Alai

Aminoácidos Essenciais e Não Essenciais

Aminoácidos não essenciais são aqueles que são sintetizados por mamíferos, enquanto que os aminoácidos essenciais devem ser obtidos de fontes dietéticas. Por que um organismo evoluiria de tal forma que não poderia existir na ausência de certos aminoácidos? Muito provavelmente, a readyavailability destes aminoácidos em organismos inferiores (plantas e microorganismos)obviou a necessidade para o organismo superior continuar a produzi-los. Os caminhos para a síntese deles foram selecionados fora. Não ter que sintetizar dez aminoácidos adicionais (e regular a síntese deles/delas) representa uma economia principal, então. Não obstante, permanece para nós nos familiarizarmos com o caminho de síntese destes aminoácidos essenciais em plantas e microorganismos, e acontece que eles são geralmente mais complicado que os caminhos para síntese de aminoácidos não essenciais e eles também são específicos de espécie.

Os vinte aminoácidos podem ser divididos em dois grupos de 10 aminoácidos. Dez são essenciais e 10 são não essenciais. No entanto, isto não é realmente uma dicotomia de precisão, pois há sobreposição entre os dois grupos, como é indicado no texto que acompanha os dois gráficos seguintes:

Nota que a tirosina é realmente um aminoácido essencial, como é sintetizada pela hidroxilação da fenilalanina, um aminoácido essencial.Além disso, nos animais, o grupo sulfidrílico da cisteína é derivado da metionina, que é um aminoácido essencial, pelo que a cisteína também pode ser considerada essencial.

Os dez aminoácidos “essenciais” são:

Arginina é sintetizada por mamíferos no ciclo da ureia, mas a maior parte da itidrolídea à ureia e à ornitina:

(Link para o Dr. Diwan’s webpage on AminoAcid Catabolismo para mais informações sobre a hidrólise da uréia, bem como para revisão do catabolismo de aminoácidos)

Porque os mamíferos não conseguem sintetizar arginina suficiente para atender as necessidades metabólicas de lactentes e crianças, ele é classificado como um aminoácido essencial.

Síntese de aminoácidos não essenciais

Ignorando a tirosina (como seu precursor imediato é a fenilalanina, um ácido essencialamino), todos os aminoácidos não essenciais (e incluiremos a arginina) são sintetizados a partir de intermediários das principais vias metabólicas. Além disso, os esqueletos de carbono destes aminoácidos são rastreáveis aos seus correspondentes a-cetoácidos. Portanto, poderia ser possível tosintetizar qualquer um dos aminoácidos não essenciais diretamente através da transaminação de seus correspondentes a-cetoácidos, se esse cetoácido existir como um intermédium comum. Uma “reação de transaminação”, na qual um grupo de aminoácidos é transferido de um aminoácido para o carbono de um cetoácido, é catalisado por uma aminotransferase.

Três cetácidos muito comuns podem ser transaminados em um passo para o aminoácido correspondente:

Piruvato(produto final glicolítico) –> alanina

Oxaloacetato (intermediário do ciclo do ácido cítrico) –> aspartato

a-ketoglutarato (intermediário do ciclo do ácido cítrico) –> glutamato

As reacções individuais são:

Asparagina e glutamina são os produtos das amidações de aspartato e glutamato, respectivamente. Assim, a asparagina e a glutamina, e os aminoácidos não essenciais não são diretamente o resultado da transaminação de a-ketoacidsbecause estes não são intermediários comuns das outras vias. Ainda assim, seremos capazes de rastrear os esqueletos de carbono de todos estes de volta para um a-ketoacid. Eu faço este ponto não por causa de quaisquer implicações profundas inerentes a ele, mas como uma forma de simplificar a aprendizagem das vias sintéticas de aminoácidos entãoonessenciais.

Aspartato é transaminado para asparagina em uma reação dependente de ATP-catalizada pela asparagina sintetase, e a glutamina é o aminogrupo doador:

A síntese da glutamina é um passo em que o glutamato é primeiro “ativado” para um g-glutamilfosfato intermediário, seguido por uma reação na qual o NH3 desloca o grupo fosfato:

>

Então, a síntese da asparagina está intrinsecamente ligada à da glutamina, e acontece que a glutamina é o aminogrupo doador na formação de inúmeros produtos biossintéticos, além de ser uma forma de armazenamento de NH3. Portanto, seria de esperar que a glutamina sintetase, a enzima responsável pela amidação do glutamato, desempenhe um papel central na regulação do metabolismo do nitrogênio. Vamos agora analisar mais detalhadamente este controle, antes de prosseguirmos para a biossíntese dos aminoácidos não essenciais restantes.

