque uma determinada desordem pode ser causada por uma variedade de mutações em um único gene. As esfingolipidoses são doenças autossômicas recessivas, exceto na doença de Fabry, que é ligada ao cromossoma X. A incidência de esfingolipidoses é baixa na maioria das populações, exceto para as doenças de Gaucher e de Tay-Sachs, as quais, como a doença de Niemann-Pick, apresentam uma alta incidência na população Ashkenazi. 2.

VIII.

Diagnóstico e tratamento . Uma determinada esfingolipidose pode ser diagnosticada pela medida da atividade enzimática específica em cultura de fibroblastos ou leucócitos periféricos ou por análise do DNA (veja o Capítulo 32, pág. 445). O exame histológico do tecido afetado é também útil. (Nota: Corpos citoplasmáticos em forma de concha são vistos na doença de Tay-Sachs e um aspecto de papel amassado é observado no citoplasma na doença de Gaucher [Figura 17. 19).) O diagnóstico pré-natal, usando cultura de amniócitos ou vi losidades coriônicas, também está disponível. O esfingolipídeo que se acumula nos lisossomos em cada doença é a estrutura que não pode ser adicionalmente degradada, em função da deficiência de uma enzima específica. A doença de Gaucher, na qual os macrófagos se tornam ingurgitados com glicocerebrosídeos, e a doença de Fabry, na qual os globosídeos se acumulam nos lisossomos das células do endotélio vascular no sistema nervoso central, coração, rins e pele, têm sido tratadas com êxito por terapia de reposição com enzimas humanas recombinantes, mas o custo é extremamente alto. A doença de Gaucher também é tratada por transplante da medula óssea (porque os macrófagos são derivados de células-tronco hematopoiéticas).

O aspecto de "papel enrugado" do citoplasma das células de Gaucher é causado por lisossomos maiores e al ongados, cheios de glicocerebrosídeos.

PROSTAGLANDINAS E COMPOSTOS RELACIONADOS

As p rostaglandinas (PGs ) e os compostos relacionados tromboxanos (TXs) e leucotrienos (LTs) são coletivamente conhecidos como eicosanóides , refletindo sua origem a partir de ácidos graxos poliinsaturados com 20 carbonos. São compostos extremamente potentes, que provocam uma ampla faixa de respostas fisiológicas e patológicas. Embora tenham sido

Figura 17.19 Células da medula óssea aspiradas de paciente com a doença de Gaucher.


21 O

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

~ Gai-GaiNac

~àai~Gic~Cer} /a

(GM1 )

--------------------~ GANGLIOSIDOSE GM1

NANA

• Acúmulo de gangliosídeos (GM 1 ) e de queratan sulfato • Deterioração neurológica • Hepatoesplenomegalla • Deformidades esqueléticas • Manchas vermel ho-cereja

DOENÇA DETAY-SACHS

t

• Acúmulo de gangliosídeos (GM 2) • Neurodegeneração rápida e progressiva • Cegueira • Manchas vermelho-cereja

Galactosidase

Gal i GaiNAc

G~-Gio-C"}

(GM,) ~

NANA

DOENÇA DE GAUCHER

.

(J.

~

~

GaiNAc-Gai-Gai-Gic-Cer

(Giobosídeo)

tH~"'mlnkl"oA

GaiNAci.

• Acúmulo de glicocerebrosídeos • Mais comum d as doenças de depósito lisossomal • Hepatoesplenomegalia • O steoporose d os ossos longos • E nvolvimento do SNC nas raras formas infantil e juveni l

• Acúmulo de GM2 e de globosídeos • Sinais neurológicos similares à Doença de Tay-Sachs, mas também com comprometimento visceral ·

NANA·G•I-Gio-C" } (GM,)

DOENÇA DE FABRY • Acúmulo de globosídeos • Exantema ver melho-púrpura • Insuficiência renal e cardíaca • Dor em queimação nos membros infer iores

LEUCODISTROFIA METACROMÁTI CA • Acúmulo de sulfatídeos • Deterioração cognitiva • Desmielinização

• Paralisia progressiva • Demência no adulto • Fibras nervosas coradas com violeta de c resil apresentam cor marrom-amarelada (metacromasia)

DOENÇA DE NIEMANN-PICK • Acúmulo d e esfingomielina • Hepatoesplenomegalia • Progressão neurodegenerativa (tipo A)

~-Giicoceramidase

Glc

S03 H-Gai-Cer (Sulfatídeo)

I

SOaH2

~ -Galactosidase Gal

J' ) Gai-Cer

Arilsulfatase A

I

P-Colina

J' ) Ceramida (

Acúmulo de galactocerebrosídeos Deterioração mental e m otora Cegueira e surdez Desmielinização quase completa Corpos globóides (macrófagos ingurgitados de glicolipídeos) na substância branca cerebral

I

Fosforilcolina-Cer (Esfingomielína)

DOENÇA DE FARBER

DOENÇA DE KRABBE (LEUCODISTROFIA CELULAR GLOBÓIDE) • • • • •

'\,

Esfingomielinase

Ácido graxo Esfingosina

• Acúmulo de ceramida • Dor e deformidade progressiva das articulações • Nódulos subcutâneos (cél ulas cheias de lipídeos) • Choro rouco

• Granulomas nos tecidos

Figura 17.20 Degradação de esfingolipídeos, mostrando as enzimas deficientes em doenças genéticas relacionadas, as esfingolipidoses. Todas elas são autossômicas recessivas (exceto a doença de Fabry, que é ligada ao cromossoma X) e podem ser fatais na infância (Cer = ceramida).


211

Bioquímica Ilustrada

comparados com hormônios em termos de suas ações, os eicosanóides diferem dos hormônios verdadeiros porque são produzidos em quantidades muito pequenas por quase todos os tecidos, em vez de serem produzidos por um determinado tecido ou uma glândula especial izada. Eles também atuam mais localmente, e não em alvos distantes, atingidos por meio da corrente ci rculatória, como fazem os hormônios, como a insulina. Os eicosanóides não são armazenados e têm uma meia-vida extremamente curta, sendo rapidamente metabolizados a compostos inativos no seu local de síntese. Suas ações biológicas são mediadas por receptores nas membranas plasmática e nuclear, que variam nos diferentes tecidos. Exemplos de prostag landinas e compostos relacionados são mostrados na Figura 17.21 .

~cooHo•'

~

OH PGE2

QH

~coo~

Ho,,,,..

OH

A. Síntese de prostaglandinas e tromboxanos O precursor na dieta das prostaglandinas é um ácido graxo essencial, o ácido linoléico, que tem duas ligações duplas (Figura 17.22). Ele é elongado e dessaturado, resultando em ácido araquidônico, o precursor imediato da classe predominante de prostaglandinas em humanos. (Nota: O ácido araquidônico é liberado a partir de fosfolipídeos da membrana por ação da fosfolipase A 2 em resposta a uma variedade de sinais [Figura 17.23].) 1.

Síntese da PGH 2 • O primeiro passo na síntese das prostaglandinas é a ciclização oxidativa do ácido araquidônico pela prostaglandina-endoperóxido-sintase, resultando em PGH 2 . Essa enzima microssomal tem duas atividades catalíticas : a ácido graxo-cic/oxigenase (COX), que requer duas moléculas de 0 2 , e a peroxidase, que é dependente de glutationa reduzida (veja a pág.146). A PGH2 é convertida em diversas prostaglandin as e tromboxanos por uma va riedade de sintases específicas de cada tipo celular, como mostra a Figura 17.23. a.

2.

'

lsoenzimas da prostaglandina-endoperóxido-sintase . Duas isoenzimas, comumente referidas como COX-1 e COX-2 da sintase são conhecidas. A COX-1 existe constitutivamente na maioria dos tecidos e é necessária para a manutenção da atividade gástrica, re nal e de agregação plaquetária. A COX-2 é induzível em um limitado número de tecidos em resposta a produtos da ativação de células inflamatórias e do sistema imunológico. (Nota: O aumento da síntese de prostaglandinas, subseqüente à indução de COX-2, medeia a dor, o calor, o rubor e o edema da inflamação e a resposta febril.)

Inibição da síntese de prostaglandinas. A síntese de prostaglandinas pode ser inibida por uma série de compostos não-relacionados. Por exemplo, o cortisol (um esteróide antiinflamatório) inibe a atividade da fosfolipase A 2 (veja a Figura 17.23) e, portanto, o precursor das prostaglandinas, o ácido araquidônico, não é liberado. O cortisol também inibe a síntese de COX-2, mas não de COX- 1. Aspirina®, indometacina e fenilbutazona (agentes antiinflamatórios não-esteroidais, AINEs) inibem a atividade de ambas, COX-1 e COX-2 e, portanto, impedem a síntese de PGH2 . (Nota: A inibição sistêmica de COX-1, com subseqüente dano às funções gástrica e renal e prejuízo da coagu lação, é a base da toxicidade da Aspirina®.) Inibidores específicos da COX-2 (por 1 exemplo, o celecoxibe ) são planejados para reduzir o processo inflamatório patológico, mantendo as funções fisiológicas da COX- 1.

Veja o Capitulo 43 de Farmacologia Ilustrada (3" edição) e o Capitulo 39 (2" edição) para uma discussão acerca de drogas antiinflamatórias.

-ooc~ o \

l

OH

COOH

Figura 17.21 Exemplos de estruturas de prostaglandinas. As prostaglandinas são denominadas pela sigla PG seguida por uma terceira letra (por exemplo, A, D, E, F) , que designa o tipo e o arranjo dos grupos funcionais na molécula. A PGI 2 é conhecida como prostaciclina. O número subscrito indica o número de ligações duplas na molécula. Tromboxanos são designados por TX e leucotrienos por LT.


212

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

8. Síntese de leucotrienos O ácido araquidônico é conve rti do em uma va riedade de hidroperoxiácidos lineares por uma rota separada, envolvendo uma família de lipoxigenases. Por exemplo, os neutrófilos con têm uma 5-/ipoxigenase, que converte o ácido araquidônico em ácido 5-hidroperoxi-6,8, 11 ,14 eicosatetraenóico (5-HPET E; veja a Figura 17.23). O 5-HPETE é convertido em uma série de leucotrienos, cuja natureza varia de acordo com os tec idos. As lipoxigenases não são afetadas pelos AINEs. Os leucotrienos são mediadores da resposta alérgica e inflamatória. (Nota: Os inibidores da 5-/ipoxigenase e os antagonistas de receptores para leucotrienos são 2 usados no tratamento da asma. )

Ácido linoléico da dieta 18:2 (9, 12)

Elongaçãol Oessaturação

C. O papel das prostaglandinas na homeostase plaquetá ria Além do papel mediador da resposta inflamatória, da febre, das respostas alérgicas, de assegurar a integridade gástrica e o funcionamento renal, os eicosanóides estão envolvidos na mediação de uma diversidade de outras atividades, incluindo funções no sistema ne rvoso, no ovário, no útero, no metabolismo ósseo, na regulação da musculatura lisa e na homeostase das plaquetas. O tromboxano A 2 (TXA2 ) é produzido por plaquetas ativadas. Ele promove a aderência e a agregação das plaquetas ci rcu lantes e a contração da musculatura lisa vascular, promovendo, portanto, a formação de coágulos sangüíneos (trombos). A prostaciclina (PGI2 ), produzida pelo endotélio vascular, inibe a agregação plaquetária e estimula a vasod ilatação, impedindo, assim, a trombogênese. Esses efeitos opostos de TXA2 e PGI 2 limitam a formação de trombos no local de injúria vascular. (Nota: A Asp irina® tem um efeito antitrombogênico. Ela inibe a formação de TXA 2 a partir do ácido araquidônico por uma acetilação e por inibição irrevers ível da COX-1 [Figura 17.24]. Essa inibição irreversível da COX-1 não pode ser superada por plaquetas anucleadas, mas pode ser superada por células endote liais, porq ue estas têm núcleo e podem gerar mais enzima. Essa diferença é a base da terapia com baixa dose de Aspirina® para reduzir o risco de isquemia ce rebral e cardíaca por decrescer a formação de trombos.)

Ácido araquidônico 20:4 (5,8,11,14)

Cictoxigenas~

r-

2 02

(COX)~

o..,~

ll,f'/~""y/''\

~coo-

o•'"/

6oH PGG2

o.,.,,

F

o ,,,,,,

,;

Peroxidase

2G-SH GS-SG

~ao-

IX. RESUMO DO CAPÍTULO

OH

PGH 2

Figura 17.22 Oxidação e ciclização do ácido araquidônico pelas duas atividades catalíticas da prostaglandinaendoperóxido-sintetase. G-SH = glutationa reduzida; GS-SG = glutationa oxidada.

Os fosfolipídeos são compostos polares, iônicos, compostos de um álcool (por exemplo, colina ou etanolamina) ligado por uma ponte diéster tanto ao diacilgl icerol (produzindo fosfatidilcolina ou fosfatidiletanolamina) ou à esfingosina. O álcool aminado esfingosina ligado a um longo ácido graxa produz uma ceramida. A adição de uma fosforilcolina produz o fosfolípideo esfingomielina, que é o único esfingolipídeo a ocorrer em quantidades significativas em humanos. Os fosfolip ídeos são os lipídeos predominantes nas membranas celulares. Os fosfolipídeos não-ligados às membranas servem como componentes do surfactante pulmonar e do suco biliar. O dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC, também chamado de dipalmitoil-lecitina) é o principal componente lipídico do surfactante pulmonar. A produção insuficiente de surfactante pulmonar causa a síndrome da angústia respiratória. O

2

Veja o Capítulo 26 de Farmacologia Ilustrada (3• edição) e o Capitulo 22 (2' edição) para uma discussão acerca do tratamento da asma.


Bioquímica Ilustrada

213

Fosfolípideo (componente da membrana celular)

Corticosteróides

111 111111111111111:>-

O

l

Fosfolipase A

t~

(por exemplo, cortisol)

2

lisofosfolipídeo

Ácido Araquidônico

::-,----- - - - ------...1 I

I

5-Lipoxigenase

Cicloxigenase 1 ( COX-1 constitutiva)

Cicloxigenase 2 ( COX-2 induzível)

[

Citocinas, endotoxina,

O fatores de crescimento,

Ácido 5-HPETE Ácido 5-Hidroxiperoxieicosatetraenóico

o

~ LTA4 (Leucotrieno A 4 )

o

~;

• Produzido em leucócitos, plaquetas, mastócitos e tecidos vasculares cardíacos e pulmonares

Corticosteróides Inibidores seletivos para COX-2 (por exemplo, celecoxibe, rofecoxibe)

PGG2 -<~.;r-------------'

t

Peroxidase, GSH

PGH2

,• l

TXA 2 (Tromboxano A 2)

L

1

"

Note os

LTC4 -; LTD4 -; LTE4 • Contração do músculo liso • Bronquioconstrição • Vasoconstrição • Permeabilidade vascular aumentada • Componentes da substãncia de reação lenta da anafilaxia (SRS-A)

promotores de tumor

Aspirina® (Inibidor irreversível) lndometacina Fenilbutazona (inibidores reversíveis)

:: i.·

efeitos

• Produzido principalmente por plaquetas Promoção da agregação plaquetária • Vasoconstrição .:.c • Mobilização de cálcio intracelular ;~_;_· • Contração do músculo liso , ,,

...,_-.:"" - --'·

'-...,..,..,...,.,....,.,..,..,,.....~..,..,....,....,'""""'= ,~~,c::·

PGI2 (Prostaciclina) • Produzida princ ipalmente pelo endotélio vascular • Vasodilatação • Inibição da agregação plaquetária

L TB 4 (Leucotrieno 8 4) • Aumento da quimiotaxia dos leucócitos polimorfonucleares • Liberação de enzimas lisossômicas • Adesão dos leucócitos

,.

PGF2a; (Prostaglandina F2a;J • Produzida pela maiori a dos tecidos • Vasoconstrição • Contração do músculo liso • Estimu lação de contrações uterinas

PGE2 (Prostaglandina E2) • Produzida pel a maiori a dos tecidos, especi almente o rim • Vasodilatação • Relaxamento do músculo liso • Usada para induzir o trabalho de parto

Figura 17.23 Uma visão geral da biossíntese e da função de algumas prostaglandinas, leucotrienos e tromboxanos importantes, derivados do ácido araquidônico.


214

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

Cicloxigenase 1 de plaquetas

~)( 6:"

Cicloxig~nas·:-----... 1 acetilada

·-...

··..

Ácido salicílico

~-- ----------... Polipeptídeo ~

/ ·

H

,;~gooo~ 1

~

N CH - C - N - CH I

11

CH2 O

" o, c_.cH3 11

o

Figura 17.24 Acetilação da cicloxigenase 1 pela

AspirinéiS>.

fosfatidilinositol (PI) serve como um reservatório de ácido araquidônico nas membranas. A fosforilação de PI na membrana leva à formação de fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato (PIP2). Esse composto é hidrol isado pela fosfolipase C em resposta à ativação de uma variedade de receptores de neurotransmissores, hormônios e fatores de crescimento. Os produtos de sua hidrólise, inositol-1 ,4,5-trisfosfosfato (IP 3) e diacilglicerol medeiam a mobilização do cálcio intracelular e a ativação da proteína-cinase C, os quais agem sinergicamente para provocar respostas celulares. Determinadas proteínas podem ser ligadas covalentemente em componentes GPI (glicosilfosfatidilinositol) da membrana, via uma ponte de carboidrato. A deficiência da síntese de GPI em células hematopoiéticas resu lta em uma anemia hemolítica, denominada hemoglobinúria noturna paroxística. A degradação de fosfoglicerídeos é executada por fosfolipases encontradas em todos os tecidos e no suco pancreático. A esfingomielina é degradada em ceramida e fosforilcolina pela esfingomielinase, uma enzima lisossomal. A deficiência de esfingomielinase causa a doença de Niemann-Pick. Quase todos os glicolipídeos são derivados de ceramidas, nas quais foram ligados carboidratos (glicoesfingolipídeos). A adição de um monossacarídeo à ceramida resulta em um cerebrosídeo. Se um oligossacarídeo é adicionado, temos um globosídeo. Se um ácido N-acetilneuramínico é adicionado, resulta em um gangliosídeo. Os glicolipídeos são encontrados predominantemente nas membranas celulares do tecido nervoso central e periférico, sendo abundante na bainha de mielina. Eles são muito antigênicos. Os glicolipídeos são degradados nos lisossomos, por hidrolases lisossomais. A deficiência de uma dessas enzimas produz uma esfingolipidose, caracterizada pelo acúmulo de um determinado tipo de esfingolídeo. As prostaglandinas (PGs), os tromboxanos (TXs) e os leucotrienos (LTs) são p roduzidos em quantidades muito pequenas por quase todos os tecidos e atuam localmente. Eles têm uma meia-vida extremamente curta. O precursor dos eicosanóides na dieta é um ácido graxo essencial, o ácido linoléico. Ele é elongado e dessaturado, dando ácido araquidônico - o precursor imediato das prostaglandinas -, o qual é armazenado na membrana celular como um componente de fosfolipídeos, mais comumente o PI. O ácido araquidônico é liberado de um fosfolípideo por ação da fosfolipase A2. A síntese de prostaglandinas e tromboxanos começa com a ciclização oxidativa do ácido araquidônico livre, resultando em PGH2 , pela enzima prostaglandina-endoperóxido-sintase - uma proteína microssomal que tem duas atividades catalíticas: ácido graxo cicloxigenase (COX) e peroxidase. Há duas isoenzimas da sintase: COX-1 e COX-2. Os leucotrienos são produzidos pela rota da lipoxigenase.


Bioquímica Ilustrada

Estrutura dos fosfolipídeos

Degradação dos fosfolipídeos consiste em

classificados como

t

f [

l

Glicerofosfolipídeos

I

J

Esfingomielina

consiste em

consiste em

t

t

Esqueleto de glicero l

l

J

Esqueleto de esfingosina

ligado a

t

l

I

J

J

)

(

Dois ácidos graxos

I l

Fosfolipases

'

Esfingomielinase

'

produzindo

deficiência leva

t

t • Glicerol • Ácidos graxas • Fosfato • Álcool

Fosfato

)

I

cata/is;da por

t

I

LUm álcool J I • Colina I Fosfato

Degradação de esfingomielinas

catalisada por

t

I(

J

de g licerofosfolipideos

ligado a

Um á lcool • Serina • Etanolamina •Colina •lnositol

t Degradação

a

Doença de Niemann-Pick caracterizada por

t

Um ácido graxo

• Acúmulo de lipídeos no fígado e no baço • Neurodegeneração

Giicerol

Estrutura de glicoesfingolipídeos

Degradação de glicoesfingolipídeos

I

classificados como I

t Glicoesfingolipídeos neutros

t Glicoesfingolipídeos ácidos

consistem em

t Ceramida (esfingosina + um ácido graxo)

Glicoesfingolipídeos

consistem em

I I

liga:aa

t Ceramida (esfingoslna + um ácido graxo)

I

Um ou mais resíduos de carboidrato

t t

j

liga:aa

Esfingosina, S04, carboidratos, colina

l

Deficiências J enzimáticas herdadas J

Um ou mais resíduos d e carboidrato , mais ácido N-acetilneuramínico (em gangliosídeos) ou um grupo s ulfato ou uma galactose (em sulfatídeos)

Esfingolipidoses

levam a

• Doença de Tay-Sachs • Doença de Gaucher • l eucodistrofia metacromát ica • Doença de Krabbe • Gangliosidose GM1 • Doença de Sandhoff • Doença de Fabry • Doença d e Farber

Síntese de prostaglandinas

IÁcido a~aquidõnico ] é precursor de

t [

Le ucotrienos

I

l

i

[

Prostaglandinas Tromboxanos

5-Lipoxigenase

t

5-HPETE

f

LTC 4 LTB4 -+- LTD4 -+- LTA4 LTE 4

l

-

"'\

Cicloxigenase 1 (COX -1, constitutiva)

A spirina® (inibido r irreversível) lndometacina Fenilbutazona (inibidores reversíveis)

10 PGG2

..;'

....

f PGG2

Figura 17.25 Mapa de conceitos-chave para os lipídeos complexos.

Cicloxigenase 2 (COX-2, induzfvel)

~

o o

Citocinas, endotoxina, fatores de crescimento, promotores de tumor Corticoesteróides Inibidores seletivos para COX-2 (por exemplo, celecoxibe, rofecoxibe

PGH2 _ . TXA2-+- PGI2 _ . PGF2cx--* PGE2

215


216

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

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta.

17.1 Auto-anticorpos contra um lipídeo em membranas de plaquetas são produzidos em uma doença, o lúpus eritematoso sistêmico. Qual dos seguintes lipídeos de membrana mais provavelmente está envolvido? A B. C. D. E.

Cardiolipina Ceramida Dipalmitoilfosfatidilcolina Fator ativador de plaquetas Esfingomielina

17.2 Um neonato, nascido durante a 2a• semana de gestação, apresentou evidências de dificuldade respiratória. Exames laboratoriais e raio X sustentaram o diagnóstico de síndrome de angústia respiratória (SAR). Qual das seguintes afirmações sobre essa síndrome é verdadeira? A Ela não está relacionada ao nascimento prematuro. B. Ela é conseqüência do baixo número de p neumócitos tipo 11. C. A razão UE no líquido amniótico é provavelmente maior do que 2. D. A concentração de dipalmitoilfosfatidilcolina no líquido amniótico deve ser menor do que em um neonato a termo. E. A SAR é um distúrbio facilmente tratável, com baixa mortalidade.

17.3 O caso de uma mulher de 25 anos, com uma história que incluía hepatoesplenomegalia, remoção do baço, dores nos ossos e articulações e diversas fratu ras no fêmur, e com uma biópsia hepática mostrando células com aspecto enrugado e acúmulo de glicosilceramidas foi apresentado para discussão. O provável diagnóstico dessa paciente é:

A. Doença de Fabry. B. C. D. E.

Doença de Farber. Doença de Gaucher. Doença de Krabbe. Doença de Niemann-Pick.

Resposta correta = A. A cardiolipina é o único glicerofosfolipídeo humano com propriedade antigénica conhecida. As ceramidas são precursoras de fosfolipídeos e glicolipídeos, mas não são elas próprias encontradas nas membranas. A dipalmitoilfosfatidilcolina é um componente do surfactante pulmonar, não de membranas. O fator ativador de plaquetas não é um lipídeo da membrana, embora se ligue a receptores de membrana, desencadeando, por exemplo, um potente processo trombótico e inflamatório, que leva à agregação plaquetária e liberação do conteúdo de seus grânulos. A esfingomielina não é antigénica e é encontrada principalmente na mielina.

=

Resposta correta D. A dipalmitoilfosfatidilcolina (ou dipalmitoil-lecitina) é o principal componente do surfactante pulmonar encontrado nos neonatos a termo e saudáveis. A SAR pode ocorrer em pulmões que produzem pouco desse composto. Se a razão U E é maior do que 2 no líquido amniótico, os pulmões devem ser suficientemente maduros na produção do surfactante. Em contraste, uma razão UE menor é observada em pulmões imaturos. A SAR não seria devida ao baixo número de pneumócitos tipo 11, mas sim ao fato de esses estarem produzindo esfingomielina em vez de dipalmitoilfosfatidilcolina.

Resposta correta = C. A forma adulta da doença de Gaucher causa hepatoesplenomegalia e osteoporose dos ossos longos e é caracterizada por um aspecto enrugado do citoplasma das células. A doença é uma esfingolipidose que acumula glicosilceramidas. A enzima deficiente é a 1}-glicoceramidase.


Colesterol e Metabolismo dos Esteróides I.

VISÃO GERAL

O colesterol é o esteróide característico dos tecidos animais e desempenha várias funções essenciais no organismo. Por exemplo, o colesterol é componente de todas as membranas celulares, modulando sua fluidez e, em tecidos especializados, é o precursor de ácidos biliares, hormônios esteróides e da vitamina D. Portanto, é muito importante para o organismo manter um suprimento contínuo de colesterol. Um complexo sistema de transporte, biossíntese e mecanismos regulatórios está envolvido no atendimento dessa necessidade. O fígado desempenha um papel central na regu lação da homeostasia do co lesterol. Por exemplo, o colesterol entra no conjunto hepático de moléculas de colesterol a partir de várias fontes, que incluem a dieta, a síntese pelos tecidos extra-hepáticos e a síntese local. O col esterol é eliminado a partir do fígado pela bile, sem sofrer modificações, ou é convertido em sais biliares, sendo a bile secretada no lúmen intestinal. O colesterol pode também ser enviado para os tecidos periféricos como componente das lipoproteínas plasmáticas. Em humanos, o balanço entre o influxo e o efluxo de colesterol não é meticuloso, resultando em sua deposição gradual nos tecidos, particularmente no endotélio vascular. Essa ocorrência se torna um fator potencial de risco, quando a deposição de lipídeos leva ao estreitamento dos vasos, com formação de placas (aterosclerose), aumentando o risco de doença arterial coronariana (DAC). A Figura 18.1 resume as principais fontes do colesterol hepático e as formas pelas q uais o colesterol é liberado do fígado.

11.

Principais fontes do colesterol hepático

Colesterol sintetizado nos tecidos extra-hepáticos

Colestero l da dieta

Quilomicra remanescentes

HDL

Síntese de novo no fígado

Conjunto do colesterol livre hepático

ESTRUTURA DO COLESTEROL

O colesterol é um composto muito hidrofóbico. Ele consiste em quatro anéis hidrocarbonados fundidos (A, B, C e D, chamados "núcleo esteróide"). Ligada ao C-17 do anel D, existe uma cadeia hidrocarbonada de 8 carbonos, ramificada. O anel A tem uma hidroxila no C-3 e o anel B uma ligação dupla entre C-5 e C-6 (Figura 18.2).

Secreção deVLDL

Conversão em sais e ácidos biliares

Principais rotas pelas quais o colesterol deixa o fígado (efluxo)

A. Esteróis Os esteróides que apresentam entre 8 e 1O carbonos na cadeia lateral ligada ao C-17 e um grupo hidroxila no C-3 são classificados como esteróis.

Figura 18.1 Fontes do colesterol hepático (influxo) e rotas pelas quais o colesterol deixa o fígado (efluxo).


218

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

O colesterol é o principal esterol dos tecidos animais. (Nota: Esteróis vegetais, como o fl-sitosterol, são pouco absorvidos por humanos. Após serem absorvidos pelos enterócitos, são transportados ativamente de volta para a luz intestinal. Junto com esse processo, ocorre também o cc-transporte de uma parte do colesterol absorvido, razão pela qual os esteróis vegetais parecem bloquear a absorção de colesterol da dieta. Isso levou ao uso clínico de dietas contendo esses compostos no tratamento da hipercolesterolemia. A ingestão diária de esteróides de plantas [na forma comercialmente disponível de margarina livre de ácidos graxos trans] é uma das numerosas estratégias dietéticas para a redução dos níveis plasmáticos de colesterol [veja a pág . 362].)

Cadeia hidrocarbonada 22

24

HO Colesterol

8 . Ésteres de colesterol Ácido

A maior parte do colesterol plasmático está na forma esterificada (com um ácido graxo ligado ao C-3, veja a Figura 18.2), que é uma molécula ainda mais hidrofóbica que o colesterol livre. Os ésteres de colesterol não são encontrados nas membranas celulares, existindo, normalmente, em pequena quantidade na maioria das célu las. Devido a sua hidrofobicidade, o colesterol e seus ésteres são transportados associados a proteínas, como componentes das lipoproteínas (veja a pág. 225) ou são solubilizados por fosfolipídeos e sais biliares na bife (veja a pág. 223).

Éster de colesterol

Figura 18.2 Estrutura do colestero l.

III.

(2C)

Acetoacetii·CoA

(4C)

o 11

HMG·CoA·Sintase

CH3 C- CoA

CoA

3-Hídroxi·3·metílglutarii-CoA (HMG-CoA)

(6C)

SÍNTESE DO COLESTEROL

O colesterol é sintetizado por praticame nte todos os tecidos humanos, embora f ígado, intesti no, córte x adrenal e os tecidos rep rodutivos , inclu indo ovários, testículos e pl acenta, sejam os maiores contribuintes do "conjunto" de colesterol. Como para os ácidos graxas, todos os átomos de carbono do colesterol são derivados do acetato, e o NADPH provê os equivalentes red utores. A energia é garantida pela hidrólise das ligações tioéster de al ta energia da acetii-CoA e de fosfatos terminais do ATP. A síntese acontece no citoplasma, sendo as enzimas encontradas no citosol e nas membranas do retículo endoplasmático. A ve locidade da rota responde a mudanças na concentração de colesterol, sendo que mecanismos de reg ulação modulam a velocidade da síntese endógena em função de sua velocidade de excreção. Um descontrole na regulação pode elevar os níveis circulantes de colesterol, aumentando o risco de DAC.

A. Sínte se de 3-hidroxi-3-metilglutarii-CoA (HMG-CoA) As duas primeiras reações da síntese de colesterol são similares àquelas que produzem corpos cetônicos (veja a Figu ra 16.22, pág. 194 ). Essas reações resultam na fo rm ação de 3-hidroxi-3-metilglutarii-CoA (HMGCoA, Figura 18.3). Primeiro, duas moléculas de acetii·CoA condensam para formar acetoacetii-CoA. Depois, uma terceira molécula de acetii-CoA é adicionada, produzindo HMG-CoA, um composto de seis ca rbonos. (Nota: As células do parênquima hepático possuem duas isoformas de HMG-CoA-sintase. A enzima citosólica participa da síntese de colesterol, enquanto a enzima mitocondrial é responsável pela síntese de corpos cetônicos.) 8. Síntese do ácido mevalônico (mevalonato)

Figura 18.3 Síntese de 3-hidroxi-3· metilglutarii·CoA (HMG-CoA).

A próxima etapa, a redução da HMG-CoA a ácido mevalônico, é cata lisada pela HMG-CoA-redutase e é a etapa limitante da síntese do coles-


219

Bioquímica Ilustrada

terol. Ela ocorre no citosol, usando duas moléculas de NADPH como agente redutor, liberando CoA, o que torna a reação irreversível (Figura 18.4). (Nota: A HMG-CoA-redutase é uma proteína intrínseca da membrana do retículo endoplasmático, com o domínio catalítico projetado para o citosol. A regulação da HMG-CoA-redutase será discutida posteriormente.) C. S íntese d o co lestero l As reações e as enzimas envolvidas na síntese do colesterol a partir de mevalonato estão ilustradas na Figura 18.5. (Nota: Os números mostrados a segu ir entre chaves correspondem à numeração das reações na figura.) [1] O ácido mevalônico é convertido em 5-pirofosfomevalonat o. A reação ocorre em duas etapas, cada uma delas com transferência de um grupo fosfato doado pelo AT P. [2] O isope nten il-pirofosfato (IPP), uma unidade isoprênica de cinco carbonos, é formado pela descarboxilação do 5-pirofosfomevalonato. A reação requer ATP. (Nota: O IPP é o precursor dos isoprenóides, uma família de moléculas com diversas funções. O colesterol é um isoprenóide esterol. Existem isoprenóides que não são esteróis, como o dolicol [veja a pág. 165] e a ubiquinona [veja a pág. 75).) [3] O IPP é isomerizado a 3,3-dimet ilalil-pirofo sfato (DPP). [4] Uma molécula de IPP condensa-se com uma de DPP, para formar o composto de 1O carbonos geranil-pirofosfato (GPP). [5] Uma segunda molécula de IPP condensa-se com o GPP para formar farnesil-pirofosfato (FPP), com 15 carbonos. (Nota: A ligação covalente do farnesil a proteínas, conhecida como prenil ação , é um dos mecanismos de ancoragem de proteínas na membrana plasmática.) [6] Duas moléculas de farnesil-pirofosfato condensam-se e sofrem redução, com liberação de pirofosfato, produzindo o composto de 30 carbonos chamado esqualeno. (Nota: O esqualeno é formado por seis unidades isoprênicas. Três moléculas de ATP são hidrolisadas por resíduo de ácido mevalônico convertido a IPP, de modo que um total de 18 ATPs é necessário para sintetizar o poliisoprenóide esqualeno.) [7] O esqualeno é convertido no esterol lanosterol, por uma seqüência de reações que usam oxigênio molecular e NADPH. A hidroxilação do esqualeno desencadeia a ciclização da estrutura, formando lanosterol. [8] Várias etapas levam à conversão do lanosterol em colesterol; durante o processo, ocorre a diminuição da cadeia carbonada de 30 pa ra 27 átomos, remoção de duas metilas do C-4, migração da ligação dupla de C-8 para C-5 e redução da ligação dupla entre C-24 e C-25. (Nota: Essa rota metaból ica, que não está completamente esclarecida, acontece por mais de 18 reações enzimáticas diferentes. A s índrome de Smith -Lemli-Opitz [SLOS] , uma doença autossômica recessiva da biossíntese do colesterol que é relativamente comum, é causada pela deficiência parcial da enzima 7-desidroco/esterol-7-redutase, envolvida na migração da ligação dupla. A SLOS se caracteriza por anomalias em múliplos sistemas, refletindo a importância do colesterol no desenvolvimento embrionário.)

Expressão inibida por colesterol

\ (

~

(6C)

HMG-CoA

2NADPH+2H+

HMG·COA·reduta

CoA

2NADP+

Ácido mevalônico

Figura 18.4 Síntese do ácido mevalônico.

(6C)


220

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

ATP

ADP

\. j.) Cinases

Ácido mevalônico

(6C)

Descerboxifase

Ácido 5-pirofosfomevalônico

[1]

lsopentenil· pirofosfato (IPP)

[2]

(6C)

(SC)

A fosforilação do mevalonato e a presença do pirofosfato nas estruturas subseqüentes ajuda a manter em solução esses compostos insolúvei s em água.

[3]

fsomerase

CH 3 CH20 - ®-® I / C,H3 /C~2/C=C, C=C CH H

®-® IPP

'

<-\..1 Transferase

CH 3

H

2

(

IPP

...

'S. / Transferase

[5]

Farnesil-pirofosfato (FPP)

'

® ® p - P

Geranil-pirofosfato (GPP)

(15C)

[

(10C)

4]

3,3-Dimetilalil· pirofosfato (DPP)

(SC)

FPP Um pirosfosfato é liberado em cada uma das quatro reações de condensação, tornando essas reações irreversíveis.

®-® NADPH +H+

A partir do esqualeno, os intermediários da biossíntese do colesterol não são fosf orilados e são tão hidrofóbicos que necessitam de uma proteína intracelular transportadora de esteróides para mantê-los em solução.