Você estudou previamente a desaminação oxidativa do glutamato byglutamato desidrogenase, na qual NH3 e a-ketoglutarato são produzidos. O a-ketoglutarato produzido está então disponível para aceitar grupos amino em outras reações de transaminação, mas a acumulação de amônia como o outro produto desta reação é um problema porque, em altas concentrações, é tóxico. Para manter o nível de NH3 numa faixa controlada, um nível crescente de a-ketoglutarato ativa a glutamina sintetase, aumentando a produção de glutamina, o que retira seu grupo amino em várias outras reações.

A regulação da glutamina sintetase tem sido estudada em E.Coli e, embora complicada, vale a pena olhar para algumas de suas características, pois isso nos dará mais informações sobre a regulação das vias metabólicas de interseção. A difração de raios X dos cristais da enzima revela uma estrutura do hexagonalprisma (simetria D6) composta por 12 subunidades idênticas. A actividade da enzima é controlada por 9 inibidores de feedback alostáricos, 6 dos quais são produtos finais de vias envolvendo a glutamina:

histidina

tryptophan

carbamoyl fosfato (sintetizado a partir de carbamoylfosfato sintetase II)

glucosamina-6-fosfato

AMP (ver próxima palestra)

CTP (ver próxima palestra)

Os outros três efectores são a alanina, serina e glicina, que contêm informações relativas ao nível de nitrogênio celular.

A enzima também é regulada por modificação covalente (adenilação de um Tyrresidue), o que resulta em um aumento da sensibilidade à inibição de retroalimentação cumulativa pelos nove efectores acima. Adeniltransferase é a enzima que cataliza tanto a adenilação quanto a mortandenilação de E. coli glutaminesinfetase, e esta enzima é complexada com uma proteína reguladora tetramérica, PII.Regulação da adenilação e seu reverso ocorre no nível de PII, dependendo da uridilação de outro resíduo de Tyr, localizado no PII.Quando o PII é uridilado, a glutamina sintetase é mortenilada, o que ocorre quando a UMP está covalentemente ligada ao resíduo de Tyr do PII. O nível de uridilação é, por sua vez, regulado pelas atividades das duasenzimas, uridiltransferase e enzima removedora de uridilina, ambas localizadas na mesma proteína. A uridilltransferase é ativada por a-ketoglutarato e ATP, enquanto é inibida pela glutamina e Pi.

O diagrama seguinte resume a regulação da glutaminesinfetase bacteriana (ver página 1035) :

Podemos “caminhar através” desta cascata reguladora olhando para um exemplo específico, nomeadamente níveis aumentados de a-ketoglutarate( reflectindo um aumento correspondente dos níveis de NH3):

(1) A atividade de uridilltransferase é aumentada

(2) PII (em complexo com adenilltransferase)é uridilada

(3) Glutamina sintetase é mortenilada

(4) a-ketoglutarate e NH3 formam glutamina e Pi

Que o controle da glutamina sintetase bacteriana é extremamente sensível ao nível dos metabolitos de nitrogênio da célula é ilustrado pelo fato de que a glutamina apenas produzida na cascata acima é agora um inibidor da produção de mais glutamina.

Em Exercício de Classe: Use a via regulatória para explicar o efeito de um nível crescente de glutamina sobre a atividade da glutaminasinfetase bacteriana.

Proline, Ornithine e Arginine são derivados do Glutamato

O primeiro passo envolve fosforilação do glutamato por ATP com a enzima g-glutamilquinase, seguido pela redução para glutamato-5-semialdeído que espontaneamente encicliza (não é necessária enzima) para uma base interna de Schiff. A formação do semialdeído também requer a presença de NADP ou NADPH.

O semialdeído é um ponto de ramificação, no entanto. Um ramo leva ao prolongamento enquanto o outro ramo leva à ornitina e arginina. O glutamato-5-semialdeído é transaminado para ornitina e o glutamato é o aminogrupo doador. Ornitina, um intermediário do ciclo da uréia, é convertido em arginina através do ciclo da uréia.

Para destacar ainda mais a importância do glutamato, ele é convertido em amina fisiologicamente ativa, ácido g-aminobutírico (GABA),o principal neurotransmissor inibitório no cérebro:

O intermediário glicolítico, 3-fosfoglicérato, é convertido em serina, cisteína e glicina.