NADP+

® -®

o2

H O

#

Esquafeno::;genase

~~~ NADPH NADP+ +H+ Esqualeno

[8]

HO

[7]

(30C)

Lanosterol

Colestero l

(30C; primeiro esterol)

(27C)

Figura 18.5 Síntese de colesterol a partir de ácido mevalônico.

D. Regulação da sínt ese do colestero l A HMG-CoA -redutase é o ponto de controle mais importante da biossíntese do colesterol, estando sujeita a diversos tipos de controle metabólico. 1.

Regulação esterol-dependent e da exp ressão gên ica. A expressão gênica da HMG-CoA-redutase é controlada por um fator transcricional (proteína ligadora do ele mento de resposta a esteróis , PLE RE ) que se associa ao DNA no elemento de resposta a esteróis (ERE), localizado anteriormente ("acima") ao sítio do gene da redutase. A PLERE está inicialmente associada com a membrana do RE, mas uma clivagem proteolítica libera a forma ativa, que entra no núcleo. A ligação da PLERE no ERE aumenta a expressão do gene da redutase. Quando


22 1

Bioquímica Ilustrada

os níveis de colesterol estão baixos, ocorre ativação da PLERE e, conseqüentemente, estimulação da síntese de colesterol. Em contraste, níveis elevados de colesterol previnem a ativação do fator de transcrição. (Este mecanismo de regulação está resumido na Figura 18.6.) O conteúdo de colesterol também afeta a estabilidade da HMG-CoA-redutase e de seu RNAm, com um aumento do colesterol resultando em diminuição da estabilidade (e conseqüente aumento da degradação) de ambos.

2.

Fosforilação/desfosforilação independente de esteróis. A atividade da HMG-CoA-redutase é controlada por alterações covalentes produzidas por uma proteína-cinase e por uma fosfoprotefna-fosfatase (veja a Figura 18.6). A forma fosforilada da enzima é inativa, enquanto a desfosforilada é ativa. (Nota: A proteína-cinase é ativada por AMP. Logo, a síntese de colesterol diminui quando existe menor disponibilidade de ATP.)

3.

Regu lação hormonal. A quantidade (e, conseqüentemente, a atividade) de HMG-CoA-redutase é controlada hormonalmente. A insulina favorece o aumento da expressão do gene da HMG-CoA-redutase. O glucagon exerce o efeito oposto.

4.

Inibição por drogas. As estatinas, incluindo sinvastatina, lovastatina e mevastatina, são análogos estruturais da HMG-CoA, agindo como inibidores reversíveis, competitivos, da H MG-CoA -redutase (Figura 18.7). Essas drogas são usadas para diminuir os níveis de colesterol plasmático em pacientes com hipercolesterolemia.1

~ j PLERE j ~ ";!~~agem

o

=

DNA

Ã_

ERE

:

~

tTranscrição CITOSOL

--

~RNAm Fosfoproteínafosfatase

cõe

ATP

~

HMG-CoA-

• :

redutase (ativa)

~teín~

ADP

~ /

HMG-CoA

Ácidof evalônico

t Colesterol

Figura 18.6 Regulação da HMG-CoA-redutase. ERE elemento de resposta a esteróides.

Retículo endoplasmático

:

~Tradução

p

__'\-.____::,___,c:;,L _ _ ~)

<

p

'

IY

:

: :

HMG-CoA·

I PLERE I~

NÚCLEO ~RNAm

redutflse (inativa)

~eolítica

J

i

I~~

= elemento de resposta a esteróides; PLERE = proteína ligadora ao

Veja o Capítulo 21 de Farmacologia Ilustrada (2' e 3' edições) para uma discussão acerca de drogas utilizadas em hiperlipidemias.


222

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

Parte da molécula das estatinas (em azul) semelhantes à HMG-CoA. A parte principal do grupo hidrofóbico dos inibidores difere da porção CoA dos substratos.

OH

H3c?"'coo-

~ cooHMG

IV.

DEGRADAÇÃO DO COLESTEROL

Em humanos, a estrutura cíclica do colesterol não pode ser degradada até C02 e H2 0. O núcleo esterol é eliminado intacto pela conve rsão em ácidos e sais biliares, que são excretados nas fezes, e pela secreção de colesterol na bile, a qual o transporta até o intestino para eliminação. Bactérias intestinais podem modificar o colesterol antes da excreção. Os principais compostos formados são os isômeros coprostanol e colestanol, derivados reduzidos do colesterol. Junto com o colesterol, esses compostos representam os esteróis neutros fecais.

V.

ÁCIDOS E SAIS BILIARES

A bile consiste de uma mistura aquosa de compostos orgânicos e inorgânicos. Fosfatidilcolina (lecitina, veja a pág. 201) e sais biliares (ácidos biliares conjugados) são os componentes quantitativamente mais importantes da bile. A bile é sintetizada no fígado e pode ser liberada diretamente no duodeno, pelo dueto biliar, ou pode ser armazenada na vesícula biliar quando não estiver sendo necessitada para a digestão. Sinvastatina

A. Estrutura dos ácidos biliares Figura 18.7 Semelhança estrutural entre o HMG e a sinvastatina, uma droga da família das "estatinas", clinicamente útil para a redução do colesterol.

Os ácidos biliares têm 24 carbonos, com dois ou três grupos hidroxila e uma cadeia lateral que termina em um grupo carboxílico. O pK. da carboxila é próximo de 6, portanto ela não está completamente ionizada em pH fisiológico, o que explica o termo "ácido biliar". Os ácidos biliares são compostos antipáticos, nos quais os grupos hidroxila estão em posição a (acima do plano dos anéis) e os grupos metila estão em posição ~ (abaixo do plano dos anéis). Assim sendo, essas moléculas apresentam uma face polar e uma apoiar e podem atuar como agentes emulcificadores no intestino, ajudando na preparação dos triacilgliceróis e de outros compostos lipídicos da dieta para a degradação pelas enzimas digestivas pancreáticas. B. Síntese de ácidos biliares

H Ácido cólico

Os ácidos biliares são sintetizados no fígado por uma rota metabólica complexa, que utiliza mais de uma organela, na qual os grupos hidroxila são inseridos em posições específicas na estrutura do esteróide e a ligação dupla do anel B do colesterol é reduzida. Além disso, são retirados três átomos de carbono da cadeia lateral e um grupo carboxila é introduzido na sua extremidade. Os compostos resultantes mais comuns são o ácido cólico (um trio!) e o ácido quenodesoxicólico (um diol, Figura 18.8), os quais são chamados de ácidos biliares " primários". (Nota: A etapa limitante na síntese dos ácidos biliares é a introdução do grupo hidroxila no carbono 7 do núcleo esteróide pela co/estero/-7-a.-hidroxilase, uma enzima citocromo P450 associada ao RE, encontrada somente no fígado. A enzima é inibida por ácido cólico e ativada por colesterol [Figura 18.9].) C. Síntese de sais biliares

H Ácido quenodesoxicólico

Figura 18.8 Ácidos biliares.

Antes dos ácidos biliares deixarem o fígado, eles são conjugados com uma molécula de. glicina ou de taurina (produto final do metabolismo da cisteína) por meio de uma ligação entre o grupo carboxila do ácido biliar e o grupo amino do composto adicionado. Essas novas estruturas são chamadas sais biliares e incluem os ácidos glicocólico e glicoquenodesoxicólico e os ácidos taurocól ico e tauroquenocólico (Figura 18.10). A razão


223

Bioqufmica Ilustrada

de compostos contendo glicina ou taurina na bile é de aproximadamente 3:1 . A adição de glicina ou de tau rina resulta na presença de um grupo carboxila com menor pK. (da glicina) ou de um grupo sulfato (da taurina), ambos completamente ionizados (com cargas negativas) em pH fisiológico. Os sais biliares são detergentes mais efetivos que os ácidos biliares, por terem a sua natureza antipática aumentada. Assim, somente as formas conjugadas - ou seja, os sais biliares - são encontradas na bile. (Nota: Os sais biliares são a única forma significativa de excreção do colesterol, sendo produtos do metabolismo do colesterol e agentes que solubilizam o colesterol para excreção na bile. O tratamento para a deficiência genética na conversão do colesterol em sais biliares consiste no suprimento exógeno de ácido quenodesoxicólico.)

HO

Colesterol

Colesterol-7·t 0 o.-hídroxilase

Ácido cólico Colesterol

coo-

D. Ação da f lora intest inal sobre os sais biliares Bactérias no intestino podem remover glicina e taurina dos sais biliares, regenerando os ácidos biliares. Elas podem também converter alguns dos ácidos biliares primários em ácidos biliares " secundários", pela remoção de um grupo hidroxila, produzindo ácido d esoxicólico a partir do ácido cólico e ácido lito cólico a partir do ácido quenodesoxicólico (Figura 18.11 ).

HO H Ác ido cólico

E. C i rculaç ão entero-hepática Sais biliares secretados no intestino são eficientemente reabsorvidos (mais de 95%) e reutilizados. A mistura de ácidos biliares primários, secundários e sais biliares é absorvida principalmente no íleo. Eles são transportados ativamente das células da mucosa intestinal para a circulação porta e eficientemente removidos pelas células do parênquima hepático. (Nota: Os ácidos biliares são hidrofóbicos e necessitam de um carregador no sangue porta. Sais e ácidos biliares são transportados ligados de forma não-covalente à albumina, da mesma forma que os ácidos graxos no sangue [veja a pág. 179].) O fígado converte ácidos biliares primários e secundários em sais biliares pela conjugação com glicina ou taurina e os secreta na bile. O processo contínuo de secreção de sais biliares na bile, sua passagem através do duodeno, onde uma parte é convertida em ácidos biliares, e seu subseqüente retorno ao fígado como uma mistura de ácidos e sais biliares é chamado circulação entero-hepática (veja a Figura 18.11 ). A cada dia, cerca de 15 a 30 g de sais biliares são secretados no duodeno e somente 0,5 g são perdidos nas fezes. Aproximadamente 0,5 g são sintetizados no fígado a partir do col esterol para repor a quantidade perdida de ácidos biliares. Substâncias como a colest iramina 2 ligam sais biliares no intestino, diminuindo sua reabsorção e aumentando sua excreção. Essas substâncias são usadas no tratamento da hipercolesterolemia. A menor reabsorção de ácidos biliares aumenta a síntese hepática dessas substâncias, desviando o colesterol para essa rota. (Nota: Fibras da dieta também ligam sais biliares e aumentam a sua excreção.) F.

H

Ácido glicocó lico (um sal biliar) Ácido quenodesoxicólico (um ácido biliar)

Taurina

~-­

'i/

H C- N - CH2 CH 2 S04

Deficiência de sais biliares e colelitíase A passagem do coleste rol d o fíg ad o para a bile deve ser acompanhada pela secreção simultânea de fosfolipídeos e de sais biliares. Se a re lação entre estas substâncias (colesterol, sais biliares e lecitina)

2

Figura 18.9 Síntese do ácido cólico.

Veja o Capítulo 21 de Farmacologia Ilustrada (2ª e 3° edições) para uma discussão mais detalhada acerca de drogas utilizadas em hiperlipidemias.

H . Ácido tauroquenodesoxicóllco (um sal biliar)

Figure 18.1 O Sais biliares.


224

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

DUODENO FÍGADO

Colesterol

t

, . - - - - - - - - - - - - - + Á c i d o s biliares primários Ácidos biliares secundários

(0,5 9/dia) Gli cina

~Taurina

~

/

/

Sais biliares primários e secundários

VEIA PORTA

ÍLEO

-

BILE (15 a 30 9 de sais biliares/dia)

-

CIRCULAÇÃO PORTA (15 a 30 9 de sais e ácidos biliares/dia)

Excreção fecal de sais e ácidos biliares primários e secundários (0,5 g/dia)

Figura 18.11 Circulação entero-hepática dos sais e ácidos biliares.

for rompida e mais colesterol do que pode ser solubilizado passar para a b ile, o colesterol p recipita na vesícula biliar, iniciando a colelitíase - ou formação das chamadas pedras na vesícula (Figura 18.12). Essa doença é causada pela diminuição dos ácidos biliares na bile, que pode ter origem (1) na deficiência de absorção de ácidos biliares no intestino, como a observada nos pacientes com doença grave no íleo; (2) obstrução do trato biliar, com interrupção da circulação entero-hepática; (3) disfunção hepática grave, levando a uma diminuição da síntese de sais biliares ou a outras anormalidades na produção de bile; ou ainda (4) excessiva retroinibição da síntese de ácidos biliares, como resultado de uma ve locidade acelerada da reciclagem dos ácidos biliares. A colelitíase também pode ter origem na excreção aumentada de coleste rol na bile, como a produzida pelo uso de fibratos. (Nota: Fibratos, como o 3 gemfibrozil , são derivados do ácido fíbrico e são usados para reduzir os níveis sangüíneos de triacilgliceróis.) A colecistectomia laparoscópica (remoção cirúrgica da vesícula biliar através de uma pequena incisão) é o tratamento de escolha, atualmente. No caso de pacientes que não podem ser submetidos ao tratam ento cirúrg ico, a administração de ácido quenodesoxicólico supre a falta de ácidos biliares e leva a uma gradual (meses até anos) dissolução das pedras biliares.

Figura 18.12 Vesícu la biliar com pedras biliares.

3

Veja o Capítulo 21 de Farmacologia Ilustrada (2" e 3° edições) para uma discussão mais detalhada acerca de drogas utilizadas em hiperlipidemias.


Bioquímica Ilustrada

VI.

LIPOPROTEÍNAS PLASMÁTICAS

225

Legenda: Proteína Fosfolipídeo

As lipoproteínas plasmáticas são complexos macromoleculares esféricos de lipídeos e proteínas específicas (apolipoproteínas ou apoproteínas). As principais lipoproteínas plasmáticas são: quilomicra, lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDLs), lipoproteínas de baixa densidade (LDLs) e as lipoproteínas de alta densidade (H DLs). Elas diferem na composição lipídica e protéica, no tamanho e na densidade (Figura 18.1 3). As lipoproteínas são importantes tanto para manterem solúveis seus componentes lipídicos, como por promoverem um eficiente mecanismo de transporte de lipídeos entre os tecidos. Em humanos, o sistema de transporte é menos perfeito que em outros animais e, como resu ltado, pode ocorrer uma deposição gradual de lipídeos - especialmente de colesterol - nos tecidos. Essa deposição de lipídeos pode ser potenci almente um fator de risco, por contribuir para a formação de placas, que causam o estreitamento dos vasos (aterosclerose).

Triacilgliceróis

Camada } hidrofílica

l

Camada

Colesterol e ésteres de colesterol

hidrofóbica

Quilomicra

A . Composição das lipoproteínas plasmáticas 0,95

As lipoproteínas possuem um núcleo de lipídeos neutros (contendo triacilgliceróis e ésteres de colesterol) circundado por uma camada de apolipoproteínas antipáticas, fosfolipídeos e colesterol livre (não-esterificado) (Figura 18.14). Esses compostos antipáticos são orientados de fo rma que suas porções polares fiquem expostas na superfície da lipoproteína, tornando a partícula solúvel em meio aquoso. Os triacilgliceróis e o colesterol carregados pelas lipoproteínas são obtidos da dieta (fonte exógena) ou da síntese de novo (fonte endógena). (Nota: As diferentes lipoproteínas trocam constantem ente lipídeos e apolipoprot~ ínas umas com as outras; isso faz com que a composição de uma classe de partícula possa ser muito variável.)

1.

2.

Tamanho e densidade das lipoproteínas. Os quilomicra são as lipoproteínas com a menor densidade e o maior tama nho e contêm a maio r proporção de lipídeos e a menor de proteín as. Em o rdem crescente de densidade estão as VLDLs e LDLs, q ue também apresentam maio res relações de proteínas para lipídeos. As HDLs são as lipoproteínas de menor densidade. As lipoproteínas plasmáticas podem ser separadas tendo como base a sua mobilidade eletroforética, como mostrado na Figura 18.15, ou por sua densidade por meio de ultracentrifugação. Apolipoproteínas. As apo lipoproteínas associadas às lipoprote ínas exercem diversas funções, com o servirem de sítios de reconhecimento para receptores na superfície de células, ou como ativadores ou coenzimas para enzimas envolvidas no metabolismo das lipoproteínas. Algumas das apol ipoproteínas são necessárias como componentes estruturais essenciais dessas partículas e não podem ser removidas (de fato, as lipoproteínas não podem ser produzidas sem elas), enquanto outras são livremente trans fe ridas entre as lipoproteínas. As apolipoprote ínas podem ser classificadas pela estrutura e pela funç ão em 5 classes , de A a E, sendo que muitas classes apresentam subclasses, como por exem plo, apo A-1 e apo C-11. (Nota: Ainda não são bem conhecidas as funções de todas as apolipoproteínas.)

B. Metabolismo dos quilomicra Os quilomicra são formados nas células da mucosa intestinal e transportam triacilgliceróis, colesterol, vitaminas lipossolúveis e ésteres de celeste-

:::J E -.

a a.

1,00

u.

-

-9 Q)

'O

ro

.....J

'O 'ii)

c: Q)

o

<t

a:: ::z

1,05

t-

w

VLDL

(.) <( (.)

w

1,10

f-

0

:::; Ol

LDL

1,15

HDL o

1,20

100A f-----j

Figura 18.13 Tamanho e densidade aproximados das lipoproteínas plasmáticas. Cada família de lipoproteínas apresenta uma faixa de variação de tamanhos e densidades; esta figura mostra valores típicos. (Nota: A espessura dos círcu los reflete aproximadamente as quantidades de cada componente.)

ãl


226

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

rol da dieta (além de lipídeos sintetizados pelos enterócitos) para os tecidos periféricos (Figura 18.16).

Núcleo central de triacilgliceróis e ésteres de colesterol

1.

Síntese das apolipoproteínas. A síntese da apolipoproteína B-48 (apo B-48) inicia no retículo endoplasmático rugoso (RER) , sendo que essa apolipoproteína é glicosilada durante sua passagem pelo RE e pelo Golgi. (Nota: A apo B-48 é característica dos quilomicra. Recebe essa denominação por representar 48% da proteína codificada pelo gene apo B a partir do N-terminal. A apo B-1 00, que é sintetizada no fígado e encontrada nas VLDLs e LDLs, representa toda a proteína codificada pelo gene apo B. Uma modificação pós-transcripcional, trocando uma citosina por uracila, no RNAm da apo B-1 00 intestinal, cria um códon sem sentido (veja a pág. 431 ), permitindo a tradução de somente 48% do RNAm.)

2.

Montagem dos quilomicra. As enzimas envolvidas na síntese de triacilgliceróis, colesterol e fosfolipídeos estão localizadas no retículo endoplasmático (RE) liso. A organização das apolipoproteínas e dos lipídeos para formar os quilomicra requer a proteína microssomal transferidora de triacilgliceróis (veja a pág. 229), que liga a apo 8-48 a lipídeos. Isso ocorre durante a transição do RE para o Golgi, onde as partículas são acondicionadas em vesícu las secretórias. Essas vesículas fusionam com a membrana plasmática, liberando as lipoproteínas no sistema linfático e, posteriormente, no sangue.

3.

Modificação dos quilomicra nascentes. A partícula liberada pelas células da mucosa intestinal é chamada um quilomícron "nascente", por ser funcionalmente incompleta. Quando alcança o plasma, essa partícula é rapidamente modificada, recebendo a apo E (que é reconhecida pelos receptores hepáticos) e as apolipoproteínas C. Entre elas se inclui a apo C-11 , que é necessária para a ativação da lipase /ipoprotéica, a enzima que degrada os triacilgliceróis dos quilomicra (veja a seguir). A fonte dessas apolipoproteínas é a HDL circulante (Figura 18.16).

4.

Degradação dos triacilgliceróis pela lipase lipoprotéica. A lipase lipoprotéica (/ipoproteína-lipase) é uma enzima extracelular ancorada por heparan sulfato na parede dos capilares da maioria dos tecidos, mas predominantem ente nos tecidos adiposo, cardíaco e muscular esquelético. O fígado adulto não tem essa enzima. (Nota: A lipase hepática é encontrada na superfície das células endoteliais do fígado. Entretanto, ela não ataca significativamente os triacilgliceróis dos quilomicra ou das VLDLs, mas participa do metabolismo das HDLs [veja a pág. 234].) A /ipase /ipoprotéica , ativada pela apo C-11 das lipoproteínas circulantes, hidrolisa os triacilgliceróis carregados por essas partículas, formando ácidos graxas livres e glicerol. Os ácidos graxos são armazenados (pelo adipócito) ou usados para gerar energia (pelo músculo). Se não forem imediatamente captados pelas células, os ácidos graxos de cadeia longa são transportados pela albumina sérica até que sua captação ocorra. O glicerol é usado pelo fígado, por exemplo, na síntese de lipídeos, glicólise ou gliconeogênese. (Nota: Pacientes com deficiência de lipase lipoprotéica ou de apo C-11 [hiperlipoproteinemia do tipo I ou deficiência familiar de lipase lipoprotéica) apresentam um grande acúmulo de quilomicra no plasma [hipertriacilg licerolemia).)

5.

Regulação da atividade da lipase lipoprotéica. A síntese e a transferência da lipase lipoprotéica para a superfície luminal dos

\ t Colesterol não-esterificado

Figura 18.14 Estrutura de uma lipoproteína típica.

Origem

---- - ---

Quilomicra

1-----~-J LDL

(13-Lipoproteína) l===-~ - -1 VLDL

(Pré 13-Lipoproteína)

Mobilidade

li V

t - - - 1 HDL (<>-Lipoproteína) Anódio (+)

Figure 18.15 Mobilidade eletroforética das lipoproteínas plasmáticas.


Bioquímica Ilustrada

227

Apo C-11 Apo E

INTESTINO DELGADO

Q

' ;IS 1:'111

TECIDOS: Por exemplo , ADIPOSO

A apo C-11 e a apo E são

~i::~ transferidas da HDL para os quilomicra nascentes.

CAPILARES

Quilomícro~

O

r;:"li A

a

As células da mucosa intestinal secretam quilomicra ricos em TAG, produzidos principalmente a partir de iipídeos da dieta.

lipase lipoprotéica extracelular ativada pela apo C-11 degrada os TAGs nos quilomicra.

Lipase lipoprotéica

ApoC-11 (para HDL) Glicerol

B g

Q remanescente s ligam em receptores específicos no fígado onde são endocitados.

Remanescente de quilomicra

Para o FÍGADO

Figura 18.16 Metabolismo dos quilomicra. Q = quilomicra; TAGs = triacilgliceróis; C =colesterol; EC = éster de colesterol; Apo B-48, apo C-11 e apo E são apolipoproteínas encontradas como componentes específicos das lipoproteínas plasmáticas. As lipoproteínas não estão desenhadas em escala (veja a Figura 18.13 para detalhes acerca do tamanho e da densidade das lipoproteínas) .

capilares é estimulada pela insulina (significando estado alimentado, veja a pág. 319) . Além disso, isômeros da lipase lipoprotéica têm diferentes Km para triacilglicerol (semelhante à hexocinase/glicocinase, veja a pág. 96). Por exemplo, a enzima dos adipócitos tem Km maior (veja a pág. 59), favorecendo a remoção dos ácidos graxas das lipoproteínas circulantes e seu armazenam ento como triacilgliceróis quando a concentração plasmática de lipoproteínas é elevada. Por outro lado, a lipase lipoprotéica do músculo cardíaco tem Km menor, permitindo que o coração tenha acesso contínuo aos combustíveis ci rcu lantes, mesmo quando a concentração plasmática de lipoproteínas é baixa. 6.

Formação dos remanescentes de quilomicra. Quando mais de 90% dos triacilgliceróis dos quilomicra foi degradado pela lipase lipoprotéica, a partícula diminui de tamanho e sua densidade aumenta. Além

Ácidos graxos livres


228

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

disso, as apoproteínas C (mas não a apo E) retornam para as HDLs. A partícula remanescente, chamada "remanescente" de quilomicra, é rapidamente removida pelo fígado, cujas cé lulas contêm receptores para lipoproteínas que reconhecem apo E. Os remanescentes de quilomicra ligam-se nesses receptores e são captados pelos hepatócitos por endocitose. As vesículas endocitadas então se fusionam com os lisossomos, e as apolipoproteínas, os ésteres de colesterol e os outros componentes das remanescentes endocitadas são degradados por hidrólise, liberando aminoácidos, colesterol livre e ácidos graxas. O receptor é reciclado. (Uma discussão mais detalhada do mecanismo de endocitose mediada por receptores está ilustrada para LDL na Figura 18.20.)

TECIDOS, por exemplo, ADIPOSO

O

I::W

O fígado secreta as VLDLs nascentes, ricas em TAG.

Lipase

E:.~! lipoprotéica extracelular ativada por apo C-11degrada TAG nasVLDLs.

Lipase lipoprotéica Ácidos graxas ApoC-11 eapo E (para HDL)

~ LDL

A li.ll

Apo C-11 e apo E são devolvidas para a HDL. Para o FÍGADO

Figura 18.17 Metabolismo da VLDL e da LDL. TAG = triacilglicerol; VLDL = lipoproteína de densidade muito baixa; LDL = lipoproteína de densidade baixa; IDL = lipoproteína de densidade intermediária; C = colesterol; EC = éster de colesterol. Apo 8-100, apo C-11 e apo E são apolipoproteínas encontradas como componentes específicos das lipoproteínas plasmáticas. As lipoproteínas não estão desenhadas em escala (veja a Figura 18.13 para detalhes acerca do tamanho e da densidade das lipoproteínas).


Bioquímica Ilustrada

C. Metabolismo das lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDls)

229

VLDL

As VLDLs são produzidas no fígado (Figura 18.17) . Elas são compostas predominantemente de triacilgliceróis, e sua função é carrega r lipídeos do fígado para os tecidos periféricos. Nestes, os triacilgliceróis são degradados pela lipase lipoprotéica, como já discutido para os quilomicra (veja a pág. 226). (Nota: O "fígado graxo" [esteatose hepática] ocorre quando existe um descontrole entre a síntese hepática de triacilgliceróis e a secreção de VLDL. Tais condições incluem obesidade, diabetes melito não-controlado e ingestão crônica de etanol.)

1.

2.

3.

Libe ração das VLDLs. As VLDLs são secretadas no sangue pelo fígado como partículas de VLDLs "nascentes" contendo apolipoproteína B-1 00. Elas obtêm apo C-11 e apo E da HDL circulante (veja a Figu ra 18.17). Como para os quilomicra, a apo C-11 é necessária para a ativação da lipase lipoprotéica. (Nota: A abetalipoproteinemia é um tipo raro de hipolipoproteinemia causada por um defeito na proteína tran sferidora de triacilgl iceróis, que impede o carregamento da apo B com lipídeos. Como conseqüência, não existe formação de quilomicra ou de VLDL, causando acúmulo de triacilgliceróis no intestino e no fígado.) Modificação das VLDLs circulantes. Com a degradação dos triacilgliceróis pela Jipase lipoprotéica, as VLDLs se tornam menores e mais densas. Componentes de superfície, incluindo as apolipoproteínas C e E, retornam para as HDLs, mas as partículas retêm a apo B-100. Por fim, triacilgliceróis são transferidos das VLDLs para as HDLs em uma reação de troca, que concomitantemente transfere ésteres de colesterol das HDLs para as VLDLs. Essa t roca é mediada pela proteína transferidora de ésteres de colesterol (Figura 18.18). Produção de LDL a partir de VLDL no plasma. Com as modificações descritas anteriormente, as VLDLs são convertidas no plasma em LDL. Uma partícula de tamanho intermediário, a lipoproteína de densidade intermediária (IDL) ou "remanescente" de VLDL, é observada durante essa transição. As IDLs também podem ser captadas pelas células por meio de endocitose mediada por receptor, usando apo E como ligante. (Nota: A apolipoproteína E é normalmente encontrada em três isoformas, E2, E3 e E4. A apo E2 tem pouca afinidade pelos receptores, e pacientes que são homozigotos para apo E2 apresentam deficiência na depuração de remanescentes de quilomicra e IDL Esses indivíduos têm hiperlipoproteinemia familiar do tipo III [disbetaliproteinemia fam iliar] , apresentam hipercolesterolemia e aterosclerose prematura. Um fato ainda não bem compreendido é o aumento da suscetib ilidade ao aparecimento tardio da doença de Alzheimer conferido pela isoforma E4.)

D. Met abolismo das lipoproteínas de baixa densidade As LDLs contêm muito menos triacilgliceróis que suas precursoras VLDLs e têm alta concentração de colesterol e ésteres de colesterol (Figura 18.19). 1.

Endocitose mediada por receptores. A principal função das LDLs é prover colesterol para os tecidos periféricos (ou intermediar o retorno deste ao fígado) . Isso é fe ito por meio de ligações a receptores de membrana que reconhecem a apo B-1 00 (mas não a apo B-48) . Como esses receptores também reconhecem a apo E, eles são conhecidos como receptores apo 8-100/apo E. Um resumo da captação e da

Proteína transferidora Proteína transferidora de ésteres de colesterol de ésteres de colesterol

HDL

Figura 18.18 Transferência de ésteres de colesterol (EC) das HDLs para as VLDLs em troca de tri acilgliceróis (TAGs) e fosfolipídeos (Fl s).


230

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

degradação das LDLs está ap re sentado na Figura 18.20. (Nota: Os números nos colchetes a seguir correspondem aos números que aparecem na figura.) Um mecanismo similar de endocitose mediada por receptor é usado na captação e na degradação das remanescentes de quilomicra e das IDLs pelo fígado.

90%

Quilomicra

60%

Lipoproteína de densidade muito baixa (VLDL)

[1] Receptores de LDL são glicoproteínas carregadas negativamente que estão agrupadas em dep ressões na membrana ce lular. O lado intracelular dessas depressões é recoberto com a proteína clatrina, que estabiliza a forma das depressões. [2] Depois da ligação, o complexo LDL-recepto r é internalizado por endocitose. (Nota: A deficiência de receptores funcionais de LDL causa uma elevação significativa na LDL plasmática e, como conseqüência, do colesterol plasmático. Pacientes com essa deficiência apresentam hiperlipidemia do tipo 11 (hipercolesterolemia familiar] e aterosclerose prematura. O hormônio tireoideano, T3 , atua positivamente sobre a ligação da LDL ao seu receptor. Conseqüentemente, o hipotireoldlsmo é uma causa comum de hipercolesterolemia.) [3] Vesícu las contendo LDL rapidamente perdem sua capa de clatrina e se fundem com outras vesícu las similares, formando grandes vesículas chamadas endossamos. [4] O pH dos endossamos diminui (devido à atividade de bomba de prótons da ATPase endossoma~. provocando o desligamento das LDLs de seus receptores. Os receptores migram, então, para um dos lados do endossamo, enquanto as LDLs pe rmanecem livres no lúmen da vesícula. (Nota: Essa estrutura é chamada CDRL - compartimento de desligamento do receptor e do ligante.)

Lipoproteina de densidade baixa (LDL)

Lipoproteína de alta densidade (HDL)

D

TRIACILGLICEROL

13

PROTEÍNA

D D

FOSFOLIPÍDEOS COLESTEROL E ÉSTERES DE COLESTEROL

Figura 18.19 Composição das lipoproteínas plasmáticas. Note a alta concentração do colesterol e estéres de colesterol nas LDLs.

[5] Os receptores podem ser reciclados, enquanto as lipoproteínas remanescentes na vesícula são transferidas para lisossomos e degradadas pelas enzimas (hidrolíticas) lisossomais, liberando colesterol livre, aminoácidos, ácidos graxas e fosfolipídeos. Esses compostos podem ser reutilizados pelas células. (Nota: Já foram descritas doenças autossômicas raras envolvendo uma deficiência na capacidade de hidrólise lisossomal dos ésteres de colesterol (doença de Wolman] ou de transporte de colesterol não-esterificado para fora do lisossomo (doença de Niemann-Pick, tipo C].) 2.

Efeitos do colesterol endocitado sobre a homeostase celular do colesterol. O colesterol derivado das remanescentes de quilomicra, IDL e LDL, afeta o conteúdo celular de colesterol de várias maneiras (Figura 18.20). Primeiro, a HMG-CoA-redutase é inibida por altos níveis de colesterol e, como resultado, a síntese de novo de colesterol diminui. Segundo, a síntese do receptor para LDL é inibida pela diminuição da expressão do gene do receptor, limitando a entrada de LDL colesterol nas cél ulas. (Nota: A regulação do gene do receptor para LDL envolve um elemento de resposta a hormônio [ERH, veja a pág. 238].) Terceiro, se não existe necessidade imediata de colesterol para funções estruturais ou para a síntese de substâncias derivadas de colesterol, ele é este rificado pela acii-CoA:colestero/-aciltransferase (ACAT). A ACAT transfere um ácido graxa de uma acii-CoA para o colesterol, produzindo éster de colesterol, que pode ser armazenado nas células (Figura 18.21 ). A atividade da ACAT é aumentada com o aumento do colesterol intracelular.


Bioquímica Ilustrada

~~í-tf--- Éster de colesterol

.,...,.lllilliP...- - Apolipoproteína B-100 Receptor para LDL

/ DEPRESSÃO COM REVESTIMENTO

r

[i

o cQ

\

~ Clatrina

Vesícula revestida

[3~

~

~

Endossomo

o

~

APARELHO DE GOLGI

~

SÍNTESE DE COLESTEROL

SÍNTESE DE RECEPTORES DE LDL

\

11\

HMG-CoA-redutase

,,,, ,,,,

,,'o

,,,, ,, ,,

Ácidos graxos

'

ALTA CONCENTRAÇÃO DE COLESTEROL

<

MEMBRANA CELULAR, HORMÔNIOS ESTERÔIDES, ÁCIDOS BILIARES Colesterol

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO Proteína receptora

Figura 18.20 Captação e degradação celular da LDL. ACAT= aci/-CoA:colestero/-aciltransferase.

ARMAZENAMENTO DE ÉSTERES DE COLESTEROL

231


232

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

3.

HO Colesterol Ac/1-CoA-co/estero/-tAcii-CoA acil-transferase (ACAT) CoA

Captação das LDLs modificadas quimicamente por recept ores "removedores" existentes nos macrófagos . Além da captação altamente específica e regulada das LDLs mediada por seus receptores, há outra captação, realizada pelos macrófagos, que possuem altos níveis de um recepto r "removedor". Esses receptores ligam grande quantidade de substâncias e intermedeiam a endocitose de LDLs quimicamente modificadas, sendo conhecidos como receptores removedores classe A (RR-A). A oxidação de componentes lipídicos e a oxidação da apolipoproteína B são modificações químicas que podem converter as LDLs circulantes em ligantes reconhecidos pelos RR·A. Ao contrário do recepto r para LDL, a expressão do receptor "removedor" não é reduzida pelo aumento dos níveis intracelulares de colesterol. Então, ésteres de colesterol se acumulam nos macrófagos, causando sua transformação em "células espumosas", que participam da formação da p laca aterosclerótica (Figura 18.22).

E. Metabolismo d as lipoproteínas de alta densidade (HDLs) As HDLs são uma fam íl ia heterogênea de lipoproteínas que têm um metabolismo complexo, ainda não completamente entendido. São secretadas diretamente no sangue pelo fígado e pelo intestino e desempenham diversas funções impo rtantes, como as descritas a seguir.

o

" R - C-0

Éster de colesterol

1.

As HDLs como um reservatório de apolipoproteínas. As H DLs servem de reservatório ci rculante de apo-CII (apolipoproteína que é transferida para as VLDLs e os quilomicra, para atuar como ativador da lipase /ipoprotéíca) e de apo E (apolipoproteína necessária para a endocitose mediada por receptor das IDLs e das remanescentes de quilomicra).

2.

Ca ptação pe las HDLs do colesterol n ão -esterificad o. As HD Ls nascentes têm forma discóide, contendo principalmente fosfolipídeos (em especial, fosfatidi lcol ina) e as apolipoproteínas A, C e E. Elas são rapidamente convertidas em partículas esféricas por acumularem colesterol (Figura 18.23). (Nota: As HDLs são excelentes aceptoras de colesterol não-esterificado [a partir de outras lipoproteínas e das membranas celulares], por possuírem alta concentração de fosfolipídeos, que agem permitindo a estabilização do colestero l em solução aquosa.)

3.

Esterificação d o colesterol. Quando o colesterol é captado pelas HDLs, ele é imediatamente esterificado pela enzima plasmática fosfatidilcolina:colestero/-acíltransferase (FCAT, tam bém conhecida como LCAT, onde o ''L:' significa lecitina) . Essa enzima é sintetizada pelo fígado. A FCAT liga-se nas HDLs nascentes e é ativada pela apo A-1 . A FCAT transfere o ácido graxo do carbono 2 da fosfatidilcolina para o colesterol, produzindo um éster de colesterol , que é seqüestrado pelo núcleo da HDL, e lisofosfatidilcolina, que se liga à albumina. (Nota: A ausência total [deficiência familiar de LCAT] ou parcial [doença de olho de peixe] da FCAT tem como resultado uma grande diminuição na concentração de HDL, devida principalmente ao hipercatabolismo das HDLs pobres em lipídeos.) Ao acumularem ésteres de colesterol, as HDLs nascentes se transformam primeiro em HDL3 e, quando por fim se tornam redondas como micelas, passam a ser classificadas como HDL2 . (Nota: A proteína transferidora de ésteres de colesterol [veja a pág. 229] transfere parte dos ésteres de colesterol para as VLDLs, em troca de triacilgliceróis.)

Figura 18.21 Síntese intracelular de ésteres de colesterol.


Bioquímica Ilustrada

233

0LDL ~ 0~0

?uperóxido Oxido nítrico Peróxido de hidrogênio Outros oxidantes

Q

Vitamina E ..(·mn••n•• Ácido ascórbico P-Caroteno Outros antioxidantes

oxLDL

~

'

Receptores de alta afinidade, \ específicos para LDL, têm sua expressão diminuída quando a célula possui colesterol suficiente.

CÉLULAS ESPUMOSAS

MACRÓFAGO CÉLULAS DE

o

Em resposta a um dano no endotélio causado, ao menos em parte, por LDL oxidada - os monócitos aderem às células endoteliais, movem-se para o espaço s ubendotelial (íntima) e são transformados em macrófagos.

MATRIZ EXTRACELULAR CÉLULAS ENDOTELIAIS

./ Macrófagos consomem o excesso de lipoproteína oxidada (modificada) se tornando células espumosas. MONÓCITOS INTERIOR DA ARTÉIRA

Figura 18.22 Papel das lipoproteínas oxidadas na formação da placa na parede da artéria.

4.

Transporte reverso de colesterol. Um componente importante na homeostase do co lesterol é o seu transporte seletivo dos tecidos periféricos para as HDLs e das HDLs para o fígado ou para os tecidos esteroidogênicos. No fígado, o colesterol pode ser convertido em ácidos biliares ou excretado pela bile, e nos tecidos esteroidogênicos serve de substrato para a síntese de hormôn ios. Essa função é, em parte, a responsável pela relação inversa existente entre a concentração de HDL e a aterosclerose e pela designação das HDLs como o "bom" colesterol. O transporte reverso do colesterol envo lve o efluxo de colesterol dos tecidos periféricos para as HDLs, a esterificação do colesterol pela FCAT, a ligação das HDLs ricas em colesterol (HDL2) ao fígado e tecidos esteroidogênicos e a transferência seletiva dos ésteres de colesterol para essas células, seguida da liberação das HDLs

citoci nas que esti mulam a migr ação de células musculares lisas da média para a íntima. L á, proliferam, produzindo colágeno, e captando lipídeos, tornando-se potenciais células espum osas.


234

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

Figura 18.23 Metabolismo das HDLs. FC transferase.

= fosfatidilcolina; liso-FC = lisofosfatidilcolina; FCAT =fosfa tidi/co/ina-co/esterol-

depletadas do lipídeo (HDL3 , veja a Figu ra 18.23). O processo parece ser mediado por receptores para HDL existentes na superfície celular (receptores removedores de classe B, RR-81 ). (Nota: A lipase hepática, que degrada tanto triacilgliceróis quanto fosfolipídeos, participa da formação das HDL3 . )

F.

Papel da lipoproteína (a) na doença cardíaca A lipoproteína (a), ou lp(a), é uma partícu la que, quando presente em gran des quantidades no plasma, está associada com o aumento do risco de doença coronária. A lipoproteína (a) tem estrutura semelhante à da LDL. · A lp(a) se distingue da LDL pela presença da apolipoproteína (a), apo (a), covalentemente ligada à apo B-100 em um único sítio. Os níveis circu lantes de lp(a) são determinados geneticamente. Entretanto, outros fatores, como a dieta, podem te r alguma influência. Tem sido demonstrado que os ácidos graxos trans aumentam a conce ntração de lp(a) , enquanto os estrógenos diminuem tanto a LDL quanto a lp(a) . (Nota: Existe grande homologia entre a apo [a] e o plasminogênio - precursor da p rotease sangüínea cujo substrato é a fibrina , a principal prote ína componente dos coágu los sangüíneos. Acredita-se que uma concentração elevada de lp[a] torne mais lenta a degradação dos coágulos sangüíneos que desencadeiam os infartos do miocárdio, pois a lp[a] parece competi r com o plasminogênio pela ligação aos ativadores de plasminogênio.)

VIl. HORMÔNIOS ESTERÓIDES O colesterol é o precursor de todas as classes de hormônios esteróides: glicocorticóides (por exemplo, cortisol), mineralocorticóides (por exemplo, aldosterona) e hormôn ios sexuais - andrógenos, estrógenos e progestáge-


235

Bioquímica Ilustrada

nos (Figura 18.24). (Nota: Glicocorticóides e mineralocorticóides são coletivamente chamados de corticosteróides.) A síntese e a secreção do cortisol, da aldosterona e dos andrógenos ocorre no córtex adrenal, a síntese dos estrógenos nos ovários e na placenta e da testosterona nos testículos. Os hormônios esteróides são transportados pelo sangue de seus sítios de síntese até o local de ação. Devido a sua hidrofobicidade, eles devem ser complexados com uma proteína plasmática. A albumina plasmática pode atuar como transportador inespecífico, por exemplo, para a aldosterona. Entretanto, proteínas plasmáticas específicas para transportar esteróides ligam os esteróides mais fortemente que a albumina, como a globulina ligadora de corticosteróides (transcortina) , respo nsável pelo transporte do cortisol, e a proteína ligadora de hormônios sexuais , que transporta esteróides sexuais. Várias doenças genéticas são causadas por deficiências em etapas específicas da biossíntese de hormônios esteróides. Algumas dessas doenças estão descritas na Figura 18.25.

HO Colesterol

HO

A. Síntese de hormônios esteróides A s íntese envolve o encurtamento da cadeia hidrocarbonada do colesterol e a hidroxilação do anel esteróide. A etapa inicial (e também reação limitante da velocidade) converte o colesterol em pregnenolona, que tem 21 carbonos. A reação é catalisada pela desmolase, complexo enzimático que cliva a cadeia lateral do colesterol- uma citocromo P-450-oxidase de função mista, localizada na membrana interna da mitocôndria. NADPH e oxi gênio molecular são necessários para essa reação. O colesterol usado na síntese dos hormônios esteróides pode ter origem na síntese endógena, nas lipoproteínas ou ter sido liberado dos ésteres de colesterol armazenados no citosol das cé lulas dos tecidos esteroidogênicos. (Nota: A síntese de hormônios esteróides consom e pouco colesterol em relação à quantidade consumida na síntese de ácidos biliares.) A pregnenolona é o precu rsor de todos os hormônios esteróides (veja a Figura 18.25). A pregnenolona é oxidada e então isomerizada a prog este rona, uma progestin a, que depois é modificada , dando origem a outros horo mônios este róides po r reações de hidroxilação que Cortisol ocorrem no retículo endoplasmático e na mitocôndria. (um glicocorticóide) Como a desmolase, essas enzimas são oxidases de função mista. Defeitos na atividade ou na quantidade de enzimas dessa rota podem resultar em deficiência nos hormônios formados após a etapa afetada e o em excesso dos hormônios ou metabólitos formados anteriormente na via. Como todos os intermediários têm atividade bio lógica, deficiências em enzimas da rota produzem sérios desequilíbrios metabólicos (veja a Figura 18.25).

o

8. Secreção de hormônios esteróides pelo córtex da adrenal Os hormônios esteróides são secretados pelos seus tecidos de origem em resposta a sinais hormonais. Os corticoesteróides e os andrógenos são sintetizados em diferentes regiões do córtex da adrenal e são secretados no sangue em resposta a diferentes sinais.

Pregnenolona

o Progesterona

OH

HO

Aldosterona (um mineralocorticóide)

Figura 18.24 Relações entre os principais esteróides.

Estradiol (um estrógeno)


236

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

HIPERPLASIAS CONGÊNITAS DA AORENAL

SÍNTESE DE HORMÔNIOS ESTERÓIDES

'

I

DEFICIÊNCIA DA 3-P-HiDROXIESTERÓIDEDESIDROGENASE

• Ausência de glicocorticóides, mineralocorticóides, andrógenos ou estrógenos ativos. • Grande excreção de sais na urina.

Colesterol (C27)

NADPH~ o

• Todos os pacientes apresentam genitália feminina.

2

DEFICIÊNCIA DA 17-a-HIDROX/LASE

-~ Desmolase

Pregnenolona (C21)

• Não existe produção de hormônios sexuais ou de cortisol. • O aumento da produção de mineralocorticóides causa retenção de sódio e de líquidos e, conseqüentemente, hipertensão.

3-P-Hidroxiesteróidedesidrogenase

• Todos os pacientes apresentam genitália feminina.

DEFICIÊNCIA DA 21-a-H/DROXILASE

t7~-Hkiroxila"

• A mais comum dessas deficiências (mais de 90%). • São conhecidas deficiências parciais e totais. • Mineralocorticóides e glicocorticóides estão praticamente ausentes (forma clássica) ou deficientes (forma não-clássica).

17-a-Hidroxiprogesterona (C21)

• A grande produção de andrógenos leva à masculinização da genitália externa em indivíduos do sexo feminino e à virilização precoce em indivíduos do sexo masculino.

+

11-0esoxicorticosterona (C21)

DEFICIÊNCIA DA 11-P·HIDROXILASE

• Diminuição de cortisol, aldosterona e corticosterona no soro.

11-Desoxicortisol (C21)

,_,_H,d='""

l l

Androstenediona (C19)

Testosterona (C19)

Corticosterona

• O aumento na produção de desoxicorticosterona causa retenção de líquidos. Uma vez que esse hormônio s uprime o sistema renina/angiotensina, causa hipertensão com baixa renina. • Masculinização e virlllzação, assim como na deficiência da 21-a -hidroxilase.

Aldosterona

Figura 18.25 Síntese dos hormônios esteróides.

Cortisol (C21)

Estradioi (C18)


Bioquímica Ilustrada 1.

2.

3.

Cortisol. Sua secreção a partir da camada méd ia do córtex da adrenal é controlada pelo hipotálamo, ao qual está ligada a hipófise (Figura 18.26). Em situações de estresse grave (por exemplo, uma infecção), o hormônio l iberador da corticotrofina (CRH, de corticotropin-releasing hormone) , produzido pelo hipotálamo, viaja por uma rede de capilares até o lobo anterior da hipófise, onde induz a produção e a secreção do hormônio adrenocorticotróf ico (ACTH, ou corticotrofina). O polipeptídeo ACTH, freqüentemente chamado de "hormônio do estresse", estimula o córtex adrenal a sintetizar e secretar o glicocorticóide cortisol. O cortisol induz o organismo a responder ao estresse em função de seus efeitos sobre o metabolismo intermediário e sobre a resposta inflamatória. Quando os níveis de cortisol aumentam, a liberação de CRH e ACTH é inibida. (Nota: O ACTH atua ligando-se a um receptor na membrana plasmática. Seus efeitos intracelulares são mediados por um segundo mensageiro, o AM Pc [veja a pág. 92).) A l dosterona. A secreção desse hormônio a parti r da camada externa do córt ex d a adrenal é induzida pela diminuição da razão Na+/K+ no plasma e pelo hormônio angiot ens ina 11. A angiotensina 11 é produzida a partir da angiotensina I pela enzima conversara de angiotensina (ECA), uma e nzi ma encontrada predominantemen te nos pulmões, mas também amplamente distribuída pelo organismo. (Nota: A angiotensina I é um octapeptídeo produzido no sangue pela clivagem do precursor inativo, angiot ensinogênio, secretado pel o fígado. A clivagem é feita pela enzima renina , sintetizada e secretada pelos rins.) A angiotensina 11 atua via receptores na superfície celular. Em contraste com o ACTH , seus efeitos são mediados pela rota do PIP2 (veja a pág. 203) e não via AMPc. O efeito primário da aldosterona ocorre nos t úbulos re nais, onde estimula a captação de sódio e a excreção de potássio (Figura 18.27). (Nota: Um efeito da aldosterona é o aumento da pressão sangü ínea. Inibidores competitivo s da ECA são usados no tratamento da hipertensão dependente de 4 renina .)

237

HIPOTÁLAMO

Fatores liberadores

• Induz a síntese de testoster ona nas céluas de Leydig dos testículos. • Induz a ovul ação em fêmeas. • Estimula a síntese de estró genos e progestero na no corpo lúteo .

HORMÔNIO FOLICULOESTIMULANTE (FSH) • Estimula a secreção de estrógenos em fêmeas e andrógenos em machos. • Prom ove a espermatogênese nos testículos. HORMÔNIO ADRENOCORTICOTRÓFICO (ACTH) • Es tim ula a síntese e a secre- · ção de glicocortlcóldes.

Andrógenos. A produção dos andrógenos, principalmente desid roep iandrosterona e androstenediona, é feita tanto pela camada interna, quanto pela camada média do córtex da adrenal. Os andrógenos produzidos pela adrenal são pouco ativos, mas nos tecidos periféricos são convertidos em testosterona - um andrógeno muito potente - e em estradiol .

C. Secreção de hormônios esteróides pelas gônadas Os testículos e os ovários sintetizam os hormônios necessários para o desenvolvimento físico e para a reprodução. Um único fator liberador hipotalâmico, o horm ônio liberador de gonadotrofinas, estimula a hipófise anterior a liberar as glicoprote ínas hormônio l uteinizante (LH) e hormônio folículo-estimulante (FSH). Assim como o ACTH, o LH e o FSH atuam via receptores específicos na superfície celu lar, causando um aumento de AMPc. O LH estimula os testículos a produzirem testosterona e os ovários a produzirem estrógenos e progesterona (veja a Figura 18.27). O FSH regula o crescimento dos folículos ovarianos e estimula a espermatogênese nos testículos. (Nota: A presença de LH é necessária para o efeito máximo do FSH nas gônadas masculinas e femininas.)

Veja o Capitulo 19 de Farmacologia Ilustrada (2ª e 3• edições) para uma discussão acerca de hipertensão.

OVÁRIO

Figura 18.26 Estimulação da síntese e da secreção de hormônios esteróides pelos hormônios da hipófise.


238

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

D. Mecanismo de ação dos hormônios esteróides CÓRTEX ADRENAL

ALDOSTERONA

• Estimula a reabsorção renal de Na+ e excreção de K+. CORTISOL

• Estimula a gliconeogênese. • Tem ação antiinflamatória. • Promove a proteólise muscular.

Cada esteróide difunde através da membrana plasmática de suas célulasalvo e liga-se a um receptor específico citosólico ou nuclear. No núcleo, o complexo receptor-ligante dimeriza e, em associação com proteínas coativadoras, liga-se a seqüências reguladoras do DNA (elementos de resposta a hormônios, ERHs), causando a ativação do promotor e o aumento da transcrição de genes-alvo (Figura 18.28). Um ERH é encontrado em um elemento estimulador (veja a pág. 422), localizado próximo aos genes que respondem a um determinado hormônio esteróide, assegurando a regulação coordenada dos mesmos. O complexo hormônio-receptor pode também inibir a transcrição em associação com cc-recepto res. (Nota: A ligação do hormônio a seu receptor causa uma mudança conformacional no receptor, que deixa a descoberto seu domínio de ligação ao DNA, permitindo que o complexo interaja, por um motivo dedo de zinco, com a seqüência apropriada no DNA. Os receptores de diversos hormônios esteróides, de hormônios da tireóide, do ácido retinóico [veja a pág. 380] e do 1 ,25-diidroxicolecalciferol [vitamina D, veja a pág. 384] são reconhecidos como membros de uma "superfamília" de reguladores gênicos estruturalmente relacionados, que atuam de maneira similar.) E. lnativação dos hormônios esteróides

OVÁRIO ESTRÓGENOS

• Controlam o c iclo menstrual. • Promovem o desenvolvimento das características secundárias femininas .

PROGESTERONA

• Fase secretora do útero e das glândulas mamárias. • Implantação e maturação do ovo fertilizado.

TESTOSTERONA

• Estimula a espermatogênese. • Promove o desenvolvimento das

características masculinas secundárias. • Promove anabolismo. • Masculinização de fetos.

Figura 18.27 Ações dos hormônios esteróides.

Os hormônios esteróides são geralmente convertidos no fígado em produtos metabólicos inativos, destinados à excreção. As reações incluem a redução de ligações insaturadas e a introdução de grupos hidroxila adicionais. As estruturas resultantes são transformadas em produtos mais solúveis pela conjugação com ácido glicurônico ou sulfato (a partir do PAPS, veja a pág. 160). Aproximadamente 20 a 30% desses metabólitos são secretados para a bile e excretados nas fezes, enquanto o restante é liberado no sangue e filtrado nos rins, passando para a urina. Esses metabólitos conjugados são solúveis em água e não necessitam de proteínas transportadoras.

VIII.

RESUMO DO CAPÍTULO

O colesterol é um composto muito hidrofóbico, com um único grupo hidroxila - localizado no carbono 3 do anel A - no qual um ácido graxo pode ser ligado, produzindo um éster de colesterol. Em humanos, o colesterol é sintetizado por praticamente todos os tecidos, mas principalmente pelo fígado, intestino, córtex da adrenal e tecidos reprodutivos. O acetato é o doador de todos os átomos de carbono, e o NADPH fornece os equivalentes de redução. A energia para a rota de síntese provém da hidrólise de ligações tioéster de alta energia da acetii-CoA e do fosfato terminal do ATP O colesterol é sintetizado no citoplasma. A etapa limitante na síntese do colesterol é a reação da HMG-CoA-redutase citoplasmática, que produz ácido mevalônico a partir de hidroximetilglutarii-CoA (HMG-CoA). A enzima é regulada por vários fatores: 1) a expressão do gene da HMG-CoA-redutase é ativada quando os níveis de colesterol são baixos, resultando em aumento da enzima e, por conseqüência, em aumento na síntese de colesterol; 2) a atividade da HMG-CoA-redutase é controlada covalentemente pelas ações de uma proteína-cinase atívada por glucagon (que inativa a HMG-CoA-redutase) e de uma proteína-fosfatase ativada por insulina (que ativa a HMG-CoA-redutase); 3) drogas como a lovastatina e a mevastatina são inibidores competitivos da HMG-CoA-redutase. Elas são usadas para diminuir o colesterol plasmático em pacientes com hipercolesterolemia. A estrutura em anéis do colesterol não pode ser degradada por humanos.


Bioquímica Ilustrada

O colesterol pode ser eliminado do organismo pela conversão em sais biliares ou por sua secreção para a bile. Bactérias intestinais podem reduzir o colesterol a coprostanol e colestanol, que junto com o colesterol são os principais esteróides fecais neutros. Os sais biliares e a fosfatidilcolina são quantitativamente os principais compostos orgânicos da bile. Os sais biliares são ácidos biliares conjugados, produzidos pelo fígado. Os ácidos biliares primários, cólico ou quenodesoxicólico, são antipáticos e servem como agentes emulsificadores. A etapa limitante da síntese dos ácidos biliares é catalisada pela colesterol-7-a-hidroxilase, que é ativada por colesterol e inibida por ácidos biliares. Antes de deixarem o fígado, os ácidos biliares são conjugados a uma molécula de glicina ou de taurina, produzindo os sais biliares primários: os ácidos glicocólico ou taurocólico e os ácidos glicoquenodesoxicólico ou tauroquenodesoxicólico. Os sais biliares são mais antipáticos que os ácidos biliares e agentes emulsificadores mais eficientes. No intestino, bactérias podem remover a glicina e a taurina, como também o grupo hidroxila do núcleo esteróide, produzindo ácidos biliares secundários - os ácidos desoxicólico e litocólico. A bile é secretada no intestino e mais de 95% dos ácidos e sais biliares são eficientemente reabsorvidos. Eles são ativamente transportados das células da mucosa intestinal para o sangue porta, sendo transportados ligados à albumina de volta para o fígado (circulação entero-hepática). No fígado, os ácidos biliares primários e secundários são novamente convertidos em sais biliares e secretados com a bile. Se entra na bile mais colesterol do que pode ser solubilizado pelos sais biliares e pela fosfatidilcolina disponíveis, pode ocorrer a formação de cálculos biliares (colelitíase) . As lipoproteínas plasmáticas incluem quilomicra, lipoproteínas de muito baixa densidade {VLDLs), lipoproteínas de baixa densidade {LDLs) e lipoproteínas de alta densidade {HDLs). A função das lipoproteínas é manter os lipídeos em solução (triacilgliceróis e ésteres de colesterol) durante o seu transporte entre os tecidos. As lipoproteínas são compostas de um núcleo de lipídeos neutros (contendo triacilgliceróis, ésteres de colesterol, ou ambos) circundados por um envoltório antipático de apolipoproteínas, fosfolipídeos e colesterol livre (não-esterificado) . Os quilomicra são produzidos nas células da mucosa intestinal a partir de lipídeos da dieta (principalmente triacilgliceróis) e de lipídeos sintetizados nessas células. Cada quilomícron nascente contém uma molécula de apolipoproteína 8-48 (apo 8-48). Os quilomicra são liberados pelas células no sistema linfático e viajam até o sangue, onde recebem apo C-11 e apo E, doadas pelas HDLs, formando quilomicra funcionais. A apo C-11 ativa a lipase lipoprotéica, que degrada os triacilgliceróis dos quilomicra em ácidos graxos e glicerol. Os ácidos graxos liberados são armazenados (no tecido adiposo) ou usados para energia (pelo músculo). O glicerol é metabolizado no fígado. Pacientes com deficiência na lipase lipoprotéica ou na apo C-11 mostram um dramático acúmulo de quilomicra no plasma (h iperlipoproteinemia do tipo I, deficiência familiar de lipase lipoprotéica ou hipertriacilglicerolemia). Depois da hidrólise da maioria dos triacilgliceróis, a apo C-11 retorna para a HDL, e o quilomícron remanescente - transportando a maioria do colesterol da dieta - liga-se a um receptor no fígado, que reconhece a apo E. A partícula é endocitada e seus componentes degradados pelas enzimas lisossomais. VLDLs nascentes são produzidas no fígado e são compostas principalmente de triacilgliceróis. Elas contêm uma única molécula de apo 8-100. Como os quilomicra nascentes, também recebem apo C-11 e apo E das HDLs no plasma. A função das VLDLs é carregar triacilgliceróis do fígado para os tecidos periféricos, onde a lipase lipoprotéica degrada os lipídeos. Na medida em que os triacilgliceróis são removidos das VLDLs, estas recebem ésteres de colesterol das HDLs. Esse processo é feito pela proteína transferidora de ésteres de colesterol. As VLDLs no plasma são por fim convertidas em LDLs - muito menores e mais densas. A apo

Receptor inativo

239

VI I

DNA

~

Região estimuladora

o

A ligação do complexo hormônio esteróide-receptor ao elemento de resposta a hormônio na região estimuladora ativa : o promotor do gene, · causando a transcrição.

Promotor

RNAm

Figura 18.28 Ativação da transcrição pela interação do complexo hormônio esteróide-receptor com o elemento de resposta a hormônio (ERE).


240

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

C-11 e a apo E retornam para as HDLs, mas a LDL retém a apo 8-100, que é reconhecida por receptores nos tecidos periféricos e no fígado . A LDL sofre então endocitose mediada por receptor e seus com ponentes são degradados nos lisossomos. A deficiência de receptores funcionais para LDL causa hiperlipidemia do tipo 11 (hipercolesterolemia familiar) . O colesterol endocitado inibe a HMG-CoA-redutase e diminui a síntese de receptores para LDL. O colesterol também pode ser esterificado pela acii-CoA:colesterol-aciltransferase e armazenado. As HDL são sintetizadas pelo fígado e pelo intestino. Elas têm uma série de funções: 1) são um reservatório circulante de apo C-11 e apo E para quilomicra e VLDL; 2} removem colesterol não-esterificado das superfícies celulares e de outras lipoproteínas e o esterificam , usando a fosfatidilcolina:colesterol-aciltransferase, uma enzima sintetizada pelo fígado e que é ativada pela apo A-1 ; e 3) transportam esses ésteres de colesterol para o fígado ("transporte reverso de colesterol"). O colesterol é precursor de todos os hormônios esteróides (glicocorticóides, mineralocorticóides e hormônios sexuais - andrógenos, estrógenos e progestágenos). A síntese, usando principalmente oxidases de função mista, ocorre no córtex da adrenal (cortisol, aldosterona e andrógenos), nos ovários e na placenta (estrógenos e progestágenos) e nos testículos (testosterona). Cada hormônio esteróide difunde pela membrana plasmática de suas células-alvo e liga-se a um receptor específico citosólico ou nuclear. O complexo recepto r-ligante acumula no núcleo, dimeriza e liga-se a uma seqüência regulatória específica do DNA (elementos de resposta a hormônios) em associação com proteínas co-ativado ras, causando a ativação do promotor e estimulando a transcrição de genes-alvo.

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. Para as questões 18.1 e 18.2: Uma menina com história de forte dor abdominal foi levada às 5 horas da manhã para o hospital local , com muita dor. O sangue coletado tinha aparência opalescente, e o nível de triacilgliceróis era 2.000 mg/dl (normal = 4-150 mg/d l ). A paciente foi colocada em dieta com severa restrição lipídica, mas suplementada com ácidos graxas de cadeia média. 18.1 Qual das seguintes lipoproteínas é a mais provável responsável pela aparência do plasma da paciente? A. Quilomicra

B. VLDL C. IDL D. LDL E. HDL

Resposta correta = A. A aparência opalescente do sangue deve-se aos quilomicra, ricos em triacilgliceróis. Como são 5 horas da manhã, presumivelmente se passaram várias horas depois do jantar e a paciente deve ter dificuldade na depuração dessa lipoproteina. IDL. LDL e HDL contêm principalmente ésteres de colesterol e, se uma delas estivesse aumentada, causaria hipercolesterolemia. VLDLs não causam a aparência opalescente do plasma.


241

Bioquímica Ilustrada

Síntese de colesterol Acetii-CoA

t

Principal mecanismo regulatório: Regulação da expressão gênica dependente de esterói s

+

responde a

HMG·CoA

"""'"'d"'·"]:

Alvo das estatinas (drogas usadas na terapia da hipercotesterolemia)

Ácido mevalônico

t Todos os tecidos. ocorre em mas principalmente 1+-_;:.:..:.....:....:=-.---l no fígado

Citosol

t elO t C15

ocorre no

t t

AT P utiliza

I

t

D

Atividade da PLERE

induza

t

[ ) Transcrição genética

induza

o

t

Atividade da PLERE

induza

t ( ] Transcrição genética

I

induza

t

induz a

Quantidade de enzima

C3o

NADPH utiliza

Colesterol intracelular

induza

c5

utiliza

Acetato é a fonte de todos os carbonos

D

-+-- -+- -....

Colesterol

Lipoproteínas

@1l Fígado e intestino I

produzem

j

L21 IT2l I

I

produz

produz

produ

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LDL

I

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I

composição

VL!JL composição

t

t li'&@

Alto coDestelfOI

ais alto colesterol

função

função

t

t

Transporte do colesterol para o fígado para eliminação

Intestino

I

HDL

composição

~

Transporte do colesterol para os tecidos periféricos

Figura 18.29 Mapa de conceitos-chave para o coleste rol.

composição

t

&~0~®

Col este!J'OH [l,)é!!\§xo

C on......~t.,l7'01 ~m>lli!Cil:c - D xo

função

t Transporte dos TAGs sintetizados de novo para os tecidos periféricos

Transporte dos TAGs da dieta para os tecidos periféricos


242

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

18.2 Explique por que a dieta foi suplementada com ácidos graxos de cadeia média: A. São mais calóricos que os de cadeia longa. B. Entram diretamente no sangue porta e podem ser metabolizados pelo fígado. C. São ativadores da lipase lipoprotéica. D. São mais eficientemente empacotados nas lipoproteínas plasmáticas. E. Podem ser convertidos em uma variedade de precursores gliconeogênicos. 18.3 Uma mulher de 35 anos procurou um serviço de emergência devido a uma dor abdominal recorrente. O histórico da paciente revelou que ela sentia, há cerca de 2 anos, dor no quadrante superior direito, que iniciava várias horas após a ingestão de refeições ricas em gorduras/trituras. A ultra-sonografia mostrou a presença de numerosos cálculos na vesícula biliar. A paciente inicialmente escolheu um tratamento que consistia na administração de ácido quenodesoxicólico, mas posteriormente sofreu remoção cirúrgica da vesícula bi liar, apresentando recuperação completa. A razão para o tratamento inicial da paciente com o ácido quenodesoxicólico é que este composto: A. B. C. D. E.

interfere com a circulação entero-hepática; inibe a síntese de colesterol; aumenta a síntese de novo de ácidos biliares; aumenta a solubilidade do colesterol na bile; estimula a produção de VLDL no fígado.

Resposta correta = B. Ácidos graxos de cadeia média não são empacotados nos quilomicra, sendo transportados pela albumina para o ligado, onde podem ser metabolizados. Eles têm a mesma densidade calórica dos ácidos graxos de cadeia longa e são geralmente mais cetogênicos que glicogênicos. A lipase lipoprotéica não participa do seu metabolismo.

Resposta correta = D. O ácido quenodesoxicólico é um ácido biliar usado no tratamento de cálculos biliares. Ele é uma molécula antipática que atua como agente emulcificador e ajuda a solubilizar o colesterol. Não tem efeito sobre a circulação entero-hepática, não interfere na síntese de colesterol , não aumenta a produção de bile e não estimula a produção de VLDL.


Aminoácidos: Destino do Nitrogênio

-.

I. VISÃO GERAL Ao contrário do que ocorre com gorduras e carboidratos, os aminoácidos não são armazenados pelo corpo, isto é, não há proteínas cuja única função seja manter um suprimento de aminoácidos para utilização posterior pelo organismo. Assim sendo, os aminoácidos devem ser obtidos da dieta, sintetizados de novo ou produzidos pela degradação protéica normal. Quaisquer aminoácidos em excesso em relação às necessidades biossintéticas da célu la são rapidamente degradados. A primeira fase do catabolismo envolve a remoção dos grupos ex-amino (em geral por transaminação e subseqüente desaminação oxidativa), formando amônia e o a-cetoácido correspondente - os "esqueletos carbonados" dos aminoácidos. Uma parte da amônia livre é excretada na urina, porém a maior parte dela é utilizada na síntese de uréia (Figura 19 .1 ), que é quantitativamente a via mais importante para o descarte do nitrogênio do organismo. Na segunda fase do catabolismo dos aminoácidos, descrita no Capítulo 20, os esqueletos carbonados dos a-cetoácidos são convertidos em intermediários comuns das vias metabólicas produtoras de energia. Esses compostos podem ser metabolizados a C0 2 e H20 , glicose, ácidos graxos ou corpos cetônicos pelas vias centrais do metabolismo, descritas nos Capítulos 8 a 13 e 16.

11.

METABOLISMO GERAL DO NITROGÊNIO

O catabolismo dos aminoácidos é parte do processo maior do metabolismo do nitrogênio no organismo. O nitrogênio entra no corpo em uma variedade de compostos presentes nos alimentos, os mais importantes quantitativamente sendo as proteínas da dieta. O nitrogênio deixa o organismo como uréia, amônia e outros produtos derivados do metabolismo dos aminoácidos. O papel das proteínas do corpo nessas transformações envolve dois conceitos importantes: o conjunto (poo~ dos aminoácidos e a renovação das proteínas. Figura 19.1 O ciclo da uréia, mostrado como parte das reações essenciais do metabolismo energético. (Veja a Figura 8.2, pág. 90, para uma visão mais detalhada do mapa metabólico.)


244

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

RENOVAÇÃO A renovação protéica resulta da s íntese e da degradação simultâneas moléculas protéicas. Em adultos saudáveis, a quantidade total de proteína no organismo permanece constante, pois a velocidade de síntese protéica é s uficiente apenas para substituir a proteína que é degradada. Proteína da dieta 1 oo g/dia (típica de uma dieta norte-americana)

A síntes e de aminoácidos não-essenciais é variável

A. Conjunto dos aminoácidos Os aminoácidos liberados pela hidrólise das proteínas da dieta ou das proteínas teciduais, ou ainda sintetizados de novo, misturam-se com outros aminoácidos livres distribuídos no organismo. Coletivamente, eles constituem o conjunto ou estoque de aminoácidos (Figura 19.2). Esse conjunto, contendo cerca de 100 g de aminoácidos, é pequeno em co mparação com a quantidade de proteína corporal (cerca de 12 kg em um homem de 70 kg). Se o único destino desse conjunto de aminoácidos fosse a sua utilização para sintetizar novamente as proteínas corporais, os indivíduos adultos não te riam necessidades si gnificativas de proteína na dieta. No entanto, apenas cerca de 75% dos aminoácidos obtidos pela hidrólise das proteínas corporais são recapturados na biossíntese de novas proteínas teciduais. Os restantes são metabolizados para servir como precursores para compostos mostrados na Figura 19.2, alguns dos quais são descritos em detalhe no Capítulo 21. Em indivíduos bem-a limentados, essa perda metabólica de aminoácidos é compensada pela proteína da dieta, que contribui para o conjunto dos aminoácidos.

B. Renovação das proteínas A maioria das proteínas corporais está constantemente sendo sintetizada e então degradada, permitindo a remoção de proteínas anormais ou desnecessárias. Para muitas proteínas, a regu lação da síntese determina sua concentração na célu la, com a degradação protéica apresentando menor importância nessa avaliação. Para outras proteínas, a velocidade de síntese é constitutiva, ou seja, relativamente constante, e os níveis celulares da proteína são controlados por degradação seletiva.

Proteína corporal -400 g/d ia

1.

Taxa de renovação. Em adultos saudáveis, a quantidade total de proteína co rporal permanece constante, pois a taxa de síntese protéica é apenas suficiente para substituir a proteína que é degradada. Esse processo, denominado renovação das proteínas, leva à hidrólise e nova síntese de 300 a 400 g de proteína corporal a cada dia. A taxa de renovação das proteínas varia amplamente, de acordo com o tipo de proteína. As de curta duração (por exemplo, muitas proteínas reguladoras e proteínas que são organizadas de forma errônea) são degradadas rapidamente , apresentando medidas de meias-vidas de minutos ou horas. As de longa duração, com meias-vidas de dias a semanas, con stitue m a maioria das proteínas ce lulares. Proteínas estruturais, como o colágeno, são metabolicamente estáveis e apresentam meias-vidas medidas em meses ou anos.

2.

Degradação protéica. Há dois sistemas enzimáticos principais, que são responsáveis pela degradação de proteínas danificadas ou desnecessári as: o mecanismo ubiquitina-proteassomo, depende nte de energia , e as enzimas degradativas dos lisossomos, não dependentes de energia. Os proteassomos degradam principal mente proteínas endógenas, ou seja, proteínas que foram sintetizadas dentro da própria célula. Os lisossomos (veja a pág. 160) degradam principalmente proteínas extracelulares, tai s como proteínas plasmáticas, que foram captadas pela célula por endocitose, e proteínas de superfície da membrana, que são utilizadas na endocitose mediada por receptor.

Síntese de: • Porfirinas

• Creatlna • Neurotransmissores

• Purlnas

Quantidade variável

Glicose, glicogênio

• Pirimidinas

• Outros compostos nitrogenados

Corpos cetônico!;.l ácidos graxos, esteróides

Os aminoácidos não-utilizados nas reações de bioss íntese são queimados como combustível

Figura 19.2 Fontes e destinos dos aminoácidos.

a.

Via proteolítica ubiquitina-proteassomo. Proteínas destinadas à degradação pelo mecanismo ubiquitina-proteassomo são inicialmente ligadas covalentemente à ubiquitina, uma pequena proteína globular. A ubiquitinação do substrato-alvo ocorre por


245

Bioquímica Ilustrada

meio da ligação da o:-carboxila da glicina C-terminal da ubiquitina a um grupo e-amino de uma lisina da proteína que serve de substrato. A adição consecutiva de porções ubiquitina gera uma cadeia de poliubiquitina. Proteínas marcadas com ubiquitina são então reconhecidas por uma molécula proteolítica grande, com formato de barril, denominada proteassomo, a qual fuciona como uma "lata de lixo" (Figura 19.3). O proteassomo corta a proteína-alvo em fragmentos, que são posteriormente degradados em aminoácidos, os quais entram no co njunto dos aminoácidos. Deve-se observar que a degradação seletiva de proteínas pelo complexo ubiquitina-proteassomo (ao contrário da simples hidrólise por enzimas proteolíticas) requer ATP, ou seja, é dependente de energia. b.

Sinais químicos para a degradação protéica. Uma vez que as proteínas apresentam diferentes meias-vidas, é evidente que a degradação protéica não pode ser casual, mas deve ser influenciada por algum aspecto estrutural da proteína. Por exemplo, algumas proteínas que foram alteradas quimicamente por oxidação ou marcadas com ubiquitina são degradadas preferencialmente. A meia-vida de uma proteína é influenciada pela natureza de seu resíduo N-terminal. Por exemplo, proteínas que apresentam serina como o aminoácido N-terminal são de maior duração, com meia-vida de mais de 20 horas. Em contraste, proteínas com aspartato como o aminoácido N-terminal apresentam meia-vida de apenas três minutos. Além disso, proteínas ricas em seqüências contendo prolina, glutamato, serina e treonina (denominadas seqüências PEST, devido às designações de uma letra para esses aminoácidos) são degradadas rap idamente e, portanto, apresentam menores meias-vidas intracelulares.

o

Proteínas destinadas a serem degradadas são marcadas com moléculas · de ubiquitina.

Eli As proteínas m arcadas y com ubiquitina são reconhecidas pelo proteassomo, que desdobra a proteína e a transporta a seu centro proteolítlco. Moléculas de ubiquitina ligadas em seqüência

Proteína celular

ATP

AMP+ PP 1

Ubiquitina

I

III.

/l.t:.-.l ,1

DIGESTÃO DAS PROTEÍNAS DA DIETA

A maior parte do nitrogênio da dieta é consumida na forma de proteínas, perfazendo de 70 a 100 g/dia na dieta típica de um norte-americano (veja a Figura 19.2). As proteínas são geralmente grandes demais para serem absorvidas pelo intestino. (Nota: Um exemplo de uma exceção a essa regra é o caso de recém-nascidos, que podem absorver anticorpos maternos presentes no leite, quando amamentados.) As proteínas, portanto, devem ser hidrolisadas, produzindo seus aminoácidos constitutivos, os quais podem ser absorvidos. As enzimas proteolíticas responsáveis pela degradação das proteínas são produzidas por três diferentes órgãos: o estômago, o pâncreas e o intestino delgado (Figura 19.4). A. Digestão de proteínas pela secreção gástrica A digestão das proteínas começa no estômago, o qual secreta o suco gástrico - uma solução ímpar, contendo ácido clorídrico e a pró-enzima pepsinogênio: 1.

Ácido clorídrico. O ácido contido na secreção gástrica está muito diluído (pH 2 a 3) para hidrolisar proteínas. Ele tem outras funções, quais sejam, matar algumas bactérias e desnaturar proteínas, assim tornando-as mais suscetíveis à hidrólise subseqüente por proteases.

2.

Pepsina. Essa endopeptidase, estável em meio ácido, é secretada pelas células serosas do estômago como um zimogênio inativo (ou

Proteases não-específicas ,.. -

Aminoácidos

Fragmentos peptídicos produzidos pelo proteassomo são degradados, produzindo aminoácidos.

Figura 19.3 A via ubiquitina-proteassomo de degradação das proteínas.


246

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

~

____;; ''"'''"'

D

]~

~o

PARA O FÍGADO

. · ~·

l Pepsina Polipeptídeos e aminoácidos E/astase Carboxipeptid ase Tripsina Ouimotripsina

l l

Oligopeptídeos e aminoácidos INTESTINO DELGADO

pró-enzima), o pepsinogênio. Em geral, os zimogênios contêm aminoácidos adicionais em suas seqüências, o que os impede de serem cataliticamente ativos. (Nota: A remoção desses aminoácidos permite o dobramento correto necessário para a enzima ser ativada.) O pepsinagênio é ativado produzindo pepsina, seja pelo HCI ou por autocatálise por outra molécula de pepsina que já tenha sido ativada. A pepsina libera peptídeos e uns poucos aminoácidos livres a partir das proteínas da dieta. 8 . Digestão das proteínas por enzimas pancreáticas Ao entrar no intestino delgado, os grandes polipeptídeos produzidos no estômago pela ação da pepsina são clivados por um grupo de proteases pancreáticas, resultando em oligopeptídeos e aminoácidos. 1.

Especificidade. Cada uma dessas enzimas apresenta uma diferente especificidade pelos grupos R dos resíduos de aminoácidos adjacentes à ligação peptídica suscetível (Figura 19.5). Por exempl o, a tripsina cliva apenas quando o grupo carbon ila da ligação peptídica é fornecido pela arginina ou pela lisina. Essas enzimas, assim como a pepsina, descrita anteriormente, são sintetizadas e secretadas na forma de zimogênios inativos.

2.

Liberação dos zimogênios. A liberação e a ativação dos zimogênios pancreáticos é mediada pela secreção de colecistocinina e de secretina, dois hormônios polipeptídicos do trato digestivo (veja a pág. 174).

3.

Ativação dos zimogênios. A enteropeptidase (anteriormente chamada de en terocinase) - uma enzima sintet izada por célu las da mucosa intestinal e ali presente na superfície luminal da membrana em forma de escova - converte o zimogênio pancreático tripsinogênio em tripsina pela remoção de um hexapeptídeo da extremidade -NH2 do tripsinogênio. Subseqüentemente, a tripsina converte ou tras moléculas de tripsinogênio em tripsina pela clivagem de um número limitado de ligações peptídicas específicas no tripsinogênio. A enteropeptidase, desse modo, desencadeia uma cascata de atividades proteolíticas, pois a tripsina é o ativador comum de todos os zimogênios pancreáticos (veja a Figura 19.5).

4.

Anormalidades na digestão de proteínas. Em indivíduos com deficiência na secreção pancreática (por exemplo, devido a p ancreatite crônica, fibrose cística ou remoção cirúrgica do pâncreas) , a digestão e a absorção de gordura e proteína é incompleta. Isso resulta no aparecimento anormal de lipídeos (denominado esteatorréia, veja a pág. 175) e de proteínas não-digeridas nas fezes.

Aminopeptidases

~.-..-__ Aminoácidos

Figura 19.4 Digestão de proteínas da dieta por enzimas proteolíticas do trato gastrintestinal.

C. Digestão de oligopeptídeos por enzimas do intestino delgado A superfície luminal do intestino contém a enzima aminopeptidase - uma exopeptidase que cliva repetidamente o resíduo N-term inal dos oligopeptídeos, produzindo aminoácidos livres e peptídeos menores. D. Absorção dos aminoácidos e dos dipeptídeos Aminoácidos livres e dipeptídeos são captados pelas células epiteliais do intestino. Ali, os dipeptídeos são hidrolisados no citosol, produzindo aminoácidos, antes de serem liberados para o sistema porta. Desse modo, apenas aminoácidos livres são encontrados na veia porta após uma refeição


Bioquímica Ilustrada

247

INTESTINO DELGADO

Ala j Ala A ( lle ) B Arg ( Met ~ Arg)~ (Giy)~ • ~~~ ou (Lys) R ( Lys . R Leu • R Ser • R • I HO H O:. H O H O:. .. ... H O H O:... H O:... H O . . .. Tyr Trp

Phe

I

I

I

I

11 a

I

I

I

I

11 •

I

I

I

I

11 •

I

11 •

+H 3 N~c - C - N H -C -C ~ NH - C-C-NH-C -C~N H -C-C-NH-C - C~NH- C - C ~ N H-C-C-0 I

/

Proteína da d ieta

11

11

11

Quimo trip sina

Elastase

I

11

c.,,.,,,.f'""

Carboxipeptidase A

s

t

Pró-carboxipeplidase A Pró-carboxipeplidase B

Figura 19.5 Clivagem das proteínas da dieta por proteases do pâncreas. As ligações peptídicas suscetíveis à hidrólise estão mostradas para cada uma das cinco principais proteases pancreáticas. (Nota: A enteropeptidase é sintetizada no intestino.)

contendo proteína. Esses aminoácidos são metabolizados pelo f ígado ou liberados na circulação geral.

IV. TRANSPORTE DOS AMINOÁCIDOS PARA O INTERIOR DAS CÉLULAS As concentrações de aminoácidos livres nos fluidos extracelulares são significativamente mais baixas que aquelas dentro das cél ulas do o rganismo. Esse gradiente de concentração é mantido por sistemas de transporte ativo, impulsionados pela hidrólise do ATP, os quais são necessários para o movimento dos aminoácidos do espaço extracelular para dentro das células. Pelo menos sete diferentes sistemas de transporte são conhecidos, os quais apresentam especificidades que se sobrepõem em relação aos diferentes aminoácidos. Por exemplo, um sistema de transporte é responsável pela reabsorção dos aminoácidos cistina, ornitina, arginina e lisina nos túbulos renais. Na doença herdada ci s tinúria, esse sistema de carreador aprese nta-se deficie nte, resultando no aparecimento de todos os quatro aminoácidos na urina (Figura 19.6). A cistinúria ocorre com uma freqüência de 1 em 7 .000 indivíduos, o que a torna uma das doenças herdadas mais comuns e o mais comum erro genético de transporte de aminoácidos. A doença expressa-se clinicamente pela precipitação de cistina, formando pedras renais (cálculos), as quais bloqueiam o trato urinário. Hidratação oral é uma parte importante do tratamento para essa doença.

V.

REMOÇÃO DO NITROGÊNIO DOS AMINOÁCIDOS

A presença do grupo a -amino mantém os aminoácidos a salvo da degradação oxidativa. A remoção do grupo a-amino é essencial para a produção de energia a partir de qualquer aminoácido e é um passo obrigatório no catabolismo

T úbulo proximal convoluto

A c istinúria é um a doença da reabsorção, no túbulo proximal, de ci stina e de aminoácidos di básicos (lisina, ornitina, arginina) ali filtrados.

Arginina Cistlna Ornitina Lisina

A incapacidade de reabsorver a c istlna leva ao acúmulo, e s ubseqüente precipitação , de pedras de cistina no t rato urinário.

Figura 19.6 Defeito genético observado na cistinúria.


248

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

coo'

C(H2 C(H2 O= C

R

HC- NH3+ I

coo-

cooa-Aminoácido

a-Cetoglutarato

Aminot~Ransfe:xase

coo'

I

C =O COO-

C(H2 + C(H2 H 3 N- ÇH

coo-

a-Cetoácido

Glutamato

Figura 19.7 Reação de uma aminotransferase, utilizando a-cetoglutarato como aceptor do grupo amino.

destes. Uma vez removido, esse nitrogênio pode ser incorporado em outros compostos ou excretado, com o esqueleto carbonado sendo metabolizado. Esta seção descreve a transaminação e a desaminação oxidativa - reações que fornecem, em última análise, a amônia e o aspartato, as duas fontes de nitrogênio para a uréia (veja a pág. 251). A. Transaminação : o afunilamento d os grupos amino em direção à síntese de glutamato O primeiro passo no catabolismo da maioria dos aminoácidos é a transferência de seus grupos ex-amino para o a -cetoglutarato (Figu ra 19.7). Os produtos são um a -cetoácido (derivado do aminoácido original) e o glutamato. O a-cetog lutarato desempenha um papel singular no metabolismo dos aminoácidos, aceitando grupos amino de outros aminoácidos e transformando-se no glutamato. O glutamato produzido por transaminação pode ser desaminado oxidativamente (veja a seguir) ou utilizado como um doador de grupo amino para a síntese de aminoácidos não-essenciais. Essa transferência de grupos amino de um esqueleto carbonado para outro é catalisada por uma família de enzimas denominadas ami notransferases (anteriormente chamadas transaminases). Essas enzimas são encontradas no citosol das células em todo o organismo - especialmente aquelas do fígado, rins, intesti no e músculo. Todos os amin oácidos, com exceção da lisina e da treonina, participam em transaminações em algum ponto de seus catabolismos. (Nota: Esses dois aminoácidos perdem seus grupos a -amino por desaminação [veja a pág. 264].) 1.

D

Alani na-aminotrans ferase Alanina

Piruvato

a.

Alanina-aminotransf erase (ALT). Inicial mente denominada g/utamato:piruvato-transaminase ( GPT) , está presente em muitos tecidos. A enzima catalisa a transferência do grupo amino da alanina para o a-cetoglutarato, resultando na formação de piruvato e glutamato. A reação é facilmente reversível. Durante o catabolismo dos aminoácidos, no entanto, essa enzima (como a maioria das aminot ransferases) funciona na direção da síntese de glutamato. Desse modo, o glutamato atua, efetivamente, como um "coletor" de nitrogênio a partir da alanina.

b.

Aspartato-aminotra nsferase (AST). Inicialmente denominada glutamato:oxalacetato-transaminase ( GOT) , é uma exceção à regra de que as aminotransferases afunilam os grupos amino para formar glutamato. Durante o catabolismo dos aminoácidos, a AST transfere grupos amino do glutamato para o oxalacetato, formando aspartato, o qual é utilizado como uma fonte de nitrogênio no ciclo da uréia (veja a pág. 251 ).

a-Cetoglutarato

X

Glutamato

m

A spartato-aminotransferase

Oxal acetato

Especificidade das aminotransferases quanto a seus substratos. Cada aminotransferase é específica para um ou, no máximo, uns poucos doadores de grupos amino. As aminotransferases são designadas a partir do doador específico do grupo amino, pois o aceptor do grupo amino é quase sempre o a-cetoglutarato. As duas mais importantes reações de aminotransferases são catalisadas pela alanina-aminotransferase e pela aspartato-aminotransferase (Figura 19.8).

Glutamato

., ,. ,. Xo·C"'og'"~~

Figura 19.8 Reações catalisadas durante o catabolismo dos aminoácidos.

2.

Mecanismo de ação das amin otransferases. Todas as aminotransferases requerem a coenzima pi ridoxal-fosfato (um derivado da vitamina 8 6 , veja a pág. 376), a qual está covalentemente ligada ao grupo t:-amino de um resíduo específico de lisina no sítio ativo da enzima. As aminotransferases atuam transferindo o grupo amino de um aminoácido para a porção piridoxal da coenzima, gerando piridoxamina-fosfato . A


249

Bioquímica Ilustrada

forma piridoxamina da coenzima reage então com o a-cetoácido para formar um aminoácido, ao mesmo tempo regenerando a forma aldeído original da coenzima. A Figura 19.9 mostra essas duas reações componentes para a reação catalisada pela aspartato-aminotransferase. 3.

4.

b.

Doença não-hepática. As aminotransferases podem estar elevadas em doenças não-hepáticas, como infarto do miocárdio e doenças musculares. Essas doenças, no entanto, são em geral clinicamente distintas das doenças hepáticas.

B. Glutamato-desidrogenase: a desaminação oxidativa dos aminoácidos Em contraste com as reações de transaminação, que transferem grupos amino, a desaminação oxidativa pela glutamato-desidrogenase resulta na liberação do grupo amino como amônia livre (Figura 19.11 ). Essas reações ocorrem principalmente no fígado e no rim. Elas fornecem a -cetoácidos, que podem entrar nas vias centrais do metabolismo energético, e amônia, fonte de nitrogênio na síntese de uréia. Glutamato-desidrogenase. Como descrito anteriormente, os grupos amino da maioria dos aminoácidos são, no final, afunilados na síntese de glutamato, por meio de transaminação com o a-cetoglutarato. O glutamato é singular, pelo fato de ser o único aminoácido que sofre rápida desaminação oxidativa - uma reação catal isada pela glutamato-desidrogenase (veja a Figura 19.1 O). Portanto, a ação seqüencial da transa-

c-o-

1

1

TNH3-c-H I

O=C I

H-C-H I H-C-H

H-CH I H- C- H

o"

o"

6-o-

Valor diagnóstico das aminotransferases plasmáticas. As aminotransferases são, normalmente, enzimas intracelulares , de modo que os baixos níveis observados no plasma representam a liberação de conteúdos celulares durante a renovação celular normal. A presença de níveis plasmáticos elevados de aminotransferases indica lesão em células ricas nessas enzimas. Por exemplo, trauma físico ou um processo patológico podem causar lise celu lar, resultando na liberação de enzimas intracelulares para o sangue. Duas aminotransferases - AST e ALT- são de especial valo r diagnóstico quando aparecem no plasma. Doença hepática. Os níveis plasmáticos de AST e ALT estão elevados em quase todas as doenças hepáticas, mas estão especialmente altos em condições que causam ampla necrose celular, como hepatite virai grave, lesão tóxica e colapso circulatório prolongado. A ALT é mais específica que a AST para doenças hepáticas, mas essa última é mais sensível, pois o fígado contém maiores quantidades de AST. Medidas enzimáticas seriais são freqüentemente úteis para a determinação da evolução do dano hepático. A Figura 19.10 mostra a liberação inicial de ALT no soro após a ingestão de uma toxina hepática. (Nota: Bilirrubina sérica elevada resulta de lesão hepatocelular, que diminui a conjugação hepática e a excreção de bilirrubina (veja a pág. 282].)

o11

c-o-

Equilíb rio das reações de transaminação. Para a maioria das reações de transaminação, a constante de equilíbrio aproxima-se de um, permitindo que a reação funcione em ambos os sentidos, degradação do aminoácido, pela remoção do grupo a-amino (por exemplo, após o consumo de uma refeição rica em proteínas), e biossíntese, pela adição de grupos amino a esqueletos carbonados de a-cetoácidos (por exemplo, quando o suprimento de aminoácidos a partir da dieta não for adequado para satisfazer as necessidades de síntese das células).

a.

1.

o11

6-o-

Pirldoxalfosfato

Piridoxamlnafosfato

o

o c-o-

" c-o-

11

1

+NH3-C -H I

O=C I

H-C-H I

H-CH I

c-o-

c-oo"

o"

Aspartato

Oxalacetato

Figura 19.9 lnterconversão cíclica de piridoxalfosfato e piridoxamina-fosfato, durante a reação da aspartatoaminotransferase. (Nota: ® = grupo fosfato.)

Número de vezes do aumento sobre os valores normais

( 20x 15x 10x Bilirrubina

Sx

\ 24

36

48

Tempo após a ingestão (horas)

Figura 19.10 Padrão observado para a alaninaaminotransferase (ALT) sérica e para a bilirrubina plasmática após envenenamento com o cogumelo tóxico Amanita phalloides.


250

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

coo' y H2 ÇH2 H3 N - CH +

coo-

NAOD"j ", ~ \

çooÇH2 CH2

Giutamatodesidrogenase

r(

minação (resultando na coleta de grupos amino de outros aminoácidos, que são inseridos no a -cetoglutarato, produzindo glutamato) com a subseqüente desaminação oxidativa desse glutamato (regenerando o:-cetoglutarato) fornece uma via por meio da qual os grupos amino da maioria dos aminoácidos podem ser liberados como amônia.

O=C

a.

Coenzi mas . A g/utamato-desidrogenase é incomum pelo fato de poder uti lizar tanto o NAD+ quanto o NAD P+ como coenzi ma. O NAD+ é utilizado principalmente na desaminação oxidativa (a perda de amônia acoplada simultaneamente com a oxidação do esqueleto carbonado, Figura 19.1 2A). e o NADPH é utilizado na aminação redutora (o ganho de amônia acoplado simultaneamente com a redução do esqueleto carbonado, Figura 19.1 28).

b.

Sentido da reação. O sentido da reação depende das concentrações relativas de glutamato, a -cetoglutarato e amônia e da razão entre coenzimas oxidadas e reduzidas. Por exemplo, após a ingestão de uma refeição contendo proteína, os níveis de glutamato no fígado estão elevados, e a reação ocorre no sentido da degradação de aminoácidos e da formação de amônia (veja a Figura 19. 11). (Nota: A reação também pode ser utilizada para sintetizar aminoácidos a partir dos a -cetoácidos correspondentes [veja a Figura 19.1 1].)

c.

Reguladores alostéricos. ATP e GTP são inibidores alostéricos da glutamato-desidrogenase, enquanto ADP e GDP são ativadores dessa enzi ma. Desse modo, quando os níveis energéticos estão baixos na cél ula, a degradação dos aminoácidos pela g lutamatodesidrogenase está aumentada, faci litando a produção de energia a partir dos esqueletos carbonados derivados dos aminoácidos.

coo-

NH 3 NADP+ NADPH Glutamato

u-Cetoglutarato

Figura 19.11 Desaminação oxidativa pela glutamato-desidrogenase.

rJ Degradação de aminoácidos NH3

- NH2

a-Cetoglutarato

dos a-aminoácidos

a-Cetoácidos

2.

[SI Síntese de aminoácidos NH3 - NH2 dos

a-Cetoglutarato

Aminoácido-oxidase. o-Aminoácidos (veja a pág. 5) são encontrados em plantas e nas paredes celulares de microrganismos, mas não são utilizados na síntese de proteínas de mamíferos. Os o-aminoácidos estão, no entanto, presentes na dieta e são eficientemente metabolizados pelo f ígado. A o-aminoácido-oxidase é uma enzima dependente de FAD, que catalisa a desaminação oxidativa desses aminoácidos. Os a -cetoácidos resultantes podem entrar nas vias gerais do metabolismo dos aminoácidos, sendo novamente aminados em L-isômeros ou sendo catabolizados para produzir energia.

NADPH

(NAOH)

Figura 19.12 Ações combinadas das reações das aminotransferases e da glutamatodesidrogenase.

C. Transporte de aminoácidos para o fígado Dois mecan ismos são utilizados em humanos para o transporte da amônia dos tecidos periféricos para o fígado, para sua conve rsão final em uréia. O primeiro, utilizado na maioria dos tecidos, utiliza g lutamina-sintetase para combinar amônia com glutamato e formar glutami na - uma forma nãotóxica de transporte de amônia (Figura 19.1 3). A glutamina é transportada no sangue para o fígado, onde é clivada pela glutaminase para produzir glutamato e amônia livre (veja a pág. 254). O segundo mecanismo de transporte, utilizado principal mente pelo músculo, envolve transaminação do piruvato (produto final da glicólise aeróbica) para formar alanina (veja a Figura 19.8). A alanina é transportada pelo sangue para o fígado, onde é novamente convertida em piruvato por transaminação. No fígado, a via da gliconeogênese pode utilizar o piruvato para sintetizar glicose, a qual pode ir para o sangue e ser utilizada pelo músculo - uma via denominada ciclo da glicose-alanina.


Bioquímica Ilustrada

VI.

251

O CICLO DA URÉIA

A uréia é a principal forma de eliminação dos grupos amino oriundos dos aminoácidos e perfaz cerca de 90% dos componentes nitrogenados da urina. Um átomo de nitrogênio da molécula de uréia é fornecido por NH3 livre e o outro pelo aspartato. (Nota: O glutamato é o precursor imediato tanto do nitrogênio da amônia [por desaminação oxidativa pela glutamato-desidrogenase] quanto do nitrogênio do aspartato [por transaminação do oxalacetato pela aspartato-aminotransferase].) O carbono e o oxigênio da uréia são derivados do C02 . A uréia é produzida pelo fígado e então transportada pelo sangue até os rins, para ser excretada na urina.

!

Glutamato

G/utamina-sint:,a~ ADP+P 1 ~

ATP + NH3

Glutamina

A. Reações do ciclo As duas primeiras reações que levam à síntese de uréia ocorrem na mitocôndria, enquanto as demais enzimas do ciclo estão localizadas no citosol (Figura 19.14).

1.

2.

3.

4.

Formação do carbamoil-fosfato. A formação de carbamoil-fosfato, pela carbamoil-fosfato-sintetase I, é impulsionada pela clivagem de duas moléculas de ATP. A amônia incorporada no carbamoil-fosfato é fornecida principalmente pela desaminação oxidativa do glutamato, catalisada pela glutamato-desidrogenase mitocondrial (veja a Figura 19.11 ). No final, o átomo de nitrogênio originário dessa amônia tornase um dos nitrogênios da uréia. A carbamoil-fosfato-síntetase I requer N-acetil-glutamato como ativador alosté rico positivo (veja a Figura 19.14). (Nota: A carbamoil-fosfato-sintetase 11 participa na biossíntese das pirimidinas [veja a pág. 299]. Ela não requer N-acetil-glutamato e a reação ocorre no citosol.) Formação de citrulina. Ornitina e citrulina são aminoácidos básicos, que participam do ciclo da uréia. (Nota: Esses aminoácidos não são incorporados nas proteínas celulares, pois não há códons para eles [veja a pág. 429].) A ornitina é regenerada a cada volta do ciclo da uréia, de modo bastante semelhante à regeneração do oxalacetato pelas reações do ciclo do ácido cítrico (veja a pág. 109). A liberação do fosfato de alta energia do carbamoil-fosfato como fosfato inorgânico estimula o avanço da reação nesse sentido. O produto da reação, a citrulina, é transportado para o citosol. Síntese do argininossuccinato. A citrulina condensa-se com o aspartato para formar argininossuccinato. O grupo a.-amino do aspartato fornece o segundo nitrogênio que será, no final, inco rporado na uréia. A formação do argininossuccinato é estimulada pela clivagem do ATP em AMP e pirofosfato (PP;) . Essa é a terceira e última molécula de ATP consumida na formação da uréia. Clivagem do argini nossuccinato. O argininossuccinato é clivado, produzindo arginina e fumarato. A arginina formada nessa reação serve como precursor imediato da uréia. O fumarato produzido no ciclo da uréia é hidratado, dando maiato, fornecendo um elo de ligação com diversas vias metabólicas. Por exemplo, o maiato pode ser transportado para a mitocôndria via lançadeira do maiato e entrar novamente no ciclo do ácido cítrico. Alternativamente, o maiato citosólico pode ser oxidado a oxalacetato, que pode ser convertido em aspartato (veja a Figura 19.8) ou em glicose (veja a pág. 185) .

Uréia

t t

FÍGADO

NH3

a-Cetoglutarato

Al anina

Glutamato

>--<

Alanina- Piruvato ammotrans1 ferase T

+ CICLO DA GLICOSEALANINA ____..,.._

_ _

MÚSCUL

t

A lanina

T

A!aninaammotrans- p· ferase 1ruvato

;>-=< a-Cetoglutarato Glutamato- \ desidrogenase

Glutamato /

~

N

t

3

t

Aminoácidos

Figura 19.13 Transporte da amônia dos tecidos periféricos para o fígado.


252

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

Outros tecidos, além do fígado, podem também utilizar esta via para produzir arginina.

H,

,coo-

c

NI H2

11

-ooc Maiato

~----

CITOSOL

C =N H2 +

,c,

I

NH I

H Fuma rato

ÇH2

F.S A ornitina é

Uréia

ÇH2 CH 2

regenerada e transportada para dentro da mitocôndria.

W

HCNH3+

MATRIZ MITOCONDRIAL

I

coo~H3+ c;:oo.., = N-CH I

L-Arginina

I

t;JH ÇH2

ÇH2

coo-

ÇH2 CH2

t;JH3+

t;JH3+

ÇH2

ÇH2

ÇH2 CH 2

ÇH2

HCNH3+ I

ÇH2 HÇNH3+

coo-

coo-

L-Ornitina

L-Ornitina

HCNH3+ I

cooArgininossuccinato

N H2

Carbamoilfosfato

N H2

C=O

C= o

NH I

NH

I

I

+

ÇH2

<;======~~==~çH2

PPj

ÇH2

ÇH2

ÇH2 HÇNH3+

ÇH2 HÇNH3+

L-Citrulina

L·Citrulina

coo' H3N ÇH

coo-

coo-

yH2

a

o grupo amino do aspartato

coo-

1:.11 fornece um dos átomos de nitrogênio da uréia.

Oxalacetato

1:1 A amônia livre forn ece um ~ dos átomos de nitrogênio

a-Cetoglutarato

n U

o fumarato é hidratado a maiato, o qual é ox idado a oxalacetato, que é transa minado produzindo aspartato.

Figura 19.14 As reações do ciclo da uréia.

da uréia.

i:W A enzima apresenta absoluta 1:::11 necessidade da presença de N-acetil-glutamato, que alua como um ativador alostérico.


253

Bioquímica Ilustrada

5.

6.

Clivagem da arginina, resultando em ornitina e uréia. A arginase cliva a arginina em ornitina e uréia. Essa e nzima ocorre quase exclusivamente no fígado. Dessa forma, enquanto outros tecidos, como o rim, podem sintetizar arginina por meio dessas reações, apenas o fígado pode clivar a arginina e, assim, sintetizar a uréia. Destino da uréia. A uréia sai do fígado por difusão e é transportada no sangue até os rins, onde é filtrada e excretada na urina. Parte da uréia difunde do sangue para o intestino, onde é clivada em C0 2 e NH 3 pela urease bacteriana. Essa amônia é parcialmente perdida nas fezes e parcialmente reabsorvida para o sangue. Em pacientes com insuficiência renal, os níveis de uréia no plasma aumentam, promovendo maior transferência de uréia do sangue para o intestino. A ação intestinal da urease sobre essa uréia torna-se uma fonte cli nicamente importante de amônia, contribuindo para a hiperamonemia freqüentemente 1 observada nesses pacientes. A adm inistração o ral de neomicina reduz o número de bactérias intestinais responsáveis pela produção de NH 3.

NADH + NH3

j y

Glutamato

o.-Cetoácidos

Á

~

Fumarato

Quatro fosfatos de alta energia são consumidos na síntese de cada molécula de uréia: dois ATPs são necessários para restaurar os dois ADPs em dois ATPs, mais dois para restaurar o AMP em ATP. Portanto, a síntese de uréia é irreversível, com um t.G bastante negativo (veja a pág. 70). Um nitrogênio da molécula de uréia é fornecido pelo NH 3 livre e o outro nitrogênio pelo aspartato. O glutamato é o precursor imediato de a mbos os nitrogênios, o da amônia (por desaminação oxidativa, catalisada pela glutamato-desidrogenase) e o do aspartato (por transaminação a partir do oxalacetato, catalisada pela aspartato-aminotransferase). Assim, ambos os átomos de nitrogênio da uréia originam-se efetivamente do glutamato, o qual, por sua vez, recolhe o nitrogênio de outros aminoácidos (Figura 19.1 5).

Aspartato

Uréia

B. Estequiometria geral do ciclo da uréia Aspartato + NH3 + C02 + 3 ATP ~ Uréia + fumarato + 2 ADP +AMP + 2 P;+ PP; + 3 Hp

Oxalacetato

Arginina

~1

~

CICLÇ> DA

"t Argininossuccinato

UREIA

Ornitina )

~

. "-:-....

co2

v-=: Carbamoil-

Citrulina

fosfato

Figura 19.15 O fluxo de nitrogênio dos aminoácidos para a uréia. Os grupos amino utilizados na síntese da uréia são coletados na forma de amônia e aspartato.

C. Regulação do ciclo da uréia O N-acetil-glutamato é um ativador essencial da carbamoil-fosfato-sintetase I- o passo limitante da velocidade para o ciclo da uréia (veja a Figura 19.14). O N-acetil-glutamato é sintetizado a partir de acetii-CoA e glutamato (Figura 19.16), em uma reação ativada pela arginina. Assim sendo, a concentração intra-hepática de N-acetil-glutamato aumenta após a ingestão de uma refeição rica em proteína, que fornece tanto o substrato (glutamato), quanto o regulador da síntese de N-acetil-glutamato. Isso leva a um aumento na velocidade de síntese de uréia.

Gl~~:~~loiM

Aceta)(W

VIl.

O METABOLISMO DA AMÔNIA

A amônia é produzida por todos os tecidos durante o metabolismo de uma variedade de compostos e é eliminada principalmente pela formação de uréia no fígado. O nível de amônia no sangue, no entanto, deve ser mantido muito baixo, pois mesmo concentrações ligeiramente aumentadas (hiperamonemia) são tóxicas para o sistema ne rvoso central (SNC). Deve haver, portanto, um

1

Veja o Capitulo 33, de Farmacologia Ilustrada (3• edição) e o Capitulo 31 (2' edição), para uma discussão a respeito do antibiótico neomicina.

H1drola

SintJ':. /

CoA

N-Acetil-glutamato

Figura 19.16 Formação e degradação do N-acetilglutamato, um ativador alostérico da carbamoil-fosfa to-sintetase I.


254

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

qo - NH2 yH2 CH 2 HCNH3 + 1

coo-

mecanismo metabólico pelo qual o nitrogênio seja removido dos tecidos periféricos para o fígado, para a transformação em uréia, ao mesmo tempo em que são mantidos níveis baixos de amônia circulantes.

A. Fontes de amônia Os aminoácidos são, quantitativamente, a mais importante fonte de amônia, pois a maior parte das dietas ocidentais apresenta um conteúdo alto em proteínas, fornecendo um excesso de aminoácidos, que são desaminados, produzindo amônia. Quantidades significativas de amônia podem, no entanto, ser obtidas a partir de outras fontes.

Grutamina

coo,

1.

Aminoácidos. Muitos tecidos, mas principalmente o fígado, formam amônia a partir de aminoácidos, pelas reações de aminotransferases e da glutamato-desidrogenase, previamente descritas.

2.

Glutamina. Os rins produzem amôn ia a parti r da glutamina, pel a ação da glutaminase renal (Figura 19. 17). A maior parte dessa am ônia é excretada na urina como NH/. o que fornece um mecanismo importante para a manutenção do balanço ácido-básico do organismo. A amônia é também obtida pela hidrólise da glutamina pela glutaminase intestinal. As célu las da mucosa intestinal obtêm glutamina a partir do sangue ou da digestão de prote ína da dieta .

3.

Ação bacteriana no intestino. A amônia é produzida a partir da uréia, pela ação da urease bacteriana, na luz intestinal. Essa amônia é absorvida pelo intestino, atinge a veia porta e é quase quantitativamente removida pelo fígado, pela conversão em uréia.

4.

Aminas. Aminas obtidas da dieta e monoamidas utilizadas como hormônios ou neurotransmissores podem produzir amônia pela ação da aminoxidase (veja na pág. 284 a degradação das catecolaminas).

5.

Purinas e pirimidinas. No catabol ismo das purinas e das pirimidinas, os grupos amino ligados aos anéis são liberados como amônia.

yH2 <(H2 H<(NH 3+

coo-

Glutamato

Figura 19.17 Hidrólise da glutamina, produzindo amônia.

cooy' H2

8. Transporte da amônia na circulação

y H2 HCNH3 + 1

coo-

Grutamato

ATP+ NH 3 Glutaminasintetase

ADP + P1

Embora a amônia seja produzida constantemente nos tecidos, ela está presente em níveis muito baixos no sangue. Isso se deve tanto à rápida remoção da amônia do sangue pelo fígado, quanto ao fato de que muitos tecidos, em especial o músculo, liberam o nitrogênio dos aminoácidos na forma de glutamina ou alanina, em vez de liberá-lo como amônia livre (veja a Figura 19. 13).

1.

Uréia. A formação de uréia no fígado é, quantitativamente, a mais importante via de eliminação para a amônia. A uréia circula no sangue, do fígado para os rins, onde passa pela filtração glomerular.

2.

Glutamina. Essa amida do ácido glutâmico fornece uma forma de armazenamento e de transporte não-tóxicos para a amôn ia (Figura 19.18). A formação de glutam ina a parti r de glutamato e de amônia, pela glutamina-sintetase, req uer ATP e ocorre princi palmente no músculo e no fígado, mas também é importante no sistema nervoso, onde é o principal mecanismo para a remoção da amônia no encéfalo. A glutamina é encontrada no plasma em concentrações mais a ltas que out ros aminoácidos - um achado cons istent e com sua

CO- NH2 1

yH2 y H2 HCNH 3+ 1

coo-

Grutamina

Figura 19.18 Síntese da glutamina.


Bioquímica Ilustrada função de transporte. A glutamina circulante é removida pelos rins e desaminada pela glutaminase. O metabolismo da amônia está resumido na Figura 19.19.

C. Hiperamonenia A capacidade do ciclo hepático da uréia excede as velocidades normais de produção de amônia e os níveis de amônia sérica são, normalmente, baixos (5 a 50 lJ.moi/ L). No entanto, quando a função hepática está comprometida, devido a defeitos genéticos no ciclo da uréia ou doença hepática, os níveis sangüíneos de amônia podem elevar-se acima de 1.000 !Jmoi/L. Essa hiperamonemia é uma emergência médica, pois a amônia apresenta efeito neurotóxico direto no SNC. Por exemplo, concentrações elevadas de amônia no sangue causam sintomas de intoxicação por amônia, incluindo tremores, discurso inarticulado, sonolência, vômito, edema cerebral e visão borrada. Em altas concentrações, a amônia pode causar coma e morte. Os dois principais tipos de hiperamonemia são:

1.

Hiperamonemia adquirida. Doença hepática é uma causa comum de hiperamonemia em adultos. Pode resultar de um processo agudo, como por exemplo hepatite virai, isquemia ou hepatotoxinas. Cirrose hepática, causada por alcoolismo, hepatite ou obstrução biliar, pode resultar na

METABOLISMO

<===

Glutamato

o.-cetoácidos

DIETA ~ a-Aminoácidos

NAD(P)H +H+ o.-Cetoglutarato

PROTEÍNA COR PORAL

Pu ri nas, pirimidinas

ADP + P;

Nitrogênio amídico doado em reaç:ões b iossi nteticas

ATP Glutamato

/

/ ~

<:

Glutamina Glutamato

URINA

Figura 19.19 Metabol ismo da amônia.

Uréia

Vários compostos nitrogenados

Urease bacteriana

Ciclo da uréia

URINA

255


256

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

O fenilbutirato é uma pró-droga; ele é rapidamente convertido em fenilacetato, o qual se combina com a glutamina para formar fenilacetil-glutamina. A fenilacetilglutamina, contendo dois átomos de nitrogênio, é excretada na urina, auxiliando assim na depuração do nitrogênio que deve ser excretado.

formação de circulação colateral ao redor do fígado. Como resultado, o sangue da circulação porta é lançado diretamente para a circulação sistêmica, e não tem acesso ao fígado. A destoxificação da amônia (ou seja, sua conversão em uréia) é, portanto, gravemente prejudicada, levando a níveis elevados de amônia circulante.

,.

2.

Fenilacetil-glutamina

t

Pro;ína

IM!!W\f!i .

.tt

--····--

Glutamina · Glu t amtna

Aminqacidos

)t Glutaminasintetase

J

,_.

Glutamina ~ Glutamato Glutamina _•• _,

NH3

NH

N

J...H H3 3

NH3

VIII.

o:-Cetoglutarato +NADH + W

NH 3 NH 3 NH3

NH3 NH3 f Carbamoi/-

1

tosfato-

C02 : sintetase I I

\

I

'As~a rtato

:

-+

\

t

:

Carbamoil~

fosfato'-~~.r'-7'

Citrulina

·,,\! :

I

r

Ornitina

'\,

Hiperamonemia h ereditária. Deficiências genéticas de cada uma das cinco enzimas do ciclo da uréia já foram descritas, com uma incidência geral estimada de 1 a cada 30.000 nascidos vivos. A deficiência da ornitina-transcarbamoí/ase , que é ligada ao X, é a mais comum dessas doenças, afetando predominantemente indi víduos do sexo masculino, embora portadores do sexo feminino possam ser afetados clinicamente. Todas as outras doenças do ciclo da uréia seguem um padrão de herança autossômica recessiva. Em todos os casos, a falha em sintetizar uréia leva à hipe ramonemia durante a s prime iras semanas após o nascimento. Todas as deficiências herdadas das enzimas do ciclo da uréia resultam em retardo mentaL O tratamento inclui li mitação de proteína na d ieta e administração de compostos que se ligam covalentemente a a minoácidos, produzindo moléculas contendo nitrogênio que são excretadas na urina. Por exemplo, fen ilbutirato, administrado oralmente, é convertido em fenilacetato. Este se condensa com a glutamina, forman do fenilacetilglutamina, que é excretada (Figura 19.20).

CICLO

DA URÉIA

Argininossuccinato À

.t\ . . ~ Fumarato

A j<"'·---- -~~·rgJmna

Uréia

Figura 19.20 Metabolismo do nitrogênio em um paciente com uma deficiência na enzima carbamoil-fosfato-sintetase I, do ciclo da uréia. O tratamento com feni lbutirato converte o nitrogênio que está acumulando em uma forma que possa ser excretada.

RESUMO DO CAPÍTULO

O nitrogênio entra no organismo por meio de vários compostos presentes nos alimentos, os mais importantes sendo os aminoácidos contidos nas proteínas da dieta. O nitrogênio deixa o organismo como uréia, amônia e outros produtos derivados do metabol ismo dos aminoácidos. Os aminoácidos livres encontrados no organismo são produzidos pela hidrólise de proteínas da dieta no estômago e no intestino, pela degradação de proteínas teciduais e pela síntese de novo..Esse conjunto de aminoácidos é consumido na síntese protéica para o organismo ou metabolizado para produzir energia, ou esses aminoácidos podem, ainda, ser utilizados como precursores de outros compostos contendo nitrogênio. Observe q ue a proteína de um o rganismo é simultaneamente degradada e novamente sintetizada - um processo denominado renovação das proteínas. Para muitas proteínas, a regulação da síntese determina a concentração da proteína na célula, enquanto as quantidades de outras proteínas são controladas por degradação seletiva. Os sistemas ubiquitina/proteassomo e os lisossomos são os principais sistemas enzimáticos responsáve is pela degradação de proteínas danificadas ou desnecessárias. O nitrogênio não pode ser armazenado, e os aminoácidos que excedem as necessidades biossintéticas da cél ula são imediatamente degradados. A primeira fase do catabolismo envolve a remoção dos grupos ex-amino por transaminação, seguindo-se a desaminação oxidativa, formando amônia e os cx-cetoácidos correspondentes. Parte da amônia livre é excretada na urina, porém a maior parte é utilizada para a síntese de uréia, que é quantitativamente a via mais importante para a eliminação do nitrogênio do organismo. As duas principais causas de hiperamonemia são doenças hepáticas e deficiências herdadas de enzimas do ciclo da uréia.


257

Bioquímica Ilustrada

~~-----c_o_n_i_u_n_to__(p__o_o~-d_e__a_m_in_o_a_·c_i_d_o_s____--J]I~___________R_e,m~o-ça_-o__d_o__n_it_ro_g_ê_n_i_o_d_o_s__a_m_i_n_o_á_c_id_o_s__________Jj I

I

ocort porque

é defini?o como Todos os aminoácidos livres nas células e no fluido extracelular

]1-- - ----..

l

l

Os aminoácidos não podem partic ipar,] diretamente do metabo lismo energético

l

______sa_-o....;..p_r_o..,dru_z_id_o_s..;p..;o_r___-..;:são consumidos por ~

(

t

Degradação de proteínas corporais

Síntese de aminoácidos não-essenciais

Degradação de proteínas da diet a

reJuer

envolve

i a-Cetoácidos eamônia

regulada por

I

portnto Os grupos amino são removidos

com a m~tação de

I

Duas reações seqüenciai s

~

[l~~r.;~~~~;;--------~~n~l~v~e~~~e~l~e~va~d~o~s~~ Transaminases .. podem detectar . Lesão hepática .J I I resultando em devida a

I

Enzimas proteolíticas do trato gastrintestinal e do pâncreas

t

t

Grupos amino transferidos a a-cetoácidos, formando:

t

• Ubiquitina • Aminoácidos N-terminais • Seqüências PEST

l

priieiro

1

As partato

Glutamato

I

• Hepatite • Cirrose

• Drogas hepatotóxicas • Defeitos nas enzimas do ciclo da uréia

ocorre em

t

• Proteassomo • Lisossomo • Citosol, via proteases nãoespecíficas

Síntese e degradação simultâneas

1-

Glutamato desaminado oxidativamente, resultando:

1---------....:.:::=..::.:.-Y.It=N H = -l pode ser armazenada a-Cetoglutarato l' 3 e transportada como

Glutamina

-~ t'---p-od--:-e-l"i":--be~-a-r_a_m_ô=-n-:ia----->J

leva à ~Renovação protéicaJ

entra no [ciclo

I pode apresentar

~a

uréia]

resulta em

t Síntese de proteínas corporais

I t

A minoácidos utilizados na biossíntese

Metabolismo dos aminoác idos

I

regulada por

envolve

li

Fatores de transcrição e tradução JI

~ Vias biossintéticas

Nitrogênio do aspartato, CO, e NH3 incorporados na

Metabolismo intermediário

I

Uréia

l l.

Deficiências enzimáticas herdadas

caracteriadas por

Hiperamonemia • Retardo mental

L,____, J

I

Degradação e Síntese de Aminoácidos

trata1s por

t;TL~~~

·· ·;_ :

·=--· :: ·.--- -

~....... .;.- .

jr·• Hemodiálise I Redução da ingestão I protéica

20 -

~$~~~ ~- ~~

21

..

t];-;-f:t?Kt§

. ...,_

~-

Conceitos relacionados

Figura 19.21 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo do nitrogênio.

>


258

Pamela C. Champe, Richa rd A. Harvey, Denise R. Ferrier

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA melhor resposta. 19.1 Na reação de transaminação mostrada abaixo, quais dos compostos seguintes são os produtos X e Y?

Oxalacetato Glutamato

A. B. C. D. E.

>-<X y

Alanina, a -cetoglutarato Gluta mato, a-cetog lutarato Aspartato, a-cetoglutarato Piruvato, aspartato Piruvato, alanina

19.2 Qual das seguintes afirmativas a respeito do ciclo da uréia está correta? A. Os dois átomos de nitrogênio que são incorpo rados na uréia e ntram no ciclo como amônia e alanina . B. A uréia é produzida diretamente pela hidrólise da ornitina. C. O ATP é necessário para a reação e m que o argininossuccinato é clivado para formar arginina. D. A uréia urinária aumenta em uma dieta rica em proteínas. E. O ciclo da uréia ocorre exclusivamente no citosol. 19.3 Um bebê neonato do sexo feminino esteve bem inicialmente, até aproximadamente 24 horas de idade, quando tornou-se letárgico. Um exame para sépsis mostrou-se negativo. Com 56 horas, o bebê começou a mostrar atividade convulsiva focal. Os níveis plasmáticos de amônia estavam em 1.100 Jlmoi/L (normal 5 a 50 )lmoi/L). Determinação dos níveis de aminoácidos no plasma mostrou marcante elevação de argininossuccinato. Esses resultados apóiam o diagnóstico de deficiência de argininossuccinase. Qual dos seguintes compostos estaria elevado no soro desse paciente, além da amônia e do argininossuccinato? A. Asparagina B. Glutamina C. Usina o. Uréia E. Ácido úrico

Resposta correta = C. As reações de transaminação sempre apresentam um aminoácido e um a-cetoácido como substratos. Os produtos da reação também são um aminoácido (correspondendo ao a-cetoácido que serviu como substrato) e um a-cetoácido (correspondendo ao aminoácido que serviu como substrato). Três pares de aminoácidos/a-cetoácidos comumente encontrados no metabolismo são: Alanina/piruvato Aspartato/oxalacetato Glutamato/a-cetoglutarato Nesta questão, o glutamato é desaminado para formar a-cetoglutarato e o oxalacetato é aminado para formar aspartato.

Resposta correta = D. O nitrogênio amínico da proteína da dieta é excretado como uréia. Os dois átomos de nitrogênio entram no ciclo da uréia como amônia e aspartato. A uréia é produzida pela hidrólise da arginina. A clivagem do argininossuccinato não requer ATP. O ciclo da uréia ocorre parcialmente na mitocôndria.

Resposta correta = 8. Deficiências genéticas de cada uma das cinco enzimas do ciclo da uréia já foram descritas. Em cada uma delas, a falha em sintetizar a uréia leva à hiperamonemia durante as primeiras semanas após o nascimento. A glutamina também estará elevada, pois alua como uma forma não-tóxica de armazenamento e transporte para a amônia. Assim sendo, níveis elevados de glutamina sempre acompanham a hiperamonemia. A asparagina não apresenta esse papel de armazenamento para a amônia. A uréia estaria diminuída, devido ao prejuízo na atividade do ciclo da uréia. A lisina e o ácido úrico não estariam elevados. O tratamento para esse paciente inclui limitação para a proteína na dieta e administração de compostos que se ligam covalentemente a aminoácidos, produzindo moléculas nitrogenadas, que são excretadas na urina. Por exemplo, o fenilbutirato, administrado oralmente, é convertido em fenilacetato. Esse composto se condensa com a glutamina, formando fenilacetil-gtutamina, que é excretada.


Degradação e Síntese dos Aminoácidos I. VISÃO GERAL O catabolismo dos aminoácidos encontrados nas proteínas envolve a remoção dos grupos amino, seguindo-se a quebra dos esqueletos carbonados resultantes. Essas vias convergem para formar sete produtos intermediários: oxaJacetato, o:-cetoglutarato, piruvato, fumarato, succinii-CoA, acetil-CoA e acetoacetil-CoA. Esses produtos entram diretamente nas vias do metabolismo intermediário, resultando na síntese de glicose ou lipídeos, ou na produção de energia livre por sua oxidação a C0 2 e água no ciclo do ácido cítrico. A Figura 20.1 fornece uma visão geral dessas vias, com um resumo mais detalhado apresentado depois, na Figura 20.14 (pág. 267). Os aminoácidos não-essenciais (Figura 20.2) podem ser sintetizados em quantidades suficientes a partir de intermediários do metabolismo ou, como no caso da cisteína e da tirosina, a partir de aminoácidos essenciais. Em contraste, os aminoácidos essenciais não podem ser sintetizados (ou produzidos em quantidades suficientes) pelo organismo e, portanto, devem ser obtidos a partir da dieta, a fim de que ocorra uma síntese protéica normal. Defeitos genéticos nas vias do metabolismo de aminoácidos podem causar doenças graves.

11.

AMINOÁCIDOS GLICOGÊNICOS E CETOGÊNICOS

Os aminoácidos podem ser classificados em glicogênicos e cetogênicos, em função do intermediário produzido durante seu catabolismo (veja a Figura 20.2).

g~h

Ser Thr Trp

C02

,,

+-{

,,

• LETRAS MAIÚSCULAS EM AZUL = nomes dos sete produtos do metabolismo dos aminoácidos • Texto em vermelho = nomes dos aminoácidos glicogênicos • Texto em marrom = nomes dos aminoácidos glicogênicos e cetogênicos • Texto em verde = nomes dos aminoácidos cetogênicos v = compostos de um carbono

Tyr ACETOACETATO

l

Citrato

~

11

Maiato

lsocitrato

li

f C02

FUMARATO

O·CETOGLUTARATO

/

\\

j

Succinato

Phe Tyr

L <:='

~

OXALACETATO

Os aminoácidos cujo catabolismo produz piruvato ou um dos intermediários do ciclo do ácido cítrico são denominados glicogênicos. Esses intermediários são substratos para a gliconeogênese (veja a pág. 115) e

{

ACETIL•CoA

As p

A. Aminoácidos glicogênicos

Lys Phe Trp

PIRUVATO

Asn

~eu ____r;;e Gln

11 -0'9

=' Glu

j+co 2

SUCCINIL·CoA ~Ie ~ Mel T hr Vai

Figura 20.1 Metabolismo dos aminoácidos, mostrado como parte das vias centrais do metabolismo energético.

His

Pro


260

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

podem , portanto, o riginar a formação líq uida de glicose ou de glicogênio no fígado e de glicogênio no múscu lo.

Gticogênicos e CP•""'êníco"

Gticogênicos

Celogé'1icós

,III

'iii

'i)

c

Cl> III (J)

Cl>

.z. ó

~

Alanina Arginina' Asparagina Aspartato Cisteína Glutamato Glutamina Glicina Hlstidina• Prolina Scrina

8 . Am inoácidos cet ogênicos

Tirasin11

Os aminoácidos cujo catabolismo produz acetoacetato ou um de seus precursores (acetii-CoA ou aceto acetii-CoA) são denominados cetogênicos (veja a Figura 20.2). O acetoacetato é um dos "corpos cetônicos", que também incluem o 3-hidroxibutirato e a acetona. (Veja a pág. 193 para uma discussão acerca do metabolismo dos corpos cetônicos.) Leucina e lisina são os únicos aminoácidos exclusivamente cetogênicos encontrados nas proteínas. Seus esqueletos carbonados não são substratos para a gliconeogênese e não podem, portanto, originar a produção líquida de glicose ou de glicogênio no fígado, ou de glicogênio no músculo.

Metlonlna Treonina V<~lina

lso'eueina

...eucina

Fenilalanlna Triptomno

~na

Figura 20.2 Classificação dos aminoácidos. *A arginina e a histidina são essenciais em algumas condições.

III.

As vias pelas quais os aminoácidos são catabolisados são divididas, por conveniência, de acordo com o intermediário (ou intermediários) produzido a partir de um determinado aminoácido, dentre os sete listados anteriormente. A . Ami noá cidos que prod uzem oxalacetato A asparagina é hidrolisada pela asparaginase, produzindo amônia e aspartato (Figura 20.3). (Nota: Algumas células leucêmicas de divisão rápida são incapazes de sintetiza r asparagina em quantidade suficiente para seu crescimento. Isso torna a asparagina um aminoácido essencial para aquelas células, as quais captarão asparagina do sangue. A asparaginase, que hidrolisa a asparagina dando aspartato, pode ser administrada sistemicamente para tratar pacientes com leucemia.' A asparaginase diminui o nível de asparagina no plasma e, assim, priva as células cancerosas de um nutriente essencial.) O aspartato perde seu grupo amino por transaminação, formando oxalacetato (veja a Figura 20.3).

ÇONH2 ÇH2 HCNH3+ I

coo-

Asparagina Asparaginase

CATABOLISMO DOS ESQUELETOS CARBONADOS DOS AMINOÁCI DOS

~H 2 0

8. Aminoácidos que produzem a·cetogluta rato

t~NH3

1.

A glutamina é convertida em glutamato e amônia pela enzima glutaminase (veja a pág. 254). O gluta mato é convertido em a-cetoglutarato por transaminação ou por desaminação oxidativa, pela glutamato-desidrogenase (veja a pág. 249).

2.

A prolina é oxidada, produzindo glutamato. O glutamato é transaminado ou desaminado oxidativamente, formando a-cetoglutarato.

3.

A arg inina é clivada pela arginase, produzindo ornitina. (Nota: Essa reação ocorre principalmente no fígado, como parte do ciclo d a u réia (veja a pág. 253].) A orn itina é subseqüentemente convertida em a-cetoglutarato.

4.

A h istidina é desaminada oxidativamente pela histidase, produzindo ácido urocânico, o qual subseqüentemente forma N-formiminoglutamato (FIGiu , Figura 20.4). O FIGiu doa seu grupo formimino para o tetraidrofolato, produzindo glutamato, que é degradado, conforme descrito anteriormente. (Nota: Indivíduos com deficiência em ácido fólico

coo'

ÇH2 HÇNH 3+

coo-

Aspartato a.·Cetogtutarato Ammotransferase

Glutamato

coo'

ÇH2 C =O I

coooxALACETATo

Figura 20.3 Metabolismo da asparagina e do aspartato.

1

Veja o Capítulo 40 de Farmacologia Ilustrada (3' edição) e o Capítulo 38 (2' edição) para uma discussão acerca d o uso da asparaginase como uma droga antileucêmica.


Bioqu ímica Ilustrada

r--1CH2 =CH -coo-

--+ --+ -ooc -ÇH- CH2- CH2-COOC \ Glutamato

N"-../NH Histidina

261

Ácido urocânico

HN,, ~H CH

\t

...

.d f I , etra. ro o ato

et·CETOGLUTARATO

N-Formiminoglutamato (FIGiu}

5-Formiminotetraidrofolato

Figura 20.4 Degradação da histidina.

excretam quantidades aumentadas de FIGiu na urina, especialmente após a ingestão de uma grande quantidade de histidina. O teste de excreção de FIGiu tem sido utilizado para diagnosticar deficiência de ácido fálico.) (Veja a pág . 264 para uma discussão acerca do ácido fólico e do metabolismo de compostos de um carbono.)

CH3 HCNH3+

cooL-Alanina a-CETOGLUTARA TO Alanina·

aminotransterase Glutamato

C. Aminoácidos que produzem piruvato 1.

2.

yH3 C=O

A alanina perde seu grupo amino por transam inação, formando piruvato (Figura 20.5). 5

I

cooPIRUVAro

10

A serina pode ser convertida em glicina e N ,N -metilenotetraidrofolato (Figura 20.6A). A serina pode também ser convertida em piruvato pela serina-desidratase (Figura 20.68). (Nota: O papel do tetraidrofolato na transferência de unidades de um carbono está apresentado na pág. 265.)

3.

A glicina pode tanto ser co nvertida em serina, pela adição de um 10 grupo metileno doado pelo N5 ,N -metilenotetraidrofolato (veja a Figura 20.6A), quanto ser oxidada a C02 e NH/ .

4.

A cistina é reduzida, produzindo cisteína, utilizando NADH + H• como agente redutor. A cisteína sofre dessulfuração, produzindo piruvato.

Figura 20.5 Transaminação da alanina para formar o piruvato.

Serlna .

5.

A treonina é convertida em piruvato ou em a-cetobutirato, o qual forma succinii-CoA.

D. Aminoácidos que produzem fumarato 1.

Fenilalanina e tirosina. A hidroxilação da fenilalanina leva à form ação de ti rosina (Figura 20.7). Essa reação, catalisada pela fenilalanínahídroxilase, é a primeira reação no catabolismo da fenilalanina. Assim, o metabolismo da fenilalanina e da tirosina confluem, levando por fim à formação de fumarato e acetoacetato. A fenilalanina e a tirosina são, portanto, am inoácidos tanto g licogênicos q uanto cetogênicos.

2.

Deficiências herdadas nas enzimas do metabolismo da fenilalanina e da tirosina levam às doenças fenilcetonúria (veja a pág. 268) e alcaptonúria (veja a pág. 272), e à condição denominada albinismo (veja a pág. 271).

l _s erina·desidtatase

NH4 +..(--"'

m

t

~ H2 0

PIRUVATO

Figura 20.6 A. lnterconversão de serina e glicina e oxidação da glicina. B. Desidratação da serina, formando piruvato. t..fere"'.anwa Tetraidrobiopterina + 0 2 Fenilalanína· hidroxilase

Diidrobiopterina + H2 0

"~

l -r os.na E. Aminoácidos que produzem succinii-CoA: metionina A metionina é um dos quatro aminoácidos que produzem succinii-CoA. Esse aminoácido, que contém enxofre, merece atenção especial, pois é convertido em S-adenosilmetionina (SAM), o principal doador de grupos

FUMARATO

ACETOACETATO

Figura 20.7 Degradação da fenilalanina.


262

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

metila no metabolismo dos compostos de um carbono (Figura 20.8) . A metionina é também a fonte de homocisteína - um metabólito associado com doença vascular aterosclerótica.

1. Síntese de SAM. A metionina condensa-se com ATP, formando SAM um composto de alta energia, incomum pelo fato de não conter fosfato. A formação de SAM é, com efeito, conseguida pela hidrólise de todas as três ligações fosfato do ATP (veja a Figura 20.8).

L-Metionina

S·Adenos•lmot•oninar:ATP smtase

2. Grupo metila ativado. O grupo metila, ligado ao enxofre terciário na

P; +PP,

Ado"oo"' -

~

S• I

y H2 CH2 HCNH3+

SAM, encontra-se "ativado", e pode ser transferido para várias moléculas aceptoras, tais como a etanolamina, na síntese da colina (veja a pág. 202). O grupo metila é normalmente transferido para átomos de oxigênio ou de nitrogênio, mas algumas vezes para átomos de carbono. O produto da reação, S-adenosil-homocisteína, é um tioéter simples, análogo à metionina. A resultante perda de energia livre que acompanha a reação faz com que a transferência da metila seja essencialmente irreversível.

2 PI

I

cooS- Adenosilmetionina Aceptores de metila

3.

Hidrólise de S-Adenosil-homocisteína. Após a doação do grupo metila, a S-adenosil-homocisteína é hidrolisada, produzindo homocisteína e adenosina. A homocisteína pode ter dois destinos. Se há uma deficiência de metionina, pode ser novamente metilada, resultando em metionina (veja a Figura 20.8). Se os estoques de metionina são adequados, a homocisteína pode entrar na via de transulfuração, sendo convertida em cisteína.

/transferases Produtos metilados

Adenosina - S I

yH2 CH2 HCNH3+

a.

I

coos-Adenosil-homocisteína

Síntese de metionina. A homocisteína aceita um grupo metila do 5 5 N -metiltetraidrofolato (N -metil-THF), em uma reação que requer metilcobalamina, uma coenzima derivada da vitamina 8, 2 (veja a pág. 373). O grupo metila é transferido do derivado da 8 12 para a

Adenosina

coo-

H

N,

SH I

yH2 CH2 HCNH3+

+

XN~CH I

I

Homocistelna-

metillransferase Metilcobalamina (Metil-8 12)

2

NH

I

coo-

N5-Metlltetraidrofolato

L-Homocisteína

CH -S-CH I 2 I 2 CH 2 HCNH3+ HCNH + coo' 3 coo-

Cistationina

,a- ~

CH~

CL-Cetobutirato + NH4+

L-Cisteína

Figura 20.8 Degradação e nova síntese da metionina.

Há duas vias principais para a utilização da homocisteína. A conversão em metionlna requer folato e cc-fatores derivados da v itamina 8 12• A formação de cisteína requer vitamina 8 6 (piridoxina).

H

H- cI - NH3 + yH2 yH2

s c;H3 L·Meti onina

+

XN~ N

H

CH2 I

NH

Tetraidrofolalo


Bioquímica Ilustrada

263

homocisteína, e a cobalamina é novamente carregada a partir do N5 -meti!-TH F.

b.

4.

F.

Síntese de cisteína. A homocisteína combina-se com a serina, formando cistationina, que é hidrolisada, produzindo a-cetobutirato e cisteína (veja a Figura 20.8). Essa seqüência apresenta o efeito líquido de converter serina em cisteína e homocisteína em a -cetobutirato, que é descarboxilado oxidativamente, formando propionii-CoA. Este é convertido em succinii-CoA (veja a pág. 191 ). Uma vez que a homocisteína é sintetizada a pa rti r do aminoácido essencial metionina, a cisteína não é um aminoácido essencial , desde que quantidades suficientes de metionina estejam disponíveis.

Papel da homocisteína em doenças vasculares. Níveis elevados de homocisteína no plasma representam um fator de risco cardiovascular independente, que se correlaciona com a gravidade da doença arterial coronariana. Suplementando-se a dieta com folato, vitam ina 8 12 e vitamina 8 6 - as três vitaminas envolvidas no metabolismo da homocisteína - consegue-se uma redução dos níveis circulantes de homocisteína. Atualmente, não é sabido se essa terapia de redução da homocisteína diminui doenças cardíacas na população em geral. Os benefícios de tal terapia podem ser observados, no entanto, em pacientes de alto risco para doenças vasculares. Por exemplo, a terapia vitamínica diminui significativamente eventos adversos, tais como um novo infarto, em pacientes que sofreram angioplastia coronariana, sugerindo um efeito benéfico da redução dos níveis de homocisteína (Figura 20.9). Observe também que pacientes com homocistinúria (caracterizada por altos níveis séricos de homocisteína, causados pela deficiência de cistationina-sintase) experimentam doença vascular prematura e geralmente morrem de infarto do miocárdio, acidente vascular cerebral ou embolia pulmonar. Assim, há uma associação (mas não uma relação de ca usa-efeito comprovada) entre níveis a(Jmentados de homocisteína e doença cardiovascular.

Outros aminoácidos que produzem succinii-CoA A degradação de valina, isoleucina e treonina também resulta na produção de succinii-CoA - um intermediário do ciclo do ácido cítrico e substrato para a gliconeogênese.

1.

Valina e isoleucina são aminoácidos com cadeia lateral ramificada, que produzem succinii-CoA (Figura 20. 10).

2.

A treonina é desidratada, p roduzindo a-cetobutirato, que é convertido em propionii-CoA, precursor de succinii-CoA (veja a pág. 191 ). (Nota: A treonina também pode ser convertida em piruvato.)

G. Aminoácidos que produzem acetii-CoA ou acetoacetii-CoA Leucina, isoleucina, lisina e triptofano produzem acetii-CoA ou acetoacetiiCoA diretamente, sem a formação intermediária de piruvato (pela reação da piruvato-desidrogenase, veja a pág. 107). Como foi mencionado anteriormente, a fenilalanina e a tirosina também produzem acetoacetato durante seu catabolismo (veja a Figura 20.7). Portanto, há um total de seis aminoácidos cetogênicos.

1.

A leucina é exclu sivamente cetogênica em seu catabol ismo, formando acetii-CoA e acetoacetato (veja a Figura 20.1O). Os passos iniciais no catabolismo da leucina são semelhantes àqueles dos outros aminoácidos de cadeia ramificada, a isoleucina e a valina (veja a seguir).

70

o r----.----.----.----~

o

3

6

9

12

Meses

Figura 20.9 Efeito de uma terapia de redução de homocisteína com ácido fólico, vitamina 8 12 e vitamina 8 6 sobre a evolução clínica após angioplastia coronariana. (Nota: A angioplastia com cateter-balão é um procedimento no qual um cateter com um minúsculo-balão na extremidade é introduzido em um vaso sangüíneo doente. À medida que o balão é inflado, o vaso se dilata, podendo ser colocada uma pequena tela de aço chamada Stent, e melhorando o fluxo sangüíneo.)


264

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

Leucina

2.

A isoleucina é tanto cetogênica quanto glicogênica, pois seu metabolismo produz acetii-CoA e propionii-CoA. Os três primeiros passos no metabolismo da isoleucina são praticamente idênticos aos passos iniciais da degradação dos demais aminoácidos ramificados, valina e leucina (Figura 20.1 0).

3.

A lisina, um aminoácido exclusivamente cetogênico, é incomum pelo fato de que nenhum de seus grupos amino sofre transam inação como primeiro passo de seu catabolismo. A lisina é, no final, convertida em acetoacetii-CoA.

4.

O triptofano é tanto glicogênico quanto cetogênico, pois seu metabolismo produz alanina e acetoacetii-CoA.

Valina lsoleucina TRANSAMINAÇÃO (Aminotransferase dos a-aminoácidos de cadeia ramificada

a -cetoisocapróico Ácido a -cetoisovalérico

H. Catabolismo de aminoácidos de cadeia ramificada Os aminoácidos de cadeia ramificada, isoleucina , leucina e valina, são aminoácidos essenciais. Em contraste com outros aminoácidos, são metabali zados principalmente por tecidos periféricos (em especial pelo músculo), em vez do fígado. Uma vez que esses três aminoácidos possuem uma rota catabólica semelhante, é conveniente descrevê-los como um grupo (Figura 20.1 0).

DESCARBOXILAÇÃO OXIDATIVA (Desidrogenase dos o. -cetoác1dos de cadeia ramificada. Coenzimas: TPP, CoA, ácido lipóico, NAO+, FAD.)

A descarboxilação oxidativa dos aminoácidos de cadeia ramificada está deficiente na

1.

Transaminação. A remoção dos grupos amino de todos os três aminoácidos é catalisada por uma única enzima, a aminotransferase dos a -aminoácidos de cadeia ramificada.

2. Descarboxilação oxidativa. A remoção do grupo carboxila dos a.cetoácidos derivados da leucina, da valina e da isoleucina é também catalisada por um único complexo enzimático, o complexo da desidrogenase dos a. -cetoácidos de cadeia ramificada. Esse complexo utiliza pirofosfato de tiamina, ácido lipóico, FAD, NAD+ e coe nzima A como suas coenzimas. (Nota: Essa reação é semelhante à conversão de piruvato em acetii-CoA pela p iruvato-desidrogenase [veja na pág. 108] e à oxidação do a.-cetoglutarato e m succinii-CoA pela a.-cetoglutarato-desidrogenase [veja a pág. 110].) Uma deficiência herdada da desidrogenase dos a.-cetoácidos de cadeia ramificada resulta no acúmulo de cetoácidos de cadeia ramificada na urina. Seu odor adocicado levou à denominação de doença do xarope de bordo (veja a pág . 270).

lsovalerit-CoA lsobutirii-CoA a -Metilbutirii-CoA

DESIDROGENAÇÃO

ACETOACETATO ACETIL-CoA

\A'""~

3.

Desidrogenação. A oxidação dos produtos formados na reação anterior gera derivados acii-CoA a-~-insat u rados . Essa reação é análoga à desidrogenação descrita no esquema da ~-oxidação dos ácidos graxas (veja a pág. 190) .

4.

Produtos finais. Ao final do catabolismo da isoleucina, são produzidos acetii-CoA e succinii-CoA, de modo que esse aminoácido é tanto cetogênico quanto glicogênico. A valina produz succi nii-CoA e é um aminoácido glicogênico. A leucina é cetogênica, sendo metabolizada a acetoacetato e acetii-CoA.

Propionii-CoA

Biotina

t

Metilmalonii-CoA 5'-Desoxiadenosilcobalamina

-t-I

SUCCINIL-CoA

IV. Figura 20.10 Degradação da leucina, da valina e da isoleucina. TPP = pirofosfato de tiamina.

PAPEL DO ÁCIDO FÓLICO NO METABOLISMO DOS AMINOÁCIDOS

Algumas vias biossintéticas necessitam da adição de grupos de um carbono. Essas "unidades de um carbono" podem existir em vários estados de oxidação. Esses estados incluem o metano, o metanol, o formaldeído, o ácido fórmico e o ácido carbônico. É possível incorporar unidades de um carbono em cada


Bioquím ica Ilustrada

um desses estados de oxidação, exceto o metano, em outros compostos orgânicos. Essas unidades de um carbono podem ser transferidas a partir de compostos carregadores, tais como o ácido tetraidrofólico e a S-adenosilmetionina, para estruturas específicas que estejam sendo sintetizadas ou modificadas. O "conjunto de grupos de um carbono" refere-se a essas unidades de um carbono, ligadas a esses transportadores. (Nota: O ácido carbônico - a forma hidratada do co2 - é transportado pela vitamina biotina, que participa nas reações de carboxilação, mas não é considerado um membro do conjunto de grupos de um carbono.) A. Ácido fólico: um carregador de unidades de um carbono A forma ativa do ácido fólico, o ácido tetraidrofólico (THF), é produzida a partir do folato pela diidrofolato-redutase, em uma reação de dois passos, que requer dois moles de NADPH. O grupo de um carbono carregado pelo THF liga-se ao nitrogênio N5 ou N10 , ou a ambos, N5 e N 10 . O THF permite que compostos de um carbono sejam reconhecidos e manipulados por enzimas biossintéticas. A Figura 20.11 mostra as estruturas de vários membros da família THF e indica as fontes das unidades de um carbono e as reações sintéticas nas quais cada membro participa.

V.

BIOSSÍNTESE DE AMINOÁCIDOS NÃO-ESSENCIAIS

26c 1

Tetraidrofolato (THF) Formato +THF

H

\Sx;~. ~

Purinas

':J-

H

Q =CI

H

Histidina

·~'\' x:;;r~

N~1o I , N-

V

CH "' Os aminoácidos não-essenciais são sintetizados a partir de intermediários do metabolismo ou, como no caso da tirosina e da cisteína, a partir de aminoácidos essenciais. Dois aminoácidos - histidina e arginina - são, em geral, classificados como não-essenciais. No entanto, suas concentrações normais são limitantes e, durante períodos de crescimento tecidual (por exemplo, em crianças ou em indivíduos convalescendo de doenças desgastantes), a histidina e a arginina devem ser suplementadas na dieta. As reações de síntese para os aminoácidos não-essenciais são descritas a seguir, e são resumidas na Figura 20.14. (Nota: Alguns aminoácidos encontrados nas proteínas, como a hidroxiprolina e a hidroxilisina [veja a pág. 45) são modificados após sua incorporação nas proteínas [modificação pós-traducional, veja a pág. 440).)

I' NAOPH + H+

Glicina Serina Formaldeído +THF

H

\S X~~" ~ I

A. Síntese a partir de a-cetoácidos

N- --'V

T;m;di"'

CH;'

Alanina , aspartato e glutamato são sintetizados por transferência de um grupo amino para os a.-cetoácidos piruvato, oxalacetato e a.-cetoglutarato, respectivamente. Essas reações de transaminação (Figura 20.12, veja também na pág. 248) são as vias biossintéticas mais diretas. O glutamato é incomum, pelo fato de que pode ser sintetizado pela reversão da desaminaçõa oxidativa, catalisada pela glutamato-desidrogenase (veja a pág. 249}. H

B. Síntese por amidação

1.

2.

Glutamina. Esse aminoácido, que contém uma ligação amida com a amônia na y-carboxila, é formado a partir do glutamato, pela glutaminasintetase (veja a Figura 19 .1 8, pág . 254). A reação é impulsionada pela hidrólise de ATP. Além de produzir a glutamina para a síntese protéica, essa reação também serve como um importante mecanismo para a destoxificação da amônia no encéfalo e no fígado (veja a pág. 254 para uma discussão acerca do metabolismo da amônia). Asparagina. Esse aminoácido, que contém uma ligação amida com a amônia na 0-carboxila, é formado a partir do aspartato, pela aspara gina-sintetase, utilizando a glutamina como doadora da amida. A rea-

X~~. ~ I

Metionina

N-

CH3 H N5-Metii-THF

Figura 20.11 Resumo das interconversões e dos usos do carregador tetraidrofolato.


266

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

Aminoácido

\,__

PIRUVATO (

ção requer ATP e, como a síntese da glutamina, possui um equilíbrio deslocado no sentido da síntese de asparagina.

o:·Cetoácido

./

) Alanina

Aminotransferase

C. Prolina Aminoácido

O glutamato é convertido em prolina por reações de ciclização e redução.

a-Cetoácido

) Aspartato OXALACETATO ( \,__ / Aminotransferase

Aminoácido

D. Serina, glicina e cisteína 1.

A serina provém do 3-fosfoglice rato, um intermediário da glicólise (veja a Figura 8.18, pág. 99), que é primeiramente oxidado a 3-fosfopiruvato e então transaminado a 3-fosfosserina. A serina é fo rmada por hidrólise do éster de fosfato. A serina pode também ser produzida a partir da glicina, por meio da transferência de um grupo hidroximetila (veja a figura 20.6A).

2.

A glicina é sintetizada a partir da serina, pela remoção do grupo hidroximetila, também pela serina-hidroximeti/-transferase (veja a Figura 20.6A).

3.

A cisteína é sintetizada por duas reações consecutivas, nas quais a homocisteína combina-se com a serina, formando cistationina, a qual, por sua vez , é hid rolisada, dando a-cetobuti rato e cisteína (veja a Figura 20.8). A homocisteína é derivada da metionina, como descrito na pág . 262. Uma vez que a metionina é um aminoácido essencial, a síntese da cisteína pode ocorrer apenas se a ingestão de metionina na dieta for adequada.

o:-Cetoácido

o:-cETOGLUTARATO ("\_ . / ) Glutamato Aminotransferase

Figura 20.12 Formação de alanina, aspartato e glutamato a partir de seus a -cetoácidos correspondentes.

E. Tirosina A tirosina é formada a partir da fenilalanina pela fenilalanina-hidroxilase. A reação requer oxigênio molecul ar e a coenzima tetraidrobiopterina, que pode ser sintetizada pelo o rganismo. Um átomo de oxigênio molecu lar torna-se o grupo hidroxila da ti rosina , e o outro átomo é reduzido a água. Durante a reação, a tetrai drobiopterina é oxidada a diidrobiopterina. A tetraidrobiopterina é regenerada a partir da diidrobiopterina, em uma reação separada, que requ er NADPH. A tirosina, assim como a cisteína, é sintetizada a partir de um a minoácido essencial e, portanto, é nãoessencial apenas na presença de quantidades adequadas de fenilalanina na dieta.

Cistinúria Histidinemia Fenilcetonúria Deficiência da meti/maloni/-CoA-mutase

Albinismo

·~ -

o,1

.

I

-

.

1 10 Incidência (por 100.000)

VI. 10o

Homocistinúria* Alcaptonúria* Doença do x arope de bordo* Cistationinúria* • Todas aprese ntam incidência semelhante

Figura 20.13 Incidência de doenças herdadas do metabolismo dos aminoácidos. (Nota: A cistin úria é o mais comum erro genético relacionado ao transporte dos aminoácidos.)

DEFEITOS METABÓLICOS NO METABOLISMO DOS AMINOÁCIDOS

Erros inatos do metabolismo são comu mente causados por genes mutantes, que em geral resultam em proteínas anormais, freq üentemente enzi mas. As deficiências he rdadas podem expressar-se como uma perda total da atividade da enzima ou, mais freqüentemente, como uma deficiência parcial da atividade catalítica. Sem tratame nto, os defeitos herdados do metabolismo dos aminoácidos q uase invariavelmente resultam em retardo mental ou em outras anormalidades do desenvolvimento, como um resultado do acúmulo danoso de metabólitos. Embora mais de 50 dessas doenças tenham sido descritas, muitas são raras, ocorrendo com uma freqüência de menos de 1 para 250.000 na maioria das populações (Figura 20.13). Coletivamente, entretanto, elas constituem uma porção muito significativa das doenças genéticas pediátricas. A Figura 20.1 4 resume algumas das doenças do metabolismo dos aminoácidos mais comumente encontradas. A fenilcetonúria, a doença do xarope de bordo, o albinismo, a homocistinúria e a alcaptonúria são discutidos a seguir. A fenil-


Bioqu ímica Ilustrada

Melanina

DOENÇA DO XAROPE DE BORDO (veja "valina" e "isoleucina", abaixo)

Serina

Fenilactato

t t

Leucina

Fenilpiruvato

l

+

a-Cetoisocaproato

Fenilalanina

-------==::::::::=::;

+ l

ICreatina I

Tirosina

I

267

t

Arginina

IUréia 1+-------1

Catecolaminas

Ornitina

/ e

Essa doença deve-se a uma deficiência na homogentisato-oxidase.

e

O homogentisato acumula-se, formando polímeros que causam o escurecimento da urina quando esta fica em repouso.

e

Uma caracterítica clínica comum é a artrite.

e

Não há tratamento efetivo para essa doença. É prudente adotar uma dieta com baixo conteúdo em proteínas durante toda a vida. Semi-aldeído metilmalônico

Propionii-CoA

t

~ Acetii-CoA

t

+

a-Celoisovalerato

a-Ceto-~-metilvalerato

t

t

Valina

Treonina -

lsoleucina

DOENÇA DO XAROPE DE BORDO

e

Essa doença deve-se a uma deficiência na desldrogenase dos a-cetoácidos de cadeia ramificada.

e

Os níveis dos a-aminoácidos de cadeia ramificada e de seus a-cetoácidos análogos estão aumentados no plasma e na urina.

e

Problemas neurológicos são comuns. A doença possui um alto índice de mortalidade.

e

O tratamento envolve res trição da ingestão de aminoácidos de cadeia ramificada na dieta.

a-Cetobutirato

CISTATIONINÚRIA

e

O acúmulo de cistationina e de seus metabólitos deve-se a uma deficiência na cistationase.

e

Não são obser vados sintomas clínicos. ,.

Cistationina Serina

---.4-

Homocisteína

t t S-Adenosilmetionina

S-Adenosil-homocisteína

t Metionina

HOMOCISTINÚRIA

e

Essa doença deve-se a uma deficiência na cistationina-sintase.

e

Ocorre acúmulo de homocisteína na urina.

e

Metionina e seus metabólicos encontram-se elevados no sangue.

e

Ocorrem retardo mental, osteoporose, infarto do miocárdio e um deslocamento caracterísico do cristalino.

Figura 20.14 Resumo do metabolismo dos aminoácidos em humanos. Deficiências enzimáticas geneticamente determinadas estão resumidas nos quadros brancos. Compostos nitrogenados derivados dos aminoácidos são mostrados nos pequenos quadros amarelos. A classificação dos aminoácidos está codificada por cores: vermelho = glicogênicos; marrom = glicogênicos e cetogênicos; verde = cetogênicos. Compostos em LETRAS MAIÚSCULAS AZUIS são os sete metabólitos para os quais converge o metabolismo de todos os aminoácidos.


268

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

cetonúria é o mais importante desses defeitos herdados, pois é relativamente comum, pode facilmente ser detectada por testes de triagem perinatais e responde a tratamento dietético. A . Fenilcetonúria

L·Fenilalanina

A feni lcetonúria (FCU ou PKU), causada pela deficiência de fenilalanina hidroxilase (Figura 20.15), é o erro do metabolismo dos aminoácidos mais co mum entre aqueles clinicamente encontrados (prevalência 1:11 .000). A hiperfenilalaninemia pode também ser causada por deficiências nas enzimas que sintetizam ou reduzem a coenzi ma tetraidrobiopterina (BH 4 ). Freqüentemente, é importante distinguir entre as várias formas de hiperfenilalaninemia, pois seu manejo clínico é diferente. Por exemplo, uma pequena fração da PKU é resultado de uma deficiência na diidropteridina (BH2 ) redufase ou na BH2 sintetase (Figura 20.16). Essas mutações impedem a síntese de BH4 e, indiretamente, aumentam as concentrações de fenilalanina, pois a fenilalanina-hidroxilase requer BH 4 como coenzima. A BH4 é também necessária para a tirosina-hidroxilase e para a triptofano-hidroxi/ase, que catalisam reações que levam à síntese de neurotransmissores, tais como serotonina e catecolaminas. A simples restrição de fenilalanina na dieta não reverte os efeitos sobre o sistema nervoso central (SNC) devidos à deficiência nesses neurotransmissores. A terapia de reposição com BH4 ou 3,4-diidroxifenilalanina e 5-hidroxitriptofano (produtos das reações catalisadas pelas enzimas afetadas, tirosina-hidroxilase e triptofano-hidroxilase) melhora o quadro clínico nessas formas variantes de hiperfenilalaninemia, embora a resposta desses pacientes seja imprevisível e freqüentemente desalentadora.

Tetraidrobiopterina + 0 2

PKU

Diidrobiopterina + H20

Fenila/aninahidroxi/ase

L·Tirosina

Figura 20.15 Uma deficiência na fenilalanina hidroxilase resulta na doença denominada fenilcetonúria (PKU).

1.

Características da PKU a.

Síntese de tirosina

Síntese de catecolaminas

Fenilalanina

~etraidro-

}? , • ~ H

0

2

(BH4 ) Oiidrobiopterlna

(BH2) Tirosina

t t

GTP

Triptofano 0

0

~etra•dro-

biopterina ~

./i"'- .

Síntese de serotonina

Tirosina

0

Fenilalaninahidrox#ase

Fenilalanina elevada. A feni lalanina está presente em concentrações elevadas nos tecidos, no plasma e na urina. Fenilactato, feni-

"/

..d .d. 0 11 rop1en ma~ /

bJoptenna ~ /

_;;,-NADP+

redutase /\ "'-.

NADPH + H+

(BH4 )

Tirosinahidroxi/ase , /~"'- . }? O , , ~

(BH2) DOPA

Diidrobiopterina-

sintetase

D11drob1optenna

H2

l

tt

~etraidro-

biopterina ~

NADP+

(BH4) Dudropterldmaredufase /\ /

"

NADPH + H+

Triptofano· hldroxtlase

GTP

Catecolaminas

H 0 2

'Y

l

(BH2)

t

t

/

"'-. NADPH + H+

Diidrobiopterlna-

smtetase

GTP

·-~;··~

"\'---~------------------LL-----/ Uma deficiência na diidropteridina-redutase ou na diidrobiopter ina-sintetase leva à hiperfenilalaninemia e à redução na síntese de catecolaminas e de serotonina.

Figura 20.16 Reações biossintéticas envolvendo aminoácidos e tetraidrobiopterina.

Diidropterídinaredutase /\

;:( I ~Diidrobiopterina 5-Hidroxitriptamina

Diidrobiopterinasintetase

_;;,- NADP+

"/


Bioquímica Ilustrada

!acetato e fenilpiruvato, que não são normalmente produzidos em quantidades significantes na presença de fenilalanina-hidroxilase funcional, também apresentam-se elevados na PKU (Figura 20.17). Esses metabólitos dão à urina um odor de mofo característico (ou "de camundongo"). (Nota: A doença adquiriu seu nome antes da fenilcetona presente na urina ser identificada como o fenilpiruvato.)

b.

269

Normal --- ~

Fenilpiruvato A

Fenllaceiato

.-?' Proteínas teciduai s

Fenilalanina

Sintoma s do SNC. Retardo mental, dificuldade para andar ou falar, convulsões, hiperatividade, tremor, microcefalia e retardo no crescimento são achados característicos da PKU. O paciente com PKU não-tratada tipicamente apresenta sintomas de retardo mental ao atingir um ano de idade. Praticamente todos os pacientes nãotratados apresentam Ql abaixo de 50 (Figura 20.18).

Fenliactato

/

Melanina

~~ T irosina ::::

~

Catecolaminas

~ Fumarato

c.

Hi popigmentação . Os pacientes com fenilcetonúria freqüentemente apresentam uma deficiência na pigmentação (cabelo e pele claros, olhos azuis) . A hidroxilação da tirosina pela tirosinase, o primeiro passo na formação do pigmento melanina, é inibida competitivamente pelos níveis elevados de fenilalanina presentes na PKU.

Acetoacetato

Fenilcetonúria Fenilpiruvato

2.

3.

Diag nó stico neonatal de PKU. Um diagnóstico precoce da fenilcetonúria é importante, pois a doença é tratáve l por meio de uma d ieta adequada. Devido à ausência de sintomas neonatais, testes laboratoriais para níveis elevados de fenilalanina no sangue são obrigatórios para a detecção* . No entanto, o bebê com PKU freqüentemente apresenta níveis sangüíneos normais de fenilalanina ao nascimento, pois a mãe depura os níveis aumentados de fenilalanina no sangue do bebê atelado, através da placenta . Dessa forma, testes realizados ao nascimento podem mostrar resultados falso-negativos. Níveis normais de fenilalanina podem persistir até o recém-nascido ser exposto a pelo menos 24 horas de alimentação com proteína. Níveis sangüíneos de fenilalanina devem ser determinados em uma segunda amostragem de sangue, obtida após o bebê te r ingerido proteína. Normalmente, a a limentação com leite materno ou leite em pó por 48 horas é suficiente para aumentar a fenilalanina no sangue do bebê para níveis que possam ser utilizados para diagnóstico. Diagnóstico pré-nata l d e PKU . A PKU clássica engloba uma família de doenças, causadas por 1 entre 40 ou mais mutações d iferentes no gene que codifica a fenilalanina-hidroxi/ase (PAH). A freqüência de uma dada mutação varia entre as populações, e a doença é, freqüentemente, duplamente heterozigota, ou seja , o gene PAH apresenta uma mutação diferente em cada alelo. Apesar dessa complexidade, a maior parte dos casos de PKU, na maio ria das populações, são causados por um pequeno número de mutações (6 a 1 0). Um feto pode ser testado in vitro para determinar se carrega uma mutação para PKU (veja a pág. 458).

t

-

~

Fenilalanina

.

Tirosi na

-+-

Fe nilactato

a: a

Fenilacet ato ,7' Proteinas teciduais

/ ., --- 7

. __ Melanina 7

<2

0:

, -- - lo- · - - ~ Catecolamini!s

J-

' ,.:;\.

2

u

Fumarato Acetoacetato

' .:!..

<..: <2

<..: u

Figura 20.17 Vias metabólicas da fenilalanina em indivíduos normais e em pacientes com feni lcetonú ria.

~

c

((

a: 120 100 80

õ

60 40

4.

Trata me nto da PKU. A maioria das proteínas naturais contém feni lalanina e é impossível satisfazer as necessidades protéicas do organismo, quando ingerindo uma dieta normal, sem exceder os limites para a fenilalanina. Portanto, na PKU, a fenilalanina no sangue é mantida dentro dos limites normais utilizando-se como alimento preparações de aminoácidos sintéticos, baixas em fenilalanina, suplementadas com alguns

N. de T. No Brasil, o teste utilizado para triagem desses erros inatos do metabolismo em bebês é conhecido como "teste do pezinho".

u

20

o Nascimento

2

4

6

Idade em anos

Figura 20.18 Capacidade intelectual típica em pacientes com PKU não-tratados, de diferentes idades.

8


270

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

alimentos naturais (tais como frutas, vegetais e certos cereais) selecionados por seu baixo conteúdo em fen ilalanina. A quantidade é ajustada de acordo com a tolerância de cada indivíduo, medida pelos níveis sangüíneos de fenilalanina. Quanto mais cedo é iniciado o tratamento, mais completamente pode ser prevenido o dano neurológico. (Nota: O tratamento deve iniciar entre os primeiros sete a dez dias de vida para prevenir retardo mental.) Uma vez que a fenilalanina é um aminoácido essencial, um tratamento excessivamente zeloso, que resu lte em níveis séricos de feni lalanina abaixo do normal, deve ser evitado, pois isso pode levar a retardo no crescimento e a sintomas neurológicos. (Nota: Mesmo com tratamento dietético, os pacientes com PKU apresentam Ql ligeiramente diminuído e um aumento na incidência de problemas compo rtamentais [humor depressivo, ansiedade, queixas físicas ou isolamento social].) Nos pacientes com PKU, a tirosina não pode ser sintetizada a partir da fenilalanina e, assim sendo, torna-se um aminoácido essencial que deve ser fornecido na dieta. Uma descontinu idade na dieta com restrição de fenilalanina antes dos oito anos de idade está associada com baixo desempenho em testes de Ql. Pacientes adultos com PKU apresentam deterioração em seus graus de Ql após interromperem a dieta (Figura 20.1 9). A restrição de fenilalanina durante toda a vida é, portanto, recomendada.

110 1.00

õ

90 80

70

o

2

3

Anos após a interrupção da dieta

Figura 20.19 Alterações nos escores de Ql após interrupção de uma dieta com baixo conteúdo de fenilalanina, em pacientes com fenilceton úria.

5.

PKU materna. Quando mulheres com PKU, que não estejam em uma dieta com restrição de fenilalanina, engravidam , seus fetos são afetados pela "síndrome da PKU materna". Altos níveis séricos de fenilalanina na mãe levam a microcefalia, retardo mental e anormalidades ca rdíacas congénitas no feto. Algumas dessas respostas do desenvolvimento a níveis altos de fenilalanina ocorrem durante os primeiros meses de gestação. Assim sendo, o controle dietético da fenilalanina sangüínea deve iniciar antes da concepção e deve ser mantido durante toda a gestação. Crianças nascidas de mães com PKU, sob controle metabólico, freqüentemente apresentam alguns efeitos residuais sobre o desenvolvimento ou efeitos comportamentais, como por exemplo hiperatividade.

B. Doença do xarope de bordo A doença do xarope de bordo (MSUD, de Maple syrup urine disease) é uma doença recessiva, na qual há uma deficiência parcial ou completa na desidrogenase dos a-cetoácidos de cadeia ramificada, uma enzima que descarboxila leucina, isoleucina e vali na (veja a Figura 20.1O). Esses aminoácidos e seus a -cetoácidos co rrespondentes acumulam-se no sangue, causando um efeito tóxico que interfere nas funções encefálicas. A doença caracteriza-se por problemas alimentares, vôm itos, desidratação, acidose metabólica grave e um odor característico de xarope de bordo na urina. Se não for tratada, a doença leva a retardo mental, incapacidades físicas e morte. 1.

Classificação. O termo doença do xarope de bordo inclui uma forma clássica e diversas formas variantes da doença. a.

Forma clássica. Essa é a forma mais comum de MSUD. Os leucócitos ou os fibroblastos da pele, obtidos desses pacientes e cultivados, apresentam pouca ou nenhuma atividade da desidrogenase dos a -cetoácidos de cadeia ramificada. Bebés com MSUD clássica apresentam sintomas dentro dos primeiros dias de vida.

b.

Formas inte rmediária e intermitente . Esses pacientes apresentam níveis mais elevados de atividade enzimática (aproxima-


Bioquímica Ilustrada

271

damente 3 a 15% do normal). Os sintomas são menos graves e mostram um início entre a infância e a idade adulta. c.

2.

Forma responsiva à tiamina. Doses elevadas de tiamina podem ajudar a aumentar a atividade da desidrogenase dos cx.-cetoácidos de cadeia ramificada em pacientes com essa variante rara de MSUD.

Tratamento. A doença é tratada com uma fórmu la sintética que contém quantidades limitadas de leucina, isoleucina e valina - suficiente para fornecer aminoácidos de cadeia ramificada necessários para o crescimento e o desenvolvimento sem alcançar níveis tóxicos. Bebês com suspeita de apresentarem qualquer forma de MSUD devem ser examinados dentro de 24 horas após o nascimento. Diagnóstico precoce e tratamento são essenciais para a criança com MSUD desenvolver-se normalmente.

<

~~~~~lt"f~~:-~·':!:'"'~"'r'l:'~=~~,...,_$ Figura 20.20 Paciente com albinismo oculocutâneo, mostrando cabelo loiro e sobrancelhas e cílios brancos.

C. Albinismo O albinismo refere-se a um grupo de condições nas quais um defeito no metabolismo da tirosina leva a uma deficiência na produção de melanina. Esses defeitos resultam na ausência parcial ou completa do pigmento da pele, do cabelo e dos olhos. O albinismo aparece em diferentes formas e pode ser herdado de diversos modos: autossômico recessivo, autossômico dominante ou ligado ao X. O albinismo completo (também denominado albinismo oculocutâneo tirosinase negativo) resulta de uma deficiência na atividade da tirosinase, causando uma ausência total do pigmento de cabelos, olhos e pele (Figura 20.20). É a forma mais grave dessa condição. Pessoas afetadas podem parecer ter cabelo, pele e cor da íris brancos, pod endo ainda apresentar problemas de visão. Essas pessoas também apresentam fotofobia (a luz solar é dolorosa para seus olhos), facilmente apresentam queimaduras de sol e a pele não se torna bronzeada. D. Homocistinúria As homocistinúrias compreendem um grupo de doença s envolvendo defeitos no metabolismo da homicisteína. As doenças são herdadas como autossômicas recessivas, caracterizadas por níveis elevados de homocisteína e de metionina no plasma e na urina e baixos níveis de cisteína. A causa mais comum da homocistinúria é um defeito na enzima cistationina~ -sintase, que converte a homocisteína em cistationina (Figura 20.2 1). Indivíduos homozigotos para a deficiência da cistationina-~ -sintase apresentam ectopia /entis (deslocamento do cristalino do olho) , anormalidades esqueléticas, doença arterial precoce, osteoporose e retardo mental. Os pacientes podem responder ou não à administração oral de piridoxina (vitamina 8 6) - um co-fator da cista tionina-~ -sintase. Pacientes responsivos à 8 6 freqüentemente apresentam um início menos grave e mais tardio dos sintomas clínicos, comparados com os pacientes não-responsivos à 8 6 . O tratamento inclui restrição da ingestão de metionina e suplementação com as vitaminas 8 6 , 8 12 e folato. E. Alcaptonúria A alcaptonúri a é uma doença metabólica rara, envolvendo uma deficiência na enzima ácido homogentísico-oxídase, resultando no acúmulo de ácido homogentísico. (Nota: Essa reação ocorre na via degradativa da tirosina.) A doença apresenta três sintomas caracte rísticos: acidúria homogentísica (a urina do paciente contém níve is elevados de ácido

SH I

ÇH2 CH2 HCNH 3+ I

coo-

L-Homocisteína

Cistationina· sintase

CH -S- CH I 2 I 2 CH 2 HCNH3+ I I HCNH + COO' 3 coo-

Cistationina

Figura 20.21 Deficiência enzimática na homocistinúria.


272

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

Urina de um paciente com alcaptonúria

homogentísico quando é deixada em repouso, esse composto se oxida a um pigmento escuro, Figura 20.22A), artrite que acomete as grandes articulações e ocronose - pigmentação escura da cartilagem e do tecido conjuntivo (Figura 20.228) . Pacientes com alcaptonú ria normalmente são assintomáticos até a idade de 40 anos. Uma coloração escura nas fraldas algumas vezes pode indicar a doença em bebês, mas normalmente não há sintomas presentes até mais tarde. Dietas co m pouca proteína - especialmente com baixa quantidade de fenilalanina e tirosina - ajudam a reduzir os n íveis de ácido homogentísico e diminuem a quantidade de pigmento depositado nos tecidos. Embora a alcaptonúria não represente uma ameça à vida, a artrite associ ada pode ser gravemente incapacitante.

VIl. RESUMO DO CAPÍTULO

O espécime à esquerda, que ficou em repouso por 15 minutos, mostra algum escurecimento da superfície, devido à ox idação do ácido homogentísico.

Vértebras de um paciente com alcaptonúria

Figura 20.22 Um paciente com alcaptonúria.

Os aminoácidos cujo catabolismo produz piruvato ou um dos intermediários do ciclo do ácido cítrico são denominados glicogênicos. Eles podem levar à p rodução líquida de glicose ou de glicogênio no fígado e de glicogênio no músculo. Os aminoácidos g licogên icos são os seguintes: glutamina, glutamato, prolina, arginina, histidina, alanina, serina, glicina, cisteína, triptofano, fenilalanina, tirosina, metionina, valina, isoleucina, treonina, aspartato e asparagina. Os aminoácidos cujo catabolismo produz acetoacetato ou um de seus precu rsores, acetii-CoA ou acetoacetii-CoA, são denominados cetogênicos. Tirosina, fenilalanina, triptofano e isoleucina são tanto cetogênicos quanto glicogênicos. A leucina e a lisina são exclusivamente cetogênicas. Aminoácidos não-essenciais podem ser sintetizados a partir de intermediários metabólicos ou a partir dos esqueletos carbonados dos aminoácidos essenciais. Os aminoácidos não-essenciais incluem alanina, aspartato, glutamato, glutamina, asparagina, prolina, cisteína, serina, glicina e tirosina. Os aminoácidos essenciais devem ser obtidos a partir da dieta. A feni lcetonúria (PKU) é causada por uma deficiência da fenifalanina-hidroxi/ase - a enzima que converte fenilalanina em tirosina. A hiperfenilalaninemia pode também ser causada por deficiências nas enzimas que sintetizam ou reduzem a coenzima da hidroxilase, a tetraidrobiopterina. Pacientes com PKU não-t ratados apresentam retardo mental , d ificuldade para caminhar ou falar, convulsões, hiperatividade, tremores, microcefal ia e deficiências no crescimento. O tratamento envolve o controle da fenilalanina na dieta. Observe que a tirosina torna-se um componente essencial na dieta de indivíduos com PKU. A doença do xarope de bordo (MSUD) é uma doença recessiva, na qual há uma deficiência parcial ou completa na desidrogenase dos a.-cetoácidos de cadeia ramificada - uma enzima que descarboxila leucina, isoleucina e valina . Os sintomas incluem problemas com a alimentação, vômitos, desidratação, acidose metabólica grave e odor ca racterístico da urina. Se não for tratada, a doença leva a retardo mental, incapacidades físicas e morte. O tratamento da MSUD envolve uma fórmula sintética que contém quantidades limitadas de leucina, isoleucina e val ina. Outras doenças genéticas importantes associadas com o metabolismo dos a minoácidos incluem o alb inismo, a homocistinúria, a def iciê ncia de metilmalonii-CoA-mutase, a alcaptonúria, a histidinemia e a cistationinúria.


Bioquímica Ilustrada

Metabolismo dos aminoácidos

Alguns aminoácidos clinicamente importantes

I

I

I

Metionina

I

• Fonte de grupos metila

homogentí sico

envolve I

I

l

[

I

Arginina

[

Glutamina

I

que consistem em

I

Triptofano

I

• Precurso r da serotonina

I

• Forma de armazenamento

I

I

• Precu rsora da histamlna

óxido nítrico

t

Histidina

• Elevada na histidinemia

• Precursora do

Sete produtos

ACETOACETIL-CoA

• Elevada na fenilcetonúria

• Membro do ciclo da uréla

[ Metabolismo dos es-] Remoção do [ grupo <>-a mino queletos carbonados j '--- - -- - - - ' converge para produzir

l

I

• Precursora do ácido

I

ACETIL-CoA

Fen ilalanina

• P recursora da tirosina

para o metabolismo

....._, Catabolismo dos aminoácidos

I

273

e transporte de amônia

I

Alanina

I

• Forma de transporte da amônia a parti r do músculo

• Precursora de purinas

PIRUVATO

e pirimidinas

OXALACETATO FUMARATO u-CETOGLUTARATO

Defeitos metabólicos do metabolismo dos aminoácidos

SUCCINIL-CoA

classifi~dos como

classificados como

t

[

Cetogênicos I

[ [

t

11

Glicoginicos I

prodtzem

prodfzem

Lipideos

Lipídeos

Energia

Energia Glicose

Lj

Síntese dos aminoácidos

I

t

Família de defeitos em enzimas do metabolismo dos aminoácidos I

causados por

t Mutações pontuais, deleções e erros de clivagem

normalmente Defeitos herdados de forma - - - -+-! recessiva; heterozigotos geralment e não apresentam sintom as

que podem levar a

t

Enzimas parcial ou completamente inativas

envolve Transaminação dos a -cetoácidos; por exemplo, piruvato ~ alanina

Amidação; por exemplo , as partato ~ asparagina

-

caracterizam-se por

Síntese a partir de outros aminoácidos; por exemplo, fenilalanina --7 tirosina

que levam a

t

Acúmulo do s ubstrato e uma deficiência no produto da enzima defeituosa I

que~ vaa

Distúrbios no metabolismo, em especial no SNC que levam a

t

Convulsões, retardo mental e outros efeitos sobre o SNC C on ex ão d e co n ce i tos

Figura 20.23 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo dos aminoácidos.

Am inoácidos: 19 Destino do Nit~ogênio

j


27 4

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

Questões para Estudo: Escolha A ÚNICA resposta correta. 20.1 Qual das seguintes afirmativas está correta?

A. Um aumento na gliconeogênese a partir de aminoácidos resulta em uma diminuição na síntese de uréia. 8. Todos os aminoácidos essenciais são glicogênicos. C. Ornitina e citrulina são encontradas em proteínas teciduais. D. A cisteína é um aminoácido essencial em indivíduos que consomem uma dieta desprovida de metionina. E. Na presença de fontes adequadas de tirosina na dieta, a fenilalanina não é um aminoácido essencial. 20.2 Qual das seguintes afirmativas a respeito de um bebê do sexo masculino de uma semana de idade com fenilcetonúria clássica não-detectada está correta? A. A tirosina é um aminoácido não-essencial para o bebê. 8. Níveis elevados de fenilpiruvato aparecem em sua urina. C. A terapia deve iniciar dentro do primeiro ano de vida. D. Uma dieta desprovida de fenilalanina deve ser iniciada imediatamente. E. Quando o bebê alcançar a idade adulta, recomenda-se que a terapia dietética seja interrompida. 20.3 Em um menino de quatro anos de idade, filho de um casal de parentes consangüíneos em primeiro grau, foi observado pelos pais o escurecimento da urina, até uma cor quase negra, quando deixada em repouso. Ele tem um irmão normal e não apresenta quaisquer outros problemas médicos. O crescimento durante a infância e o desenvolvimento são normais. Quais dos seguintes compostos é o mais provável de estar elevado neste paciente?

A. Metilmalonato 8. C. D. E.

Homogentisato Fenilpiruvato a-Cetoisovalerato Homocistina

Resposta correta = O. A metionina é o precursor da cisteína. Um aumento na gliconeogênese libera uma maior quantidade de amônia e resulta em uma produção aumentada de uréia. Os aminoácidos essenciais leucina e lisina são cetogênicos. A ornitina e a citrulina são aminoácidos que são intermediários no ciclo da uréia, mas não são encontrados nas proteínas teciduais.

Resposta correta = B. Fenilactato, fenilacetato e fenilpiruvato, que normalmente não são produzidos em quantidade significativa na presença de fenilalanina-hidroxilase funcional, encontram-se elevados na PKU e aparecem na urina. Nos pacientes com PKU, a tirosina não pode ser sintetizada a partir da fenilalanina e, assim sendo, torna-se essencial e deve ser fornecida na dieta. O tratamento deve iniciar durante os primeiros 7 a 10 dias de vida para prevenir retardo mental. A interrupção da dieta com restrição de fenilalanina antes dos oito anos de idade está associada com desempenho prejudicado em testes de 0 1. Pacientes adultos com PKU apresentam deterioração da atenção e da velocidade de processamento mental após interrupção da dieta. Portanto, a restrição de fenilalanina na dieta durante toda a vida é recomendável.

Resposta correta = B. A alcaptonúria é uma doença metabólica rara, envolvendo uma deficiência na ácido homogentísicooxidase e o subseqüente acúmulo de ácido homogentísico na urina, que torna-se escura ao ficar em repouso. O aumento no metilmalonato (dev ido à deficiência na metilmalonii-CoAmutase), no fenilpiruvato (devido à deficiência na fenilalaninahidroxilase). no a -cetoisovalerato (devido à deficiência na desidrogenase dos a-cetoácidos de cadeia ramificada) e na homocistina (devido à deficiência na cistationina-sintase) é inconsistente com uma criança saudável com escurecimento da urina.


Conversão dos Aminoácidos em Produtos Especializados

Proteína da dieta 100 g/dia (típica de uma dieta norte· americana)

I. VISÃO GERAL Além de servirem como blocos constitutivos das proteínas, os aminoácidos são precursores de muitos compostos nitrogenados que apresentam importantes funções fisiológicas (Figura 21.1 ). Essas moléculas incluem porfirinas, neurotransmissores, hormônios, purinas e pirimidinas.

11.

Proteína corporal -400 g/dia

A síntese de aminoácidos não-essenciais é variável

METABOLISMO DAS PORFIRINAS

Porfirinas são compostos cíclicos que ligam -se facilmente a íons metálicos 2 3 - geralmente Fe + ou Fe +. A metaloporfirina mais abundante em humanos é o heme, que consiste em um átomo de ferro na forma de íon ferroso (Fe2+) coorde nado, no centro de um anel tetrap irrólico de protopo rfirina IX (veja a pág. 277). O heme é o grupo prostético da hemoglobina, da mioglobina, dos citocromos, da cata/ase e da triptofano-pirro/ase. Essas hemeproteínas são rapidamente sintetizadas e degradadas. Por exemplo, 6 a 7 g de hemoglobina são sintetizados por dia para substituir o heme perdido na renovação normal dos eritrócitos. Essa renovação encontra-se coordenada com a síntese e a degradação simultâneas das porfirinas associadas às hemeproteínas e co m a reciclagem dos íons de ferro a elas ligados.

Proteína corporal -400 g/dia

Síntese de: • Portírínas • Creatina • Neurotrans· missores

Quantidade variável

• Purinas • Pirimidinas • Outros compostos nitroge· nados

A. Estrutura das porfirinas As porfirinas são moléculas cíclicas, formadas pela união de quatro anéis pirrólicos por meio de pontes metenila (figura 21.2). Três estruturas características dessas moléculas são relevantes para a compreen são de sua importância médica. 1.

Cadeias laterais. Diferentes porfirinas são observadas em função da natureza das cadeias laterais que estão ligadas a cada um dos quatro anéis pirrólicos. Por exemplo, a uroporfirina contém em suas cadeias laterais os grupos acetato (- CH2- COO-) e propionato (-CH2- C H2coo-), enquanto a coproporfirina apresenta como substituintes grupos metila (-CH 3) e propionato.

Glicose, glicogênio

Corpos cetônicos, ácidos graxos, esteróides

Figura 21.1 Aminoácidos como precursores de compostos nitrogenados.


276

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

As porfirinas contêm quatro anéis pirrol (A, 8 , C e D), unidos por meio de pontes metenila.

As porfirinas contêm cadeias laterais ligadas a cada um dos quatro anéis pirrol. Nas porfirinas do tipo I, as cadeias laterais estão arranjadas s imetricamente, ou seja, para a uroporfirina I, o A (acetato) está alternado com o P (propionato) ao redor do anel tetrapirrólico.

O acetato (A) e o propionat o (P) apresentam posições invertidas no anel D da uroporfirina III, quando comparada com a uroporfirina I. Apenas as porfirinas do t ipo III são fi siologicamente importantes nos humanos.

p

A ~ _.,N

p /;

\-.,

~ p

N

N

~~ A p

Uropo rfirina III

Uroporfirina I

Fig u ra 21.2 Estruturas da uroporfirina I e da uroporfirina III. (Nota: A = acetato e P = propionato.)

2.

Distribuição das cadeias laterais. As cadeias laterais das porfirinas podem ser ordenadas ao redor do núcleo tetrapirrólico de quatro maneiras diferentes, sendo designadas pelos numerais romanos I a IV. Apenas as porfirinas do tipo III, que contê m uma substituição assimétrica no anel O (veja a Figura 21 .2), são fisiologicamente importantes em humanos. (Nota: Na partiri a eritropoiética congê n it a [veja o Resumo na Figura 2 1.7, pág. 279], as porfirinas do tipo I, que contêm um arranjo simétrico de substituintes [veja a Figura 2 1.2), são sintetizadas em quantidades apreciáveis.)

3.

Porfi r inogên ios. Precursores de porfirinas que ocorrem na forma q uimicamente reduzida são denominados porfirinogênios. Em contraste com as porfirinas, que são coloridas, os porfirinogênios, como o uroporfirinogênio, são incolores. Como descrito na próxima seção, os porfirinogênios servem como intermediários entre o porfobilinogênio e as protoporfirinas na biossíntese do heme.

coo-

' ÇH2 ÇH2-coo-

ÇH2

O=C-CoA

NH3+ Glicina

Succinii-CoA

Hemina

õ-Amlnolevulinalo· sintase

-c<·•••"""' Heme

coo-

' ÇH2 ÇH2

B . B iossíntes e do heme

C=O I

C, / CH

Os principais sítios para a biossíntese do heme são o fígado, que sintetiza diversas heme-proteínas (em especial o citocromo P450), e as cél ulas produtoras de eritróc ito s da medula óssea, que são ativas na síntese de hemoglobina. No fígado, a velocidade de síntese do heme é altamente variável , respondendo a alterações nas quantidades de heme na cé lula, causadas por flutuações na demanda por heme-proteínas. Em contraste, a síntese de heme nas células eritróides é relativamente constante e se equipara à taxa de síntese de globina. A reação inicial e os últimos três passos na formação das porfirinas ocorrem na mitocôndria, enquanto os passos intermediários da via biossintética ocorrem no citosol (veja o Resumo na Figura 21.7). (Nota: Eritrócitos maduros não apresentam mitocôndria e são incapazes de sintetizar o heme.)

ÇH2

1.

ÇH2 NH3 +

2 Ácido õ-aminol evulínico (ALA) 15-Aminolevu//natodesidrase

Chumbo

m ...... ..

,.~

FD uas moléculas se condensam) 2 H2 0

coo-

' 2 çoo- ÇH ÇH2

ÇH2

e- c 11

11

I~

NH2 Porfobilinogênio

Figura 21 .3 Via de síntese da porfirina: formação de porfobilinogênio. (Continua na Figura 2 1.4.)

Formaç ão de ácido õ-am i nolev ulínico (ALA). Todos os átomos de carbono e de nitrogênio da molécula da porfirina são fornecidos por dois blocos construtivos simples: a glicina (um aminoácido não-essencial) e a succinii-CoA (um intermediário do ciclo do ácido cítrico). A glicina e a succinii-CoA condensam para fo rmar o ALA em uma reação catalisada pela ALA-sintase (Figura 21.3). Essa reação requer piridoxal-fosfato como coenzima e é o passo cont rolad o r d a ve locidad e na biossíntese hepática de porfirinas.


Bioquímica Ilustrada

a.

b.

2.

Inibição pelo p roduto fi nal, a hemina. Quando a produção de porfirinas excede a disponibilidade de globina (ou outras apoproteínas), o heme acumula e é convertido em hemina pela oxidação 2 3 do Fe • em Fe •. A hemina diminui a atividade da ALA -sintase hepática, por meio de uma redução na síntese da enzima. (Nota: Nas células eritróides, a síntese do heme está sob o controle da eritropoietina e da disponibilidade de fe rro intracelular.) Efeito de drogas so bre a atividad e da ALA-sintase. A admi nistração de drogas, tais como fenobarbital , griseofulvina ou hidantoínas, resulta em um aumento significativo na atividade da ALA-sintase hepática. Essas drogas são metabolizadas pelo sistema microssomal citocromo P450-monoxigenase - um sistema heme-proteína-oxidase encontrado no fígado (veja a pág. 278). Em resposta a essas drogas, a síntese de citrocromo P450 aumenta, levando a um consumo aumentado de heme - um componente do citocromo P450. Isso, por sua vez, causa uma diminuição na concentração de heme nas células hepáticas. A redução na concentração intracelular de heme leva a um aumento na síntese de ALA-sintase (desrepressão), e promove um aumento correspondente na síntese de ALA.

Formação de porfobilinogên io. A reação de desidratação de duas moléculas de ALA para formar porfobilinogênio pela õ-aminolevulinato-desidrase é extremamente sensível à inibição por íons de metais pesados (veja a figura 21 .3 e a pág. 279). Essa inibição é, em parte, responsável pela elevação no ALA e pela anemia observada no envenena mento por chumbo.

3.

Formação do u roporti rinogênio. A condensação de quatro moléculas de porfobilinogênio resulta na formação de uroporfirinogênio III. Essa formação requer hidroximetibilano-sintase e uroporfirinogênio 11/-sintase (assim é produzido o uroporfirinogênio III , que é assimétrico, Figura 21.4).

4.

Formação do heme. O uroporfirinogênio III é convertido no heme por meio de uma série de descarbox ilações e oxidações, resumidas na 2 Figura 21.4. A introdução de Fe • na protoporfirina IX ocorre espontaneamente, mas a velocidade é aumentada pela enzima ferroquelatase - uma enzima que é inibida pelo chumbo (veja a pág. 279).

coo' çoo- ÇH2 ÇH2

ÇH2

CC 11 11 C, /CH

I

~

yH2 NH2

As porfirias são causadas por defeitos herdados (ou eventualmente adquiridos) na síntese do heme, resultando no acúmulo e na excreção aumentada de porfirinas ou de precursores de porfirinas (veja o Resumo na Figura 21.7). Com a exceção da porfiria eritropoiética congênita, uma doença genética recessiva, todas as porfirias são herdadas como distúrbios autossômicos dominantes. As mutações que causam as porfirias são heterogêneas (nem todas ocorrem no mesmo sítio no DNA), e cada família afetada apresenta praticamente sua própria mutação. Cada porfiria resulta no acúmulo de intermediários em um padrão próprio, causado pela deficiência de uma enzima na via sintética do heme. 1.

Manifestações clín icas. As partirias são classificadas como eritropoiéticas ou hepáticas, dependendo da deficiência enzimática ocorrer nas células eritropoiéticas da medula óssea ou no fígado. As porfirias hepáticas podem ainda ser classificadas como agudas ou crônicas. Indivíduos com um defeito enzimático que leva ao acúmulo de interme-

4

Porfobilinogênio Hidroximetilbilano· ~Q uatro moléculas sintase se condensam) 4 NH3

Hidroximetilbilano Uroporfirinogênio 1//- l (Fechamento do anel sintase e isomerização)

Uro porfirinogênio III

t t

Protoporfirina IX

2

Fe +~.1 ~ -<(•"""""" Ferroquelataseh

C. Partiri as

277

Chumbo

2 H+

v

Heme (Fe2+ proto porfirina IX)

Figura 21.4 Via de síntese da porfirina: formação do heme. (Continuação da Figura 21.3.)


278

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

diários tetrapirróis apresentam totossensibilidade- ou seja, sua pele apresenta prurido e sensação de queimação quando exposta à luz visível. (Nota: Acredita-se que esses sintomas sejam resultado da formação de radicais superóxido a partir do oxigênio, que seria mediada por portirinas. Essas espécies reativas de oxigênio podem danificar oxidativamente as membranas, causando a liberação de enzimas degradativas a partir dos lisossomos [veja a pág. 145 para uma discussão sobre intermediários reativos de oxigênio]. A destruição de componentes cel ulares leva à fotossensibilidade.)

Figura 21.5 Erupções cutâneas em um paciente com partiria cutânea tardia.

Figura 21.6 Urina de um paciente com partiria cutânea tardia (à direita) e de um paciente com excreção normal de portirinas (à esquerda).

a.

Partiria crônica. Partiria cutânea tardia, a partiria mais comu m, é uma doença crônica que atinge o fígado e os tecidos eritróides. A doença está associada com uma deficiência na uroporfirinogêniodescarboxilase, mas a expressão clínica da deficiência enzimática é influenciada por vários fatores, como sobrecarga hepática de ferro, exposição à luz solar e presença de hepatite B ou C ou infecções por HIV. O surgimento clínico ocorre tipicamente durante a quarta ou q uinta décadas de vida. O acúmulo de po rtirinas leva a sintomas cutâneos (Figura 20.5) e a mudanças na coloração da urina, que se torna de vermelha a marrom sob a luz natural (Figura 20.6) e de rosa a vermelho sob luz fluorescente.

b.

Partirias hepáticas agudas. Partirias hepáticas agu das (partiria intermitente aguda , coproportiria hereditária e partiria variegata) são caracte rizadas por ataques agudos com sintomas gastrintestinais, neurológicos/psiquiátricos e cardiovasculares. Partirias que causam acúmulo de ALA e portobilinogênio, como a partiria intermitente aguda, causam dor abdominal e distúrbios neuropsiquiátricos. Os sintomas das partirias hepáticas agudas são freqüentemente desencadeados pela administração de drogas, tais como barbituratos e etanol, as quais induzem a síntese do sistema microssomal de oxidação de drogas do citocromo P450, que contém heme. Isso diminui ainda mais a quantidade de heme disponível, o que, por sua vez, promove o aumento na síntese da ALA-sintase.

c.

Partirias eritropoiéticas. As partirias eritropoiéticas (partiria eritropoiética congênita e protoportiria eritropoiética) são caracterizadas por erupções e vesículas na pele, q ue aparecem no in ício da infância . Essas doenças são complicadas por cirrose colestática hepática e progressiva insuficiência hepática.

2.

Aumento na ativldade da ALA-sintase. Uma característica comum das partirias é uma diminuição na síntese do heme. No fígado, o heme funciona normalmente como um repressor da ALA-sintase. Portanto, a ausência desse produto final resulta em um aumento na síntese da ALA-sintase (desrepressão). Isso leva a um aumento na síntese de intermediários que ocorrem antes do bloqueio genético. O acúmulo desses intermediários tóxicos é a principal fisiopatologia das partirias.

3.

Tratamento. Durante ataques agudos, o paciente necessita de apoio médico, em especial de tratamento para dor e vôm itos. A gravidade dos sintomas das partirias pode ser reduzida por injeção intravenosa de hemina, que diminui a síntese de ALA-sintase. Evitar a luz solar e ingerir f3-caroteno (um seqüestrador de radicais livres) também pode ser útil.


Bioquímica Ilustrada

ENVENENAMENTO POR CHUMBO

PROTOPORFIRIA ERITROPOIÉTICA

• Ferroquelatase e ALA-desidrase são especialmente sensíveis à inibição por chumbo. • Coproporfirina III e ALA acumulam-se na urina.

••• Heme

;:·o}-•·"

PORFIRIA INTERMITENTE AGUDA • Uma doença aguda, causada por uma deficiência na hidroximetilbilano-sintase. • O porfobilinogênio e o ácido õ-aminolevulínico acumulam-se na urina. • A urina escurece com a exposição à luz e ao ar. • Os pacientes NÃO são fotossensíveis.

D

Succinii-CoA + Glicina

l o~

...........

: :

.. .. ... ..

...

Protoporfirina IX

• A doença se deve a uma deficiência na ferroq uelatase. • Protoporfirina acumula-se nos eritrócitos, na medula óssea e no plasma. • Os pacientes são fotossensíveis.

PORFIRIA VARIEGATA • Uma doença aguda, causada por uma deficiência na protoporfirinogênio-oxidase. • Protoporfirinogênio IX e outros intermediári os anteriores ao bloquei o acumul am-se na urina. • Os pacientes são foto ssensíveis .

COPROPORFIRIA HEREDITÁRIA Protoporfirinogênio IX

+

Ácido 0-aminolevulínico

• Uma doença aguda, causada por uma deficiênci a na coproporfirinogênio-oxidase. • Coproporfirinogênio III e outros intermediários anteriores ao bloqueio acumulam-se na urina. ~

í/

Coproporfirinogênio III

Ácido 8-aminolevulínico

Coproporfirinogênio III

Espontâneo )

Coproporfirina III

PORFIRIA CUTÂNEA TARDIA

CHAVE:

Porfiria hepática

f

Porfiria eritropoiética

• Um doença crônica, causada por uma deficiência na uroporfirinogênio· descarboxilase. • A uroporfirina acumula-se na urina. • É a mais comum das porfirias. • Os pacientes são fotossensíveis.

Porfobilinogênio

t

I

Hidroximetilbilano (ligado à enzima)

Uroporfirinogênio III

Espontâneo )

Uroporfirina III

PORFIRIA ERITROPOIÉTICA CONGÊNITA Espontâneo Uroporfirinogênio I

~

Uroporfirina I

Espontâneo Coproporfirinogênio I

Figura 21 .7 Resumo da síntese do heme.

Coproporfirina I

• Essa doença é causada por uma deficiência na uroporfirinogênio 111-sintase. • Uroporfirinogênio I e coproporfirinogênio I acumulam-se na urina. • Os pacientes são fotossensíveis.

279


280

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

D. Degradação do heme Após aproximadamente 120 dias na circulação, os eritrócitos são captados e degradados pelo sistema reticu loendotelial (R E), especialmente no fígado e no baço (Figura 21 .8). Cerca de 85% do heme destinado à degradação é proveniente dos eritrócitos, e 15% provêm da renovação de eritrócitos imaturos e citocromos de tecidos extra-eritróides. 1.

Formação de bilirrubina. O primeiro passo na degradação do heme é catalisado pelo sistema microssomal heme-oxigenase das células do RE. Na presença de NADPH e 0 2 , a enzima adiciona um grupo hidroxila à ponte metenila, entre dois anéis pirrol, com a concomitante oxidação do íon ferroso a Fe3+. Uma segunda oxidação pelo mesmo sistema enzimático resu lta na clivagem do anel da porfirina. O íon férrico e monóxido de carbono são liberados, resu ltando na produção de um pigmento verde, a biliverdina (veja a Figura 21.8). A biliverdina é reduzida, formando o composto vermelho-alaranjado bilirrubina. A bilirrubina e seus derivados são coletivamente denominados pigmentos biliares. (Nota: A variação de cores em um hematoma reflete a variação no padrão de intermediários, que ocorre durante a degradação do heme.)

2.

Captação da bilirrubina pelo fígado. A bilirrubina é apenas ligeiramente solúvel no plasma e, assim sendo, é transportada para o fígado ligada de modo não-covalente à albumina . (Nota: Certas drogas ani1 ônicas, como salicilatos e sulfonamidas , podem deslocar a bilirrubina da albumina, permitindo que a bilirrubina penetre no sistema nervoso central [SNC]. Esse fenômeno é potencialmente causador de lesão nervosa nos bebês.) A bilirrubina dissocia-se de seu carreador, a molécula de albumina, e entra no hepatócito, onde se liga a prote ínas intracelulares, especialmente à proteína ligandina.

3.

Formação de diglicuronato de bilirrubina. No hepatócito, a solubilidade da bilirrubina é aumentada pela adição de duas moléculas de ácido glicurônico. (Esse processo é denominado conjugação.) A reação é catalisada pela bi/irrubina-g/icuronil-transferase, utilizando ADPácido glicurônico como doador de glicuronato. (Nota: Conjugados de bilirrubina também ligam-se à albumina, porém muito mais f racamente do que a bilirrubina não-conjugada.)

4.

Excreção da bilirrubina na bile. O diglicuronato de bilirrubina é transportado ativamente contra um gradiente de concentração para dentro dos canalículos biliares e, a seguir, para a bile. Esse passo dependente de energia é limitante da velocidade e suscetível a prejuízo em casos de doença hepática. A bilirrubina não-conj ugada normalmente não é excretada.

5.

Formação de urobilinas no intestino. O diglicuronato de bilirrubina é hidrolisado e reduzido por bactérias no intestino, produzindo urobilinogênio, um composto incolor. A maior parte do urobilinogênio é oxidada, por bactérias intestinais, a estercobilina, que dá às fezes sua cor marrom característica. No entanto, parte do urobilinogênio é reabsorvida a partir do intestino e entra no sangue no sistema porta. Uma certa porção desse urobilinogênio participa do ciclo entero-hepático do urobilinogênio, no qual ele é captado pelo fígado, e então novamente excretado na bile. O restante do urobilinogênio é transportado pelo sangue para o rim, onde é convertido em urobilina, que é amarela e que,

B i ' iverdina

Biliverdinaredutase

M

V

M

P

P

U

M

V

.t:lc~~c~~c M M )J.o

O

N H H H H2

N HHH

Bilirrubina

SANGUE

Complexo bilirrubina-albumina

v

Diglicuronato de bilirrubina

BILE

Figura 21.8 Formação da bilirrubina a partir do hem e. '

Veja o Capitulo 34 de Farmacologia Ilustrada (3' edição) e o Capítulo 29 (2' edição) para u ma discussão acerca de kemicterus devido ao deslocamento da bilirrubina por sulfonamidas.


Bioquímica Ilustrada

O

281

Eritrócitos senescentes são a principal fonte de heme-proteínas.

IJ

A bilirrubina é captada pelo fígado e conjugada com ácido glicurônico.

O restante do urobilinogênio é transportado pelo sangue para os rins, onde é convertido na urobilina amarela e excretado, dando à urina sua cor característica.

m

A bilirrubina não-conjugada é transportada no sangue (complexada à albumina) até o fígado.

Parte desse urobilinogénio participa do ciclo entero-hepático do urobilinogénio.

RIM

A bile é secretada do fígado para o intestino.

fJ Parte do urobilinogênio é reabsorvido do intestino e entra na circulação porta.

Para a urina

lr.!l No intestino, o ácido ~ glic urônico é removido por bactérias. A bilirrubina resultante é convertida em urobilinogénio.

Figura 21.9 Catabolismo do heme Q =bilirrubina; !liil = diglicuronato de bilirrubina; [!] = urobilinogênio; [.I]J = urobilina; A= estercobilina.

ao ser excretada, dá à urina sua cor característica. O metabolismo da bilirrubina está resumido na Figura 21.9.

E.

Icterícia A icterícia refere-se à cor amarelada da pele, do leito ungueal e da esclera (o branco dos olhos), causada pela deposição de bilirrubina nesses tecidos, secundária a um aumento dos níveis de bilirrubina no sangue (hiperbilirrubinemia, Figura 21. 10). Embora não seja uma doença, a icterícia é, normalmente, um sintoma da existência de um distúrbio subjacente.

1.

Tipos de icte rícia. A icterícia pode ser classificada em três principais formas, descritas a seguir. No entanto, na prática clínica, a icterícia é


282

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier freqüentemente mais complexa do que o indicado nessa classificação simples. Por exemplo, o acúmulo de bilirrubina pode ser um resultado de defeitos em mais de um passo de seu metabolismo. a.

Icterícia hemolítica. O fígado possui a capacidade de conjugar e excretar, por dia, mais de 3.000 mg de bilirrubina, cuja produção normal é de apenas 300 mg/dia. Essa grande capacidade permite que o fígado responda a um aumento na degradação do heme com um aumento correspondente na conjugação e na secreção de diglicuronato de bilirrubina. No entanto, a lise maciça de eritrócitos (por exemplo, em pacientes com anemia falciforme, deficiência de piruvato-cinase ou de glicose-6-fosfato-desidrogenase ou malária) pode levar a uma produção de bilirrubina mais rápida do que a capacidade hepática de conjugá-la. Assim, mais bilirrubina é excretada na bile, a quantidade de urobilinogênio que entra na ci rcu lação entero-hepática aumenta e o urobilinogênio urinário aumenta. Os n íveis d e bilirrubina não-conjugada no sang ue tornam-se aumentados, causando a icterícia (Figura 21.11 ).

b.

Icterícia obstrutiva . Nesse caso, a icterícia não é causada por superprodução de bilirrubina, mas resulta da obstrução do dueto biliar. Por exemplo, a presença de um tumor hepático ou de cálcu los biliares pode causar um bloqueio nos duetos biliares, impedindo a passagem da bilirrubina para o intestino. Os pacientes com icterícia obstrutiva apresentam dor gastrintestinal e náusea e produzem fezes claras, cor de arg ila. O fígado "regurgita" a bilirrubina conjugada para o sangue (hiperbilirrubinemia). Esse composto é por fim excretado na urina. (Nota: Obstrução prolongada do dueto biliar pode levar à lesão hepática, com um subseqüente aumento na bilirrubina não-conjugada.)

Figura 21.10 Paciente com icterícia, co m as escleras dos olhos amarelas.

Icterícia hemolítica

Icterícia neonatal

Figura 21.11 Alterações no metabolismo do heme. A. Icterícia hemolítica. B. Icterícia neonatal. (Nota: A circulação entero-hepática do urobilinogênio está omitida para maior clareza.) BG = diglicuronato de bi lirrubina; B = bilirrubina; U = urobilinogênio; S = estercobilina.


283

Bioquímica Ilustrada

c.

2.

3.

III.

Icterícia hepatocelular. Lesão em hepatócitos (por exemplo, nos pacientes com cirrose ou hepatite) pode causar aumento nos níveis sangüíneos de bilirrubina não-conjugada, em função de uma redução na conjugação. A bilirrubina conjugada não é eficientemente secretada para a bile, mas sim difunde ("vaza") para o sangue. O urobilinogênio aumenta na urina, pois a lesão hepática diminui a circul ação entero-hepática desse composto, permitindo que uma maior quantidade dele chegue ao sangue, de onde é filtrado para a urina. A urina então torna-se escura, enquanto as fezes apresentam uma cor de argila clara. Os níveis plasmáticos de AST (GOT) e ALT (GPT, veja a pág. 249) apresentam-se elevados, e o paciente experimenta náusea e anorexia.

Icterícia em recém-nascidos. Bebês recém-nascidos, em especial beb ês prematuros, freq üente mente acumulam bilirrubina, pois a atividade da bilirrubina -glicuronil-transferase hepática é baixa ao nascimento - ela alcança níveis semelhantes aos do adulto em cerca de quatro semanas (Figuras 21.11 B e 21 .12). Bilirrubina elevada além da capacidade de ligação da albumina pode difundir para os núcleos da base e causar encefalopatia tóxica (kernicterus). Desse modo, recémnascidos com níveis de bilirrubina significativamente elevados são tratados com luz fluorescente azul (Figura 21. 13), que converte a bilirrubina em isômeros mais pola res e, portanto, mais solúveis em água. Esses fotoisômeros podem ser excretados na bile sem ser conjugados ao ácido glicurônico. (Nota: A síndrome de Crigler-Najjar é causada por uma deficiência genética da bilirrubina-glicuronil-transferase hepática.) Determinação da concentração de bilirrubina. A bilirrubina é em geral determinada pela reação de van den Bergh, na qual o ácido sulfanílico diazotado reage com a bilirrubina, formando azodipirróis vermelhos, que são medidos colorimetricamente. Em solução aquosa, a bilirrubina conjugada , que é solúvel em água, reage prontamente com o reativo (dentro de um minuto) e é chamada "reatante direta". A bilirrubina não-conjugada, muito menos solúvel em solução aquosa, reage mais lentamente. No entanto, quando a reação é realizada em meta nol , tanto a conjugada quanto a não-conjugada são solúveis e reagem com o reativo, fornecendo o valor da bilirrubina total. A bilirrubina "reatante indireta", que corresponde à bilirrubina não-conjugada, é obtida subtraindo-se a bilirrubina reatante direta da bilirrubina total. (Nota: No plasma normal, apenas cerca de 4% da bilirrubina total são conjugados.)

D

A atividade da enzima que conjuga a bilirrubina com o ácido glicurôni co, a UDP-glicuroniltransferase (UDPGT), é baixa em recém-nascidos, especialmente em bebês prematuros.

Prematuro Atermo -

12

18

24

1:'1

U

Os níveis séri~os de bil!rrubina aumentam apos o nasc1mento em bebês a lermo, embora normalmente não atinjam concentrações perigosas.

::J' - - - - - -- - - - -- - -. ~

sE140 Prematuro Atermo -

24

Figura 21.12 Icterícia neonatal.

OUTROS COMPOSTOS NITROGENADOS

A. Catecolaminas Dopamina, noradrenalina e adrenalina (epinefrina) são aminas biologicamente ativas, coletivamente denominadas catecolaminas. A dopamina e a norad renalina funcionam como neurotransmissores no encéfalo e no sistema neurovegetativo. A noradrenalina e a adrenalina também são sintetizadas pela medula ad renal. 1.

Funções. Fora do sistema nervoso, a noradrenalina e seu derivado metilado, a adrenalina, aluam como reguladores do metabolismo dos carboidratos e dos lipídeos. A noradrenalina e a adrenalina são liberadas de vesículas de armazenamento na medula da adrenal em resposta ao medo, ao exercício, ao frio e a baixos níveis de glicose. Elas

30

Dias pós-natais

Figura 21.13 Fototerapia na icterícia neonatal.

30


284

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

Tirosinahidroxilase

(\

Tetraidro· biopterina +02

Tirosina

DOPA-

>O HO ~ OH

Diidrobiopterina +H20

l

CH 2yHcoo-

descarboxilase

Ascorbato +02

NH3 +

3,4-Diidroxifenilalanina (dopa)

O~H~

O

'H

HO

OH

Dopaminafl-hidroxilase

OHH

,CH3

C-C-N

HH

Dopamina

<

Feni/etanolaminaN-metiltransferase

I\

S-Adenosil· homocisteína

Adrenalina

S-Adenosil· metionina

C-C-NH2

O

I

I

HH

HO

OH

Noradrenalina

Figura 21.14 Síntese das catecolaminas.

aumentam a degradação do glicogênio e de triacilgliceróis, assim como determinam um aumento na pressão sangüínea e no débito cardíaco. Esses efeitos são parte de uma resposta coordenada para preparar o indivíduo para emergências e são freqüentemente referidos como reações de "luta ou fuga".

Adrenalina

2.

Síntese das catecolaminas. As catecolaminas são sintetizadas a partir da tirosina, como mostrado na Figura 21 .14. A tirosina é inicialmente hidroxilada pela tirosina-hidroxilase, formando 3,4-diidroxifenilalanina (dopa), em uma reação análoga àquela descrita para a hidroxilação da fenilalanina (veja a pág. 266). A enzima é abundante no sistema nervoso central, nos gânglios simpáticos e na medula adrenal e é o passo limitante da ve locidade dessa via. O dopa é descarboxilado em uma reação que requer piridoxal-fosfato (veja a pág. 376) para formar dopamina, que é hidroxilada pela enzima que contém cobre dopamina-P-hidroxilase, p roduzindo noradrenalina. A adrenalina é formada a partir da noradrenalina, por meio de uma reação2 de N-metilação, utilizando S-adenosilmetionina como doador da metila.

3.

Degradação das catecolami nas. As catecolaminas são inativadas por desaminação oxidativa, catalisada pela monoaminoxidase (MAO) e por 0-metilação, catal isada pela catecol-0 -metiltransferase (COMT, Figura 21 .15). As duas reações podem ocorrer em qualquer seqüência. Os produtos aldeídicos da reação da MAO são oxidados a seus ácidos correspondentes. Os produtos metabólicos dessas reações são excretados na urina como ácido vanililmandélico, metanefrina e normetanefrina.

4.

Inibidores da monoaminoxidase. A MAO é encontrada em tecidos neurais e em outros tecidos, tais como o intestino e o fígado. No neurônio, essa e nzima funciona como uma "válvula de segurança" para desaminar oxidativamente e inativar qualquer excesso de molécu las de neurotransmissor (noradrenalina, dopamina ou serotonina) que possam vazar das vesículas sinápticas quando o neurônio está em repouso. Os inibidores da MAd podem inativar irreversivelmente ou reversivelmente

Noradrenalina

MAO\

;AO

COMT

COMT Ácido diidroximandélico

rMT

'lif Metanefrina

,:,.-

Nmi:,7""'

MA~

Ácido 3-Metoxi4-hidroxi-mandélico

i

Dopamina

\:OMT

MA

Ácido diidroxifenilacético

COMT\

3-Metoxitiramina

;AO Ácido homovanílico

Figura 21.15 Metabolismo das catecolaminas pela cateco/-0-metiltransferase ( COM7) e pela monoaminoxidase (MAO).

2

Veja o Capitulo 12 de Farmacologia Ilustrada (21 e 3• edições) para uma discussão acerca das ações da MAO e da COMT e da utilização de inibidores da MAO para o tratamento da depressão.


Bioquímica Ilustrada

a enzima, permitindo que moléculas do neurotransmissor escapem à degradação e, assim, sejam acumuladas dentro do neurônio pré-sináptico, podendo vazar para o espaço sináptico. Isso causa ativação de receptores noradrenérgicos e serotoninérgicos e pode representar o mecanismo responsável pela ação antidepressiva dessas drogas.

NH2 C =NH2 I + NH I CH 2 CH2 I

B. Creatina

CH 2 HCNH3+

A creatina-fosfato (também chamada fosfocreatina) é o derivado fosforilado da creatina encontrada no músculo e é um composto de alta energia, que pode doar reversive lmente um grupo fosfato ao ADP, formando ATP (Figura 21.16). A fosfocreatina representa uma reserva pequena, mas rapidamente mobilizável, de fosfatos de alta energia, que podem ser utilizados para manter os níveis intracelulares de ATP durante os primeiros minutos de contração muscular intensa. (Nota: A quantidade de fosfocreatina corporal é proporcional à quantidade de massa muscular.) 1.

2.

Síntese. A creatina é sintetizada a partir da glicina e do grupo guanidino da arginina, mais um grupo metila da 5-adenosilmetionina (veja a Figura 21 .16). A creatina é fosforilada reversivelmente pela creatinacinase, utilizando ATP como doador de fosfato e produzindo fosfocreatina. (Nota: A presença de creatina-cinase no plasma é indicativo de lesão tecidual e é utilizada no diagnóstico do infarto do miocárdio [veja na pág. 65).) Degradação. A creatina e a fosfocreatina ciclizam espontaneamente, em uma velocidade lenta, mas constante, produzindo a creatinina, que é excretada na urina. A quantidade de creatinina excretada é proporcional ao conteúdo total de creatina-fosfato no organismo e pode, portanto, ser utilizada para estimar a massa muscular. Quando a massa muscular diminui por alguma razão (por exemplo, paralisia ou distrofia muscular), o conteúdo de creatinina na urina d iminui. Além d isso, qualquer aumento na creatinina sangüínea é um indicador sensível de prejuízo na função renal, pois a creatinina é rapidamente removida do sangue e excretada. Um adulto do sexo masculino excreta, tipicamente, cerca de 15 mmol de creatinina por dia. A constância dessa excreção é algumas vezes utilizada3 para testar a confiabi lidade de amostras de urina de 24 horas - muito pouca creatinina na amostra examinada pode indicar uma amostra incompleta.

C. Histamina A histamina é um mensageiro químico que medeia um amplo espectro de respostas celulares, incluindo reações alérgicas e inflamatórias, secreção gástrica de ácido e, possivelmente, neurotransmissão em algumas regiões do encéfalo. A histamina, um poderoso vasodilatador, é formada pela descarboxilação da histidina em uma reação que requer piridoxal-fosfato (Figura 21 .17). Ela é secretada por mastócitos, como resultado de reações alérgicas ou trauma. A histamina não apresenta aplicações clínicas, mas agentes que interferem com a ação da histamina possuem aplicações terapêuticas importantes3 . D. Serotonina A serotonina, também denominada 5-hidroxitripta mina , é sintetizada e armazenada em diversos sítios no organismo (Figura 21 .18). As maiores quantidades de serotonina são encontradas nas células da mucosa intes-

3

Veja o Capítulo 43 de Farmacologia Ilustrada (3° edições) e o Capítulo 40 (2• edições) para uma discussão acerca da utilização terapêutica de anti·hista mínicos.

285

HI HCNH 3+

+

I

I

coo-

cooArg inina

Glicina

l'-----v-----' Amidinotransferase

-+---'

Ornitina

~H2 Ç = ~H2 NH I

ÇH2

coo-

;i

Guanidino-acetato S·adenosilmetionina

Metiltransferase

S-Adenosil·homocisteína ~H2

C=NH 2 +

I

~CH3

ÇH2

cooH20 r j Creah<;M ATP Creatina· cinase

; Ç =NH NH ~CH3

ADP

9

ADP + H+

\ ÇH 2 ~o- ~ -o-

co

NH2+ Ç=NH NCH3

Creatinina

P;

I

ÇH2

coocre atina-tostato

Figura 21 .16 Síntese da creatina.


286

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

tinal. Me nores quantidades podem ser observadas em plaquetas e no sistema nervoso central. A serotonina é sintetizada a partir do triptofano, que é hidroxilado em uma reação análoga àquela catal isada pela fenilalanina hidroxilase. O produto, o 5-hidroxitriptofano, é descarboxilado, produzindo serotonina. A serotonina possui mú ltip los papéis fisiológ icos, incluindo papéis na percepção da dor, em transtornos afetivos e na regulação do sono, da temperatura e da pressão sangüínea.

N~ N

~

CH 2

!

H N- C - COOH 2 H Histidina

I

E.

Descarboxilase

A melanina é um pigmento encontrado em diversos tecidos no organismo, em especial nos olhos, cabelos e pele. É sintetizada na epiderme por células formadoras de pigmento denominadas melanócitos. Sua função é proteger as células subjacentes dos efeitos danosos da luz solar. O primeiro passo na formação da melanina a partir de tirosina é uma hidroxilação, formando dopa, catalisada pela tirosina -hidroxilase (também denominada tirosinase, veja a Figura 21.14 ), uma enzima que contém cobre. Acredita-se que as reações subseqüentes, que levam à formação de pigmentos de cor marrom e preta, sejam também catalisadas pela tirosina-hidroxilase ou que ocorram espontaneamente.

co2 ~

Histamina

Figura 21 .17 Biossíntese da histamina.

Triptofano

Tetraidro-: r 02 b1optenna Dudro· btoptenna

Htdroxtlase

• + H20

HO O : J r CH 2CHCOO-

~ I

N H

I

5-Hidroxitriptofano

Serotonina

Figura 21 .18 Síntese da serotonina.

NH3 +

Melanina

- - - - - - -l IV.

RESUMO DO CAPÍTULO

Os aminoácidos são precursores de muitos compostos nitrogenados, incluindo 2 as porfirinas, as quais, em combinação com o íon ferroso (Fe +), formam o heme. Os principais sítios de biossíntese do heme são o fígado, que sintetiza diversas heme-proteínas (em especial o citocromo P-450), e as células produtoras de eritrócitos da medula óssea, as quais são ativas na síntese de hemoglobina. No fígado, a velocidade de síntese do heme é altamente variável, respondendo a alterações nas concentrações celulares de heme, causadas por demandas flutuantes por heme-proteínas. Em contraste, a síntese de heme nas células eritróides é relativamente constante e está ajustada à velocidade de síntese de globina. A síntese de porfirinas inicia com glicina e succinii-CoA. O passo comprometido, na síntese do heme, é a formação de ácido 8-aminolevulínico (ALA). Essa reação é catalisada pela ALA-sintase e é inibida por hemina (a forma oxidada do heme, que se acumula na célula quando este estiver sendo subutilizado). Partirias são causadas por defeitos herdados na síntese de heme, resultando no acúmulo e na excreção aumentada de porfirinas ou de precursores de porfirinas. Com a exceção da porfiria eritropoiética congênita, a qual é uma doença genética recessiva, todas as demais partirias são herdadas como doenças autossômicas dominantes. A degradação das heme-proteínas ocorre no sistema reticuloendotelial, especialmente no fígado e no baço. O primeiro passo na degradação do heme é a produção de um pigmento verde, a biliverdina, que é subseqüentemente reduzido a bilirrubina. A bilirrubina é transportada ao fígado, onde sua solubilidade é aumentada pela adição de duas moléculas de ácido glicurônico. O diglicuronato de bi lirrubina é transportado para os canalículos biliares, onde é inicialmente hidrolisado e reduzido por bactérias no intestino, produzindo urobilinogênio, e então oxidado pelas bactérias intestinais a estercobilina . A icterícia refere-se à cor amarela da pele, do leito das unhas e da esclera, que é causada pela deposição de bilirrubina, secundária a um aumento dos níveis de bilirrubina no sangue. Três tipos comumente encontrados de icterícia são a icterícia hepática, a icterícia obstrutiva e a icterícia hepatocelular. Outros compostos nitrogenados importantes, derivados dos aminoácidos, incluem as catecolaminas (dopamina, noradren alina e adrenalina), a creatina, a histamina, a serotonina e a melanina.


Bioquímica Ilustrada

Síntese do heme

287

Degradação do heme

ocorre no(a)

ocorre no

BAÇO, FÍGADO Eritrócitos, hepatócitos

FÍGADO

+

MEDULA ÓSSEA Glicina + Succinii-CoA

Hemoglobina, Citocromos

Ácido õ-aminolevulínico 2 Chumbo

Ácido õ-aminolevulinico chumbo 2

H e me

Portobilinogênio

Portobilinogênio

Biliverdina, CO, Fe++

Hidroximetilbilano

Hidroximetilbilano

Bilirrubina

Uroportirinogênio III

Uroportirinogênio III

Glicina

+ Succinii-CoA

1

t

tO

+

4t

Coprop~!inogênio 111

5

6r 7r

Coproportirinogênio III

6 Protoportirinogênio IX

Protoportirinogênio IX

7 Protoportirina IX

Protoportirina IX

tO

tO

8 chumbo He me

8 chumbo He me

l

Deficiências enzimáticas herdadas no fígado

Deficiências enzimáticas herdadas na medula óssea

levdma

.-- ::-'-t-::-:- - , / 3 Partiria intermitente aguda

'-_;====-__J

:--5 Partiria cutânea tardia* \ : 6 Coproportiria hereditária 7 Partiria variegata

Icterícia hemolítica

Eritrócitos lisados

t

Hemoglobina L Aminoácidos H eme

't--,.---

t t

Biliverdina, CO, Fe++

O

+

3t

4f

Aminoácidos

t~

tO

3

Partirias hepáticas

L-

q

catalisada

Bilirrubina

t Glicuronato de bilirrubina

~

Bilirrubina

t t Estercobilina

Urobilinogênio

Urobilina

Diglicuronato de bilirrubina

+ +

j

Bilirrubina Urobilinogénio

levam a

'-=.:;..;:.====--,..__

4 Partiria eritropoiêtica congénita 5 Partiria cutânea tardia 8 Protoportiria eritropoiética

+

Estercobilina

(pigmento marrom nas fezes)

Urobilina

(pigmento amarelo na urina)

Icterícia obstrutiva

Eritrócitos, hepatócitos

+

Hemoglobina, Citocromos

L_ Amino-

t ~ácidos H eme +

Biliverdina, CO, Fe++

Icterícia hepatocelular

Eritrócitos, hepatócitos

+

Hemoglobina, Citocromos } - - AminoHeme ácidos

+

Biliverdina, CO, Fe++

+ [)Gucuronato de bilirrubina) .,.&. Pedras na r vesícula biliar Biiirrubina

t

Urobillnogêmo

+

Estercobilina Urobilina

Eritócitos, hepatócitos

+

Hemoglobina, Citocromos L -Amino-

t ~ ácidos He me +

Biliverdina, CO, Fe++

o a;•$-~

+

Bilirrubina

+

Icterícia neonatal

Glicuronato de bilirrubina

T

Bilirrubina

t Urobilinogénio

+

Estercobllina Urobilina

~

Bilirrubina

INTESTINO

+ + Estercobilina

Urobilinogénio

Urobilina

Figura 21.19 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo do heme. *Nota: A porfiria cutânea tardia afeta tanto o fígado quanto as células eritropoiéticas. = Bloqueio na via.


288

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

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 21 .1 A atividade da õ-aminolevulinato-sintase: A. está freqüentemente diminuída em indivíduos tratados com drogas, tais como o barbitúrico fenobarbital; B. catalisa uma reação determinante da velocidade na biossíntese das portirinas; C. requer a coenzima biotina; O. é fortemente inibida por íons de metais pesados, tais como o chumbo; E. ocorre no citosol.

21 .2 O catabolismo da hemoglobina: A. B. C. O. E.

ocorre nos eritrócitos; envolve a clivagem oxidativa do anel portirínico; resulta na liberação de dióxido de carbono; resulta na formação de protoportirinogênio; é a única fonte de bilirrubina.

21 .3 Um homem de 50 anos apresentava bolhas dolorosas no dorso das mãos. Ele era instrutor de golfe e relatou que as bolhas erupcionaram logo após o início da estação de golfe. Não foi exposto recentemente a sumagre ou a heras venenosas, não utilizou recentemente novos sabonetes ou detergentes ou novos medicamentos. Negou ter tido episódios prévios com ocorrência de erupções. O paciente apresentava distúrbio convulsivo parcial complexo, que começou cerca de três anos antes, após uma concussão no crânio. O paciente estava utilizando fenitoína - sua única medicação - desde o início do distúrbio convulsivo. Admitiu ter um consumo semanal médio de etanol de cerca de 18 latas de cerveja de 350 ml. A urina do paciente apresentou-se laranja-avermelhada. Cultu ras obtidas das lesões da pele não mostraram crescimento de m icrorganismos. Urina de 24 horas mostrou aumento na uroporfirina (1.000 ).lg; normal, < 27). O presumível diagnóstico mais provável é : A. B. C. O. E.

partiria cutânea tardia; partiria intermitente aguda; coproportiria hereditária; partiria eritropoiética congênita; protoportiria eritropoiética.

=

Resposta correta B. A atividade da o-aminolevulinato-sintase controla a velocidade da síntese das portirinas. A enzima está aumentada em pacientes tratados com certas drogas e requer piridoxal-fosfato como coenzima. Uma outra enzima da via (o-aminolevulinato-desidrase) é extremamente sensível à presença de metais pesados.

Resposta correta = B. A molécula cíclica do heme é clivada oxidativamente para formar biliverdina. O catabolismo ocorre nas células do sistema do retfculo endotelial, especialmente no baço, e resulta na liberação de monóxido de carbono. O protoportirinogênio é um intermediário na síntese, não na degradação, do heme. A hemoglobina e os citocromos dos tecidos são precursores da bilirrubina.

=

Resposta correta A. A doença está associada com uma deficiência na uroportirinogênio-descarboxilase, mas a expressão clínica da deficiência enzimática é influenciada por sobrecarga hepática de ferro, exposição à luz solar e presença de hepatite B ou C e infecção por HIV. O início clínico ocorre tipicamente durante a quarta ou quinta década de vida. O acúmulo de porfirina leva a sintomas cutâneos e a urina torna-se de vermelha a marrom. A doença tende a desenvolver-se, com recorrências, ou piorar durante a primavera e o verão, quando a exposição à luz solar é maior. Achados laboratoriais e clínicos não são consistentes com outras portirias.


Metabolismo dos Nucleotídeos

I.

VISÃO GERAL

Os ribonucleosídeos e os desoxirribonucleosídeos fosfatados (nucleotídeos) são essenciais para todas as células. Sem eles, nem o DNA nem o ANA poderiam ser produzidos e, dessa forma, as proteínas não poderiam ser sintetizadas, nem as células poderiam proliferar. Os nucleotídeos também são utilizados como carreadores de intermediários ativados na síntese de alguns carboidratos, lipídeos e proteínas e são componentes estruturais de várias coenzimas essenciais, como, por exemplo, a coenzima A, o FAD, o NAD+e o NADP+. Nucleotídeos, tais como o AMP cíclico (AMPc) e o GMP cíclico (GMPc) , também são utilizados como segundos mensageiros em cascatas de sinalização celu lar. Além disso, os nucleotídeos desempenham um papel importante como "moedas" de energia na célula. Finalmente, os nucleotídeos são importantes compostos reguladores para muitas das rotas do metabolismo intermediário, inibindo ou ativando enzimas-chave. As bases púricas e pirimídicas encontradas em nucleotídeos podem ser sintetizadas de novo ou podem ser obtidas por vias de salvação, as quais permitem a reuti lização das bases pré-formadas resultantes do metabolismo normal da célula ou da dieta.

Purinas do DNA e do RNA

Guanina (G)

Adenina (A)

11.

ESTRUTURA DOS NUCLEOTÍDEOS

Os nucleotídeos são compostos de uma base nitrogenada, um monossacarídeo pentose e um, dois ou três grupos fosfato. As bases nitrogenadas pertencem a duas famílias de compostos: as purinas e as pirimidinas. A. Estrut ura d as p urinas e das pirimid inas Tanto o DNA como o ANA contêm as mesmas bases púricas: adenina (A) e guanina (G). Ambos contêm a pirimidina c itosina (C}, mas diferem em sua segunda base pirimídica: o DNA contém timina (T), enquanto o ANA contém u racila (U). T e U diferem por apenas um grupo metila, que está presente em T, mas ausente em U (Figura 22.1 ). (Nota: Bases incomuns são encontradas ocasionalmente em algumas espécies de DNA e RNA, como

Pirimidinas do RNA

o HN:JCH3 ol NI ol NI H H Ti mina (T)

·5

o HN:) ol N H

Citosina (C)

Uracila (U)

Pirimidinas do DNA

Figura 22.1 Purinas e pirimidinas comumente encontradas no DNA e no ANA.


290

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

Base comum

I

por exemplo em alguns DNAs virais e no ANA transportador. As modificações que podem ocorrer nas bases incluem metilação, hidroximetilação, glicosilação, acetilação ou redução. A Figura 22.2 mostra alguns exemplos de bases incomuns.) A presença de uma base incomum em uma seqüência de nucleotídeos pode auxiliar no seu reconhecimento por enzimas específicas ou protegê-la da degradação por nucleases.

Base incomum

B. Nucleosídeos N4-Acetilcitosina

Citosina

A adição de um açúcar pentose a uma base produz um nucleosídeo. Se o açúcar for a ribose, será produzido um ribonucleosídeo; se o açúcar fo r a 2-desoxirribose, será produzido um desoxirribonucleosídeo (Figura 22.3A). Os ribonucleosídeos de A, G, C e U são denominados adeno sina, guanosina, citidina e uridina, respectivamente. Os desoxirribonucleosídeos de A, G, C e T recebem a adição do prefixo "desoxi- ", como, por exemplo, desoxiadenosina. (Nota: O composto desoxitimid ina é freqüentemente chamado de timidina, ficando o prefixo "desoxi" subentendido.) Os átomos de carbono e nitrogênio nos anéis da base e do açúcar são numerados separadamente (Figu ra 22.38). Observe que os átomos nos anéis das bases são numerados de 1 a 6 nas pirimidinas e de 1 a 9 nas purinas, enquanto nos ca rbonos da pentose são numerados de 1' a 5'. Dessa forma, quando nos referimos ao carbono 5' de um nucleosídeo (ou nucleotídeo), estamos especificando um átomo de carbono presente na pentose, e não na base.

o H,

" _.. . c, ,H 2 N J4 sC

I2 6 I ,c, 1 _.. . c,H

o' Uracila

NI H

2

Diidrouracila

C . Nucleotídeos

Fig ura 22.2 Exemplos de bases incomuns.

m

RNA

Nucleotídeos são ésteres mono, di ou trifosfatados dos nucleosídeos. O primeiro grupo fosfato é ligado po r uma ligação éster à hidroxila 5' da pentose. Tal composto é chamado de nucleosídeo 5' -fosfato ou 5'-nucleotídeo. O tipo de pentose é designado pela adição de um prefixo, "5'-ribon ucleotídeo" e "5'-desoxirribonucleotídeo". Se um grupo fosfato é ligado ao carbono 5' da pentose, a estrutura será um nucleosídeo monofosf ato (NMP), como AMP ou CMP. Se um segundo ou terceiro fosfato forem adicionados ao mesmo nucleosídeo, serão formados um nucleosídeo difosfato (por exemplo, ADP) ou trifosfato (por exemplo, ATP) (Figura 22.4) . O segundo e o terceiro fosfato são ligados ao nucleotídeo por uma ligação de "alta energia". (Nota: Os grupos fosfato são responsáveis pelas cargas negativas associadas aos nucleotídeos e também são o motivo pelo qual o DNA e o RNA são chamados "ácidos nucléicos".)

m

DNA

0

0

1l~

OH OH Ribose

OH OH H 2-Desox irribose

N

&"

N1

6

7~

51

Lt3 4

9

N

N

HO~ HO~ 4'

OH

1 6

O

HOH,~

HOH,Q

NH 2

1'

3'

2'

OH OH Citidina

4'

1'

3'

2'

OH H Oesoxiadenosina

Figura 22.3 A. Pentoses encontradas nos ácidos nucléicos. B. Exemplos dos sistemas de nume ração para nucleosídeos contendo purinas e pirimidinas.


Bioquímica Ilustrada

III.

SÍNTESE DOS NUCLEOTÍDEOS PÚRICOS

Os átomos do anel de purina originam-se de diversos compostos, que incluem 10 aminoácidos (ác ido aspártico, glicina e glutamina), C02 e N -formiltetraidrofolato (Figura 22.5). O anel da purina é formado por uma série de reações que adicionam carbonos e nitrogênios a uma ribose-5-fosfato pré-formada (veja a pág. 145 para uma discussão a respeito da síntese da ribose-5-fosfato pela via das HMPs).

I

I

I

· o - P- 0 - P- 0 - P- 0 - CH 2 11

li

o

o

11

o OH OH Ribonuc leosídeo 5' monofosfato (NMP)

A. Síntese de 5-fosfo rribosil-1-pirofosf ato (PRPP) PRPP é uma "pentose ativada" que participa na síntese de purinas e pirimidinas e nas vias de salvação de bases púricas (veja a pág. 294). A síntese de PRPP a partir do ATP e da ribose-5-fosfato é catalisada pela PRPP-sintetase (ribose-fosfato-pirofosfocinase, Figura 22.6). Essa enzima é ativada por fosfato inorgânico (P;) e inibida pelos nucleotídeos púricos (inibição pelo produto final). (Nota: A molécula de açúcar do PRPP é a ribose, portanto os ribonucleotídeos são os produtos finais da síntese de novo das pu rinas . Quando há necessidade de desoxirribonucleotídeos para a síntese de DNA, a molécula de ribose é reduzida [veja a pág. 295].)

Ribonucleosídeo 5'difosfat o (NDP) Ribonuc feosídeo 5't rifos fato (NTP)

Fig ura 22.4 Ribonucleos ídeos monofosfato, difosfato e trifosfato.

8 . Síntese de 5' -fosforribosilami na A síntese de 5'-fosforribosilamina a partir de PRPP e glutamina é mostrada na Figura 22.7. O grupo amida da glutam ina substitui o grupo pirofosfato ligado ao carbono 1 do PRPP. A enzima, glutamina:fosforribosi/-pirofosfatoamidotransferase, é inibida pelos 5'-nucleotídeos púricos AMP, GMP e IMP - os produtos finais da rota. Esse é o passo d e com promet imento na biossíntese dos nucleotídeos púricos. A velocidade da reação é também controlada pela concentração intracelular dos substratos glutamina e PRPP. (Nota: A concentração intracelular de PRPP situa-se, normalmente, bem abaixo do Km para a amidotransferase. Assim, mesmo uma pequena variação na concentração de PRPP causa uma mudança proporcional na velocidade da reação [veja a pág. 59].) C . Síntese d e i no s ina m onofosfat o , o nucleotídeo púrico " progenitor" Os próximos nove passos na biossíntese dos nucleotídeos púricos que levam à síntese de IMP (onde a base é a hipoxantina) estão ilustrados na Figura 22.7. Essa rota requer quatro moléculas de ATP como fonte de ener10 gia. Duas etapas dessa via requerem N -formi ltetraidrofolato.

Figura 22.5 Fontes de cada átomo no anel de purina.

INIBIDORES Ribonucleotídeos púricos

ATIVADOR

PRPP-sintetase

0

®-oH2c~ ~

,"t---(6 - ® - ® OH OH Ribose-5-fosfato

5-Fosforribosi 1-1-pirofosfato

Figura 22.6 Síntese do 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP), mostrando o ativador e os inibidores da reação.

291


292

Pamela C. Champe, Richa rd A. H arvey, De nise R. Ferrier

Glutamina + H20

NH2

"03POH 2C~

2

Glutamato +PP;

\..._Mg2+ ~

Glicina + ATP

-------~~-----~-----+) G/utamina:fostorribosilpirofosfato-amidotransterase

o o

OH

OH

5'-Fosforribosilamina yH2- NH2 O = C,

yH2- NH, O=C, CHO NH

2

10

~----~~--N-- F~o~r-m_il-_ ~ ./

Tetraidrofolato

I

tetraidrofolato _____

( ...

Ribose-5' -fosfato

3

NH

2

_·o POH C~

Formiltransferase

OH

5'-FosforrlbosiiN-formilgliclnamida

OH

5'-Fosforribosilgllclnamida

N

yH 2 - NH, HN = C, CHO NH

ATP

Mg2+ ADP + P;

'->._

I

K+

_.!(

)

H2N

Sintetase

~I>

Ribose-5'-fosfato

ANÁLOGOS DO PABA • As sulfonamldas são análogos estruturais do PABA, que inibem competitivamente a síntese bacteriana do ácido fólico (veja a pág. 371 ). Uma vez que a síntese das purinas utiliza o THF como coenzima, os medicamentos contendo sulfa diminuem a velocidade dessa rota em bactérias.

Ribose-5'-fosfato

5' -Fosforribo siiN-formilglicinamidina

5'-Fosforribosil5-aminolmidazol

co2 "\l

f

~A~D-P __ +~P-~--~~A-T_P__-oocX ( ~Mn~ Sintetase

~

Aspartato

• Os seres humanos não conseguem sintetizar o ácido fólico e precisam obter essa vitamina de fontes externas. Assim sendo, os medicamentos contendo sulfa não interferem com a síntese humana de pu ri nas.

Carboxilase

N>

, ANÁLOGOS DO ÁCIDO FÓLICO

H2N

~

Ribose-5' -fosfato

• O metotrexato e os compostos relacionados inibem a redução do diidrofolato a tetraidrofolat o, catalisada pela diidrofolato-redutase (veja a pág. 371 ).

Ribose-5'-fosfato

5'-Fosforribosii-4N-succinocarboxamida5-aminoimidazol

5' -Fosforribosil5-aminoimidazol4-carboxilato

• Essas drogas limitam a quantidade de tetraidrofolato disponível para o uso na síntese de purinas e, desse modo, diminuem a velocidade de replicação do DNA nas células de mamíferos. Esses compostos são, portanto, úteis no tratamento de tumores de crescimento rápido, porém são também tóxicos para todas as células em divisão.

H2o f o o c, c , H

"

H ' C ' coo·

Adenitossuccinato11858

Fumarato

o11

o

10

N -Formiltetraidrofolato

NH2- C X

H2N

N>

\......_ Formittransferase

I Ribose-5'-fosfato

5' -Fosforribosil4-carboxamida5-aminoimldazol

Tetraldrofolato

~

)

o

)~XN H2N I > HC-HN

o

N

H20

_/( Cicloidrolase

I

Ribose-5'-fosfato 5' -Fosforribosil4-carboxamida5-formamidoimidazol

Figura 22.7 Síntese dos nucleotídeos púricos, mostrando o efeito inibitório de alguns análogos estruturais.

: . XN

I

'\;::

~ N >

) HN

I

Ribose-5' -fosfato lnosina-5'-monofosfato (I MP)


Bioqu ímica Ilustrada

D. Inibidores sintéticos da síntese das purinas Alguns inibidores sintéticos da síntese de purinas (por exemplo, as sulfonamidas1) são planejados para inibir o crescimento de microrganismos em divisão rápida, sem interferir com as funções cel ula res humanas (veja a Figura 22.7). Outros inibidores da síntese de purinas, tais como os análogos 2 estruturais do ácido fólico (por exemplo, metotrexato ), são usados farmacologicamente para controlar a proliferação do câncer, pois interferem com a síntese de nucleotídeos e, dessa forma, com a síntese de DNA e RNA (veja a Figura 22.7). (Nota: Os inibidores da síntese de purinas em humanos são extremamente tóxicos para os tecidos, especialmente pa ra estruturas em desenvolvimento, tais como as do feto, ou para tipos celulares que normalmente replicam-se rapidamente, incluindo a medula óssea, a pele, o trato gastrintestinal (GI), o sistema imunológico ou os folículos capi lares. Como resultado, indivíduos sob medicação anticâncer podem experimentar efeitos adversos, como anemia, descamação da pele, distúrbios do trato 3 gastrintestinal, imunodeficiência e perda de cabelo). Trimetoprim , outro análogo do folato, apresenta potente atividade antibacteriana, devido a sua ação inibitória seletiva sobre a díídrofolato-redutase bacteriana.

-ooc - cH2 - ?H-coo-

(X)

o

.

NH

Acido

GDP + p ;

GTP aspártico

(~../

./

Adenilsuccinatosintetase

'o,POH,1 ( )

-+• :

••• •• •• •

OH OH Adenilsuccinato

Fumarato Adenilsuccmase

NH 2

OC>

••• •

o

'WOH, 1 ( ) OH OH AMP

...........

o HN~N~

H N:XN>

O( ..N~N/

I

~

N

H20

NAD+

NADH +H+

N

2

-03POH2C1()

\-_ \... . ; ' ( ) IMP-desidrogenase

2-

03POH2C( O)

~ •

OH OH IMP : •

..•

••

ÁCIDO MICOFENÓLICO • Essa droga é um inibidor reversível não-competitivo da inosina-monofosfato-desidrogenase.

li

,., Veja os Capítulos 34 e 40 de Farmacologia Ilustrada (3' edição) e Capítulos 29 e 38 (2" edição) para uma discussão sobre sulfonamidas, trimetoprim e metotrexato.

Glutamato A MP + PP;

o

H2N~~N

['·

Figura 22.8 Conversão do IMP para AM P e GMP, mostrando a inibição por retroalimentação.

ATP

HN~N>

• A droga priva linfócitos T e B em rápida proliferação de componentes-c have para a s íntese dos ácidos ;:!i nucléicos. ,[• É usada como uma droga preventiva contra a rejeição de transplantes.

o

Gtutamina GMP-sintetase

,_O,POH,k()

OH OH

•••••••••••••••

GMP

293


294

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

Nucleosídeo monofosfato-cinases específicas para determinadas bases

E. Conversão do IMP em AMP e GMP A conversão de IMP em AMP ou GMP ocorre em uma via de duas etapas, dependente de energia (Figura 22.8}. Observe que a síntese de AMP requer GTP como fonte de energ ia, enquanto a síntese de GMP requer ATP. Além disso, a primeira reação de cada rota é inibida pelo produto final da via. Esse fato provê um mecanismo para direcionar o IMP para a síntese de purinas presentes em quantidades menores. Se ambos, AMP e GMP, estiverem presentes em quantidades adequadas, a síntese de purinas pela via de novo é inibida na reação da amidotransferase. (Nota: O ácido micofenólico [MPA] é um potente inibidor reversível não-competitivo da inosina monofosfato-desidrogenase, e tem sido usado com sucesso na prevenção da rejeição de transplantes. Ele bloqueia a formação de novo do monofosfato de guanosina [GMP, veja a Figura 22.8], privando assim as células em rápida proliferação, incluindo linfócitos T e B, de um componente-chave para a síntese dos ácidos nucléicos.)

Adenilato-cinase

:;::=::::::::::::::::::::::::::::=:.

AMP+ ATP

2ADP

Guanilato-cinase

GMP + ATP

GDP +ADP

Nucleosídeo difosfato-cinase GDP +ATP

GTP + ADP

CDP+ATP

CTP +ADP

Figura 22.9 Conversão de nucleosídeos monofosfato a nucleosídeos difosfato e trifosfato.

F.

PRPP

,J

Hipoxantina

PP1

\..1 ,./( )

IMP

Hipoxantina-guaninafosforribosil-transferase

.. k

:: li

PRPP Guanina

PP1

\..1 ,L(

)

GMP

Hipoxantina-guaninafostorribosil-transterase

PRPP

Conversão de nucleosídeos monofosfato em nucleosídeos difosfato e trifosfato Os nucleosídeos difosfato (NDP) são sintetizados a partir dos nucleosídeos monofosfato (NMP) correspond entes, po r nucleosídeo monotosfatocinases, específicas para cada base (Figura 22.9). (Nota: Essas cinases não conseguem discriminar entre ribose ou desoxirribose no substrato.) Geralmente, o ATP é a fonte de fosfatos transferidos, pois está presente em concentrações mais altas do que os outros nucleosídeos trifosfatos. A adenilato-cinase é especialmente ativa no fígado e no músculo, onde é alta a renovação da energia do ATP. Sua função é manter um equil íbrio entre AMP, ADP e ATP. Nucleosídeos difosfato e trifosfato são interconversíveis pela nuc/eosídeo difosfato-cinase - uma enzima que, diferentemente das monofosfato-cinases, apresenta uma ampla especificidade.

PP 1

\.. ,L() Adeninafosforribosi/-transferase

SÍNDROME DE LESCH-NYHAN • É uma síndrome hereditária recessiva, ligada ao cromossoma X, associada com a completa deficiência de hipoxantina-guaninafosforrlbosil-transferase e, desse modo, resulta na impossibilidade de recuperação da hipoxantina ou da guanina. • Essa deficiência enzimática resulta no aumento dos níveis de PRPP e na diminuição de IMP e GMP, causando um aumento na síntese de novo de pu ri nas. • Isso resulta na produção excessiva de ácido úrico, além de características neurológicas peculiares, as quais incluem automutilação e movimentos involuntários.

Figura 22.1 O Vias de salvação na síntese de nucleotídeos púricos.

G. Via de salvação para as purinas As purinas que resultam da taxa de renovação normal dos ácidos nucléicos celulares ou que são obtidas da dieta e não são degradadas podem ser convertidas em nucleosídeos trifosfato e usadas pelo organismo. Essa via é definida como "via de salvação" para as pu rinas. 1.

Conversão de bases purínicas a nucleotídeos. Duas enzimas estão envolvidas: adenina-fosforribosil-transferase (APRT) e hipoxantina-guanina-fosforribosil-transferase (HPRT). Ambas as enzimas utilizam PRPP como fonte do grupo ribose -5-fosfato. A liberação de pirofosfato torna essas reações irreversíveis (Figura 22.10).

2.

Síndrome de Lesch-Nyhan. Essa síndrome é uma doença recessiva ligada ao cromossoma X, associada com uma deficiência praticamente total de HPRT. Essa deficiência resulta em uma incapacidade de util izar a via de salvação para hipoxantina ou guanina, o que resu lta na produção de quantidades excessivas de ácido úrico. Além disso, a falta dessa via de salvação causa um aumento nos níveis de PRPP e uma diminuição nos níveis de IMP e GMP. Como conseqüência, a glutamina:fosforribosi/-pirofosfato-amidotransferase (o passo regulado na síntese das purinas) fica com excesso de substrato e diminuída disponibilidade de inibidores, e a síntese de novo das purinas é aumentada. A combinação de uma diminuição na reutilização das purinas com o aumento da síntese desses compostos resulta na produção de grandes quantidades de ácido úrico, tornando a síndrome de Lesch-Nyhan uma grave forma hereditária da gota. Pacientes com a síndrome de


Bioquímica Ilustrada

295

Lesch-Nyhan tendem a produzir pedras de urato nos rins. Outras características da doença incluem distúrbios neurológicos peculiares, como automutilação (Figura 22.11) e movimentos involuntários.

IV.

SÍNTESE DE DESOXIRRIBONUCLEOTÍDEOS

Os nucleotídeos descritos anteriormente neste capítulo contêm, todos, ribose (ribonucleotídeos). Os nucleotídeos necessários para a síntese de DNA, entretanto, são 2'-desoxirribonucleotídeos, os quais são produzidos a partir de ribonucleosídeos difosfato pela enzima ribonucleotídeo-redutase. A. Ribonucleotídeo-redutase A ribonuc/eotídeo-redutase (ribonucleosídeo difosfato-redutase) é uma enzima tetramérica (duas subunidades idênticas B1 e duas subunidades idênticas B2), cuja atividade é específica para a redução de nucleosídeos difosfato (ADP, GDP, CDP e UDP) em suas formas desoxi (dADP, dGDP, dCDP e dUDP) . Os doadores imediatos dos átomos de hidrogênio necessários para a redução do grupo 2'-hidroxila são dois grupos sulfidrila presentes na própria enzima, os quais, durante a reação, formam uma ponte dissulfeto (Figura 22.12). 1.

Regeneração da enzima reduzida. Para que a ribonuc/eotídeo-redutase possa continuar produzindo desoxirribonucleotídeos, a ponte dissulfeto, criada durante a produção do 2'-desoxicarbono, deve ser red uzida. A fonte dos equivalentes redutores é a tiorredoxina - uma coenzima peptídica da ribonucleotídeo-redutase. A tiorredoxina contém , na cadeia peptídica, dois resíduos de cisteína separados por dois aminoácidos. São esses grupos sulfidrila da tiorredoxina que doam seus átomos de hidrogênio para a ribonucleotídeo-redutase durante o processo de formação da ponte dissulfeto (veja a pág . 19).

2.

Regeneração da tiorredoxina reduzida . A tiorredoxina deve ser convertida novamente na sua forma reduzida para que possa continuar sua função. Os equivalentes redutores necessários são fornecidos pelo

o-

o- o-

>

I

11

11

'

I

ti

11

- o - P-O - P-0 -CH2

- o -P- O - P- O-CH 2

o

Figura 22.11 Lesões nos lábios de pacientes portadores da síndrome de LeschNyhan, causadas por automutilação.

o

o

o

OH OH

OH

Ribonucleosídeo d ifosfato "-._

Ribonucleotideo-redutase

~

r->--------------~ ~-----------<~ H2 0

Tiorredoxina (2 SH) (reduzida)

~

H

Desoxirribonucleosídeo difosfato

Tiorredoxina-redutase

Tiorredoxina (S-S) (oxidada)

J

~-----\ NADPH + H+

Figura 22.12 Conversão de ribonucleotídeos em desoxirribonucleotídeos.


296

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

NADPH + W, e a reação é catal isada pela tiorredoxina-redutase (veja a Figura 22.12}.

SÍTIOS DE ATIVIDADE ATP ativa a enzima. dATP inibe a enzima.

B- Regulação da s íntese de desoxirribonucleotídeos A ribonuc/eotídeo-redutase é responsável pela manutenção de uma quantidade adequada de desoxirribonucleotideos, necessários para a síntese de DNA. Para conseguir desempenhar essa função, a enzima sofre uma regulação complexa. Além de possuir um único sítio ativo, existem na enzima dois outros sítios, que estão envolvidos na regulação da atividade (Figura 22. 13).

,I Ríbonucleosídeo difosfato (NDP)

Desoxirribonucleosídeo ditosfato (dNDP)

V. Figura 22.1 3 Regulação da ribonucleotídeoredutase.

1.

Sítio de atividade. A ligação do dATP a um sitio alostérico (conhecido como sítio de atividade} na enzima inibe a atividade catalítica geral da enzima e, portanto, impede a redução de qualquer um dos quatro nucleosídeos difosfato. Isso previne efetivamente a síntese de DNA e explica a toxicidade de níveis elevados de dATP, observados em ce rtas condições, tais como a deficiência de adenosina-desaminase (veja a pág. 299).

2.

Sítio de especificidade ao substrato. A ligação de nucleosídeos trifosfato a um outro sítio alostérico (conhecido como sítio de especificidade ao substrato) na enzima regu la a especificidade ao substrato, causando um aumento na conversão de diferentes espécies de ribonucleotídeos em desoxirribonucleotídeos, de acordo com a necessidade para a síntese de DNA.

DEGRADAÇÃO DOS NUCLEOTÍDEOS PÚRICOS

A degradação dos ácidos nucléicos da dieta ocorre no intestino delgado, onde um grupo de enzimas pancreáticas hidrolisa os nucleotídeos a nucleosídeos e bases livres. Dentro das células, os nucleotídeos púricos são seqüencialmente degradados por enzimas específicas, sendo que o produto final da via é o ác ido úrico. (Nota: Os mamíferos, com exceção dos primatas, oxidam a seguir o ácido úrico a alantoina, que, em alguns animais que não os mamíferos, pode ser seqüenci almente degradada a uréia ou amônia.) A . Degradação dos ácidos nucléicos da dieta no intestino delgado As ribonucleases e as desoxirribonucl eases, secretadas pelo pâncreas, hidrolisam o ANA e o DNA, produzindo principalmente oligonucleotídeos. Os oligonucleotídeos são, a seguir, hidrolisados pelas fosfodiesterases pancreáticas, produzindo uma mistura de mononucleotídeos 3' e 5'. Uma família de nucleotidases remove hidroliticamente os grupos fosfato, liberando nucleosídeos que podem ser absorvidos pelas células da mucosa intestinal ou podem ser degradados em bases livres, antes da absorção. (Nota: As purinas e pirimidinas da dieta não são usadas em larga escala para a síntese de ácidos nucléicos teciduais. Em vez disso, as purinas da dieta são geralmente convertidas em ácido úrico pelas células da mucosa intestinal. A maior parte do ácido úrico entra no sangue e é excretada pela urina. Por essa razão, indivíduos com tendência a desenvolver gota devem ser cautelosos quanto ao consumo de alimentos que contenham altas quantidades de ácidos nucléicos, como miúdos de an imais, anchovas, sard inhas ou leguminosas, como o feijão. O restante das purinas da dieta é metabolizado pela flora intestinal. ) Um resumo dessa via é mostrado na Figura 22.14.


Bioquímica Ilustrada

8 . Formação do ácido ú rico Na Figura 22.15, é mostrado um resumo dos passos envolvidos na produção do ácido úrico e das doenças genéticas associadas com deficiências de determinadas enzimas dessa via de degradação. (Nota: Os números abaixo, entre colchetes, se referem a reações específicas na figura.)

DNA RNA

r;

· - -~~--- - --- - ->

297

DNA RNA

[1] Um grupo amino é removido do AMP para produzir IMP, ou da adenosina para produzi r inosina (hipoxantina-ribose) pela AMP ou pela adenosina-desaminase.

pH baixo des natura o RNAeoDNA

[2] IMP e GMP são convertidos em suas formas nucleosídicas - inosina e guanosina - pela ação da 5'-nuc/eotidase.

Ácidos nucléicos desnaturados

y I

I

Nucleases

[3] A purina-nucleosídeo fos forilase converte inosina e guanosina em suas respectivas bases púricas, hipoxantina e guanina.

I I

y Oligonucleotídeos

[4] A guanina é desaminada, formando xantina.

I I

Fosfodiesterases

[5] A hipoxantina é oxidada pela xantina-oxidase, resultando em xantina, a qual é subseqüentemente oxidada pela xantina-oxidase, produzindo ácido úrico, que é o produto final da degradação das purinas em humanos. O ácido úrico é excretado na urina.

I

INTESTINO DELGADO

I

I

y Mononucleotídeos I

I

CIRCULAÇÃO

C. Doen ças associadas com a degrada ção das purinas

f....

Nuc/eotidases

p.~y I

1.

Gota. A gota é uma doença caracterizada por altos níveis de ácido úrico no sangue, como resultado de sua grande produção ou baixa excreção. A hiperuricem ia resulta na deposição de cristais de urato sódico - o produto final do metabolismo das purinas - nos tecidos, especialmente nos rins e nas articulações, causando inicialmente um quadro agudo e, prog ressivamente, levando à artrite got osa c rônica. (Nota: A hiperu ricemia não causa sempre a gota, mas a gota é geralmente precedida pela hiperuricemia.) A Figura 22.16 mostra um paciente cujo dedo indicador apresenta gota to fácea, onde os tofos (massas nodulares de cristais de urato monossódico) são depositados nos tecidos moles do corpo. A deposição de cristais de urato monossódico com formato de agulhas inicia um processo inflamatório, envolvendo a infiltração de granulócitos que fagocitam os cristais de urato. Esse processo gera metabólitos de oxigênio (veja a pág . 145) que danificam os tecidos, resultando em liberação de enzimas lisossomais, as quais p romovem uma resposta inflamatória. Além disso, aumenta a produção de lactato nos tecidos sinuviais, resultando em um decréscimo do pH , que aumenta a deposição dos cristais de urato. Um diagnóstico definitivo requer a coleta e o exame do fluido sinovial por microscopia de luz polarizada, para confirmar a presença de cristais de urato monossódico (Figura 22.17). a.

Gota p rimária. Na maioria dos pacientes, a gota é causada pela baixa excreção do ácido úrico, devido a uma deficiência na secreção renal. No entanto, uma grande produção de ácido úrico pode ocorrer devido a uma anormalidade hereditária nas enzimas do metabolismo das purinas. Essa condição é definida como "gota primária". Por exemplo, várias mutaçõ es ligadas ao cromossoma X foram identificadas no gene da PRPP-sintetase, as quais resultam em um aumento do V max (veja a pág. 58) para a produção de PRPP, em uma d iminuição do Km (veja a pág. 59) para a ri bose-5-fosfato ou em uma diminuição da sensibilidade aos seus inibidores, nucle-

Nucleosídeos I I

Nucleosidases

(Desoxir-) ~ ribose

y

- - - - - - --· PIRIMIDINA$ PURINA$

URINA

Figura 22.14 Digestão dos ácidos nucléicos da dieta.


298

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

PRPP

DEFICIÊNCIA DE ADENOSINA-DESAMINASE (ADA)

Glutamina~Glutamina:fosforribosil-pirofosfato-

• A deficiência dessa enzima causa imunodeficiência combinada grave (SCID), envolvendo disfunção das células T e freqüentemente das células B.

amidotransferase

Glutamato • Grandes acúmulos de dATP têm sido observados nas hemácias. (Nota: O dATP é um inibidor da ribonucleotídeo-redutase e, portanto, da síntese de DNA.)

5'-Fosforribosilamina

• Crianças com deficiência de ADA geralmente morrem a ntes dos dois anos de idade por infecção generalizada.

AMP

)

AMP-desaminase

IMP

GMP

A gota primária (hiperuricemia) é a forma da doença que pode ser atribuída a um erro inato do metabolismo, como a produção excessiva de ácido úrico.

• A hiperuricemia secundária pode ser causada por

Hipoxantina

outras doenças, como, por exemplo, câncer, insuficiência renal crônica, etc.

Guanosina

• O tratamento com alopurino l inibe a xantina-oxidase, resultando em um acúmulo de hipoxantina e xantina compostos mais solúveis que o ác ido úrico.

nucleosíde~

Pi

Purina fosforilase

[3)

o

H20 2

H( X N >O (

o~ H

"--

o

0 2+ H20

__/

HN: X N >

o~

Xantina-oxidase

N H

o

[5]

H

Ácido úrico

Xantina

( Guanase

N H

[4]

H2N~N

Ribose1-fosfato

>

N

HN : XN

H

Guanina

Figura 22.15 A degradação dos nucleotídeos purínicos até o ácido úrico, ilustrando algumas das doenças genéticas associadas com essa via. (Nota: Os números entre colchetes referem-se aos números correspondentes citados no texto.)

otídeos púricos. Em qualquer desses casos, a produção de purinas é elevada, resultando em altos níveis de ácido úrico plasmático. A síndrome de Lesch-Nyhan (veja a pág. 294) também causa hiperuricemia, como resultado da diminuição da via de salvação das bases hipoxantina e guanina. b.

Hiperuricemia secundária. Essa forma de gota é causada po r uma variedade de disfunções e por estilos de vida, podendo ocor-


Bioquímica Ilustrada

299

rer, por exemplo, em pacientes com insuficiência renal crô nica, pacientes submetidos a quimiote rapia, pacientes com doenças mieloprol iferativas e pacientes que consomem quantidades excessivas de álcool ou alimentos ricos em purinas. A gota pode ser também um efeito adverso de doenças metabólicas aparentemente não-relacionadas, como a doença de von Gierke (veja a Figura 11.8, pág. 128) ou a intolerância à frutose (veja a pág.136). c.

2.

VI.

O tratame nto para a gota. Ataques agudos são tratados com colchicina, pa ra diminuir a migração de granulócitos para a área a fetada, e com antiinflamatórios, tais como a Aspiri na®, pa ra 4 promover o alívio da dor . A maioria das estratégias terapê uticas para a gota envolve a diminuição dos níveis de ácido úrico abaixo do ponto de saturação, dessa forma prevenindo a deposição dos cristais de urato. Agentes u ricosúricos, como probenecida ou sulfimpirazona5 , são usados na maioria dos pacientes com gota, porque em geral excretam pouco ácido úrico. O alopurinol - um inibidor da síntese do ácido úrico - é mais tóxico, sendo reservado para aqueles pacientes cuja hiperuricem ia é resultante da superprodução de urato. No orga nismo, o alopurinol é convertido em oxipurinol, o qual inibe a xantina-oxídase, resultando no acúmulo de hipoxantina e xantina (veja a Figura 22. 15) - compostos mais solúveis do que o ácido úrico e, portanto, com menor probabilidade de promoverem uma resposta inflamatória.

Deficiência de adenosina-desaminase . A adenosína-desaminase (ADA) expressa-se no citosol de todas as células, mas, nos humanos, são os linfócitos que possuem a mais alta atividade dessa enzima. A deficiência de ADA resulta no acúmulo de adenosina, que é convertida em suas formas de ribonucleotídeo ou desoxirribonucleotídeo pelas cinases celulares. Como conseqüência da elevação dos níveis de dATP, a ribonuc/eotídeo-redutase é inibida, evitando assim a produção de todos os nucleotídeos contendo desoxirribose (veja a pág. 295). Conseqüentemente, as células se tornam incapazes de sintetizar DNA e dividirem-se. Na sua forma mais grave, essa doença autossômica recessiva causa a imunodeficiência combinada grave (I CG, ou SCID, de severe combíned ímmunodeficiency disease), em que se o bserva ausência de linfócitos T e B. Crianças com essa deficiência devem viver em ambientes estéreis (Figura 22. 18) e, freqüentemente, morrem por volta dos dois anos de idade. (Nota: Há uma estimativa de que, nos Estados Unidos, a deficiência de ADA contribua com aproximadamente 14% de todos os casos de SCID.) O tratamento req uer transplante de medula ou terapia de reposição da enzima. (Nota: A deficiência de ADA foi a primeira doença genética tratada com sucesso pela terapia gênica.)

Figura 22.16 Gota tofácea.

Figura 22.17 A gota pode ser diagnosticada pela presença de cristais negativamente birrefringentes de urato monossódico em aspirados de fluido sinovial, examinados em microscópio de luz polarizada. Na figura, cristais podem ser vistos dentro dos leucócitos polimorfonucleares.

SÍNTESE E DEGRADAÇÃO DAS PIRIMIDINAS

- :> contrário da síntese do a nel púrico, que é constru ído sobre uma ribose-5':Sfato preexistente, o anel pirimid ínico é sintetizado previamente, sendo depois ; ado à ribose-5-fosfato, a qual é doada pelo PRPP. As fontes dos átomos do = ~e l pirimidínico são glutamina, C02 e ácido aspártico (Figura 22. 19). (Nota: 3 Jtamina e ácido aspártico são necessários para ambas as sínteses, de puri-as e de pirimidinas.)

Veja o Capítulo 42 de Farmacologia Ilustrada (3° edição) e o Capítulo 39 (2" edição) para uma discussão acerca do tratamento da gota e do papel dos agentes uricosúricos.

Figura 22.18 Criança pequena, nascida com síndrome de deficiência imune, brinca em uma bolha plástica, livre de germes, na qual deve permanecer para sobreviver.


300

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

A . Síntese de carbamoil-fosfato

Nitrogénio amídico (grupo R da glutamina)

O passo regulado dessa via em células de mamíferos é a síntese de carbamoil-fosfato a partir de glutamina e C02 , catalisada pela carbamoil-fosfatosintetase 11 (CPS 11) . A CPS 11 é inibida por UTP (o produto final dessa via, o qual pode ser convertido em outros nucleotídeos pirim idínicos) e é ativada por ATP e PRPP. (Nota: O carbamoil-fosfato é também, quando sintetizado pela CPS I, um precursor da uréia [veja a pág. 251 ]. Diferentemente de outras enzimas de carboxilação, nenhuma das CPSs requer biotina como coenzima. Uma comparação entre essas duas enzimas é apresentada na Figura 22.20.)

~ N_,..c ' c I

.7'

I

c, _,. c

+Ácido aspártico

N

co 2

Figura 22.19 Fontes de cada átomo constituinte do anel pirimídico.

CPSI

B. Síntese do ácido orótico O segundo passo na síntese das pirimidinas é a formação de carbamoilaspartato, catalisada pela aspartato-transcarbamoilase. O anel pirimidínico é então fechado hidroliticamente pela diidro-orotase. O diidro-orotato resultante é oxidado, produzindo ácido orótico (orotato; Figura 22.21) . A enzima que produz o orotato, diidro-orotato-desidrogenase, está localizada dentro da mitocôndria. Todas as outras reações da biossíntese das pirimidinas ocorrem no citosol. (Nota: As primeiras três enzimas dessa via [CPS 11, aspartato-transcarbamoilase e diidro-orotase] são domínios de uma mesma cadeia polipeptídica. [Veja a pág. 19 para uma discussão acerca de domínios.] Esse é um exemplo de um polipeptídio multifuncional ou multicatalítico, que facilita a síntese ordenada de um composto importante.)

CPSII

Localização celular

Mitocôndria

Citosol

Via envolvida

Ciclo da uréia

Síntese de pirimidinas

Fonte de nitrogénio

Amônia

Grupo yamida da glutamina

C. Formação de um nucleotídeo pirimídico Reguladores Ativador: N-acetilglutamato

Inibidor: UTP

No segundo estágio da síntese de nucleotíd eos pirimidínicos, o anel pirimidínico completo é convertido no nucleotídeo orotidina 5'-monofosfato (OMP; veja a Figura 22.21). O PRPP é novamente o doador da ribose5-fosfato. A enzima orotato fosforribosil-transferase produz OMP e libera pirofosfato, com isso tornando a reação biologicamente irreversível. (Nota: Tanto a síntese de purinas quanto a síntese de pirimidinas requer glutamina e PRPP como precursores essenciais.) OMP, o precursor dos mononucleotídeos pirimidínicos, é conve rtido em monofosfato de uridina (UMP) pela orotidilato-descarboxilase, a qual remove o grupo carboxila ácido. A orotatofosforribosil-transferase e a orotidilato-descarboxilase são tam bém domínios de uma única cadeia polipeptídica, chamada UMP-sintase. A acidúria orótica - um defeito genético raro - é causada por uma deficiência dessa enzima bifuncional, resultando em ácido orótico na urina (veja a Figura 22.2 1).

Ativador: ATP

Figura 22.20 Resumo das diferenças entre a carbamoil-fosfato-sintetase ( CPS) I e a CPS 11.

D. Síntese do trifosfato de uridina e do trifosfato de citidina O trifosfato de citidina (CTP) é produzido pela aminação do UTP pela CTPsintetase (Figura 22.22). (Nota: O nitrogênio é fornecido pela glutamina - outro exemplo de uma reação de biossíntese de nucleotídeos em que esse aminoácido é necessário.) E.

Síntese de monofosfato de timidina a partir do dUMP 10

O dUMP é convertido em dTMP pela timidilato-sintase, a qual utiliza N\ N metileno tetraidrofolato como fonte do grupo metila (veja a pág. 265 para uma discussão acerca dessa coenzima). Essa é uma reação incomum , em que o tetraidrofolato (THF) contribui não somente com um grupo de um carbono, como também com dois átomos de hidrogênio do anel pteridina, resultando na oxidação do T HF a diidrofolato (DHF) (Figura 22.23).


Bioquímica Ilustrada

2 ADP + P; + Glutamato

2 ATP + C02 + Glutamina

~

~H2

)

Carbamoilfosfatosintetase 11

301

c=o I

o

Oiidro-orotase

Aspartatotranscarbamoilase

PoiCarbamoilfosfato

)

Carbamoilaspartato

Diidro-orotato

ACIDÚRIA ORÓTICA REGULAÇÃO DA SÍNTESE DAS PIRI MIDINAS • Em células de mamíferos, a carbamoil-fosfatosintetase /1 é inibida por UTP e ativada por ATP e PRPP.

• A orotato-fosforribosil-transferase e a OMP-descarboxilase são domínios separados de um único polipeptídeo - a UMP-sintase. •

• Em células procarióticas, a aspartato-transcarbamoilase é inibida por CTP e é a etapa regula dora.

Atividades bai xas da orotidina-fosfato-descarboxilase e da o rotato-fosforribosil-transferase resultam em crescimento anormal, anemia megaloblástica e excreção de grandes quantidades de orotato na urina.

• Uma alimentação rica em uridina resulta na melhora da anemia e na diminuição da excreção de orotato.

HNr

NADH +H+

o

o( wJlcooco2

2·o 3 PoH2C t ( )

~<---~~----o MP-descarboxilase

PP;

PRPP

+<----~~L~-Orotato-fosforribosiltransferase

HO Uridina 5'-monofosfato (UMP)

OH O rota to

Orotldina 5'-monofosfato (OMP)

Figura 22.21 Síntese de novo das pirimidinas.

Inibidores da timidilato-sintase incluem análogos da timi na, tais como o 5-fluoruracil, o qual é usado com sucesso como agente antitumoral 6 . O 5-fluoruracil é metabolicamente convertido em 5-FdUMP, o qual torna-se permanentemente ligado à timidila to-sintase inativada. Por essa razão, a droga é chamada de inibidor "suicida". O DHF pode ser reduzido a THF pela diidrofolato-redutase (veja a Figura 28.3, pág. 372), uma enzima que é inibida na presença de drogas tais como o metotrexato. Por diminuírem o suprimento de THF, esses análogos do folato não só inibem a síntese de purinas (veja a Figura 22.7), como também, por prevenirem a metilação do dUMP a dTMP, baixa m a concentração celular desse componente essencial do DNA. A síntese do DNA é, portanto, inibida, e o crescimento celular diminuído. Devido a essa capacidade de diminuir a replicação do DNA, por diminuir a disponibilidade dos nucleotídeos precursores, drogas como essas descritas anteriormente são utilizadas para reduzir a taxa de crescimento de células tumorais.

UTP Glutamina

6

J/_

~

Via de salvação para as piri midinas

'

Poucas bases pirimidínicas são recuperadas nas células humanas. Entretanto, os nucleosídeos pirimidínicos uridina e citidina podem ser recupera-

CTP

Veja o Capitulo 40 de Farmacologia Ilustrada (3• edição), e o Capitulo 38 (2" edição) para uma discussão acerca do tratamento com 5-fluoruracil como droga antitumoral.

ATP CTP-sintetase

Glutamato

F.

""\ V

ADP + P;

Figura 22.22 Síntese do CTP a partir do UTP


302

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

dos pela uridina-citidina-cinase, a desoxi citid ina pela desoxicitidina-cinase e a t imidina pela timidina-cinase. Cada uma dessas enzimas catalisa a fosforilação do(s) nucleosídeo(s), utilizando ATP e formando UMP, CMP, dCMP e TM P. (Nota: O vírus herpes simples codifica uma timidina-cinase específica de vírus, a qual fosforila o análogo de nucleosídeo aciclovir [acicloguanosina] para formar acicloguanosina monofosfato. Depois de sucess ivas fosforilações, a acicloguanosina trifosfato resultante é incorporada dentro do DNA virai pela DNA -polimerase vi rai , causando o término da síntese do DNA nas células infectadas pelo vírus.)

dUMP

G. Degradaç ão d os n ucleotídeos pirimidínicos

10

NS, N -Metilenotetraidrofolato

Ao contrário dos anéis púricos, que não são clivados nas células humanas, os anéis pirimidínicos podem ser abertos e degradados, produzindo estruturas altamente solúveis, tais como 13-alanina e 13-aminoisobutirato, os quais podem ser utilizados como precursores de acetii-CoA e de succinii-CoA, respectivamente.

\

VIl. 5-Fiuoruracil

~

5-FdUMP

o

Timidilatosintase

Diidrofolato

lf

Metot rexato

O

NADPH+ H+

Diidrofolatoredutase

Tetraidrofolato

~v

o

HN~CH3

0-(N) '-o,POH,~ HO dTMP

Figura 22.23 Síntese de dTMP a partir de dUMP, ilustrando os sítios de ação das drogas antineoplásicas.

RESUMO DO CA PÍTULO

Os nucleotídeos são compostos por uma base nit rogenada (adenina = A , guanina = G , citosina = C, uracila = U e timina = T), uma pent ose e um, dois ou três g rupos fosfato . A e G são purinas, C, U e T são pirimidinas. Se o açúcar é a ribose, o nucleotideo é um ribonucleosídeo fosfato (por exemplo, AMP) e pode desempenhar várias funções na célula, incluindo ser um componente do RNA . Se o açúcar é a desoxirribose, o nucleotideo é um desoxirr ibonucleosídeo f osfato (por exemplo, dAMP) e será e ncont rado, quase exclusivamente, como um componente do DNA. O passo reguláve l na síntese das purinas usa 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP, uma "pentose ativada", que fornece o grupo ribose-fosfato para a síntese de novo das purinas e pirimidinas e para a recuperação das purinas) e nitrogênio da glutamina para produzir fosforribosilamina. A enzima é a glutamina:PRPP-amidotransferase e é inibida por AMP, GMP e IMP (os produtos finais da via). Os nucleotídeos púricos podem também ser produzidos a partir de bases púricas pré-formadas, usando vias de salvação catalisadas pela adenina-fosfo rribosil-transferase e pela hipoxantina-guanina-fosforribosil-transferase (HPRT). Uma deficiência de HPRT causa a síndrome de Lesch-Ny han - uma forma de gota hereditária e g rave , acompanhada por auto mut ilação compulsiva. Todos os desoxirribonucleotídeos são sintetizados a partir de ribonucleotídeos, pela enzima ribonucleotídeo-redutase. Essa enzima é altamente regu lada. Por exemplo, ela é fortemente inibida por dATP - um composto produzido em excesso nas células da medula óssea de indivíduos que possuem deficiênc ia de adenosinadesaminase. Essa síndrome causa a imu nodeficiência combinada g rave. O produto final da degradação das purinas é o ácido úrico - um composto cuja produção em excesso ou baixa secreção causa a gota. O primeiro passo na s íntese de pirimidinas - a produção de carbamoil-fosfato pela carbamoil-fosfato-sintetase 11 - é o passo regulado nessa via (é in ibido por UTP e ativado por ATP e PRPP). O UTP produzido por essa via pode ser convertido em CTP. O d UMP pode ser convertido em dTMP, utilizando a timid ilato-sintase - uma enzima-alvo para drogas anticâncer, tais como o 5'-fluoruracil.


Bioqu ímica Ilustrada

Estrutura dos nucleotídeos BASE

Metabolismo das Purinas

+FOSFATO = NUCLEOTÍDEO

DNA

Adenina Guanina

Desoxiguanosina monofosfato

Citosina

Desoxicitidina monofosfato

Tim i na

(Desoxi)timidina monofosfato

I

5' -Fosforribosil1-pirofosfato

Guanina Citosina

5'-Fosforri-

bosíltm~i_ na_ _ -l-+-"G:.::IU:.:I::::a:: m:::in.::a' ----·1 5'-Fosforribosilglicinamida Glicina ~ ----~~~~------ 1

5'-Fosfornbosii-

N10.formii-THF

N-formrlghcinamida

~~----~--~--~--

5'-FosforribosilN-formilglicinamidina

Glutamina

j -----+~==~~--- 1

AMP

j

CarbamoLosfato

GMP

.(Aspartato

t Guanosina

Carbamoil-asparta to

I

Diid ro-orotato

t

I

Orotato

Guanina

Orotidrna 5' -monofosfato (OMP)

Adenosina

t t Hipoxantina

Uridrna 5'-monofosfato / (UMP)

lnosina

UDP ~

I

5'·Fosfotribosil·

=

s-ami noir~id_a_zo_le--J-+-=Cc:0:...2~-----

Adenosina monofosfato

5'·Fosforribosil· 5-aminoimidazol-

Xantina

4-carboxilato

Aspartato

!----~~~~~----

Guanosina monofosfato

S'·Fosforribosii-

Citidina monofosfato

UTP

. t

dUMP diMP

~

5' -Fosforribostl4-carboxamida5 -amino.midazole

Acido úrico

10

N -Formii-THF

~~----r+----------

5'-Fosforribosil4-carboxamida5-formamidoimidazol

I

ATP - ADP - AMP -

I

lnosina 5'· monofosfato (IMP)

~

GMP ~ GDP ~ GTP

Gota

Ácido úrico (urina)

I

A

G

Síntese de purinas como alvo para drogas

Vias de salvação das pu ri nas Hipoxantina PRPP PP;

IMP AMP

j

GMP

t t

Guanosina Guanina

AMP

GMP

1

~

Guanosina

~

Guanina

Adenosina

~

Adenosina

t lnosina

,.

porque

GMP

porque

t

r-

Adenina

,.

Alopurinol O Xantina

t

Inibição da síntese das purinas e da timidina que leva à

t

PRPP

f'-. PP;

AMP Deficiência herdada da hipoxantinaguanina-fosforribosiltransferase

Ausência de síntese de DNA I

Acido úrico (sangue) Probenecida

PRPP

Ação antimicrobiana

que leva à

Hipoxantina

Xantina

Guanina

tem

,

~

Hipoxantina

,.

têm

[ Causa inibição da síntese de THF

lnosina

t

que leva à

t

!~

Inibição da divisão celular

Sulfinpirazona0 1 r

.1í. ....... Ácido úrico (urina)

CTP

(MIT"

4-N-succinocarboxamida5-aminoJmidazol

Uridina monofosfato

Uracil

precursoras

I

+FOSFATO NUCLEOTÍDEO

RNA

t Moléculas

5-fosfato

BASE + AÇÚCAR

Adenina

~~~~;.,?;~i incorpora átomos de

Ribose-

Desoxiadenosina monofosfato

BASE

Síntese das pirimidinas

SÍNTESE

BASE + AÇÚCAR

leva à

Síndrome de Lesch-Nyhan

I

cujos sintomas incluem

t

Acido úrico (urina)

Figura 22-24 Mapa de conceitos-chave para o metabolismo dos nucleotídeos.

303


304

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

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 22.1 Um homem de 42 anos de idade, paciente com câncer sofrendo radioterapia, desenvolve dor grave no dedo grande do pé direito. Análises laboratoriais indicam um elevado nível sérico de ácido úrico e cristais de urato em sua urina. Essa dor do paciente é causada pela produção excessiva do produto final de qual das seguintes rotas metabólicas? A. B. C. O. E.

Biossíntese de novo de pirimidinas. Degradação das pirimidinas. Biossíntese de novo das pu ri nas. Via de salvação das purinas. Degradação das purinas.

22.2 Uma paciente de 1 ano de idade, do sexo feminino, está letárgica, fraca e anêmica. Seu peso e altura estão ambos baixos para a idade. Sua urina contém um elevado nível de ácido orótico. A administração de qual dos seg uintes compostos é a mais adequada para aliviar os seus sintomas?

A. Timidina B. Uridina c. Hipoxantina O. Guanina E. Ade nina 22.3 A taxa de síntese de DN A em uma cu ltura de células poderia ser mais acuradamente determinada pela medida da incorporação de qual dos seguintes compostos radioativos?

A. Fosfato B. Adenina c. Guanina O. Timidina E. Uridina 22.4 Depois de várias semanas de quimioterapia na forma de metotrexato, o tumor de um paciente começa a mostrar sinais de resistência ao tratamento. Qual dos seguintes mecanismos é mais provável para explicar a resistência do tumor ao metotrexato? A. B. C. O. E.

Produção excessiva de diidrofolato-redutase. Produção excessiva de xantina-oxidase. Deficiência de PRPP-sintase. Deficiência de timidina-cinase. Deficiência de timidilato-sintase.

Resposta correta = E. A dor do paciente é causada pela gota, resultante da cristalização do excesso de ácido úrico em suas articulações. A morte celular causada pela radioterapia leva à degradação dos ácidos nucléicos daquelas células. A degradação das purinas desses ácidos nucléicos resulta no excesso de produção do ácido úrico - um composto relativamente insolúvel, que pode causar pedras nos rins, bem como a gota. Os produtos finais da degradação das pirimidinas não causam esses problemas, porque eles são todos compostos solúveis, que podem ser mais facilmente excretados na urina.

Resposta correta = B. A excreção elevada de ácido erótico indica que a paciente apresenta acidúria erótica, um defeito genético que ateia a rota biossintética de novo das pirimidinas. Deficiências nas atividades enzimáticas da OMP-descarboxilase e/ou orotato-fosforribosil-transferase (as quais são domínios da enzima UMP-sintase) deixam a paciente impossibilitada para sintetizar qualquer pirimidina. A uridina, um nucleosídeo pirimidinico, é útil no tratamento dessa deficiência, pois contorna a falta das enzimas e pode ser convertida em todas as outras pirimidinas. Embora a timidina seja um nucleosídeo pirimidínico, ela não pode ser convertida nas outras pirimidinas. Hipoxantina, guanina e adenosinas são todas bases púricas, que não podem auxiliar na reposição das pirimidinas que estão faltando.

=

Resposta correta D. Uma vez que a timidina é essencialmente encontrada apenas no DNA, sua incorporação poderia refletir mais acuradamente a velocidade de síntese de DNA. A uridina é encontrada somente no RNA e poderia ser usada para medir a taxa de síntese de RNA. Fosfato, adenina e guanina estão presentes em ambos, DNA e ANA, e não poderiam ser utilizados para medir especificamente a s íntese de um ou de outro.

Resposta correta = A. O metotrexato interfere com o metabolismo do folato, por agir como um inibidor competitivo da enzima diidrofolato-redutase. Isso depleta as células de tetraidrofolato e as torna incapazes de sintetizar purinas e dTMP. Isso é especialmente tóxico para as células cancerígenas que possuem crescimento rápido. A produção excessiva de diidrofolato-redutase, normalmente causada pela amplificação do seu gene, pode superar a inibição da enzima nas concentrações de metotrexato usadas na quimioterapia, e pode resultar em resistência do tumor ao tratamento com essa droga.


Efeitos Metabólicos da Insulina e do Glucagon I. Visão geral Quatro tecidos principais exercem função dominante no metabol ismo energético: fígado, tecido adiposo, músculo e encéfalo. Esses tec idos contêm con juntos exclusivos de enzimas, de forma que cada órgão é especializado no estoque, no uso e na formação de combustíveis específi cos. Esses tecidos não funcionam isoladamente, ao contrário, eles formam uma comun idade, na qual um tecido pode fornecer substrato a outro, ou processar compostos produzidos por outros órgãos. A comunicação entre os tecidos é mediada pelo sistema nervoso, pela disponibilidade de substratos circulantes e pela variação nos níveis de hormônios plasmáticos (Figura 23. 1). A integração do metabolismo energético é controlada principalmente pelas ações de dois hormônios: a insulina e o glucagon, com as catecolaminas adrenalina e noradrenalina exercendo uma função de apoio. As alterações nos níveis circu lantes desses hormônios permitem ao organismo armazenar energia quando o alimento está disponível em abundância ou tornar disponível a energia armazenada, por exemplo, durante "crises de sobrevivência", como fome, trauma grave e situações de "luta ou fuga". Este capítulo descreve a estrutura, a secreção e os efeitos metabólicos dos dois hormônios que mais profundamente afetam o metabolismo energético.

11.

Insulina

A insulina é um hormônio polipeptídico produzido pelas células f3 das ilhotas de Langerhans - grupos de células que fazem parte da porção exócrina do pâncreas (Figura 23.2). As ilhotas de Langerhans compreendem somente cerca de 1 a 2% do total de célu las pancreáticas. A insulina é um dos mais importantes hormônios que coordenam a utilização de combustíveis pelos tecidos. Seus efeitos metabólicos são anabólicos, favorecendo, por exemplo, a síntese de glicogênio, de triacilgliceróis e de proteínas.

o

TECIDO ADIPOSO

• Sistema nervoso • Disponibilidade de substratos circulantes

MÚSCULO

ENCÉFALO

A. Estrutura da insulina A insulina é composta de 51 aminoácidos arranjados em duas cadeias polipeptídicas, designadas A e B, as quais estão unidas por duas pontes dissul feto (Figura 23.3A). A molécu la de insulina também contém uma

Figura 23.1 Mecanismos de comun icação entre quatro importantes tecidos.


306

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier ligação dissulfeto intramolecular entre resíduos de aminoácidos da cadeia A. A insulina bovina difere da humana em três posições de aminoácidos, enquanto a insulina porcina varia em apenas uma posição.

~ ~

\

\.Ú

Ilhotas de Langerhans

B. Síntese de insulina O processamento e o transporte de intermediá rios que ocorrem durante a síntese de insulina são mostrados nas Figuras 23.38 e 23.4. Note que a biossíntese envolve dois precursores inativos, a pré-pró-insulina e a próinsulina, que são cl ivados seqüencialmente para formar o hormônio ativo mais o peptídeo C (veja a Figura 23.4). (Nota: O peptídeo C é essencial para a organização correta da molécula de insulina. Além disso, devido a sua meia-vida mais longa no plasma, o peptídeo C é um bom indicador da produção e da secreção de insulina no diabetes juvenil.) A insulina é estocada em grânulos no citosol que, com o estímulo apropriado (veja a seguir), são liberados por exocitose. (Veja a pág. 164 para uma discussão sobre a sínte se de proteínas destinadas para secreção.) A insulina é degradada pela enzima insulinase, presente no fígado e, em menor quantidade, nos rins. A insulina possui uma meia-vida plasmática de aproximadamente seis minutos. Essa curta duração de ação permite alterações rápidas nos níveis circulantes desse hormônio.

Figura 23.2 Ilhotas de Langerhans.

C. Regu lação da secreção de insulina 1.

Estimulação da secreção de insulina. A secreção da insulina pelas células p das ilhotas de Langerhans do pâncreas está intimamente coordenada com a liberação do glucagon pelas cé lulas a pancreáticas. As quantidades relativas de insulina e glucagon liberadas pelo pâncreas são reguladas de modo que a ve locidade de produção da

Seqüência sinalizadora Cadeia B Retículo endoplasmático

Aparelho de Golgi

""\') I

coo -

Pré-pr ó-Ins ulina

NH3+

I

Seqüênc ia slnallzadora

S·S

Cadeia A

s-s~

+

s-sU Insulina

Pró-ins ulina

Figura 23.3 A. Estrutura da insulina. 8. Formação da insulina humana a partir da pré-pró-insulina.

Peptídeo C


Bioquímica Ilustrada

CITOPLASMA

o

Os genes que codifi cam a insulina são transcritos no RNAm no núcleo.

MEMBRANA PLASMÁTICA ----:~

Após mover-se ao citoplasma, a t radução do RNAm é iniciada nos ribossomos citosólicos, com a formação de uma seqüência sinalizadora hidrofóbica N-terminal, que auxilia o transporte do RNAm ao RER.

O peptídeo sinalizador N-terminal penetra através da membrana do RER. A elongação subseqüente d irige a cadeia polipeptídica ao lúmen do RER, resultando na formação da pré-próinsulina.

Insulina e peptídeo C nos grânulos secretores.

A pró-insulina é t ransportada do RER ao complexo de Golgi, onde é clivada, formando insulina.

Os grânulos secretores são secretados por exocitose, liberando a insulina e o peptídeoC.

Figura 23.4 Movimentos intracelulares da insulina e de seus precursores. RER = retículo endoplasmático rugoso.

glicose hepática é mantida igual à velocidade de utilização da glicose pelos tecidos periféricos. Em vista do seu papel de coordenadora, não surpreende que a célula ~ responda a uma variedade de estímulos. Em especial, a síntese e a secreção de insulina são aumentadas por: a.

Glicose. As células ~ são os mais importantes sensores corporais de glicose. Assim como o fígado, as células B possuem atividade glicocinase (veja a pág. 96), e, portanto, podem fosforilar a glicose em quantidades proporcionais à sua concentração sangüínea real. A ingestão de glicose ou de uma refeição rica em carboidratos leva a um aumento na glicose sangüínea, o que é um sinal para um aumento na secreção de insulina (assim como para diminuição na

307


308

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise A. Ferrier síntese e liberação de glucagon, Figura 23.5). A glicose é o estímulo mais importante para a secreção de insulina.

120 ..J

E ._ ::l

:::1.

80 40

o

b.

Aminoácidos. A ingestão de proteínas causa um aumento tran sitório nos níveis plasmáticos de aminoácidos, os quais, por sua vez, induzem imediata secreção de insulina. A arginina plasmática elevada é um estímulo especialmente potente para a síntese e a secreção de insulina.

c.

Hormônios gastrint e stinais. O peptídeo intestinal secretina estimula a secreção de insulina , assim como outros hormônios gastrintestinais. Esses hormônios são liberados após a ingestão de alimentos. Eles causam um aumento antecipado nos níveis de insulina na veia porta, antes que ocorra um aumento real na glicemia (veja a Figura 23.5). Isso pode ser responsável pelo fato de que a mesma quantidade de glicose administrada por via oral induz a uma secreção muito maior de insulina do que se a administração for intravenosa .

"-.

/ "'"""'

120 ..J

~ 110 Q.

2.

100 90 ~--~---,~~r---r-~ 60 o 60 120 180 240 Minutos

Figura 23.5 Alterações nos níveis sangüíneos de glicose, insulina e glucagon após a ingestão de uma refeição rica em carboidratos.

Inibição da secreção de insuli na. A síntese e a liberação de insulina estão diminuídas quando existe escassez de com bustíveis da dieta e também durante períodos de estresse (por exemplo, febre ou infecção). Esses efeitos são mediados primariamente pela adrenalina, a qual é secretada pela medula adrenal em resposta ao estresse, ao trauma ou ao exercício intenso. Nessas condições, a liberação de adrenalina é controlada especialmente pelo sistema nervoso. A adrenalina possui um efeito direto sobre o metabolismo energético, causando uma mobilização rápida de com bustíveis produtores de energia, incluindo a glicose hepática (produzida pela glicogenólise ou pela gliconeogênese, veja a pág. 119) e os ácidos graxos provenientes do tecido adiposo (veja a pág. 187). Além disso, a adrenalina pode impedir a liberação normal de insulina esti mulada pela glicose. Assim, em situações de emergência, o sistema nervoso simpático substitui em grande parte a concentração plasmática de glicose como influência controladora da secreção das células ~·A regulação da secreção de insulina está resumida na Figura 23.6.

D. Efe itos metabó licos da insulina

1.

Efeito s so bre o metabolism o de carboidrato s. Os efeitos da insulina no metabolismo da glicose são mais proeminentes em três tecidos: fígado, músculo e tecido adiposo. No f íg ado , a insulina diminui a produção de glicose por inibir a gliconeogênese e a degradação de glicogênio. No múscu lo e no fígado, a insulina aumenta a síntese de glicogênio. No músculo e no tecido adiposo, a insulina aumenta a captação de glicose por aumentar o número de transportadores de glicose na membrana celular (veja a pág . 31 O). Assim , a administração intravenosa de insulina causa uma diminuição imediata na concentração de glicose no sangue.

2.

Efeitos sobre o metabolismo de lip ídeos. O tecido adiposo responde dentro de minutos à administração de insulina, a qual ca usa uma importante redução na liberação de ácidos graxos:

Pré-próins ulina

t

o t o

Insulina

1

a.

Figura 23.6 Regulação da liberação da insulina pelas células (3 pancreáticas.

Diminuição na degradação de t riacilgl ic eróis. A insulina diminui os níveis de ácidos graxos circulantes por inibir a atividade da Jipase sensível a hormônio no tecido adiposo. A insulina provavelmente age por promover a desfosforilação e, portanto, a inativação da enzima (veja a pág. 187).


Bioquímica Ilustrada

O Receptor de insulina (inativo)

1:'11

A ligação da insulina ativa o receptor por ativar o domínio intracelular tirosina-cinase da I· subunidade 13 do receptor de insulina.

309

Receptor de Ins ulina (ativo)

Os resíduos de tirosina da p são autofosforilados.

E;;:~! subunidade

b.

3.

Aumento na síntese de triacilgliceróis. A insulina aumenta o transporte e o metabolismo da glicose nos adipócitos, fornecendo o substrato glicerol-3-fosfato para a síntese de triacilglice róis. A insulina também aumenta a atividade da lipase lipoprotéica no tecido adiposo, por aumen tar a síntese da enzima, fornecendo, assim, ácidos graxos para esterificação.

a

o receptor tirosina-cinase ~ fosforila outras proteínas, por exemplo, os substratos do receptor de insulina (SRis).

Efeitos sobre a síntese protéica. Na maioria dos tecidos, a insulina estimula a entrada de aminoácidos nas célu las e a síntese de proteínas.

E. Mecanismo de ação da insulina A insulina liga-se a receptores específicos de alta afin idade na membrana celular da maioria dos tecidos, incluindo o fígado, o músculo e o tecido adiposo. Esse é o primeiro passo em uma cascata de reações, levando finalmente a um conjunto de ações biológicas diversas. 1.

2.

3.

Receptor de insulina. O receptor de insulina é sintetizado como um polipeptídeo único, que é glicosilado e clivado em subunidades a. e p, as quais são, então, reunidas em um tetrâmero unido por ligações dissulfeto (Figura 23.7). Um domínio hidrofóbico em cada subunidade P atravessa a membrana plasmática. A subunidade a. extracelular contém o sítio de ligação da insulina. O domínio citosólico da subunidade p é uma tirosina-cinase, a qual é ativada pela insulina. Transdução de sinal. A ligação da insulina às subunidades a. do receptor de insulina induz alterações conformacionais que irão atingir as subunidades p. Isso promove uma rápida autofosforilação de um res íduo específico de tirosina em cada subunidade p (veja a Figura 23.7). A autofosforilação inicia uma cascata de respostas de sinalização celular, incluindo a fosforilação de uma família de proteínas denominadas proteínas substratos do receptor de insulina (SRis). Já foram identificados pelo menos quatro SAis, os quais apresentam estruturas similares, mas diferente distribuição tecidual. As ações da insulina são encerradas pela desfosforilação do receptor. Efeitos da insulina na membrana. Na presença da insulina, o transporte da glicose aumenta em alguns tecidos, como o músculo esquelético e os adipócitos (Figura 23.8). A insulina promove o recrutamento de transportadores de glicose sensíveis à insulina (GLUT-4, veja a pág. 95} provenientes de um estoque localizado em vesículas intracelulares. (Nota: Alguns tecidos possuem sistemas independentes de insulina para o transporte de glicose [Figu ra 23.9]. Por exemplo, hepa-

Efeitos biológicos da insulina: Captação de gl icose Síntese de g licogênio Síntese protéica Síntese de lipídeos

Gliconeogênese Glicogenólise Li pó li se

Altera a expressão gênica

Figura 23.7 Receptor de insulina. SRI = substrato do receptor de insulina.


31 O

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

1:'1 Os transportadores de glicose aumentam ~

a captação de gli cose mediada por insulina na célula.

Transportador de glicose

Insulina

f t Quando os níveis de li.J insulina diminuem, os transpor tadores de glicose movem-se da membrana celular para os locais de armazenamento intrace-

Transportador de glicose

1:'1 O receptor ativado promove o recrutamento

B

O

dos transportadores de glicose do estoque intracelular para a membrana celular.

A insulina liga-se ao seu receptor na membrana celular.

Figura 23.8 A insulina faz com que as células recrutem transportadores dos estoques intracelulares.

tócitos, eritrócitos e células do sistema nervoso, da mucosa intestinal, dos túbulos renais e da córnea não requerem insulina para a captação de glicose. )

Transporte ativo

-.,> ::"'<:: ·-CDCD ::> <:: <::

~:;;;

4.

Regulação do receptor. A ligação de insulina é seguida pela internalização do complexo hormônio-receptor. Uma vez dentro da célula, a insulina é degradada nos lisossomos. Os receptores podem ser degradados, mas a maioria é reciclada para a superfície celular. Níveis elevados de insulina promovem a degradação dos receptores, diminuindo assim o número de receptores na superfície. Esse é um tipo de "regulação por subsensibilização".

5.

Curso temporal das ações da insulina. A ligação de insulina provoca uma ampla variedade de ações. A resposta mais imediata é um aumento no transporte de glicose pelos adipócitos e pelas células do músculo esquelético, que ocorre dentro de segundos após a ligação da insulina aos seus receptores de membrana. As alterações na atividade enzimática induzidas pela insulina em muitos tipos de célu las ocorrem dentro de minutos a horas e refletem alterações no estado de fosforilação de proteínas existentes. A insulina também desencadeia um aumento na quantidade de muitas enzimas, como a glicocinase, a fosfofrutocinase e a piruvato-cinase, que requerem horas a dias. Essas alterações refletem um aumento na transcrição gênica, no RNAm e na síntese enzimática.

Transporte facilitado A maioria dos tecidos (por exemplo, músculo esquelético e tecido adiposo)

Figura 23.9 Características do transporte de glicose em vários tecidos.


Bioquímica Ilustrada

311

III. GLUCAGON O glucagon é um hormônio polipeptídico secretado pelas células a das ilhotas de Langerhans pancreáticas. O glucagon, juntamente com a adrenalina, o co rtisol e o hormônio do crescimento (os "hormônios contra-reguladores"), se opõe a muitas das ações da insulina. Em especial, o glucagon age na manutenção dos níveis de glicose sangüínea, pela ativação da glicogenólise e da gliconeogênese hepáticas. O glucagon é composto por 29 aminoácidos arranjados em uma única cadeia polipeptídica. (Nota: Ao contrário da insulina, a seqüência de aminoácidos no glucagon é a mesma em todas as espécies de mamíferos examinadas até o momento.) O glucagon é sintetizado como uma grande molécula precursora, que é convertida no glucagon através de uma série de clivagens proteolíticas seletivas, similares àquelas descritas na biossíntese da insulina (veja a Figura 23.3).

Glicogenólise Gliconeogênese Cetogênese

Glicogenólise Gliconeogênese Cetogênese

Adrenalina

A. Estimulo da secreção de glucagon A célula a é responsiva a uma variedade de estímulos que sinalizam uma hipoglicemia real ou potencial (Figura 23.1 0). Especificamente, a secreção do glucagon é aumentada por:

1.

Gl icemia baixa. Uma diminuição na concentração plasmática de glicose é o principal estímulo para a liberação de glucagon. Durante um jejum noturno ou prolongado, os níveis elevados de glucagon previnem a hipoglicemia (veja a seguir a discussão sobre hipoglicemia).

2.

Aminoácidos. Os aminoácidos derivados de uma refeição que contém proteínas estimulam a liberação de glucagon e de insulina. O glucagon impede efetivamente a hipoglicemia, que de outra forma ocorreria como resultado da secreção aumentada de insulina após uma refeição protéica.

3.

Adrenalina. Níveis elevados de adrenalina circulante produzida pela medula adrenal ou de noradrenalina produzida pela inervação simpática do pâncreas, ou de ambas, estimulam a liberação de glucagon. Assim, durante períodos de estresse, trauma ou exercício intenso, os níveis elevados de adrenalina podem impedir o efeito dos substratos circulantes sobre as células a. Nessas situações - independentemente da concentração de glicose no sangue - os níveis de glucagon se elevam em antecipação ao aumento na utilização de glicose. Em contraste, os níveis de insulina são reduzidos.

B. Inibição da secreção de glucagon A secreção de glucagon diminui significativamente com o aumento de glicose e de insulina no sangue. Essas substâncias estão aumentadas após a ingestão de glicose ou de uma refeição rica em carboidratos (veja a Figura 23.5) . A regulação da secreção do glucagon está resumida na Figura 23.11.

Figura 23.1 O Ações da insulina, em oposição às do glucagon e da adrenalina.

Precursores

t t

C. Efeitos metabólicos do glucagon 1.

2.

Efeitos sobre o metabolismo de carboidratos. A administração intravenosa de glucagon leva a um aumento imediato na glicemia. Isso resu lta de um aumento na degradação do glicogênio hepático (nãomuscular) e de um aumento na gliconeogênese. Efeitos sobre o metabolismo de lipídeos. O glucagon favorece a oxidação hepática de ácidos graxos e a subseqüente formação de corpos

SANGUE

Figura 23.11 Regulação da liberação de glucagon pelas células a pancreáticas.


312

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

cetônicos a partir de acetii-CoA. O efeito lipolítico do glucagon no tecido adiposo é mínimo em humanos .

/Giucagon

3.

Efeitos sobre o metabolismo p rotéico. O glucagon aumenta a captação de aminoácidos pelo fígado, resultando em aumento na disponibilidade de esqueletos carbonados para a gliconeogênese. Como conseqüência, os níveis plasmáticos de aminoácidos estão diminu ídos.

D. Mecan ismo de ação do g lucagon

/

Receptor de glucagon

AMPc (•)

)

í\~~

5'-AMP

,_:;>

Proteína-cinase dependente deAMPc

Proteína-cinase dependente deAMPc

1

(inativa)

(ativa)

+•

R

R

IV. HIPOGLICEMIA

@]

p Enzima

(desfosforilada)

O glucagon liga-se a receptores de alta afinidade na membrana celular do hepatócito. Os receptores para glucagon são diferentes dos que ligam insulina ou adrenalina. A ligação do glucagon resulta na ativação da adenilato-ciclase na membrana plasmática (Figura 23.1 2, e veja a pág. 92). Isso causa um aumento no AMPc (o "segundo mensageiro"), o qual, por sua vez, ativa a protefna-cinase dependente de AMPc e aumenta a fosforilação de enzimas ou outras proteínas específicas. Essa cascata de atividades enzimáticas crescentes resulta na ativação ou inibição mediadas por fosforilação de enzimas-chave regu ladoras, envolvidas no metabolismo dos carboidratos e dos lipídeos. Um exemplo desse tipo de cascata é apresentado no caso da degradação do glicogênio na pág. 129 e na Figura 11.11 , pág. 131.

Enzima '

(fosforilada)

A hipoglicemia é caracteri zada por 1) sintomas do sistema nervoso central, incluindo confusão, comportamento atípico ou coma; 2) simultaneamente, nível de glicose sangüínea igual ou inferior a 40 mg/dl; e 3) os sintomas são resolvidos em minutos após a administração de glicose. A hipoglicemia é uma emergência médica porque o sistema nervoso central (SNC) tem um requerimento absoluto de suprimento contínuo de glicose sangüínea para servir como combustível para o metabolismo energético. Uma hipoglicemia transitória pode causar disfunção cerebral, ao passo que uma hipoglicemia grave e prolongada causa morte cerebral. Assim , não surpreende que o corpo possua múltiplos mecanismos superpostos para prevenir ou corrigir a hipoglicemia. As alterações hormonais mais importantes no combate à hipoglicemia são a elevação de glucagon e adrenalina, juntamente com a diminuição na liberação de insulina. A. Sintoma s de hipoglicemia

Efeitos biológicos: Glicogenólise Gliconeogênese Cetogênese Captação de aminoácidos Glicogênese

Figura 23.12 Mecanismo de ação do glucagon. (Nota: Para simplificar, a ativação da adenilato-cic/ase pela proteína G foi omitida.) R = Subunidade reguladora; C = subunidade catalítica.

Os sintomas de hipoglicemia podem ser divididos em duas categorias. Os sintoma s adre nérgicos - ansiedade , palpitação, tremor e sudorese - são mediados pela liberação de adrenalina regulada pelo hipotálamo em resposta à hipoglicemia. Normalmente, os sintomas adrenérgicos (isto é, sintomas mediados por adrenalina elevada) ocorrem quando os níveis de glicose sangüínea caem bruscamente. A segunda categoria de sintomas hipoglicêmicos é neuroglicopênica. A neuroglicopen ia - diminuição na chegada de glicose no encéfalo - resulta em prejuízo da função cerebral, causando cefaléia, confusão, fala a rrastada, co nvulsões, coma e morte. Os sintomas neuroglicopênicos resultam com freqüência de um declínio gradual de glicose sangüínea, geralmente para níveis inferiores a 40 mg/dl. O declínio lento na glicose priva o SNC de combustível, mas falha em disparar uma resposta adequada da adrenalina. B. Sistemas glicorregu ladores O ser humano possui dois sistemas sobrepostos de regulação da glicose, que são ativados por hipoglicemia: 1) as ilhotas de Langerhans, que liberam gl ucagon, e 2) os receptores no hipotálamo, que respondem a concentra-


Bioquímica Ilustrada

313

ções anormalmente baixas de glicose no sangue. Os glicorreceptores hipotalâmicos podem disparar tanto a secreção de adrenalina (mediada pelo sistema neurovegetativo) quanto a liberação de ACTH e do hormônio do crescimento (GH, de growth hormone) pela hipófise anterior (Figura 23. 13). O glucagon, a adrenalina, o cortisol e o hormônio do crescimento são algumas vezes denominados hormônios "contra-reguladores", pois cada um deles se opõe à ação da insulina sobre a utilização da glicose. 1.

Glucagon e adrenalina. A hipoglicemia é combatida pela diminuição na liberação de insulina e pelo aumento na secreção de glucagon, adrenalina, cortisol e hormônio do crescimento (veja Figura 23. 13). O glucagon e a adrenalina são os hormônios mais importantes na regulação aguda e a curto prazo da glicemia. O glucagon estimula a glicogenólise e a gliconeogênese hepáticas. A adrenalina promove a glicogenólise e a lipólise, inibe a secreção de insulina e inibe a captação de glicose mediada por insulina nos tecidos periféricos. A adrenalina normalmente não é essencial para combater a hipoglicemia, mas pode assumir um papel crítico quando a secreção do glucagon está deficiente, por exemplo, nos estágios tardios do diabetes melito tipo 1 (dependente de insulina) (veja a pág. 339). A prevenção ou correção da hipoglicemia falha quando as secreções de ambos, adrenalina e glucagon, estão deficientes.

m

GLICEMIA BAIXA

100

(Glicose sangüfnea menor do que 40 mg/dl)

80

:.J"

~ .§. 60 :g

·=

1....,..,__ _,__ · - - - • -

':I

....m 1:1)

Sistema neurovegetativo

~

~

o

-~ a 4o

Cortisol Glic ogenóllse Gliconeogênese

Adrenalina

1

0 Glucagon

o

+++

++

++

o

++

• Cefaléia • Confusão • Fala arrastada

~nsullna

Noradrenalina

Iniciam sintomas adrenérgicos:

1,....1-_""'"' Iniciam sintomas de I neuroglicopenia: • Ansiedade

c

• Palpitação • Tremor eSudorese

e Co nvulsões e Co ma • Morte

20

o Figuras 23.1 3 A. Ações de alguns hormônios glicorreguladores em resposta à glicemia baixa. B. Limiares glicêmicos para as diversas respostas à hipoglicemia. + = Estímulo fraco;++ = estímulo moderado;+++= estímulo forte ; O= sem efeito.


314

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier 2.

Cortisol e hormõnio do crescimento. Esses ho rmônios são menos importantes na manutenção das concentrações de glicose sangüínea a curto prazo. Em vez disto, eles desempenham um papel na coordenação do metabolismo da glicose a longo prazo.

C. Tipos de hipoglicemia A hipoglicemia pode ser dividida em três grupos: 1) induzida por insulina; 2) pós-prandial (algumas vezes denominada hipoglicemia reativa); e 3) hipoglicemia de jejum. (Nota: A intoxicação alcoólica em indivíduos em jejum também pode estar associada com hipoglicemia.)

o

Pacientes com diabetes dependente de insulina . (tipo I) receberam · injeção de insulina.

fJ

Hipoglicemia induzida por insulina. A hipoglicemia freqüentemente ocorre em pacientes diabéticos que recebem tratamento com insulina, em especial naqueles em que há sério empenho na obtenção de um controle rigoroso dos níveis de glicose sangü ínea. Uma hipoglicemia leve em pacientes totalmente conscientes é tratada com a administração oral de carboidratos. Os pacientes com hipoglicemia, porém, freqüentemente estão inconscientes ou apresentam perda da capacidade para coordenar a deglutição. Nesses casos, o tratamento de escolha é a administração subcutânea ou intramuscular de glucagon (Figura 23.1 4).

2.

Hipoglicemia pós-prandial. Essa é a segunda fo rma mais comum de hipoglicemia. É causada por uma liberação exagerada de insulina após uma refeição, produzindo uma hipoglicemia transitória com leves sintomas adrenérgicos. O nível de glicose plasmática retorna ao normal mesmo se o paciente não for alimentado. Em geral, o único tratamento requerido é que o paciente deve ingerir refeições pequenas e freqüentes, em vez das três principais refeições diárias.

3.

Hipoglicemia de jejum. A ocorrência de glicemia diminuída durante o jejum é rara, mas é mais provável que se apresente como um sério problema clínico. A hipoglicemia de jejum, que tende a produzir sintomas de neuroglicopenia, pode resultar de uma redução na velocidade de produção de glicose pelo fígado. Assi m, baixos níveis de glicose no sangue são freqüentemente observados em pacientes com lesão hepatocelular ou com insuficiência adrenal, ou ainda em indivíduos em jejum que consumiram grandes quantidades de etanol (veja a seguir). Alternativamente, a hipoglicemia de jejum pode resultar da velocidade aumentada na utilização de glicose pelos tecidos periféricos, mais freqüentemente devida a níveis elevados de insulina resultantes de tumor nas células p pancreáticas. Se não tratado, um paciente com hipoglicemia de jejum pode perder a consciência e apresentar convulsão e coma.

4.

Hipoglicemia e intoxicação alcoólica. O álcool é metabolizado no fígado por duas reações de oxidação (Figura 23.1 5). O etanol é primeiramente convertido em acetalde ído pela álcool-desídrogenase. O acetaldeído é oxidado posteriormente a acetado pela aldeído-desídrogenase. (Nota: Essa enzima é inibida por dissulfiram, uma droga que pode ser usada em pacientes que desejam parar de beber álcool.' Isso causa o acúmulo de acetaldeído no sangue, resultando em rubor, taquicardia , hiperventi lação e náusea .) Em cada reação, elétrons são transferidos para o NAD+, resultando em um aumento maciço na concentração de NADH citosólico. A abundância de NADH favorece a redução de piruvato em lactato e de oxalacetato em maiato. Lembre-se,

Após algumas horas, alguns pacientes também receberam administração subcutãnea de g lucagon.

Glucagon (2 mg subcutâneo)

...1

1.

240

~ E

Insulina

ic: 160

;:;

.."'"' c:

5lo

.~

a

Salina Alguns pacientes foram tratados com salina em vez de glucagon. O glucagon aumenta a glicemia por mobilizar " o glicogênio hepático e por estimular a gliconeogênese hepática.

Figura 23.14 Reversão da hipoglicemia induzida por insulina pela administração subcutânea de glucagon.

1

Veja o Capítulo 9 de Farmacologia Ilustrada (2" e 3• edições) para uma abordagem sobre o uso de dissulfiram no tratamento do alcoolismo.


Bioquímica Ilustrada

315

da pág. 116, q ue o piruvato e o oxaloacetato são ambos intermediários na síntese de glicose via gliconeogênese. Assim, o aumento de NADH mediado por etanol faz com que os intermediários da gliconeogênese sejam desviados para vias alternativas de reação, resultando na síntese diminuída de glicose. Isso pode acelerar a hipoglicemia, especialmente em indivíduos que tive ram uma depleção em seus estoques de glicogênio hepático. (Nota: Lembre-se, da pág. 123, que a mobilização do glicogênio hepático é a primeira defesa corporal contra a hipoglicemia. Assim , indivíduos em jejum ou desnutridos apresentam depleção nos depósitos de glicogênio e dependem da gliconeogênese para manter os níveis de glicose sangüínea.) A hipoglicemia pode produzir muitos dos comportamentos associados à intoxicação alcoólica - agitação, prejuízo de julgamento e agressividade. Assim, o consumo do álcool por indivíduos vulneráveis - aqueles em jejum ou que se submeteram a exercício exaustivo e prolongado - pode produzir hipoglicemia, que pode contribuir para os efeitos comportamentais do álcool. O consumo de álcool pode também aumentar o risco de hipoglicemia em pacientes que fazem uso da insulina. Qua lquer paciente que segue um tratamento rígido com insulina deveria ser advertido acerca do risco aumentado de hipoglicemia, que nem sempre ocorre durante o período de consumo do álcool mas, ao contrário, muitas horas depois.

m

Sem consumo de etanol Glicose-6-P

++ Frutose-6-P

~

m

Com consumo de etanol

Glicose

+t Frutose-6-P

<)~

V?

Frutose-1,6-bis-P

Frutose-1 ,6-bis-P

t

Gliceraldeído-3-P

l fJ

++ 1 ,3-Bisfosfoglicerato i+ 3-Fosfoglicerato ++ 2-Fosfoglicerato i+

~

t.............................,

1-

O metabolis mo do etanol resulta em um aumento maciço na concentração de NADH citosóli co no fígado.

'I' ··>- Diidroxia-

cetona-P

1 ,3-Bisfosfoglicerato

-1-t 3-Fosfoglicerato

.j..t 2-Fosfoglicerato

Etanol

H

GLICONEOGÊNICOS '

O aumento no NADH mediado pelo etanol desvia os intermediários da gllconeogênese para vias alternativas de reação, resultando na diminuição da síntese de glicose.

Fosfoenolpiruvato

i

PRECURSORES /

o

-<:··

it

/ .."7

Pirutato

~

"' Gliceraldefdo-3-P

Diidroxiacetona-P

Fosfoenolpiruvato

Oxalacetato

~ Glicose

Glicose-6-P

Piruvato ····...

··...

T

NAD+ j

Álcooldesidrogenase

~ Lactato

NADH NAD+

NADH Acetaldeído

NAD+

""'I1

NADH

~t

Aldeldodesidrogenase

l7r" O Dissulfiram Acetato

Figura 23.15 A. Gliconeogênese normal na ausência de consumo de etanol. B. Inibição da gliconeogênese como resultado do metabolismo hepático do etanol.


316

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

V.

RESUMO DO CAPÍTULO

A integração do metabolismo energético é controlada p ri ncipalmente pela insulina e pelas ações que a ela se opõem do glucagon e da adrenalina. Alterações nos níveis circulantes desses hormônios permitem ao organismo estocar energia quando o alimento é fornecido em abundância ou disponibilizar da energia estocada, por exemplo, durante "crises de sobrevivência", como fome, lesão grave e situações de "luta ou fuga". A insulina é um hormônio polipeptídico produzido pelas células 13 das ilhotas de Langerhans do pâncreas. Sua biossíntese envolve dois precursores inativos, a pré-pró-insulina e a pró-insulina, que após clivagens seqüenciais formam o hormônio ativo. O aumento na glicemia é o sinal mais importante para uma secreção aumentada de insulina. A síntese e a liberação de insulina são diminuídas pela adrenalina, que é secretada em resposta a estresse, trauma ou exercício intenso. A insulina aumenta a captação de glicose e a síntese de glicogênio, de proteínas e de triacilgliceróis. Essas ações são mediadas pela ligação da insulina ao seu receptor, iniciando uma cascata de eventos de sinalização celular, incluindo a fosforilação de uma família de proteínas denominadas de substrato do receptor de insulina (SRI). O glucagon é um hormônio polipeptídico secretado pelas células <X das ilhotas pancreáticas. O glucagon, juntamente com a adrenalina, o cortisol e o hormônio do crescimento (os "hormônios contra-reguladores"), se opõe a muitas das ações da insulina. O glucagon alua na manutenção da glicemia durante períodos de potencial hipoglicemia. O glucagon aumenta a glicogenólise, a gliconeogênese, a ceiogênese e a captação de aminoácidos. A secreção do glucagon é estimulada por baixos níveis sangüíneos de glicose, por aminoácidos e pela adrenalina. Sua secreção é inibida por níveis elevados de glicose sangüínea e pela insulina. O glucagon liga-se a receptores de alta afinidade nos hepatócitos. Essa ligação resulta na ativação da adenilato-ciclase, a qual produz o segundo mensageiro AMP cíclico. A posterior ativação da proteínacinase dependente de AMPc resu lta na ativação ou inibição, por fosforilação, de enzimas-chave da regulação do metabolismo de carboidratos e de lipídeos. A hipoglicemia é caracterizada por: 1) sintomas no sistema nervoso central, incluindo confusão, comportamento atípico ou coma; 2) simultaneamente, nível de glicose sangüínea igual ou inferior a 40 mg/dl; e 3) esses sintomas são resolvidos em minutos após a administração de glicose. A hipoglicemia freqüentemente ocorre em pacientes com controle restrito no tratamento com insulina. O consumo e o metabolismo subseqüentes do etanol inibem a gliconeogênese, ocasionando hipoglicemia em indivíduos com depleção nos estoques de glicogênio hepático. O consumo de álcool pode também aumentar o risco de hipoglicemia em pacientes que fazem uso da insulina.


Bioquímica Ilustrada

I

Insulina

l l

I

I

f

ca~sa

I

Um hormônio polipeptídico

Células 13 do pâncreas

• Glicogênio e Proteínas e Llpideos

J

l

O

quel;vaà

Adrenalina

Cél~las a

do pancreas

J

Glicogênese Alteraçã_? da_ . expressao gemca

Ativação da atividade de tirosina-cinase do receptor

Ativação do receptor de glucagon

Adrenalina

I

quel~vaà

Ativação do receptor de insulina

t

Glicogenólise Gliconeogênese Cetogênese Captação de aminoácidos

Glicemia

todas meradas por

a secreção é inibida por

I

todas mefadas por

Alteraçã_? da_ . expressao gen1ca

I

f

a secreção é estimufda por

Cetogênese Lipólise

Glicemia

I

ca~ta

secretaro pelas

Glicogenólise Gliconeogênese

t

I

[ Um hormônio polipeptídico

Síntese de

a secr~ção é estimulada por

o

Glucagon

Captação de glicose

secretaro pelas

a secreção é inibida por

l

o

t

Insulina

I

Ativação da adenilato-ciclase

quelfvaà Ativação de proteína-cinases

queJvaà

que/~vaà

Fosforilação do receptor de insulina e de SR Is

Fosforilação e (com menor freqüência) desfosforilação de proteínas-alvo

que leva à

1

<l (_

,_u

quelrvaà

c

Fosforilação e desfosfori lação de proteínas-alvo

Hipoglicemia I

ocorre com m'}!_or freqüência

t

I

Sintomas do s istema nervoso central: • Confusão • Comportamento atípico • Coma

f Em pacientes que foram tratados com ins ulina

I

induz

t Em pacientes desnutridos ou em jejum que consomem bebidas alcoólicas

e por Gllcemia < 40 mg/dL

e

u

c..

Cascata de respostas de sinalização celular

é caracte)izada por

317

I

Alívio rápido dos s intomas após administração de glicose

Figura 23.16 Mapa de conceitos-chave para a integração do metabolismo energético.

t

Secreção imediata de • Glucagon • Adrenalina e Noradrenalina Secreção de insulina

I_

tratada por

t • Administração oral de glicose em pacientes conscientes • lnjeção subcutânea ou intramuscular de glucagon


318

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

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 23. 1 Em qual dos seguintes tecidos o transporte da glicose para dentro da célula é aumentado pela insulina? A. B. C. D. E.

Encéfalo Cristalino Eritrócitos Tecido ad iposo Fígado

23.2 Qual das seguintes condições é característica de níveis baixos de insulina? A. B. C. O. E.

A síntese de glicogênio está aumentada. A gliconeogênese a partir de lactato está diminuída. A g licogenólise está diminuída. A formação de 3-hidroxibutirato está aumentada. A ação da lipase sens ível a hormônio está diminuída.

23.3 Qual das seguintes afirmações sobre o glucagon está correta?

A. Altos n íveis de glicose sangüínea aumentam a liberação de glucagon pelas células o: do pâncreas. B. Os níveis de glucagon diminuem após a ingestão de uma refeição rica em proteínas. C. O glucagon aumenta os níveis intracelulares de AMP cíclico nas células hepáticas, promovendo um aumento na degradação do g licogênio. O. O glucagon é o único hormôn io importante no combate à hipoglicemia. E. O glucagon reduz a formação de corpos cetônicos pelo fígado. 23.4 Uma mulher de 39 anos de idade é trazida para a sala de emergência queixando-se de tonturas. Ela relata qu e acordou muito cedo para poder fazer todas as compras que precisava e saiu sem tomar o café da manhã. Ela tomou uma x ícara de café no almoço e não comeu nada durante o d ia. Às 8 horas da noite ela encontrou com alguns amigos em um bar e tomou um drinque. Pouco depois ela sentiu-se fraca e tonta e foi levada ao hospital. Após ser examinada, a paciente recebeu suco de laranja e imediatamente sentiu-se melhor. Qual das seguintes afirmações melhor completa esta frase? "A paciente tinha:" A. B. C. O. E.

glicemia maior do que 70 mg/dl; insulina elevada; glucagon elevado; glicogênio hepático elevado; presença de um insulinoma .

Resposta correta = D. Os principais tecidos nos quais o transporte de glicose requer insulina são o músculo e o tecido adiposo. O metabolismo hepático responde a insulina, mas o transporte hepático de glicose é rápido e não requer insulina.

Resposta correta = D. A síntese de 3-hidroxibutirato - um corpo cetônico - está aumentada no fígado na ocorrência de baixos níveis de insulina, o que favorece a ativação da lipase sensível a hormônio e a liberação de ácidos graxas do tecido adiposo. A síntese de glicogênio está diminuída, ao passo que a gliconeogênese está aumentada.

Resposta correta = C. A cascata do AMP cíclico iniciada pelo glucagon leva a degradação do glicogênio pelo fígado, liberando glicose na corrente sangüínea. Altos níveis de glicose sangüínea diminuem a liberação de glucagon pelas células a do pâncreas. Os níveis de glucagon aumentam após a inges· tão de uma refeição rica em proteínas. Juntamente com o glucagon, a adrenalina e o cortisol também são importantes para aumentar a produção de glicose durante a hipoglicemia. O glucagon aumenta a formação de corpos cetônicos pelo fígado.

Resposta correta = C. Os níveis de glucagon da paciente estariam elevados em resposta à hipoglicemia. É mais provável que ela tenha sofrido de uma acelerada hipoglicemia induzida pelo álcool. Espera-se que os níveis de glicose sejam menores ou iguais a 40 mg/dL, que a secreção de insulina esteja diminuída por causa dos níveis reduzidos de glicose, e os níveis de glicogênio hepático estariam baixos devido ao jejum. O insulinoma é improvável.


O Ciclo Alimentado/Jejum

I.

VISÃO GERAL Oisponobilidade de substrato

O estado absortivo ocorre no período de duas a quatro horas após uma refeição normal. Durante esse intervalo acontece um aumento plasmático transitório de glicose, aminoácidos e triacilgliceróis, estes últimos principalmente como componentes dos quilomicra sintetizados nas cé lulas da mucosa intestina l (veja a pág. 226). O tecido endócrino das ilhotas do pâncreas responde aos níveis elevados de glicose e aminoácidos com um aumento na secreção de insulina e uma redução da liberação de glucagon. A elevada razão insulina/glucagon e a disponibilidade de substratos circulantes fazem do período de duas a quatro horas após a ingestão da refeição um período a nabólico, caracterizado por aumento da síntese de triacilgliceróis, glicogênio e proteínas. Durante esse período absortivo, praticamente todos os tecidos utilizam glicose como combustível e a resposta metabólica corporal é dominada por alterações no metabolismo do fígado, do tecido adiposo, dos músculos e do encéfalo. Neste capítulo, um "mapa dos órgãos" é apresentado, traçando o movimento dos metabólitos entre os tecidos. O objetivo é criar uma visão ampliada e clinicamente útil do metabolismo geral do corpo.

11.

As mudanças enzimáticas no estado alimentado

O fluxo de intermediários através das rotas metabólicas é controlado por quatro mecanismos: 1) disponibilidade dos substratos; 2) ativação e inibição alostérica das enzimas; 3) modificação covalente das enzimas; 4) indução e repressão da síntese das enzimas. Esse esquema pode, à primeira vista, parecer desnecessariamente redundante. Entretanto, cada mecanismo opera em uma escala diferente de tempo (Figura 24.1) e permite ao corpo se adaptar a uma ampla variedade de situações fisiológicas. No estado alimentado, esses mecanismos reg ulató rios garantem que os substratos disponíveis sejam capturados, formando glicogênio, triacilgliceróis ou proteínas.

A. Efeitos alostéricos As mudanças alost éricas comumente envolvem reações lim itantes da velocidade em uma rota metabólica. Por exemplo, a glicólise no fígado é estimulada após uma refeição por aumento da frutose-2,6-bisfosfato, que

Figura 24.1 Mecanismos de controle do metabolismo e alguns tempos típicos de resposta. (Nota: O tempo de resposta pode variar com a natureza do estímulo e de tecido para tecido.)


320

Pamela C. Champe, Ríchard A. Harvey, Deníse R. Ferríer

ativa alostericamente a enzima fosfofrutocinase (veja a pág. 98). A gliconeo-gênese é inibida pela frutose-2,6-bisfosfato, que inibe alostericamente a enzima frutose- 1,6-bisfosfatase (veja a pág . 118).

Enzimas que são ativas na forma desfosforilada

B. Regulação das enzimas por modificação covalente Muitas enzimas são reguladas por modificação covalente, mais freqüentemente por adição ou remoção de grupos fosfato em resíduos de serina, treonina e tirosina da enzima. No estado alimentado, a maio ria das enzimas reg ulada por modificação covalente está na forma desfosforilada e ativa (veja a Figura 24.2). Três exceções são a g licogênio-fosforilase (veja a pág. 129), a frutose -bisfosfato-fosfatase-2 (veja a pág. 98) e a lipase sensível a hormônio do tecido adiposo (veja a pág. 187), as quais são inativas no estado desfosforilado.

Enzimas que são i nativas na forma desfosforilada

Glicogênio

Glicogêniosintase

l

Glicogêniotosforilase

I I

UDP-Glicose

'~

I

Glicose-1-P

C. Indução e repressão da síntese de enzimas

tt Glicose-6-P C Glicose tt Fosfotrutoclnase-2 <~-

Frutose-6-P

I " \j I

O aumento (indução) ou decréscimo (rep ressão) da síntese de proteínas leva a uma alteração na população total de sítios ativos, em vez de afetar a eficiência das enzimas preexistentes. As enzimas sujeitas à regulação de síntese são freqüentemente aquelas necessárias em um único estágio do desenvolvimento ou em condições fisiológicas especiais. Por exemplo, no estado alimentado, os elevados níveis de insulina induzem um aumento na síntese de enzimas-chave envolvidas no metabolismo anabólico.

Frutose-2,6-bis-P Frutose·bisfosfato· fosfatase-2

Frutose-1 ,6-bis-P

t Gliceraldeido·3·P

Diídroxiacetona-P

H 1,3-Bisfosfoglicerato

L

~

3-Fosfoglicerato

2-Fosfoglicerato

~

t

It

Piruvatocinase

Piruvato

Piruvato~

t. C02

I

desldro-

f

genase

~

Trlacll· gl a~ro1

~-

, senstvel a

i' hormônio

T

l

j

/

Malon I.CoA Acet/1-CoA-carboxi/ase

~

r:c•

__L_ Oxatacetato

Citrato

~

11

Maiato

lsocitrato

H

rco2

Fumarato

ft.· Cetoglutarato

\\

,)+co2

Succinato

Succinii.CoA

~ Figura 24.2 Reações importantes do metabolismo intermediário, reguladas por fosforilação enzimática. Código: Texto em azul = intermediários do metabolismo de carboidratos; Texto em marrom = intermediários do metabolismo de lipídeos.

III.

/ L1pas.e

Ac I·CoA graxo +- Ac111os graxoa

Fosfoenolpiruvato

~

t ..

Gliceroi-P +-Glicerol

H

FÍGADO: O CENTRO DE DISTRIBUIÇÃO DE NUTRIENTES

O fígado está situado em uma posição especial para processar e distribuir os nutrientes da dieta, pois a drenagem venosa intestinal e pancreática passa através do sistema venoso portahepático antes de entrar na circulação sistêmica. Portanto, depois de uma refeição, o fígado é banhado pelo sangue contendo os nutrientes absorvidos e e levados n íveis de insulina, secretada pelo pâncreas. Durante o período absortivo, o fígado capta carboidratos, lipídeos e a maioria dos aminoácidos. Esses nutrientes são então metabolizados, armazenados ou encaminhados para outros tecidos. Assim sendo, o fígado atenua possíveis flutuações na disponibilidade de nutrientes para os tecidos periféricos.

A. Metabolismo de carboidratos O fígado normalmente é um produtor de glicose, mais do que um consumidor. No entanto, depois de uma refeição contendo carboidratos, o fígado se torna um consumidor de glicose, retendo cerca de 60 de cada 100 g trazidos pelo sistema porta-hepático. Esse aumento da utilização de glicose não é resultado de um transporte estimulado de glicose para os hepatócitos, porque esse processo normalmente é rápido e não é influenciado pela insulina. O metabolismo hepático da glicose é aumentado pelos mecan ismos descritos a seguir. (Nota: Os números nos círculos coloridos no texto referem-se à Figura 24.3.)

1.

Aumento da fosforilação da glicose. Níveis elevados de glicose no hepatócito permitem à glicocinase fosforilar a g licose, produzindo glicose-6-fosfato. Isso contrasta com o estado pós-absortivo, no qual os níveis hepáticos de glicose são mais baixos, e a glicocinase está predominantemente inativa, devido a sua baixa afinidade (alto Km) pela glicose (veja a Figura 24.3, 0).


Bioquímica Ilustrada

2.

Aumento da síntese de glicogênio. A conve rsão de glicose-6-fosfato em glicogênio é favorecida pela inativação da glicogênio-fosforilase e pela ativação da glicogênio-sintase (veja a pág. 129 e a Figura 24.3, @).

3.

Aumento da atividade da rota das hexoses-monofosfato, ou via das pentoses-fosfato. O aumento da disponibilidade de glicose-6fosfato no estado alimentado, combinado com o uso aumentado de NAD PH na lipogênese hepática, estimula a via das pentoses-fosfato (veja o Capítulo 12, pág. 143). Essa rota metabólica é responsáve l por 5 a 10% da glicose metabolizada no fígado (veja a Figura 24.3, @).

4.

Aumento da glicólise. No fígado, a rota glicolítica é significativamente aumentada somente no período absortivo que segue a uma refeição rica em carboidratos. A conversão de glicose em acetii-CoA é estimulada pela razão insulina/glucagon elevada, que ativa enzimas de etapas limitantes da glicólise, como por exemplo a fosfofrutocínase (veja a pág. 98). A acetii-CoA é utilizada como um bloco construtivo para a síntese de ácidos graxos ou para fornecer energia, por sua oxidação no ciclo do ácido cítrico (veja a Figura 24.3, 0 ).

5.

Decréscimo da gliconeogênese. Enquanto a glicól ise é estimulada no estado absortivo, a gliconeogênese é inibida. A píruvato-carboxílase, que catalisa o primeiro passo da gliconeogênese, está predominantemente inativa, devido aos baixos níveis de Acetii-CoA, um efetor alostérico positivo para essa enzima (veja a pág. 11 7). A elevada razão insulina/glucagon observada no período absortivo também favorece a inativação de outras enzimas exclusivas da gliconeogênese, tais como a frutose-1,6-bísfosfatase (veja a Figura 8 .1 7, na pág. 98).

O fígado responde aos altos nívei s de glicose no sangue aumentando a fosforilação da glicose pela g/icocinase, a qual apresenta um alto Km para a glicose.

321

Devido à abundância do transportador de glicose GLUT-2, a captação de glicose pelo hepatócito não é uma etapa limitante.

~::::lll~~~==:õllõll=!:lll:=::::::l:õl Glicose (do intestino)

Via das hexoses· fosfato

· · - - - - - (do Aminoácidos Intestino)

Qullomtcra remane centes

SANGUE

Figura 24.3 Principais caminhos metabólicos no fígado no estado absortivo. (Nota: Os números nos círculos, que aparecem no texto e na figura, indicam as rotas importantes para o metabolismo de carboidratos, lipídeos ou proteínas.) Código: Texto em azul =intermediários do metabolismo de carboidratos; Texto em marrom =intermediários do metabolismo de lipídeos; Texto em verde = intermediários do metabolismo de proteínas.


322

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

8. Metabolismo de lipídeos 1.

Aumento da síntese de ácidos graxos. O fígado é o tecido primário para a síntese de novo de ácidos graxas (veja a Figura 24.3, 0 ). Essa rota ocorre no período absortivo, porque o aparte energético da dieta excede os gastos energéticos do corpo. A síntese de ácidos graxas é favorecida pela disponibilidade de substratos (acetii-CoA e NADPH, derivados do metabolismo da glicose) e pela ativação da acetii-CoAcarboxilase. Essa enzima catalisa a formação de malonii-CoA a partir de acetii-CoA- uma reação que é o passo limitante na rota de síntese de ácidos graxas (veja a pág. 181 ).

2.

Aumento da síntese de triacilgliceróis. A síntese de triacilgliceróis é favorecida porque o acii-CoA graxo está disponível, tanto da síntese de novo a partir de acetii-CoA, quanto da hidrólise dos triacilgliceróis componentes dos quilomicra remanescentes, removidos da circulação pelos hepatócitos (veja a pág. 176). O glicerol-3-fosfato, o esqueleto de carbono para a síntese de triaci lgliceróis, é fornecido pela rota glicolítica (veja a pág. 186). O fígado empacota os triacilgliceróis, produzindo lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDL), que são secretadas no sangue e usadas por tecidos extra-hepáticos, especialmente os tecidos adiposo e muscular (veja a Figura 24.3, <1»).

C. Metabolismo de aminoácidos

Uma enorme gota de llpideo empurra o núcleo e o citoplasma para a periferia da célula.

1.

Aumento na degradação dos aminoácidos. No estado absortivo, a quantidade de aminoácidos que chega ao fígado supera a quantidade que pode ser usada para síntese de proteínas ou outras moléculas nitrogenadas derivadas de aminoácidos. O excesso de aminoácidos não é armazenado, mas sim liberado na corrente circulatória para uso de outros tecidos para síntese protéica ou desaminado, e os esqueletos de carbono resultantes são degradados no fígado a piruvato, acetii-CoA ou intermediários do ciclo de Krebs. Esses metabólitos podem ser oxidados para obtenção de energia ou podem ser utilizados para a síntese de ácidos graxos (veja a Figura 24.3, ti ). O fígado tem uma capacidade limitada para degradar os aminoácidos ramificados leucina, isoleucina e valina; esses aminoácidos passam pelo fígado predominantemente inalterados e são metabolizados preferencialmente no tecido muscular (veja a pág. 264).

2.

Aumento da síntese protéica . O corpo não pode armazenar proteínas da mesma maneira que mantém os estoques de glicogênio ou de triaci lgliceróis. Entretanto, um aumento transitório na síntese de proteínas hepáticas ocorre no estado absortivo, resultando na reposição de proteínas que eventualmente tenham sido consumidas durante o período pós-absortivo anterior (veja a Figura 24.3, 0 ).

IV. TECIDO ADIPOSO: DEPÓSITO DOS ESTOQUES ENERGÉTICOS

Figura 24.4 Eletromicrografia colorizada de um adipócito.

O tecido adiposo é o segundo tecido, apenas depois do fígado, em capacidade para distribuir moléculas combustíveis. Em um homem de 70 kg , o tecido adiposo pesa aproximadamente 14 kg ou cerca de metade da massa muscular total. Em indivíduos obesos, ele pode constituir até 70% do peso corporal. Um adipócito pode ter seu volume quase inteiramente ocupado por uma única gotícula de triacilglicerol (Figura 24.4).


Bioquímica Ilustrada

323

A . Metabolismo de carboidratos 1.

Aumento do transporte de glicose. O transporte de glicose para dentro dos adipócitos é muito sensível à concentração de insulina no sangue. Os níveis circulantes de insulina são elevados no estado absortivo, resu ltando em um influxo de glicose para os adipócitos (Figura 24.5, 0 ).

2.

Aumento da glicólise. O aumento da disponibilidade intracelular de glicose resulta em um aumento na atividade glicolítica (veja a Figura 24.5, 6 ). No tecido adiposo, a glicólise serve à função sintética, fornecendo glicerol-fosfato para a síntese de triacilgliceróis (veja a pág. 186).

3.

Aumento da atividade da via das hexoses-monofosfato ou via das pentoses-fosfato. O tecido adiposo pode também metabolizar a glicose utilizando a via das pentoses-fosfato, desse modo produzindo NADPH, que é essencial para síntese de ácidos graxas (veja a pág. 184 e a Figura 24.5, €)). Nos humanos, no entanto, a síntese de novo não é a uma fonte importante de ácidos graxas para o tecido adiposo.

Glicose

-+

Ciclo das pentoses

Gli cose-6-P

Jl1 Jil'

Pir!ato

Acetii-CoA

~

Ácidos graxos

l\ Triacilglicerol

8. Metabolismo de lipídeos 1.

2.

3.

V.

Aumento da síntese de ácidos graxas. A síntese de novo de ácidos graxas a partir de acetii-CoA é quase indetectável em humanos, exceto quando um indivíduo é realimentado após um período de jejum. Em outras situações, a síntese de ácidos graxos no tecido adiposo não é uma rota importante (veja a Figura 24.5, 0 ). Em vez disso, a maioria dos ácidos graxas adicionados aos estoques de lipídeos nos adipócitos é fornecida pela gordura da dieta (na forma de quilomicra) ou pelo fígado (na forma de VLDL) (veja a pág. 229) . Aumento da síntese de triacilgliceróis. Depois de uma refeição contendo lipídeos, a hidrólise dos triacilgliceróis de quilomicra (do intestino) e VLDL (do fígado) fornece os ácidos graxos ao tecido adiposo (veja a Figura 24.5, 0 ). Esses ácidos graxos exógenos são liberados pela ação da lipase /ipoprotéica, uma enzima extracelular ancorada à parede dos capilares de muitos tecidos, particularmente os tecido s adiposo e muscular. Uma vez que os adipócitos não apresentam glicero/-cinase, o glicerol-3-fosfato usado na síntese de triacilgliceróis vem do metabolismo da glicose (veja a pág. 186). Portanto, no estado alimentado, os elevados níveis de glicose e insulina favorecem o armazenamento de triacilgliceróis (veja a Figura 24.5, 0 ). Decréscimo da degradação de triacilglíceróis. Níveis elevados de insulina favorecem a forma desfosforilada (inativa) da lípase sensível a hormônío (veja a pág . 187). Portanto, no estado alimentado, a degradação de triacilgliceróis está inibida.

O TECIDO MUSCULAR ESQUELÉTICO EM REPOUSO

O metabolismo energético no músculo esquelético é singular por sua capacidade de responder às mudanças substanciais na demanda de ATP que acompanham a contração muscular. Em repouso, o tecido muscular é responsável por aproximadamente 30% do oxigênio consumido pelo corpo, enquanto que, no exercício vigoroso, o consumo pode ser de até 90%. Isso claramente ilustra o fato de que o tecido muscular esquelético, apesar do seu potencial para períodos transitórios de glicólise anaeróbica, é um tecido oxidativo. (Nota: O tecido muscular cardíaco difere do esquelético em três importantes aspectos: 1) o coração é continuamente ativo, enquanto os músculos esqueléticos se contraem intermitentemente, dependendo da demanda; 2) o coração apresenta um

remanes· centes (para o fígado) O depósito de gordura no tecido adiposo é derivado de ácidos graxos da dieta (fornecidos pelos quilomicra) e pela síntese endógena · de ác idos graxos, principalmente no f ígado (provenientes das VLDLs).

Figura 24.5 Principais rotas metabólicas no tecido adiposo no estado absortivo. (Nota: Os números nos círcu los, que aparecem na figura e nos trechos correspondentes do texto, indicam as principais rotas do metabolismo no tecido adiposo.)


324

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

metabolismo completamente aeróbico; 3) o co ração contém depósitos energéticos insignificantes, como por exemplo glicogênio e lipídeos. Portanto, qualquer interrupção do fornecimento sangüíneo, como ocorre, por exemplo, no infarto do miocárdio, resulta em uma rápida mo rte das células muscula res cardíacas. O coração também utiliza glicose, ácidos graxos e co rpos cetônicos como combustíveis.) A . Metabolismo de carboidratos 1.

Aumento do transporte de glicose. O aumento transitório de glicose e insulina no plasma depois de uma refeição rica em carboidratos leva a um aumento do transporte de glicose para dentro dessas células (veja a pág. 95 e a Figura 24.6, 0 ). A glicose é fosforilada pela hexocinase, produzindo glicose-6-fosfato, e metabolizada para fornecer a energia necessária para as células. Isso contrasta com o estado pós-absortivo, no qual os corpos cetônicos e os ácidos graxas são os principais combustíveis para o músculo em repouso.

2.

Aumento da síntese de glicogênio. O aumento da razão da insulina/ glucagon e a disponibilidade de glicose-6-fosfato favorecem a síntese do glicogênio, particularmente se as reservas de glicogênio foram depletadas como resultado do exe rcício (veja a pág . 124 e a Figura 24.6, f}).

B. Metabolismo de lipídeos Os ácidos graxas são liberados dos quilomicra e das VLDLs pela ação da lipase lipoprotéica (veja as págs. 226 e 229). Os ácidos graxas, no entanto, são combustíveis secundários para o músculo no estado alimentado, quando a glicose é a fonte principal de energia. C. Metabolismo de aminoácidos

Aminoácidos

1.

Aumento na síntese protéica. Um incremento na captação de aminoácidos e na síntese protéica ocorre no período absortivo, após uma refeição contendo proteína (veja a Figura 24.6, @ e 0 ). Essa síntese repõe as proteínas degradadas desde a refeição anterior.

2.

Aumento na captação de aminoácidos ramificados. O tecido muscular é o principal local para degradação de aminoácidos ramificados (veja a pág. 264). Os aminoácidos ramificados leucina, isoleucina e

MÚSCULO

As proteínas teciduais degradadas durante o período pós-absortivo são novamente sintetizadas.

Figura 24.6 Principais rotas metabólicas no tecido muscular esquelético no estado absortivo. (Nota: Os números nos círculos, que aparecem na figura e nos trechos correspondentes do texto, indicam importantes rotas do metabolismo de carboidratos e proteínas no tecido muscular.)


Bioquímica Ilustrada

325

valina escapam da metabolização hepática e são captados pelo músculo, onde são usados para a síntese protéica e como substratos energéticos (veja a Figura 24.6, €}).

VI.

ENCÉFALO

O encéfalo, embora contribua com apenas 2% do peso corporal em um adulto, é responsável pelo consumo de 20% do oxigênio, quando o corpo está em repouso. O encéfalo uti liza energia em uma taxa constante. Uma vez que o encéfalo é vital para o funcionamento apropriado de todos os órgãos do corpo, uma atenção especial é dada as suas necessidades energéticas. Para fornece r energia ao encéfalo, os substratos devem ser capazes de atravessar as células endoteliais que revestem os vasos sangüíneos no encéfalo (denominada barreira hemato-encefálica). Comumente, a glicose serve como principal combustível, porque a concentração de corpos cetônicos no estado alimentado é muito baixa para servir como uma fonte energética alternativa. Se a concentração de glicose no sangue caísse para 30 mg/ 100 ml (o valor normal varia entre 70 e 90 mg/1 00 ml), a função cerebral ficaria prejudicada. Se a hipoglicemia ocorrer, mesmo por um curto período, um dano cerebral grave e irreversível pode acontecer. Observe, entretanto, que os corpos cetônicos exercem um papel importante como combustívei s durante o jejum (veja a pág. 193).

A. Metabolismo de carboidratos No estado alimentado, o encéfalo utiliza exclusivamente glicose como combustível, oxidando completamente cerca de 140 g de glicose/dia a dióxido de carbono e água. O encéfalo contém uma quantidade muito pequena de glicogênio e, portanto, depende completamente da disponibilidade de glicose no sangue (Figura 24.7, 0 ).

B. Metabolismo de lipídeos O encéfalo não apresenta um armazenamento significante de triacilgliceróis, e a oxidação de ácidos graxas obtidos do sangue, que não atravessam eficientemente a barreira hemato-encefálica, contribu i muito pouco para a produção de energia. As trocas metabólicas entre os tecidos no estado absortivo estão resumidas na Figura 24.8.

O encéfalo oxida a

Dos combustíveis ci rculantes no sangue, apenas a g licose pode atravessar a barreira hemato·encetálica no estado absortivo.

Figura 24.7 Principais rotas metabólicas no encéfalo no estado absortivo. (Nota: Os números nos círculos, que aparecem na figura e nos trechos correspondentes do texto, indicam importantes rotas do metabolismo dos carboidratos.)


326

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

OS LIPÍDEOS DA DIETA PODEM SER CONVERTIDOS EM LIPÍDEOS CORPORAIS

CARBOIDRATOS E PROTEÍNAS DA DIETA PODEM SER CONVERTIDOS EM LIPÍDEOS CORPORAIS. Quando a ingestão calórica excede o gasto energético, os carboidratos e as proteínas da dieta podem ser convertidos em triacilgliceróis no ligado, os quais por fim se depositam no tecido adiposo.

Quando a ingestão calórica excede o gasto energético, os lipídeos da d ieta podem ser convertidos em triacilgliceróis no tecido adiposo.

INTESTINO

+

Glicose ~ Gllcose-6-P

-!,.

Viadas/ . hexosesP1ruvato fosfato / Acetii-CoA

. t

\~'"''"'"'

Acidos graxos Quilomicra

./"-----

t

t====m::=-1-

Quilomicra remanescentes

LDL

Glucagon

VLDL (do fígado)

Insulina

A insulina é um sinal anabólico, que estimula a síntese de glicogênio, proteínas e triacilgliceróis.

Aminoácidos

Acetii-CoA

t

Piruvato

t

Glicose-6-P -0 <11~1---- Glicose

,_..__~

_ _ _......

ENCÉFALO

Glitse

Figura 24.8 Relações metabólicas entre os tecidos no estado absortivo. (Nota: Os pequenos círculos no perímetro dos tecidos indicam a dependência de insulina dos transportadores de glicose.)


Bioquímica Ilustrada

327

VIl. VISÃO GERAL DO JEJUM O estado de jejum pode resultar de uma incapacidade de obter comida, de um desejo de perder peso rapidamente ou de algumas situações cl ínicas nas quais o indivíduo não pode comer devido a trauma, cirurgia, tumores, queimaduras e assim por diante. Na ausência de alimento, os níveis plasmáticos de glicose, aminoácidos e triacilgliceróis caem, provocando uma redução na secreção de insulina e um aumento na liberação de glucagon. A mudança na razão insu lina/glucagon e o decréscimo de substratos circu lantes fazem do período de privação de nutrientes um período catabólico, caracterizado por degradação dos estoques de glicogênio e triacilgliceróis e de proteínas. Isso coloca em movimento uma intensa troca de substratos entre o fígado, o tecido adiposo, os músculos e o encéfalo, orientada por duas prioridades: 1) a necessidade de manter adequados os níveis plasmáticos de glicose, para suprir as necessidades energéticas do encéfalo e de o utros tecidos dependentes de glicose, e 2) a necessidade de mobilizar ácidos graxas do tecido adiposo, bem como sintetizar e liberar corpos cetônicos do fígado, para suprir energeticamente todos os outros tecidos. A . Est o q ues e nergét icos Os combustíveis metabólicos disponíveis em um homem normal de 70 kg , no início do jejum, são mostrados na Figura 24.9. Observe a grande quantidade de estoques energéticos disponíveis na forma de triacilgliceróis, comparada com a quantidade de glicogênio existente. (Nota: Embora a proteína seja listada como uma fonte energética, cada proteína também tem uma função, por exemplo, como componente estrutural, enzima e assim por diante. Portanto, apenas um terço da proteína corporal poderia ser usada para produção energética, sem comprometer seriamente as funções vitais.)

B. Mudanças enzimática s no jejum No jejum (bem como no estado alimentado), o fluxo de intermediários através das rotas do metabolismo energético é controlado po r q uatro mecanismos: 1) disponibilidade de substratos; 2) ativação e inibição alostérica de enzimas; 3) modificação covalente de enzimas; e 4) indução e repressão da síntese de enzimas. As mudanças metabólicas observadas no jejum são geralmente opostas àquelas descritas no estado alimentado (veja a Figura 24.8). Por exemplo, a maioria das enzimas reguladas por mod ificação covalente está na forma fosforilada e inativa, enquanto que, no estado alimentado, elas estão desfosforiladas e ativas. Três exceções são a glicogênio-fosforilase (veja a pág. 129), a frutose-bisfosfato-fosfatase-2 (veja a pág. 98) e a /ipase sensível a hormônio do tecido adiposo (veja a pág. 187), as quais são inativas em suas formas desfosforiladas. No jejum, os substratos vêm da degradação nos tecidos; por exemplo, da degradação de triacilgliceróis e liberação de ácidos graxas pelo tecido adiposo. O reconhecimento de que as trocas no jejum são recíprocas àquelas descritas no estado alimentado é útil para entender o fluxo e refluxo do metabolismo.

VIII.

O FÍGADO NO ESTADO DE JEJUM

Gordura: 15 kg= 135.000 kcal

III

Proteína: 6 kg 24.000 kcal

=

Glicogêni o: 0,2 kg = 800 kcal

O papel primário do fígado no metabolismo energético durante o jejum é a síntese e distribuição de moléculas combustíveis para outros tecidos. Por isso se fala em "metabolismo hepático" e "extra-hepático" ou "periférico". Figura 24.9 Combustíveis metabólicos em um homem de 70 kg no início de um jejum.


328

Pamela C. Champe, Richard A. Harvey, Denise R. Ferrier A . Metabolismo de carboidratos O fígado usa inicialmente a degradação do glicogênio e então a gliconeogênese para manter os níveis de glicose e sustentar o metabolismo energético do encéfalo e de outros tecidos dependentes de glicose. 1.

Aumento da degradação de glicogênio. A Figura 24.1O mostra as fontes de glicose no sangue depois de uma ingestão de 100 g desse substrato. Durante o breve período absortivo, a glicose ingerida é a maior fonte de glicose para o sangue. Várias horas depois da ingestão, a glicemia cai o suficiente para causar um aumento da secreção de glucagon e decréscimo da liberação de insulina. O decréscimo da razão insulina/glucagon causa uma rápida mobilização dos estoques de glicogênio hepático (que contém cerca de 100 g de glicogênio no estado alimentado). Observe que o fígado é quase exaurido em seu conteúdo de glicogênio depois de 1O a 18 horas de jejum. Portanto, a glicogenólise hepática é uma resposta transitória no in ício do jejum. A Figura 24.11 , O, mostra a degradação do glicogênio como parte de uma resposta metabólica geral do fígado durante o jejum.

2.

Aumento da gliconeogênese. A síntese de glicose e sua subseqüente liberação para a circulação são funções hepáticas essenciais durante o jejum (veja a Figura 24.11 , 6 ). Os esqueletos de carbono para a gliconeogênese são derivados principalmente de aminoácidos, glicerol e lactato. A gliconeogênese começa em quatro a seis horas depois da última refeição e sua ve locidade máxima é atingida quando os estoques de glicogênio são depletados (veja a Figura 24.1 0). A gliconeogênese exerce um papel fundamental na manutenção da glicemia durante o jejum noturno ou o jejum mais prolongado.

B. Metabolismo de lipídeos

40

Glicose Ingerida

/ Glicogênlo

/ o~~~~~~~ s-r~~~

o

8

16

24

2

20 40

~Horas---+ ~Dias~

Figura 24.1 O Fontes da glicose sangüínea depois de uma ingestão de 100 g de glicose.

1.

Aumento da oxidação de ácidos graxas. A oxidação de ácidos graxos derivados do tecido adiposo é a maior fonte energética para o fígado no estado pós-absortivo (veja a Figura 24.11 , ~).

2.

Aumento da síntese de corpos cetônicos . O fígado é singular por sua capacidade de sintetizar e liberar corpos cetônicos (predominantemente 3-hidroxibutirato ou ~ - hidroxibutirato) para utilização nos tecidos periféricos (veja a pág. 193). (Nota: O fígado não pode usar corpos cetônicos como combustível [veja a pág . 194].) A síntese de corpos cetônicos é favo recida quando a quantidade de acetii-CoA, produzida pelo metabolismo dos ácidos graxos, excede a capacidade oxidativa do ciclo do ácido cítrico. Uma produção significativa de corpos cetônicos inicia durante os primeiros dias do jejum (Figura 24.12). (Nota: Diferentemente dos ácidos graxos, os corpos cetônicos são hidrossolúveis. Podem ser detectados no sangue e na urina no segundo dia de jejum.) A disponibilidade de corpos cetô nicos circulantes é importante no jejum, porque eles podem ser utilizados como combustível por muitos tecidos, incluindo o encéfalo, desde que sua concentração no sangue seja suficientemente alta. Isso reduz a necessidade de gliconeogênese a partir do esqueleto carbonado de aminoácidos, tornando, assim, mais lenta a perda de proteínas essenciais. A síntese de corpos cetônicos, como parte de uma resposta geral do fígado ao jejum, é mostrada na Figura 24.1 1, O .


329

Bioqu ímica Ilustrada

SANGUE FÍGADO

Glicose

Ácidos graxos

Ácidos graxos Aminoácidos, glicerol, lactato

Figura 24.11 Principais rotas metabólicas no fígado durante o jejum. Os números nos círculos, que aparecem na figura e nos textos correspondentes, indicam rotas importantes para o metabolismo de carboidratos ou lipídeos.

IX.

O TECIDO ADIPOSO NO JEJUM

A. Metabolismo de carboidratos O transporte de glicose para os adipócitos e seu subseqüente metabolismo estão reduzidos, em decorrência dos baixos níveis circulantes de insulina. Isso leva a um decréscimo na síntese de ácidos graxos e de triacilgliceróis. B. Metabolismo de lipídeos

1.

2.

Aumento da degradação de triacilgliceróis. A ativação da lipase sensível a hormônio (veja a pág.187) e a subseqüente hidrólise dos estoques de triacilglicerol são aumentadas pelos elevados níveis das catecolaminas adrenalina e, particularmente, noradrenali na. Esses compostos, que são liberados pelos terminais nervosos simpáticos no tecido adiposo, são fisiologicamente importantes na ativação da lipase sensível a hormônio (Figura 24.13, 0 ). Aumento da liberação de ácidos graxos. Os ácidos graxos obtidos da hidrólise de triacilgliceróis estocados são liberados no sangue (veja a Figura 24.13, ~) . Ligados à albumina, eles são transportados para uma variedade de tecidos, para utilização como combustível. O g licerol produzido durante a degradação dos triacilgliceróis é usado como um precursor para a gliconeogênese no fígado. (Nota: Os ácidos graxos são também convertidos em acetii-CoA, que pode entrar no ciclo do ácido cítrico e, portanto, produzir energia para o adipócito.)

6

3-Hidroxibutirato

~ ~ Q)

5, 4

.. c: fi)

o

c:

~

Ácidos graxos

~

ê2

0 ~---,----,----.r---.--

0

3.

Decréscimo na captação de ácidos graxos. No jejum, a atividade da lipase lipoprotéica no tecido adiposo é baixa. Conseqüentemente, triacilgliceróis de lipoproteínas circulantes não estão disponíveis para a síntese de triacilgliceróis no tecido adiposo.

10

20

30

40

Dias de jejum

Figura 24.12 Concentração de ácidos graxos e 3-hidroxibutirato no sangue durante o jejum.


330

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

X.

O TECIDO MUSCULAR ESQUELÉTICO EM REPOUSO, NO JEJUM

O músculo esquelético em repouso usa ácidos graxos como principal fonte energética. Em contraste, no exercício, o músculo usa inicialmente o glicogênio estocado como fonte de energia. Durante o exercício intenso, a glicose-6-fosfato derivada do glicogênio é convertida em lactato, pela glicólise anaeróbia (veja a pág. 101 ). À medida que essa reserva de energia se esgota, os ácidos graxos livres, fornecidos pela mobilização de triacilgliceróis do tecido adiposo, tornamse a principal fonte de energia.

Acetii-CoA

Ácidos graxos

Glicerol

A. Metabolismo de carboidratos

Ácidos graxos

O transporte de glicose para dentro das célu las do músculo esquel ético, realizado por proteínas transportadoras dependentes de insulina (veja a pág. 95) na membrana plasmática, e o seu subseqüente metabolismo estão reduzidos, devido à baixa concentração de insulina circulante.

Glicerol

SANGUE

Figuras 24.13 As principais rotas metabólicas no tecido adiposo durante o jejum. Os números nos círculos, que aparecem na figura e no texto correspondente, indicam rotas importantes para o metabolismo de lipídeos.

B. Metabolismo de lipídeos Durante as duas primeiras semanas de jejum, os músculos usam ácidos graxas do tecido adiposo e corpos cetônicos do fígado como combustíveis (Figura 24.14, O e 6 ). Com cerca de três semanas de jejum, os músculos reduzem seu consumo de corpos cetônicos e oxidam q uase que exclusivamente os ácidos graxos. Isso leva a um aumento adicional do já elevado nível de corpos cetônicos circulantes. (Nota: O aumento da utilização de corpos cetônicos pelo encéfalo, como conseqüência do aumento desses compostos no sangue, está relacionado, portanto, ao decréscimo do consumo pelos músculos.)

C. Metabolismo de proteínas Durante os primeiros dias de jejum, há uma rápida quebra de p roteína muscular, fornecendo aminoácidos que são usados pelo fígado para a gliconeogênese (veja a Figura 24.14, ~ ). (Nota: Alanina e glutamina são quantitativamente os mais importantes aminoácidos gliconeogênicos liberados pelo músculo.) Depois de várias semanas de jejum, a velocidade da proteólise muscular decresce, porque há um declínio na necessidade de glicose pelo encéfalo, que começa a utilizar corpos cetônicos como fonte de energia.

SANGUE Precursores gliconeogênicos

.i

Ácidos graxos

Corpos cetõnicos

XI.

Figura 24.14 Principais rotas metabólicas no tecido muscular esquelético durante o jejum. Os números nos círcu los, que aparecem na figura e nos textos correspondentes, indicam rotas importantes para o metabolismo de lipídeos ou proteínas.

O ENCÉFALO NO JEJUM

Durante os primeiros dias de jejum, o SNC continua a usar exclusivamente glicose como fonte energética (Figura 24.15, 0 ). (Nota: A glicemia é mantida pela gliconeogênese hepática, a partir de precursores como os aminoácidos fornecidos pela rápida proteólise muscular.) No jejum prolongado (mais de duas ou três semanas), os níveis plasmáticos de corpos cetônicos (veja a Figura 24. 12) atingem níveis significativamente elevados e são usados, juntamente com a glicose, como combustíveis pelo encéfalo (veja a Figura 24.15, 6 ). Isso reduz a necessidade de catabolismo protéico para a gliconeogênese. As mudanças metabólicas que ocorrem no jejum asseguram que todos os tecidos tenham um adequado suprimento de moléculas combustíveis. A resposta dos principais tecidos envolvidos no metabolismo energético durante o jejum está resumida na Figura 24.16.


Bioquímica Ilustrada

XII.

RESUMO DO CAPÍTULO

O fluxo de intermediários através das rotas metabólicas é controlado por quatro mecanismos: 1) disponibilidade de substratos; 2) ativação e inibição alostérica; 3) modificação covalente de enzimas; e 4) indução e repressão da síntese de enzimas. No estado alimentado, esses mecanismos reg ulatórios asse guram que os nutrientes disponíveis sejam captados como glicogênio, triacilglicerol e proteína. O estado absortivo ocorre entre duas e quatro horas depois da ingestão de uma refeição. Durante esse intervalo, há um aumento transitório de glicose, aminoácidos e triacilgliceróis no plasma, estes últimos como componentes dos quilomicra sintetizados pela célu las da mucosa intestinal. O pâncreas responde aos níveis elevados de glicose e aminoácidos com um aumento na secreção de insulina e uma queda na liberação de g lucagon pelas ilhotas de Langerhans. A elevada razão insulina/glucagon e a fácil disponibilidade dos substratos circu lantes fazem dessas duas a quatro horas após a ingestão de uma refeição um período anabólico. Durante esse estado absortivo, praticamente todos os tecidos utilizam glicose como combustível. Além disso, o fígado repõe seu estoque de g licogênío, repõe as proteínas hepáticas necessárias e aumenta a síntese de triacilgliceróis. Estes últimos são empacotados em lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDLs), que são exportadas para os tecidos periféricos. O tecido adiposo sintetiza e armazena triacilgliceróis, enquanto o músculo aumenta a síntese de proteínas, para repor a proteína degradada desde a última refeição. No estado alimentado, o encéfalo utiliza exclusivamente glicose como combustível. Sem a ingestão de alimento, os níveis plasmáticos de glicose, aminoácidos e triacilgliceróis caem, desencadeando um declínio na secreção de insulina e um aumento na liberação de glucagon e de catecolaminas. O decréscimo na razão insulina/glucagon e o decréscimo na disponibilidade de substratos ci rculantes fazem desse período de privação de nutrientes um período catabólico. Isso coloca em movimento uma intensa troca de substratos entre o fígado, o tecido adiposo, os músculos e o encéfalo, que é orientada por duas prioridades: 1) a necessidade de manter os níveis plasmáticos de glicose adequados para sustentar o metabolismo energético do encéfalo e de outros tecidos dependentes de glicose; e 2) a necessidade de mobilizar ácidos graxos do tecido adiposo e corpos cetônicos do fígado para suprir de energia todos os outros tecidos. Para atingir essas metas, o fígado degrada glicogênio e inicia a gliconeogênese, usando a oxidação aumentada de ácidos graxas como fonte de energia e para suprir com acetii-CoA a síntese de corpos cetônicos. O tecido adiposo degrada os estoques de triacilgliceróis, fornecendo ácidos graxas e glicerol para o fígado. Os músculos podem usar os ácidos graxas como combustível, bem como os corpos cetônicos fornecidos pelo fígado. A proteína muscular é degradada para suprir de aminoácidos a gliconeogênese hepática. O encéfalo pode usar ambos, glicose e corpos cetônicos, como combustíveis.

Corpos cetonicos

331

SANGUE

'~-"çe~·CoA ?iruvato

~ ~

Glicose-6-P

..; . Glicose

Glicose

Figura 24.15 As principais rotas metabólicas no encéfalo durante o jejum. Os números nos círcu los, que aparecem na figura e no texto correspondente, indicam rotas importantes para o metabolismo de lipídeos ou carboidratos.


332

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

PRIORIDADE 1: ALIMENTAR OS TECIDOS DEPENDENTES DE GLICOSE

PRIORIDADE 2: ALIMENTAR OS TECIDOS INDEPENDENTES DA GLICOSE

A glicemla é mantida inicialmente por degradação do glicogênio hepático, seguindo-se a gliconeogênese.

A mobilização de triacilgliceróis do tecido adiposo fornece ácidos graxos para o consumo energético e precursores para a produção de corpos cetônicos.

Gliclênio

SANGUE

Glicose-6-P

Glicose

t

)

Piruvato

~liriacl gli

r ~~i!: ~ ~·~&a&mau~ ..aaeaamiI_._...I_._.._~..~--•ÁOO~<-ax_os ~

Acetii-CoA ~Corpos cetônicos ~ Corpos

~

'

"""""'

Áo-

o••••• _____

Precursores gliconeogênicos

I

SANGUE Glicerol

"'""·' ~

..

\~ ~ ~···

Adrenalina

Glucagon

Glucagon e adrenal ina são sinais catabólicos que promovem a degradação de glicogênio , proteínas e triacilgliceróis.

SANGUE

Aminoácidos

~t

Amino.-- -..., ácidos

Figura 24.16 As relações entre os tecidos durante o jejum.


333

Bioquímica Ilustrada

Estado alimentado

Tecido envolvido

Jejum leva à

Glicose, aminoácidos e ácidos g raxas no intestino

Ausência de nutrientes no intestino

leva a

t Glicose e aminoácidos no s istema venoso portal

Glicose e aminoácidos no sangue

Intestino e sistema porta

leva à

t

Liberação de insulina pelas células ~ do pâncreas

Liberação de insulina pelas células ~ do pâncreas Pâncreas

Liberação de glucagon pelas células "' do pâncreas leva a

~o

Síntese de triacilgliceróis Captação de g licose

1-

Liberação de glucagon pelas células O< do pâncreas leva a .

o

Ir

Liberação de ácidos graxas produzidos pela hidrólise de triacilgliceróis

1-

Tecido adiposo

r-+

Síntese de glicogênio Síntese de ácidos graxas Síntese de triacilgliceróis Síntese de VLDL

....--

-

D

I-,~

-

Liberação de glicose produzida pela glicogenólise e pela gliconeogênese Liberação de corpos cetônicos

-

Utilização de ácidos g raxos e corpos cetônicos Liberação de aminoácidos

r-

Fígado

--+1

Captação de glicose Síntese de glicogênio Síntese protéica

~

Músculo

~[

Glicose completamente oxidada a C0 2 e água

}--

[ Glicose e corpos cetônicos completamente oxidados a co2 e água

]-+--

ENCÉFALO fornece

Captura de energia na forma de glicogênio e triacil gliceróis e reposição da proteína degradada durante o período pós-absortivo prévio

J

Figura 24.17 Mapa de conceitos-chave para o ciclo alimentado/jejum.

fornece

L('

- :G~Iic-_o_s_e_p_a_r_a_o_e_n_c_é_fa_l_o_e_p_a-ra_o_u-tro_ _s_, tecidos dependentes de glicose


334

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

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 24.1 Qual dos seguintes compostos está elevado no plasma durante o período absortivo (comparado com o estado pós-absortivo)? A. B. C. D.

Glucagon Acetoacetato Quilomicra Ácidos graxas livres E. Lactato

24.2 Qual das seguintes afirmações referentes ao estado alimentado está correta? A. A maioria das enzimas que são reguladas por modificação covalente está no estado fosforilado. B. A frutose-2,6-bisfosfato hepática está elevada. C. O acetoacetato está elevado. D. A insulina estimula o transporte de glicose para dentro dos hepatócitos. E. A síntese de glicocinase está reprimida. 24.3 O aumento da formação de corpos cetônicos durante o jejum é devido: A. B. C. D.

ao decréscimo dos níveis circulantes de glucagon; ao decréscimo da formação de acetii-CoA no fígado; ao aumento dos níveis séricos de ácidos graxas livres; à inibição da 13-oxidação de ácidos graxas no fígado; E. a um decréscimo da atividade da lipase sensível a hormônio no tecido adiposo.

24.4 Qual das fontes citadas abaixo é a mais importante para a manutenção da glicemia durante as últimas horas de um jejum de 48 horas? A. B. C. D. E.

Glicogênio muscular Acetoacetato Glicogênio hepático Aminoácidos Lactato

Resposta correta = C. Os quilomicra são sintetizados no intestino após a ingestão de alimento. O glucagon está reduzido no período absortivo. Acetoacetato, ácidos graxas livres e lactato não estão elevados.

Resposta correta = B. O aumento da insulina e o decréscimo dos níveis de glucagon, que caracterizam o estado alimentado, promovem a síntese de frutose-2,6-bisfosfato. A maioria das enzimas covalentemente modificadas está no estado desfosforilado e é ativa. O acetoacetato não está elevado no estado alimentado. O transporte de glicose no fígado não é sensível à insulina. A s íntese de glicocinase está aumentada no estado alimentado.

Resposta correta = C. Os ácidos graxas ligados à albumina estão aumentados, em resultado do aumento da atividade da lipase sensível a hormônio no tecido adiposo. A cetogênese hepática é estimulada pelos níveis elevados de glucagon. A formação de acetii-CoA, devido à ~-oxidação, está aumentada.

=

Resposta correta D. Os esqueletos carbonados dos aminoácidos glicogênicos são usados para a gliconeogênese hepática. O glicogênio hepático é depletado nas primeiras 12 horas após uma refeição e o glicogênio muscular não libera glicose para o sangue, porque o músculo não tem glicose-6-fostatase. O acetoacetato é metabolizado a acetii-CoA, que não é glicogênica. O lactato pode originar-se da glicólise anaeróbia no tecido muscular e nos eritrócitos, mas ele é menos importante que os aminoácidos como fonte de glicose.


Diabetes Melito

I. VISÃO GERAL DO DIABETES MELITO O diabetes não é uma doença única e sim um grupo heterogêneo de síndromes caracterizadas por uma elevação da glicemia no jejum, a qual é causada por uma deficiência relativa ou absoluta de insulina. O diabetes melito é a principal causa de cegueira e amputação no adulto e uma importante causa de falha renal, ataques cardíacos e acidentes vasculares cerebrais. Os casos de diabetes melito podem, em sua maioria, ser divididos em dois grupos (Figura 25. 1), t ipo 1 (inicialmente denominado d iabetes melito insulina-dependente) e tipo 2 (inicialmente denominado diabetes melito insulina-independente). Calculase que aproximadamente 30.000 novos casos de diabetes melito do tipo 1 e 625.000 novos casos do tipo 2 sejam diagnosticados anualmente nos Estados Unidos. A incidência e prevalência do tipo 2 está aumentando em função do envelhecimento da população dos Estados Unidos e de um aumento na prevalência da obesidade e do estilo de vida sedentário. Esse aumento em crianças com diabetes do tipo 2 é especialmente perturbador.

11.

DIABETES DO TIPO 1

Pessoas com diabetes do tipo 1 constituem aproximadamente 1O% dos dez milhões de diabéticos nos Estados Unidos. A doença é caracterizada por uma deficiência a bs o luta de insulina causada por um ataque auto-imune às células ~ do pâncreas. No diabetes tipo 1, as ilhotas de Langerhans tornam se infiltradas com linfócitos T ativados, levando a uma condição denominada de insulite. Em um período de anos, esse ataque auto-imune leva à depleção gradual da população de células p (Figura 25.2). Contudo, os sintomas aparecem abruptamente quando 80 a 90% das células p foram destruídas. Nesse ponto, o pâncreas falha em responder adequadamente à ingestão de glicose, e a terapia com insulina é necessária para restaurar o controle metabólico e prevenir a cetoacidose grave. Essa destruição requer um estímulo a mbiental (como uma infecção virai) e um determinante genético, o qual permite às células p serem reconhecidas como "estranhas". (Nota: Entre gêmeos monozigóticos [idênticos]. se um deles desenvolve diabetes melito tipo 1, o outro gêmeo têm somente 30 a 50% de chance de desenvolver a doença. No diabetes tipo 2 [veja a pág. 340]. ao contrário, a influência genética é mais forte, e, praticamente em todos os


336

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

Diabetes tipo 1

Diabetes tipo 2

IDADE DE INÍCIO

Geralmente durante a infância ou a puberdade; sintomas desenvolvem-se rapidamente

Freq üentemente após os 35 anos; sintomas desenvolvem-se gradualmente

ESTADO NUTRICIONAL NO MOMENTO DO INÍCIO DA DOENÇA

Freqüentemente desnutrição

Obesidade geralmente presente

PREVALÊNCIA

900.000 = 10% dos diabéticos diagnosticados

10 milhões = 90% dos diabéticos d iagnosticados

PREDISPOSIÇÃO GENÉTICA

Moderada

Muito forte

DEFEITO OU DEFICIÊNCIA

Células 13 são destruídas, eliminando a produção de insulina

Resistência à insulina, combinada com incapacidade das células 13 de produzirem quantidades adequadas de insulina

FREQÜÊNCIA DE CETOSE

Comum

Rara

INSULINA PLASMÁTICA

Baixa a ausente

Alta no início da doença; baixa na doença de longa duração

COMPLICAÇÕES AGUDAS

Cetoacidose

Coma hipero smolar

Não é responsivo

Respons ivo

Insulina é sempre necessária

Dieta, exercíci o, drogas hipoglicemiantes orais, +I· insulina

TRATAMENTO COM DROGAS HIPOGLICEMIANTES ORAIS -

TRATAMENTO

..

Figura 25.1 Comparação entre diabetes tipo 1 e tipo 2.

casos envolvendo gêmeos monozigóticos, a doença se desenvolve em ambos os indivíduos.)

A. Diagnóstico do diabetes tipo 1 O início do diabetes tipo 1 ocorre tipicamente durante a infância ou a puberdade, e os sintomas se desenvolvem rapidamente. Pacientes com diabetes tipo 1 podem geralmente ser reconhecidos pelo aparecimento abrupto de poliúria (micção freqüente), polidipsia (sede excessiva) e polifagia (fome excessiva), freqüentemente desencadeados por estresse ou por uma doença. Esses sintomas são geralmente acompanhados por fadiga, perda de peso e fraqueza. O diagnóstico é confirmado por uma glicemia no jejum maior do que 126 mg/dl , comumente acompanhada por cetoacidose. 1.

Teste de tolerância à glicose. No passado, o teste de tolerância à glicose era um teste comumente empregado para o diagnóstico de diabetes melito. O paciente recebe 75 g de glicose via oral após oito horas de jejum. As concentrações de glicose sangüínea são determinadas em intervalos de 30 minutos durante 3 horas. A glicemia no jejum é inicialmente alta (maior do que 126 mg/dl) em diabéticos e sobe para concentrações maiores que 200 mg/dl após a administração oral de glicose. A taxa da filtração glomerular de glicose excede a da reabsorção tubul ar no rim, e a glicose aparece na urina. Em contraste, indivíduos normais mostram níveis de glicose sangüínea no jejum menores que 11 O mg/dl e um aumento para taxas abaixo de 140 mg/dl após a ingestão de glicose.


Bioquímica Ilustrada

2.

Resultados falso-positivos. O teste de to lerância à glicose origina muitos resultados falso-positivos, pois o teste por si só pode ser estressante, causando liberação de adrenalina. Esse hormônio diminui a liberação de insulina das células ~ (veja a pág. 308) e, assim , prejudica a resposta à ingestão de glicose. Assim sendo, o teste de tolerância à glicose é geralmente usado em situações nas quais o diagnóstico é incerto ou como um teste para diabetes gestacional. Para a população em geral, o teste de glicose sangüínea no jejum (GSJ) é o teste diagnóstico mais comumente utilizado.

o

EVENTO INICIADOR Ex posição a um víru s ou a uma toxina pode disparar o processo de destruição das células (3 em indivíduos com predisposição genética.

3 . Alterações metabólicas no diabetes tipo 1 As anormalidades metabólicas do diabetes melito resultam de uma deficiência de insulina e um relativo excesso de glucagon. Esses níveis hormonais aberrantes afetam de forma mais marcante o metabolismo de três tecidos: fígado, músculo e tecido adiposo (Figura 25.3). 1.

2.

3.

Hiperglicemia e cetoacidose. Níveis elevados de glicose e cetonas no sangue são as características do diabetes melito não-tratado. A hiperglicemia é causada por um aumento na produção de glicose hepática, juntamente com uma diminuição na sua utilizaçãq periférica, devida à incapacidade das células musculares e das adiposas de captarem glicose (veja a Figura 25.3). A cetose resulta de uma mobilização aumentada de ácidos graxos do tecido adiposo, combinada com uma síntese hepática acelerada de 3-hidroxibutirato e acetoacetato. A cetoacidose diabética ocorre em 25 a 40% dos casos com diagnóstico recente de diabetes tipo 1 e pode ocorrer novamente se o paciente adoece (mais comumente com uma infecção) ou não se submete à te rapia. A cetoacidose é tratada pela reposição de fluidos e eletrólitos, seguindo-se a administração de doses baixas de insulina, para corrigir gradualmente a hiperglicemia sem causar hipoglicemia. Hipertriacilglicerolemia. Nem todos os ácidos graxos que chegam ao fígado podem ser oxidados ou utilizados na síntese de corpos cetônicos. O excesso de ácidos graxos é convertido em triacilgliceróis, que são empacotados e secretados em lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDLs, de very-low-density lipoproteins). Quilomicra são sintetizados a partir dos lipídeos da dieta, pelas células da mucosa intestinal, após a refeição (veja a pág. 175). Como a degradação das lipoproteínas no tecido adiposo, catalisada pela lipase lipoprotéica (localizada na parede dos vasos), é baixa nos diabéticos (a síntese da enzima está diminuída quando os níveis de insulina estão baixos), os níveis plasmáticos de quilomicra e VLDL estão elevados, resultando em hipertriacilglicerolemia (veja a Figura 25.3). Comparação entre o diabetes tipo 1 e o jejum. Muitas das alterações metabólicas no diabetes assemelham-se àquelas descritas para o jejum, exceto que elas são mais exageradas. Portanto, identificar as diferenças metabólicas entre diabetes e jejum é essencial para o entendimento da doença. Elas incluem: a.

Níveis de insulina. A insulina está praticamente ausente no sangue do diabético tipo 1, e não meramente baixa, como no caso do jejum. Assim, os efeitos metabólicos do glucagon, no diabetes, praticamente não têm oposição, mas, no jejum, são fracamente limitados pelos níveis basais de insulina presentes.

b.

Níveis de glicose sangüínea. Pessoas com diabetes exibem uma hiperglicemia característica, enquanto indivíduos privados de ali-

.

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a.

337

~

(.)

Limiar clínico

Anos de destruição auto-imune das células

J3

1:11 DOENÇA CLiNICA l:il Quando a capacidade secretora de insulina cai abaixo de um limiar, os s intomas do diabetes tipo 1 aparecem subitamente.

Figura 25.2 Capacidade secretora de insulina durante o início do diabetes tipo 1. (Nota: A taxa de destruição autoimune das células ~ pode ser mais rápida ou mais lenta do que o mostrado.)


338

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

Hiperglicemia resul ta da gliconeogênese , hepática aumentada e da dim inuição na captação de glicose pel os teci dos periféricos.

SANGUE

1

GlicTnio

FÍGADO

Glici·6·P

~·"'"';

Glicose

~ Glicose

Acetii·CoA

)

;,

~ Corpos cetônicos .......Riia.. Ct~r~OS '....,..... ......,...ce ontcos

Acetii·CoA

Trlacilglicerol

VCDC

~ Ácidos g~

-l

,_l:ll!!!!!!i:~~P==::::I Ácidos graxos SANGUE

J

Precursores gliconeogênicos

VLDL (acumula)

Glicerol

Cetose resulta da mobilização maciça de ácidos graxos do tecido adiposo, seguida por cetogênese hepática.

Quilomicra (acumula)

Aminoácidos do músculo e outros tecidos periféricos

...

Glicerol

1t

~ go•oo ~~~~~

Ácidos graxos

Glucagon

Figura 25.3 Relações interteciduais no diabetes tipo 1 .

'

...[

me nto mantêm um nível de glicose sangüínea próximo do normal. A ausência de glicose da dieta, no jejum, e a moderada restrição sobre a gli.coneogênese imposta pelo nível basal de insulina, impe· dem o desenvolvimento de hiperglicemia.

t

c.

Cetose. A mobilização de ácidos graxos do tecido adiposo e a cetogênese hepática são maiores no diabetes do que no jejum. Como resultado, a cetoacidose observada no diabetes é muito mais grave do que aquela observada no jejum.

d.

Hipert riacilglicerolemia. No diabetes, a concentração significativa· mente elevada de ácidos graxos, que estão sendo liberados dos adi· pócitos em resposta aos níveis baixos de insulina (veja a pág. 187), promove a síntese hepática de triacilgliceróis. Lipídeos da dieta tam· bém contribuem para a hipertriacilglicerolemia no diabetes, enquanto no jejum os lipídeos da dieta não estão em questão, e os triacilglice· róis armazenados são degradados somente quando necessários ao organismo. Portanto, não ocorre a hipertriacilglicerolemia.

C. Tratamento do d iabetes tipo 1 Pacientes com diabetes tipo1 praticamente não possuem qualquer célula P funcional e não podem responder às alterações de nutrientes circulan· tes e nem manter uma secreção basal de insulina. Esse tipo de diabético


Bioquímica Ilustrada

depende de insulina exógena, injetada subcutaneamente, para controlar a hiperglicemia e a cetoacidose. Dois procedimentos te rapêuticos estão aluaimente em uso - o tratamento-padrão e o tratamento intensivo com insulina. 1.

2.

Tratamento-padrão versus tratamento intensivo. O tratamentopadrão, o qual tem como alvo o bem-estar clínico do paciente, consiste tipicamente em uma ou duas injeções diárias de insulina. Os níveis médios de glicose sangüínea assim obtidos estão na faixa de 225 a 275 mg/dl, com uma HbA 10 (veja a pág. 34) de 8 a 9% do total de hemoglobina (seta azul, Figura 25.4). (Nota: A taxa de formação de HbA10 é proporcional à média da concentração de glicose sangüínea dos últimos meses. Assim, a HbA 10 fornece uma medida do grau de eficiência do tratamento na normalização da glicose sangüínea nos diabéticos ao longo do tempo.) Em contraste à terapia-padrão, o tratamento intensivo visa normalizar a glicose sangüínea por meio de um monitoramento mais freqüente , e subseqüentes injeções de insulina - tipicamente três ou mais vezes ao dia. Níveis médios de glicose sangüínea de 150 mg/dl podem ser alcançados, com HbA 10 de aproximadamente 7% do total da hemoglobina (seta vermelha, veja a Figura 25.4). (Nota: A média normal de glicose sangüínea é de 11 O mg/dl e a de HbA 10 é de 6% ou menos (seta preta, veja a Figura 25.4].) Assim, a normalização dos níveis de glicose não é alcançada mesmo em pacientes tratados intensivamente. Contudo, pacientes sob terapia intensiva apresentaram uma redução de 60% nas complicações de longo prazo do diabetes - retinopatia, nefropatia e neuropatia - quando comparados com pacientes recebe ndo o tratamento-padrão. Isso confirma que as complicações do diabetes estão relacionadas à elevação da glicose plasmática. Hipoglicemia no diabetes tipo 1. Um dos objetivos terapêuticos no diabetes é a diminuição dos níveis de glicose sangüínea no sentido de minimizar o desenvolvimento das comp licações de longo prazo da doença (veja a pág. 343 para uma discussão das complicações crônicas do diabetes). Entretanto, é difícil alcançar a dosagem adequada em todos os pacientes, e a hipoglicemia causada pelo excesso de insulina é a complicação ma is comum desta terapia, ocorrendo em mais de 90% dos pacientes. A freqüência de episódios hipoglicêmicos, coma e convulsões é especialmente elevada nos procedimentos de tratamento intensivo, destinados a atingir um controle rígido da glicose sangüínea (Figura 25.5). Lembre que, em indivíduos normais, a hipoglicemia desencadeia uma secreção compensatória de hormônios contra-reguladores, especialmente glucagon e adrenalina, os quais promovem a produção hepática de glicose. Entretanto, pacientes com diabetes tipo 1 desenvolvem também uma deficiência na secreção do glucagon. Esse problema ocorre precocemente na doença e está quase universalmente presente 4 anos após o diagnóstico. Assim , esses pacientes dependem da secreção de adrenalina para prevenir uma hipoglicemia grave. No entanto, com o progresso da doença, pacientes com diabetes tipo 1 apresentam neuropatia diabética, que afeta o sistema neurovegetativo, com diminuição na secreção de adrenalina em resposta à hipoglicemia. A deficiência combinada da secreção de glucagon e de adrenalina cria uma condição algumas vezes denominada de "hipoglicemia despercebida". Desse modo, pacientes com diabetes de longa duração são especialmente vulneráveis à hipoglicemia. A hipoglicemia pode ser causada também por exercício intenso. O exercício promove a captação de glicose pelo músculo e diminui a necessidade de insulina exógena. Os pacientes devem, portanto, averiguar os níveis de glicose sangüínea antes ou após exercício intenso para prevenir ou e liminar a ocorrência de uma hipoglice mia.

339

Médias das concentrações de glicose sanguínea tipicamente observadas em diabéticos dependentes de insulina tratados com: Média normal da [glicose] em indivíduos não-diabéticos

<>

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Média da Média da [glicose] [glicose] em paciem pacientes trata- entes tratados com dos com terapia terapiaintensiva padrão de ~?ulina . ~e insulina

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o

50 1 00 150 200 250 300 350

Média da [glicose] sangüínea, mg/dl

Figura 25.4 Correlação entre a média da glicose sangüínea e HbA 1 c em pacientes com diabetes tipo 1 .

TERAPIA INTENSIVA

o

"'O.cn ..,

e

A terapia intensiva resulta em um aumento de três vezes na freqüência de hipoglicemia.

e

Muitos médicos acreditam que o risco aumentado de hipoglicemia que acompanha a terapia intensiva é justificado pela diminuição s ubstancial na incidência de complicações de longo prazo , tais como retinopatia e nefropatia diabéticas.

100

·ªE :

Terapia intensiva

o •., o.

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Terapia convencional

o c .e-·~ .c "'

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Figura 25.5 Efeito do controle rígido da glicose sobre episódios hipoglicêmicos em uma população de pacientes em terapia intensiva ou em terapia convencional.


340

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

III.

O Resistência à insulina · em tecidos periféricos

FÍGADO

odução e glicose umentada

0

Glicose . Captação de \. \. glicose diminuída

\."j -~ -~~ ;;;.-

DIABETES TIPO 2

O diabetes tipo 2 é a forma mais comum da doença, atingi ndo aproximadamente 90% da população diabética dos Estados Unidos. Caracteristicamente, o diabetes tipo 2 se desenvolve sem sintomas óbvios. A doença é freqüentemente detectada por exames de triagem de rotina. Entretanto, muitos indivíduos com diabetes tipo 2 apresentam sintomas de poliúria e polidipsia de várias semanas de duração. A polifagia pode estar presente, mas é menos comu m. Os pacientes com diabetes tipo 2 apresentam uma combinação de resistência à insulina e disfunção d as células 13 (Figura 25.6), mas não necessitam insulina para manter a vida, embora esta possa ser requerida para controlar a hiperglicemia em alguns pacientes. As alterações metabólicas observadas no diabetes tipo 2 são mais brandas do que as descritas para a forma dependente de insulina da doença, em parte porque a secreção da insulina no diabetes tipo 2 - embora inadequada - impede a cetogênese excessiva e opõe-se ao desenvolvimento da cetoacidose diabética. O diagnóstico baseia-se mais comumente na presença de hiperglicemia- isto é, uma concentração de glicose sangüínea maior que 126 mg/dl. A ocorrência da doença do tipo 2 é quase completamente determinada por fatores genéticos (veja a Figura 25.1 ). Por exemplo, quando a doença ocorre em gêmeos monozigóticos, ela se desenvolve em ambos os indivíduos em praticamente todos os casos. A doença não envolve viroses ou anticorpos auto-imunes.

MÚSCULO

A. Resistência à insulina TECIDO ADIPOSO

~ Secreçãoinadequada

de insulina pelas células

~

~

A resistência à insulina deve-se à capacidade diminuída dos tecidos-alvo, tais como fígado, adiposo e músculo, de responderem adequadamente às concentrações circulantes normais de insulina. Por exemplo, a resistência à insulina é caracterizada por uma produção descontrolada de glicose hepática e por uma captação diminuída de glicose pelo músculo e pelo tecido adiposo. 1.

Resistência à insul ina e obesi dade. A obesidade é a causa mais comum da resistência à insulina. A maioria das pessoas obesas e resistentes à insulina não se torna diabética. Na ausência de um defeito na função das células p, indivíduos obesos não-diabéticos podem compensar a resistência à insulina com níveis elevados desse hormônio. Por exemplo, a F.igura 25.7A mostra que a secreção de insulina é duas a três vezes maior em indivíduos obesos do que em indivíduos magros. Essa maior concentração de insulina compensa o efeito diminuído do hormônio (como um resultado da resistência à insulina) e leva a níveis d e glicose sangü ínea similares àqueles observados em indivíduos magros (Figura 25.78 ).

2.

Resistência à insulina e diabetes tipo 2. A resistência à insulina, per se, não levará ao diabetes tipo 2. O diabetes tipo 2 se desenvolve em indivíduos resistentes à insulina que também apresentam diminuição na função das células p. A resistência à insulina e o subseqüente desenvolvi mento do diabetes tipo 2 são comumente observados em idosos e em indivíduos obesos, fisicamente inativos, ou em gestantes. Esses pacientes são incapazes de compensar adequadamente a resistência à insulina com uma liberação de insulina aumentada. A Figura 25.8 mostra o curso temporal para o desenvolvimento da hiperglicemia e a destruição das células p.

3.

Causas da resistência à insulina. A resistência à insulina aumenta com o ganho de peso e diminui com a perda de peso. Isso sugere que o acúmulo de lipídeos é importante no desenvolvimento da resistência à insulina. O tecido adiposo não é simplesmente um órgão de armaze-

:::::::::::.> '"'"''"'

PÂNCREAS

Figura 25.6 Principais fatores que contribuem para a hiperglicemia observada no diabetes tipo 2.


Bioquímica Ilustrada

m

D Nível de insulina no sangue

Nível de glicose no sangue

Aumento da insulina sangüínea acima dos níveis basais após cada refeição.

Níveis mai s elevados de insulina são necessários para controlar a glicose sangü ínea nos indivíduos · obesos resistentes •· à insulina.

341

/// Obeso Normal

A glicose sangüinea é mantida dentro da mesma faixa estreita durante o dia em am bos os indivíduos, ,.. · com peso normal e obesos.

-

Obeso Normal

8.w_~--~--~--~--~~~·

8

12 4 meio-dia

8

12

meia-noite

8

4

12 4 meio-dia

8

12 4 meia-noite

Figura 25.7 Níveis sangüíneos de insulina e de glicose em indivídu os com peso normal e em obesos.

Glicose no jejum no diabetes tipo 2 não-tratado

~

5

10

25

15

Anos de diabetes

fJ

Etli Ocorre, subseqüentemente, dis1:11 função das células 13, marcada por

Pacientes diagnosticados com diabetes tipo 2 inicialmente most ram resistência à insulina com hiperinsulinemia compensatória.

declínio da secreção de insulina e uma piora na hiperglicemia.

Normal

Níveis de insulina no diabetes tipo 2 não-tratado

5

10

15

Anos de diabetes

Figura 25.8 Progressão dos níveis sangüíneos de glicose e de insulina em pacientes com diabetes tipo 2.

20

25


342

Pamela C. Champe, Richa rd A. Harvey, Denise R. Ferrier

~~sist~n cia ........... Hipe_rinsuli-

........... ;ol~rânc ia

a

...,....

msu~ llna

o

...,.... nem1a

:i~:~~~:a

.......... Declínio ........... ...,.... da função...,.... Diabetes tipo 2 das células J3

o

Genética Obesidade Estilo de vida sedentário Envelhecimento

Genética Toxicidade da glicose Toxicidade dos ácidos g raxos livres

C0!\1PLICAÇÕES MICROVASCULARES (retinopatia, nefropatia) COMP.L!Ic.(ÇõES MACROVASCULARES (doença cardiovascular)

Figura 25_9 Típica progressão do diabetes tipo 2.

namento de energia, mas também um órgão secretório. As substâncias reg uladoras produzidas pelos adipócitos incluem a leptina (veja a pág. 350), a resistina (veja a pág. 351) e a adiponectina (veja a pág. 351 ), as quais podem contribuir para o desenvolvi mento da res istência à insulina. Além disso, os níveis elevados de ácidos graxas, que ocorrem na obesidade, têm sido também implicados no desenvolvimento da resistência à insulina.

s_ Disfunção da s células (3 No diabetes tipo 2, a capacidade das células p do pâncreas é mantida, resultando em níveis de insulina que variam desde acima do normal até abaixo do normal. Entreta nto, em todos os casos, há uma disfunção da célula p, pois ela falha em secretar insulina suficiente para corrigir a hiperglicemia preponderante. Por exemplo, os níveis de insulina são elevados em típicos pacientes com diabetes tipo 2 obesos, mas não são tão altos como em indivíduos semelhantemente obesos que não são diabéticos. Assim, a progressão natural da doença resulta no declínio da capacidade de controlar a hiperglicemia com secreção endógena de insulina (Figura 25.9). A deterioração da função das células p pode ser acelerada pelos efeitos tóxicos da hiperglicemia persistente e pelo aumento dos ácidos graxas livres.

c_

Alterações metabólicas no diabetes tipo 2 As anormalidades metabólicas do diabetes melito tipo 2 são o resultado da resistência à insulina, que se expressa principalmente no fígado, no músculo e no tecido adiposo (Figura 25.10).

1.

Hiperglicemia_ A hipergl icemia é cau sada por um aumento na produção de glicose hepática, combinado com uma diminuição na sua utilização periférica. Em geral, a cetose é mínima ou ausente em pacientes com diabetes tipo 2, pois a presença de insulina - mesmo na presença de resistência à insulina- diminui a cetogênese hepática.

2_

Hipertriacilglicerolemia_ No fígado, os ácidos graxas são conve rtidos em triacilgliceróis, os quais são empacotados e secretados nas VLDLs. Os quilomicra são sintetizados a partir dos lipídeos da dieta pelas células da mucosa intestinal após a refeição (veja a pág. 175). Como a degradação das lipoproteínas no tecido adiposo, catalisada pela lipase lip oprotéica (localizada na parede dos vasos; veja a pág. 226), é baixa nos diabéticos. os níveis plasmáticos de quilomicra e de VLDL estão elevados, resultando em hipertriacilglicerolemia (veja a Figura 25.10).


Bioquímica Ilustrada

(

SANGUE

INTESTINO

ADIPÓCITO

-------~

FÍGADO

Glicose

Glicose

Corpos

cetóníçOS

g axos

Precursores gliconeogênicos

Amino- -t ácidos

+"""'_,...,.,__ _,>=,__,..,.___...,..;;.___ Ácloos gruos

(acumula)

Efeitos da insulina diminuídos nos tecidos-alvo, como resultado da resistência à insulina.

Quilomicra

Aminoácidos do músculo e de outros tecidos periféricos

Figura 25.10 Relações interteciduais no diabetes tipo 2.

D. Tratamento do diabetes tipo 2 O objetivo do tratamento do diabete tipo 2 é manter as concentrações sangüíneas de glicose dentro de limites normais e prevenir o desenvolvimento das complicações de longo prazo. Redução de peso, exercício e modificações na dieta freqüentemente corrigem a hiperglicemia do diabetes tipo 2. Agentes hipoglicemiantes 1 ou terapia com insulina podem ser necessários para atingir níveis satisfatórios de glicose sangüínea.

IV.

EFEITOS CRÔNICOS E PREVENÇÃO DO DIABETES

Como observado anteriormente, as terapias disponíveis restringem a hiperglicemia do diabetes, mas falham em normalizar comp letamente o metabolismo. A elevação crônica da glicemia causa as complicações crônicas do diabetes - aterosclerose prematura, retinopatia, nefropatia e neuropatia. O tratamento intensivo com insulina (veja a pág. 339) retarda o início e diminui a progressão das complicações a longo prazo. Por exemplo, a incidência de retinopatia diminui com o

,

SANGUE Glicerol

~

VLDL

I

Veja o Capítulo 24 de Farmacologia Ilustrada (3' edição) e o Capitulo 26 (2" edição) para uma discussão acerca do uso de agentes hipoglicemiantes no tratamento do diabetes.

(acumwa)

343


344

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

melhor controle da glicemia e a diminuição dos níveis de HbA,c (Figura 25.11 ). Os benefícios do controle rígido da glicemia superam os riscos aumentados de hipoglicemia grave. Não está bem determinado como a hiperglicemia causa as compl icações crônicas do diabetes. Em células onde a entrada de glicose não é dependente de insulina, níveis elevados de glicose sangüínea levam a um aumento da glicose intracelular e de seus metabólitos. Por exemplo, o aumento intracelular de sorbitol contribui para a formação de catarata (veja a pág. 138). Além disso, a hiperglicemia promove a condensação da glicose com proteínas celulares, em uma reação análoga à formação de HbA,c (veja a pág. 34). Essas proteínas glicadas medeiam algumas das alterações microvasculares precoces do diabetes. Até o momento, não existe tratamento preventivo para o diabetes tipo 1. O risco para o diabetes tipo 2 pode ser significativamente diminu ído por um regime combinado de terapia nutricional, perda de peso e exercício. Por exemplo, a Figura 25. 12 mostra a incidência da doença em indivíduos normais e com sobrepeso, com diferentes graus de exercício. Outros fatores de risco para a doença incluem hipertensão e níveis elevados de lipídeos sangüíneos.

Os benefíc ios da melhora no controle glicêmico ocorreram ao longo de toda a faixa de valores de HbA 10 ; assim, qualquer melhora no controle glicêmico é benéfica.

24

~ .!!!

'Q. iU o c:

~ ~

12

V. 9 Extensão do seguimento, em anos

Figura 25.11 Relação entre controle glicêmico e retinopatia diabética.

D

o o

Pouco exercício (< 500 kcal/semana)

Exercício moderado (500-1.999 kcaVsemana)

Exercício intenso (> 2.000 kcal/semana)

Estilo de v ida sedentário e obes idade promovem o desenvolvimento do diabetes tipo 2.

Figura 25.12 Efeito do peso corporal e do exercício sobre o desenvolvimento do diabetes tipo2.

RESUMO DO CAPÍTULO

O diabetes melito é um grupo heterogêneo de síndromes, caracterizado pela elevação da glicose sangüínea no jejum , que é causada por uma relativa ou absoluta deficiência de insulina. O diabetes é a principal causa de amputação e cegueira em adultos e uma importante causa de falha renal , ataque cardíaco e acidente vascular cerebral. A doença pode ser classificada em dois grupos: tipo 1 e tipo 2. O diabetes tipo 1 é apresentado por aproximadamente 1O% dos diabéticos nos Estados Unidos. Essa doença é caracterizada por uma deficiência absoluta de insulina, causada por um ataque auto-imune às células ~ do pâncreas. Essa destruição requer um estímulo ambiental (tal como infecção virai) e um determinante genético, que permite às células p serem reconhecidas como "estranhas". As anormalidades metabólicas do diabetes melito tipo 1 incluem hipergl icemia, cetoacidose e hipertriacilglicerolemia. Elas resultam de uma deficiência de insulina e um excesso relativo de glucagon. Os diabéticos tipo 1 dependem de insulina exógena, injetada subcutaneamente, para controlar a hiperglicemia e a cetoacidose. O diabetes tipo 2 possui um forte componente genético. Resu lta da combinação de resistência à insulina e disfunção das células j3. A resistência à insulina é a capacidade diminuída dos tecidos-alvo, tais como fígado, músculo e tecido adiposo, em responder adequadamente às concentrações circulantes normais de insulina. A obesidade é a causa mais comum da resistência à insu lina. No entanto, a maioria das pessoas obesas e resistentes à insulina não se tornam diabéticas. Na ausência de um defeito na função das células p, indivíduos nãodiabéticos e obesos podem compensar a resistência à insulina com níveis de insulina elevados. A resistência à insu lina per se não leva ao diabetes tipo 2. O diabetes tipo 2 se desenvolve em indivíduos resistentes à insulina, os quais também apresentam função diminuída das células p. As alterações metabólicas observadas no diabetes tipo 2 são mais brandas do que aquelas descritas para a forma insulina-dependente da doença, em parte porque a secreção de insulina no diabetes tipo 2 - embora inadequada - restringe a cetogênese e impede o desenvolvimento da cetoacidose diabética. Os tratamentos disponíveis para o diabetes tornam a hiperglicemia mais moderada, mas falharr em normalizar completam ente o metabolismo. A elevação crôn ica da glicose sangüínea causa as complicações c rônicas do diabetes - aterosclerose prematura, retinopatia, nefropatia e neuropatia.


Bioquímica Ilustrada

345

associado com

ObesJdade

a

leva

leva

+

a

Destruição auto-imune das células f3 em indivíduos com uma predisposição genética I

leva

a

secretora de insulina leva a

t compartilham padrões comuns

apresenta freqüentemente

pode apresentar

Poliúria

Deficiência absoluta ou relativa de insulina

Polidips ia Polifagia

caraclerizada por

A cetose pode ser moderada ou ausente no diabetes tipo 2

leva a

t Ácidos graxas livres no plasma leva à leva à

leva à

l l Hiperglicemia

População dos Estados Unidos (290 milhões)

Figura 25.13 Mapa de conceitos-chave para o diabetes.

caracterizadas por

por exemplo

t

Acidentes vascu lares cerebrais, Doença cardiovascular

por exemplo

t

Retinopatia Nefropatia Neuropati a

leva à

't Cetoacidose

Obesidade e resistência à insulina (80 milhões)

Diabetes tipo 2 (10 milhões diagnosticados, mais 10 milhões não-diagnosticados)

Diabetes tipo 1 (900.000)


346

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

Questões para Estudo Escolha a ÚNICA resposta correta. 25. 1 A ausência relativa ou absoluta de insulina em humanos resultaria em qual das seguintes reações no fígado? A. B. C. D. E.

Síntese aumentada d e gl icogênio. Gliconeogênese a partir do lactato d iminuída. Glicogenólise diminuída. Formação de 3-h idroxibutirato aumentada. Ação da lipase sensível a hormônio diminuída.

25.2 Q ua l das segu intes situ ações é mais freq üentem ente encontrada nos pacientes com diabetes tipo 1 e tipo 2 não-tratados? A. Hiperglicemia. B. Níveis extremamente baixos na síntese e na secreção de insulina. C. S íntese de uma insulina com uma seqüência anormal de aminoácidos. D. Um padrão simples de hera nça genética. E. Cetoacidose. 25.3 Um indiv íduo obeso com diabetes tipo 2 : A. gera lmente mostra um teste de tolerância à glicose normal; B. geralmente apresenta um nível plasmático de insulina menor que um ind ivíduo normal; C. geralmente apresenta significativa melhora na tolerância à glicose se o peso corporal é reduzido ao normal; D. geralmente se beneficia ao receber insulina cerca de 6 horas após uma refeição; E. geralmente apresenta níveis plasmáticos de glucagon mais baixos que um indivíduo norma l. 25 .4 Um indivíd uo com resistência à insu lina: A. geralmente apresenta níveis de glicose elevados no jejum; B. geralmente apresenta níveis de insulina elevados no jejum; C. acabará por se tornar diabético; D. rarame nte é obeso; E. é tratado com injeção de insulina.

Resposta correta = O. Os baixos níveis de insulina favorecem a produção hepática de corpos cetônicos, usando acetii-CoA obtida do excesso de ácidos graxas provenientes do tecido adiposo. A insulina baixa também causa ativação da lipase sensível a hormônio, diminuição na síntese de glicogênio e aumento na gliconeogênese.

Resposta correta = A. A glicose sangüínea elevada ocorre no diabetes tipo 1 como um resultado da falta de insulina. No diabetes tipo 2, a hiperglicemia é devida a um defeito na função das células ~ e à resistência à insulina. Ambas as formas da doença apresentam genética complexa. A cetoacidose é mais comum na doença tipo 1.

Resposta correta = C. Oitenta por cento dos diabéticos tipo 2 são obesos e quase todos apresentam melhora na glicose sangüínea com a redução de peso. Esses pacientes mostram um teste de tolerância à glicose anormal, possuem níveis de insulina elevados e geralmente não requerem insulina (certamente não seis horas após uma refeição). Tipicamente, os níveis de glucagon são normais.

Resposta correta =B. A resistência à insulina é a capacidade diminuída dos tecidos-alvo, tais como fígado, músculo e tecido adiposo, de responderem adequadamente às concentrações circulantes normais de insulina. A obesidade é a causa mais comum da resistência à insulina. A maioria das pessoas obesas e resistentes à insulina não se torna diabética. Na ausência de um defeito na função das células ~ . indivíduos não-diabéticos e obesos podem compensar a resistência à insulina com níveis de insulina elevados. Os níveis elevados de insulina normalizam os níveis de glicose sangüínea no jejum. Resistência à insulina sem diabetes evidente não requer tratamento.


Obesidade

I. VISÃO GERAL A obesidade é um distúrbio dos sistemas reguladores do peso corporal e caracteriza-se por um acúmulo de excesso de gordura corporal. Nas sociedades primitivas, nas quais a vida diária necessitava de um alto grau de atividade física e o alimento era disponível de forma intermitente, uma tendência genética favorecendo o armazenamento do excesso de calorias como gordura tinha valor de sobrevivência. Entretanto, a atual abundância de alimento tem encorajado os indivíduos a comer maior quantidade (Figura 26.1 ). Isso, em combinação com a redução nos níveis de atividade física, observada nas sociedades industrializadas, resultou em uma tendência para a deposição continuada de gordura. Esses fatores causaram, por exemplo, uma epidemia de obesidade nos Estados Unidos (Figura 26.2) . A prevalência da obesidade aumenta com a idade e é mais comum em pessoas de mais baixa renda e em indivíduos com nível de instrução equivalente ao ensino médio ou inferior. Especialmente alarmante é a explosão de obesidade em crianças, que triplicou nas últimas duas décadas. A obesidade não está limitada aos Estados Unidos e tem crescido globalmente. De fato, por algumas estimativas, há no mundo mais indivíduos obesos do que subnutridos.

11.

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3 .000

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Hom~ ~

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~ 1.000 Q>

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.5

o ~--------------~---

1971- 19761974 1980

1988· 19991994 2000 .i

Figura 26.1 Consumo calórico total em adultos.

DETERM INAÇÃO DE OBESIDADE

A quantidade de gordura corporal é difícil de ser medida diretamente e é, em geral, determinada por meio de uma medida indireta - o índice de massa corporal {IMC), o qual tem sido demonstrado estar correlacionado com a quantidade de gordura corporal na maior parte dos indivíduos. (Exceções notáveis são os atletas, que possuem grande quantidade de massa muscular magra.)

A. Índice de massa corporal O IMC fornece uma medida do peso re lativo, ajustado à altura. Isso permite comparações tanto dentro de populações quanto entre populações. O IMC é calculado, tanto em homens quanto em mulheres, conforme segue: IMC

(peso em kg)/(altura em metros) 2 2

= (peso em libras)/(altura em polegadas) x 703

Figura 26.2 Prevalência de obesidade em adultos, entre 20 e 74 anos de idade, nos Estados Unidos.


348

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

Maiores quantidades de gordura viscera l

Pequenas quantidades de gordura visceral

Um valor de IMC normal situa-se entre 19,5 e 25,0. Indivíduos com IMC ent re 25 e 29,9 são considerados com sobrepeso e aqueles com IMC igual ou superior a 30 são definidos como obesos. Quase dois terços dos norte-americanos adultos apresentam sobrepeso e mais de 30% são obesos (Figura 26.2). B . Diferenç as anatôm icas n a depos iç ão da gordura

Formato de maçã obesidade abdomi nal

=

Formato de pê ra = obesidade na região do quadri l

Figura 26.3 Ind ivíduos com maior quantidade de gordura abdominal (esquerda) apresentam maior risco à saúde que indivíduos com gordura em formato de "pêra" (direita).

A distribuição anatômica da gordura corporal possui uma grande influência nos riscos associados à saúde. Excesso de gordura localizado na área central do corpo é denominado andróide, em "forma de maçã" ou gord ura na região da c int ura (Figu ra 26.3) , e está associado com um maior risco para hipertensão, resistência à insulina, diabetes, dislipidemia e doença cardíaca coronariana (veja a pág. 352). É definido como uma razão cintura:quadril de mais de 0,8 para mulheres e mais de 1 ,O para homens. Em contraste, a gordura distribuída em partes mais inferiores, ao redor do quadril ou da região glútea, é denom inada ginecóide, em "f orma de pêra" ou gordura na reg ião do q uadri l. É definida co mo uma razão cintura:quadril menor que 0,8 para mulheres e menor que 1,O para homens. O formato de pêra é relativamente benigno para a saúde e é comumente encontrado em mulheres. Alternativamente, alguns especialistas acreditam que a circunferência da cintura é um dado mais útil para um prognóstico de fator de risco. Valores maiores que 101 cm em homens ou 90 cm em mulheres representam risco aumentado para doença arterial coronariana. C. Diferenças b ioquím icas nos depósit os region ais de gordu ra

Pequenos ganhos ou perdas d e peso, em uma pessoa não-obesa, afetam prin cipalmente o tamanho, mas não o número, de adipócito s.

.'!';=.~m Ganho de peso

Ir--------------' Quando os adipócitos alcançam seu t amanho máximo, ganhos de peso posteriores são conseguidos por recrut amento e p roliferação de novos p ré-adi pó·

f t

?.éadipócito

~

c itas. 1._,,........,~~~~:::--''. Ganho de p eso

+

A redução no peso é dificultad a após t er ocorrido proliferação celular, pois os adi· pócitos precisariam tornar-se menores que seu tamanho n ormal .

Fig ura 26.4 Alterações hipertróficas e hiperplásticas, as q uais acredita-se ocorrerem na obesidade grave.

Os tipos regionais de gordura descritos anteriormente são bioquimicamente diferentes. Células adiposas abdominais são muito maiores e apresentam uma taxa de renovação de gordura mais alta que células adiposas da região do quadril. Os adipócitos abdominais também respondem mais a hormônios do que células adiposas das pernas e nádegas. Uma vez que os homens tendem a acumular gordura abdominal, a qual é facilmente mobilizáve l, eles em geral perdem peso mais faci lmente do que as mulheres, que acumulam mais gordura na região do quadril. Além disso, substâncias liberadas a pa rtir da gordura abdominal são absorvidas pela veia porta e, assim, têm acesso direto ao fígado. O aumento na captação de ácidos graxos pelo fígado pode levar à resistência à insulina (veja a pág. 340) e a um aumento na síntese de triacilgliceróis, que são liberados como VLDL (veja a pág. 351 ). Em contraste, ácidos graxas livres originários da gordura encontrada na região dos glúteos entram na circulação geral e não apresentam ações preferenciais sobre o metabolismo hepático. O. Número de células adiposas Quando os tri acilgliceróis são depositados nos adipócitos, as cé lulas mostram , inicialmente, um aumento modesto de tamanho (Figura 26.4). A capacidade de uma célula adiposa de expandir-se é, porém, limitada e. quando seu tamanho máximo é atingido, ela se divide. Assim sendo, acre· d ita-se que a obesidade envolva, muitas vezes, aumento tanto no número quanto no tamanho dos adipócitos. Células gordurosas, uma vez presentes. não são perdidas. Dessa forma, quando um indivíduo obeso perde peso, o tamanho dos adipócitos é reduzido, mas seu número não é alterado. Urr indivíduo obeso, com número aumentado de adipócitos, terá de reduzir o tamanho dessas célu las gordurosas a fim de normalizar seus estoques de gordura. Esses indivíduos estarão em um estado duplamente anorma tendo muitas e muito pequenas célu las gordurosas. Isso explica, em parte


Bioquímica Ilustrada

por que pacientes previamente obesos apresentam especial dificu ldade na manutenção do peso, uma vez reduzido. A observação que as células adiposas nunca são perdidas enfatiza a importância de, em primeiro lugar, prevenir a obesidade.

III.

REGULAÇÃO DO PESO CORPORAL

O peso corporal da maioria dos indivíduos tende a variar em uma faixa de 1O% ao redor de um valor determinado. Essa observação levou à teoria de que cada indivíduo tem um "ponto fixo", biologicamente predeterminado, para seu peso corporal. O corpo te nta adicionar tecido adiposo quando seu peso cai abaixo desse ponto fixo e tenta perder peso quando o peso corporal estiver acima desse ponto fixo. Por exemplo, com a perda de peso, o apetite aumenta e o gasto de energia diminui, enquanto uma maior ingestão de alimento leva à diminuição no apetite e ao aumento no gasto energético (Figura 26.5). Um modelo de ponto fixo estrito, no entanto, não explica por que alguns indivíduos falham em voltar a seu peso inicial após um período de maior ingestão ou a razão da atual epidemia de obesidade. O peso corporal, em vez de estar irreversivelmente determinado, parece flutuar ao redor de um "ponto estabelecido", o qual reflete um balanço entre fatores que influenciam a ingestão de alimento e o gasto energético. Nesse contexto, o peso corporal é estável, desde que os fatores comportamentais e ambientais que influenciam o balanço energético sejam constantes.

A. Contribuições genéticas à obesidade Apesar da crença amplamente difundida de que a obesidade seja resultado de um comportamento ali mentar de glutão descontrolado, é hoje evidente que mecanismos genéticos, e não apenas uma falta de força de vontade, desempenham um papel importante na determinação do peso corporal. Por exemplo, a obesidade é freqüentemente observada agrupada em famílias. Se os pais são obesos, há uma chance de 70 a 80% por cento de que os filhos sejam obesos. Em contraste, apenas 9% das crianças são gordas quando os pais são magros. A herança da obesidade não é genética Mendeliana simples, como seria esperado se a doença fosse o resultado de um defeito em um único gene. Em vez disso, a obesidade comporta-se como uma doença complexa poligênica, envolvendo interações entre múltiplos genes e o ambiente. A importância da genética como determinante da obesidade é também indicada pela observação de que crianças adotadas freq üentemente apresentam peso corporal que se correlaciona com seus pais biológicos e não com os pais adotivos. Além disso, gêmeos idênticos possuem IMCs muito semelhantes (Figura 26.6) , sejam criados juntos ou separados, e seus IMCs são mais semelhantes entre si do que aqueles de gêmeos dizigóticos, não-idênticos.

Período de indução de aumento na ingestão

349

Período sem restrições ao consumo de alimento

~ o o u o 11)

e-

& O peso corporal retorna ao ponto inicial, tanto após indução experimental de aumento na ingestão quanto de diminuição na ingestão.

~ o

Período de indução de d iminuição na ingestão

Período sem restrições ao consumo de alimento

c.

8o

i

Peso inicial

Figura 26.5 Alterações de peso após episódios de indução de aumento ou diminuição na ingestão, seguindo-se períodos de livre acesso ao alimento.

B. Contribuições ambientais e comportamentais A epidemia de obesidade que está ocorrendo ao longo das últimas décadas não pode ser explicada por alterações em fatores genéticos, que são estáveis em uma escala de tempo tão curta. É evidente que fatores ambientais, como a fácil disponibilidade de ali mentos palatáveis e ricos em energia, desempenham um papel no aumento da prevalência de obesidade. Além disso, estilos de vida sedentários, encorajados pela televisão, automóveis, utilização de computadores e aparelhos capazes de diminuir o gasto energético em tarefas, tanto no trabalho quanto em casa, diminuem a atividade física e aumentam a tendência de ganhar peso. A importância do estilo de vida no desenvolvimento da obesidade é reforçada pela observação de

Figura 26.6 Gêmeos idênticos, com peso somado de cerca de 590 kg. Observe a semelhança na forma corporal.


350

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

que populações de japoneses ou ch ineses apresentam aumento em seus IMCs quando migram para os Estados Unidos. Por exemplo, homens com idades entre 46 e 49 anos no Japão são magros, com IMC médio de 20, enquanto homens japoneses da mesma idade, que vivem na Califórnia, são mais pesados, com IMC médio de 24. Os comportamentos alimentares, tais como lanches, tamanho das porções, variedade de alimentos consumidos, preferências alimentares individuais e o número de pessoas com as quais um indivíd uo faz as refeições também influenciam o consumo de alimento e a tendência à obesidade.

IV.

MOLÉCULAS QUE INFLUENCIAM A OBESIDADE

A causa da obesidade pode ser resumida em uma afirmativa de simplicidade decepcionante, da primeira lei da termodinâmica: a obesidade resulta de uma ingestão de energia que supera o gasto energético. Deslindar o mecanismo subjacente a esse balanço prejudicado, no entanto, envolve o conhecime nto de interações complexas de fatores bioquímicos, neurológicos, ambientais e psicológicos. Por exemplo, o apetite é influenciado por sinais aferentes ou de entrada - sinais neurais, hormônios e metaból itos ci rculantes - que chegam ao hipotálamo (Figura 26.7). Esses diversos sinais determinam a liberação de peptídeos hipotalâmicos e ativam sinais neurais eferentes. Algumas importantes moléculas sinalizadoras aferentes que regulam o apetite e o consumo de energia são comentadas a seguir. SISTEMA NERVOSO PERIFÉRICO Serotonina, dopamina,muitos outros

A. Hormônios do tecido adiposo SNC

Embora o papel principal do adipócito seja armazena r gordura, ele também funciona como uma célula endócrina, que libera numerosas moléculas regulatórias, tais como leptina, adiponectina e resistina .

Figura 26.7 Alguns sinais aferentes que refletem o estado nutricional do corpo. CCK = colecistocinina.

1.

Leptina. Estudos acerca da genética molecular da o besidade em camundongos levaram ao isolamento de pelo menos seis genes associados com a obesidade. O mais conhecido desses genes de camundongo, denominado Ob (de obesidade) , leva, quando não-expresso, a uma obesidade hereditária grave em camundongos. Esse gene foi identificado e clonado. Em uma linhagem de camundongos obesos, o gene estava completamente ausente, indicando que a prote ína que é o produto do· gene é necessária para manter o peso do animal sob controle. O produto do gene Ob é um hormônio denominado leptina.

Jejum

- - -----v

Sinais eferentes, que mantêm a ingestão de alimento e o gasto energético em um determinado ponto fixo

"""

Tecido adiposo

Figura 26.8 Ação da leptina na manutenção de reservas adequadas de gordura.

Sinais eferentes que aumentam a ingestão de alimento e diminuem o gasto energético


Bioquímica Ilustrada A leptina é produzida proporcionalmente à massa do adipócito e, desse modo, informa o encéfalo sobre o nível dos depósitos de gordura (Figura 26.8}. Ela é secretada a partir dos adipócitos e atua no hipotálamo, regulando a quantidade de gordura corporal por meio do controle do apetite e do gasto de energia. A secreção de leptina é suprimida pela depleção das reservas de gordura Oejum) e aumentada pela expansão dessas reservas (estado alimentado) . lnjeções diárias de leptina fazem com que camundongos com sobrepeso percam peso e mantenham essa redução no peso. A proteína também determina perda de peso em camundongos que não são obesos. Em humanos, a leptina aumenta a taxa metabólica e dim inui o apetite. No entanto, a leptina plasmática em humanos obesos é, geralmente, normal para sua massa de gordura, sugerindo q ue uma resistência à leptina, e não sua deficiência, ocorra na obesidade humana. O receptor para leptina no hipotálam o foi clonado e é produzido por um gene conhecido como db. Em roedores, mutações no gene db produzem resistência à leptina. No entanto, as mutações até hoje descritas em roedores não parecem ser aquelas responsáveis pela maior parte da obesidade em humanos. Assim sendo, as pesquisas atualmente estão enfocando outros possíveis defeitos na transdução de sinal da leptina em humanos. Outros hormônios liberados p·elo tecido adiposo, como a adiponectina e a resistina, podem mediar a resistência à insulina observada na obesidade.

6,6

~

~olesterol total 5,8 Triacilgliceróis

::d. 2,4 õ E E 1,6

-···. .

8. Outros hormônios que influenciam a obesidade A grelina, um peptídeo secretado principalmente pelo estômago, é o único hormônio estimulador do apetite conhecido. A injeção de grelina aumenta, a curto prazo, a ingestão de alimento em roedores e pode diminuir o gasto energético e o catabolismo de gorduras. Peptídeos liberados do intestino após a ingestão de uma refeição, como a colecistocinina (CCK), podem atuar como sinais de saciedade no encéfalo. A insulina não apenas influencia o metabolismo, mas também promove uma diminuição na ingestão de alimentos energéticos.

V.

351

Colesterol HDL

0,8

O W-~--~~--~~--~~~

20

24

28

32

Índice de massa corporal (kgfm2)

Figura 26.9 Índice de massa corporal e alterações nos lipídeos no sangue.

ALTERAÇÕES METABÓLICAS OBSERVADAS NA OBESIDADE

As anormalidades metabólicas da obesidade refletem sinais moleculares que se originam da massa aumentada de adipócitos. Os efeitos predominantes da obesidade incluem dislipidemias, intolerância à glicose e resistência à insulina, expressas principalmente no fígado, no músculo e no tecido adiposo. A. Síndrome metabólica A obesidade abdominal está associada com uma temível combinação de anormalidades metabólicas, que incluem intolerância à glicose, resistência à insulina, hiperinsulinemia, dislipidemia (baixo nível de HDL e nível de VLDL aumentado) e hipertensão. Esse grupo de anormalidades metabólicas tem sido chamado de síndrome X, síndrome de resistência à insulina ou síndrome metabólica. Indivíduos com essa síndrome apresentam um risco significativamente aumentado para desenvolver diabetes melito e doenças cardiovasculares. Por exemplo, homens com essa síndrome apresentam uma probabilidade três a quatro vezes maior de morrerem de doença cardiovascular.

2,5 4>

"~ 2,0 ]i o E 1,5 4>

"o

.~ 1,0

a:

20

25

30

35

Índice de m assa corporal (kgtm2)

Figura 26.10 Índice de massa corporal e risco relativo de mortalidade.

40


352

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

O

B. Dislipidemia

Mulheres

[;] Homens

A resistência à insulina em indivíduos obesos leva à produção aumentada de insulina, em um esforço do organismo em manter níveis sangüíneos adequados de glicose. A resistência à insulina no tecido adiposo causa um aumento na atividade da lipase sensível a hormônio, resultando em níveis aumentados de ácidos graxos circulantes. Esses ácidos graxos são transportados ao fígado e convertidos em triacilgliceróis e colesterol. O excesso de triaci lgliceróis e colesterol é liberado como VLDL, resultando em níveis séricos elevados de triacilgliceróis (Figura 26.9). Concomitantemente, os níveis de HDL encontram-se diminuídos.

Diabetes do tipo 2

I

112,7

~~·~~~,5,2 --------~

Hipertensão

c = : = J 4,2

r==J2,6 lnfarto do miocárdio

c=J3,2

D1T

VI.

OBESIDADE E SAÚDE

Câncer de colo

c:::J.2.7 c=J3,0

Figura 26.11 Risco relativo de desenvolvimento de doenças associadas em mulheres e homens obesos, comparados com indivíduos não-obesos aos quais se atribuiu risco = 1,0.

o

a"'

o

11> "O

A obesidade correlaciona-se com um risco aumentado de mortalidade (Figura 26.1 O) e é um fato r de risco para diversas condições crônicas, incluindo o desencadeamento de diabetes no adulto, hipercolesterolemia, níveis plasmáticos elevados de triacilgliceróis, hipertensão, doença cardíaca, alguns tipos de câncer, cálculos biliares, artrite e gota (Figura 26.11 ). A relação entre obesidade e morbidades associadas é mais forte entre indivíduos com menos de 55 anos. Após a idade de 74 anos, não mais existe associação entre IMC aumentado e mortalidade. A perda de peso em indivíduos obesos leva à diminuição na pressão sangüínea, nos triacilgliceróis séricos e na glicem ia. Os níveis de HDL aumentam. A mortalidade diminui, em especial mortes devidas a câncer. Alguns especialistas em obesidade sugerem que indivíduos saudáveis com sobrepeso moderado não devem tornar-se obsessivos com relação à perda de peso, mas devem direcionar suas energias a um estilo de vida mais saudável, especialmente com inclusão de algum exercício em suas rotinas semanais. O aumento na mortalidade observado em indivíduos com sobrepeso moderado, porém saudáveis, pode resultar de um estilo de vida sedentário, associado à obesidade. Por exemplo, homens magros em má forma física, com IMC de 25 ou menos, apresentam um risco de mortalidade (de quaisquer causas) duas vezes superior a homens com sobrepeso, mas em boas condições físicas, com IMC igual ou superior a 27,8.

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REDUÇÃO DE PESO

E

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o

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52

104

Semanas

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Os objetivos do manejo do peso no paciente obeso são, em primeiro lugar, induzir um balanço energético negativo para reduzir o peso corporal, ou seja, diminuir a ingestão calórica e/ou aumentar o gasto de energia. O segundo objetivo é a manutenção da redução do peso corporal a longo prazo.

A. Atividade física

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õ 40 +-----.-----.---~r----. c.. o 12 24 36 48 Meses de tratamento

Figura 26.12 Efeito do tratamento com orlistat e de cirurgia para a redução do peso.

Um aumento na atividade física pode criar um déficit energético e é um componente importante dos tratamentos para perda de peso. Além disso, a atividade física melhora as condições cardiorrespiratórias e reduz o risco de doença cardiovascular, independente da perda de peso. Pessoas que combinam restrição calórica e exercício com tratamento comportamental podem esperar perder cerca de 5 a 10% do peso corporal prévio à intervenção, durante um período de quatro a seis meses. O exercício é um componente essencial para a manutenção da redução do peso.

B. Restrição calórica A dieta é a abordagem mais com umente utilizada para o controle do peso. Uma vez que um quilograma de tecido adiposo corresponde a aproximadamente 7.700 kcal, pode-se estimar o efeito da restrição calórica sobre a redução do tecido adiposo. A perda de peso nas dietas com restrição calórica

Bioquímica Ilustrada - Pamela Champe (Parte 2 de 3)  
Bioquímica Ilustrada - Pamela Champe (Parte 2 de 3)  
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