>

Nota a participação do glutamato como doador do grupo amino. A serina é convertida em glicina na seguinte reacção:

serina + THF –> glicina + N5,N10 -metileno-THF (enzima: serina hidroximetiltransferase)

glicina também se forma numa reacção de condensação da seguinte forma:

N5,N10 -metileno-THF + CO2 + NH4+ –> glicina (enzima: glycine synthase; requer NADH)

Cisteína é sintetizada a partir de serina e homocisteína (metionina decomposição-produto):

>

ser + homocisteína -> cistetionina + H2O

cistetionina + H2O –> a-ketobutirato + cisteína + NH3

Síntese de aminoácidos essenciais

As vias sintéticas para os aminoácidos essenciais são:

(1) presente apenas em microorgansims

(2) consideravelmente mais complexo do que para os aminoácidos não essenciais

(3) usar precursores metabólicos familiares

(4) mostrar variação de espécies

Para fins de classificação, considere as seguintes 4 “famílias” que são baseadas em precursores comuns:

(1) Família Aspartato: lisina,metionina,treonina

(2) Família Pyruvate: leucina,isoleucina,valina

(3) Família Aromática:fenilalanina, tirosina, triptófano

(4) Histidina

A família Aspartato

O primeiro passo comprometido para a síntese de Lys, Met e Thr é o primeiro passo, no qual o aspartato é fosforilado ao aspartíl-b-fosfato, catalisado pela aspartoquinase:

E.coli tem 3 isozimas de aspartoquinase que respondem de forma diferente a cada um dos 3 aminoácidos, no que diz respeito à inibição enzimática e desinibição de feedback. A biossíntese da lisina, metionina e treonina não são, então, controladas como um grupo.

>

O caminho do aspartato à lisina tem 10 passos.

>

O caminho do aspartato à treonina tem 5 passos

>

O caminho do aspartato à metionina tem 7 passos

>

Regulação dos três caminhos também ocorre nos dois pontos dos ramos:

b-Asparato-semialdeído (homoserina e lisina)

Homoserina (treonina e metionina)

A regulação resulta da inibição do feedback pelos produtos aminoácidos dos ramos, indicados nos parênteses acima.

Consideraremos uma etapa importante na síntese deste grupo de 3 aminoácidos, ou seja, a etapa em que a homocisteína é convertida em metionina, catalisada pela enzima metionina sintetase:

Nesta reacção, a homocisteína é metilada para metionina, e o C1donor é N5-methyl-THF. Note que a enzima é chamada de “sintase” e não de sintetase, pois a reação é uma reação de condensação na qual o ATP (ou outro trifosfato nucleósido) não é usado como fonte de energia, o que deve ser comparado a uma “sintase” na qual um NTP é necessário como fonte de energia.Esta reação também pode ser vista como a transferência do grupo ametílico de N5-metil-THF para a homocisteína, portanto outro nome para a enzima que a catalisa é homocysteinemethyltransferase.

É razoável rever reações nas quais uma unidade C1 é adicionada a um precursor metabólico, pois estas reações são vistas muito comumente em nosso estudo das vias bioquímicas. Você já viu a transferência do grupo acarboxil do co-fator biotina da carboxilase piruvada para o oxaloacetato piruvado (por que isso não é chamado de “transferase” ou “synthase”?). A maioria das reacções de carboxilação utilizam a biotina como cofactor. Também se estudou a decomposição da metionina, em que o primeiro passo envolve a transferência da adenosina para a metionina para formar S-Adenosilmetionina (SAM). O grupo metilo no íon sulfônio da SAM é altamente reativo, portanto não é surpreendente descobrir que a SAM é um agente metilante em algumas reações.Os tetrahidrofolatos também são agentes doadores de C1 e, ao contrário das carboxilações e das metilações de SAM, os THFs podem transferir C1 unidades em mais de um estado de oxidação.

N5-metil-THF, como acabamos de ver, transfere o grupo metilg (-CH3), no qual o nível de oxidação de C é o do metanol(-4). N5,N10-metileno-THF transporta um grupo metileno(-CH2-) e o nível de oxidação é o do formaldeído (0), enquanto N5-formimino-THF transfere o grupo formimino (-CH=NH), no qual o nível de oxidação do Catom é o do formato. Os grupos formil (-CH=O) e metenil (-CH=) são também transferidos pelo THF e ambos têm o C no nível de oxidação offormato (+2). A estrutura do THF é adequada para estas transferências em virtude dos seus grupos N5 e N10, como mostra a seguinte estrutura química:

Voltaremos a ver THF quando estudarmos a síntese de timidilato de dUMP, catalisado pela enzima timidilato sintase na qual N5,N10-methylene-THF é o doador de metilo.

A Família Pyruvate

Estes são os aminoácidos de “cadeia ramificada”, e é útil para os integrar como um grupo, não só porque todos eles são originários do carbonsqueleto piruvado, mas também porque a doença “doença do xarope de bordo” (MSUD) é um resultado da deficiência de cadeia ramificada de a-ketoacide-hidrogenase, resultando num acúmulo de cadeia ramificada de a-ketoácidos.

>

Basta olhar para o início e o fim dos caminhos:

O primeiro passo é comum aos 3 aminoácidos:

Pyruvate + TPP –> Hydroxyethyl-TPP (catalisado por acetolactato sintase)

Note que a carbonatom central em hydroxyethyl-TPP é um carbanion e é estabilizado por formas de ressonância.

Hidroxietil-TPP pode reagir com outro piruvato para formar um acetalactato, no qual o caminho se dirige para valina e isoleucina, ou pode reagir com um quase-tobutirato, neste caso o caminho leva à isoleucina.

Existe um ponto de ramificação em a-ketoisovalerate que, em uma direção leva à valina e, na outra, à leucina.

O passo final na formação de cada um destes aminoácidos envolve a transferência de um grupo de aminoácidos do glutamato para o correspondente a-ketoacid de cada um dos 3 aminoácidos de cadeia ramificada.Aqui vemos outro exemplo da importância de um aminoácido em particular, o glutamato, para as vias anabolizantes de aminoácidos.

Aminoácidos Aromáticos:

Phosphoenolpyruvate (PEP), um intermediário glicolítico, condensa comerythrose-4-fosfato, um intermediário da via pentose-fosfato, para formar2-keto-3-deoxiarabinoheptulosonato-7-fosfato e fosfato inorgânico. A enzima envolvida é uma sintase. Este produto de condensação eventualmente cicliza até o corismate.

Daqui, os ramos da via, terminando na produção de triptofano atonado, e tirosina e fenilalanina na outra extremidade.

>

Alguns pontos altos merecem menção. Primeiro, a glutamina desempenha um papel como doadora de um aminogrupo de corisma para formar o antranilato no ramo do triptofano. O precursor imediato do triptofano é o indole:

O “anel indole” é a característica que caracteriza a estrutura do triptofano. Note que a serina é o doador do grupo de aminoácidos para o indole para formar o triptofano.

O ramo que leva à tirosina e à fenilalanina tem outro ponto de ramificação no prefenato. A única diferença entre os 2 aminoácidos resultantes é que o para carbono do anel de benzeno da tirosina é hidroxilado. De facto, nos mamíferos, a fenilalanina é directamente hidroxilada à tirosina, catalisada pela enzima fenilalanina hidroxilase.

Fenilcetonúria

Algumas aminas fisiologicamente activas muito importantes são derivadas da tirosina,e estes são L-DOPA, dopamina, norepinefrina e epinefrina. O caminho da tirolesina para a norepinefrina é mostrado abaixo:

A formação da epinefrina a partir da norepinefrina envolve a transferência do grupo metilo altamente reactivo de S-adenosilmetionina para a norepinefrina:

Estrutura da S-Adenosil-metionina mostrando o seu grupo metilo reactivo:

Histidina Biossíntese:

Vemos este caminho com um pouco mais de detalhe, porque envolve a molécula 5-fosforibosil-a-pirofosfato (que a partir de agora se designará por “PRPP”). O PRPP também está envolvido na síntese de purinas e pirimidinas, como veremos em breve. No primeiro passo da síntese da histidina, a PRPP condensa com ATP para formar um purina, N1-5′-fosforibosylATP, em uma reação que é impulsionada pela hidrólise subsequente do pirofosfato que se condensa. A glutamina desempenha novamente um papel de aminoagrupador, desta vez resultando na formação de 5-aminoamidazol-4-carboximidibonucleotídeo (ACAIR), que é um intermediário na biossíntese de purina.

Histidina é especial na medida em que sua biossíntese está inerentemente ligada às vias de formação dos nucleotídeos. Os resíduos de histidina são frequentemente encontrados em locais enzimáticos, onde a química do anel imidazol da histidina o torna anucleófilo e um bom catalisador ácido/base. Sabemos agora que o RNA pode ter propriedades catalíticas, e tem havido especulações de que a vida era originalmente baseada no RNA. Talvez a transição para a catálise de proteínas a partir da catálise do RNA tenha ocorrido na origem da biossíntese de histidina.

A amina fisiologicamente ativa, histamina, é formada a partir da histidina: