Ciclo das Pentoses, Aminoácidos e Ciclo da Ureia

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CICLO DAS PENTOSES-FOSFATO
Na maioria dos tecidos animais, o principal destino catabólico da glicose-6-fosfato é a degradação glicolítica até piruvato, cuja maior parte é oxidada pelo Ciclo de Krebs, levando à formação de ATP. Entretanto, a glicose-6-fosfato tem outros destinos catabólicos, que levam a produtos especializados, necessários para a célula. 
O que é?
O ciclo das pentoses fosfato é uma rota alternativa para a oxidação da glicose-6-P, no citosol, sem gerar ATP.
Esta rota corresponde a um processo multicíclico onde: 
6 moléculas de glicose-6P entram no ciclo;
6 moléculas de CO2 são liberadas;
6 moléculas de pentose-5P são formadas;
Estas pentoses-5P se reorganizam, regenerando 5 moléculas de glicose-6P.
NADP+ é aceptor de elétrons, formando NADPH;
Em alguns tecidos, o produto essencial da via das pentoses-fosfato não é pentose, mas o doador de elétrons NADPH, necessário para as reduções biossinteticas ou para contrapor os efeitos deletérios dos radicais de oxigênio. Os tecidos onde ocorrem a síntese de grande quantidade de ácidos graxos – como fígado e o tecido adiposo – ou síntese muito ativa de colesterol – como o fígado – utilizam o NADPH produzido por essa via. 
FASE OXIDATIVA
A primeira reação dessa via é a oxidação da glicose-6-fosfato pela glicose-6-fosfato-desidrogenase para formar 6-fosfoglicona-gama-lactona. NADP+ é o aceptor de elétrons, e o equilíbrio global está muito deslocado no sentido da formação de NADPH. 
A lactona é hidrolisada ao acido 6-fosfogliconato por uma lactonase.
A 6-fosfogliconato sofre oxidação e descarboxilação (gerando CO2) pela 6-fosfogliconato-desidrogenase para formar a cetopentose ribulose-5-fosfato. Essa reação gera uma segunda molécula de NADPH. (A ribulose-6-fosfato é importante na regulação da glicólise e da gliconeogênese.)
A ribulose 5-fosfato é convertida, principalmente, a seu isômero de função (aldose) ribose 5-fosfato, pela fosfopentose isomerase(FPI), e, secundariamente, a seu isômero de posição xilulose 5-fosfato, pela fosfopentose epimerase(FPE).
Em alguns tecidos, a via das pentoses-fosfato para no ponto de isomerização a ribose-6-fosfato, gerando a equação global:
Glicose-6-fosfato + 2NADP+ H2O Ribose-6-fosfato + CO2 + 2NADPH + 2H+
O NADPH vai ser utilizado como agente redutor nas reações biossinteticas e a ribose-5-fosfato como precursor para a síntese de nucleotídeos. 
FASE NÃO-OXIDATIVA
Nos tecidos que requerem principalmente NADPH, as pentoses-fosfato produzidas na fase oxidativa da via são recicladas em glicose-6-fosfato. Esta fase ocorre em tecidos que requerem, fundamentalmente, NADPH. 
Portanto, as ribuloses-5-fosfato, produzidas na fase oxidativa, são transformadas em ribose-5-fosfato por uma isomerase ou em xilulose-5-fosfato por uma epimerase . 
Após a geração de ribose-5-fosfato e xilulose-5-fosfato, em uma serie de rearranjos de açúcar-fosfato de cinco átomos de carbonos são convertidos a cinco moléculas de açúcar-fosfato com a produção de NADPH. A reciclagem contínua leva finalmente à conversão de glicose-6-fosfato a seis CO2. 
Estas pentoses-5-fosfato são recicladas mediante a atividade de transcetolases e transaldolases , regenerando glicoses 6-fosfato, que podem seguir novamente a fase oxidativa, permitindo a formação contínua de NADPH.
Ação da transcetolase
Catalisa a transferência de um fragmento de dois carbonos de uma cetose doadora a uma aldose receptora. 
Em sua primeira aparição na via das pentoses-fosfato, a transcetolase transfere C1 e C2 da xilulose-5-fosfato para ribose-5-fosfato, formando o produto de sete carbonos sedoeptulose-7-fosfato. O fragmento de três carbonos remanescente da xilulose é o gliceraldeído-3-fosfato.
Ação da transaldolase
Catalisa uma reação semelhante à reação da aldose na glicólise: um fragmento de 3 carbonos é removido da sedoeptulose-7-fosfatoe condensado com o gliceraldeído-3-fosfato, formando frutose-6-fosfato e eritrose-4-fosfato. 
Novamente, a transcetolase atua novamente, formando frutose-6-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato a partir da eritrose-4-fosfato e xilulose-5-fosfato. 
Duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato formadas por duas repetições dessas reações podem ser convertidas a uma molécula de frutose-1,6-bifosfato como na gliconeogênese e, finalmente a FBPase-1 e a fosfo-hexose-isomerase convertem frutose-1,6-bifosfato em glicose-6-fosfato. 
No total, seis pentoses-fosfato são convertidas a cinco hexoses-fosfato – agora o ciclo está completo!
Todas as enzimas da via das pentoses-fosfato estão localizadas no citosol, como aquelas da glicólise e a maioria das enzimas da gliconeogênese. De fato, essas três vias estão conectadas por meio de vários intermediários e enzimas compartilhadas. O gliceraldeído-3-fosfato formado pela ação da transcetolase é convertido a di-hidroxiacetona-fosfato pela enzima glicolítica triose-fosfato-isomerase, e essas duas trioses podem ser unidas pela aldolase como na gliconeogênese, formando frutose-1,6-bifosfato. Alternativamente, a triose-fosfato pode ser oxidada a piruvato pelas reações glicolíticas. O destino das trioses é determinado pelas necessidades relativas das células por pentoses-fosfato, NADPH e ATP. 
SITUAÇÕES
Quando se precisa mais de Ribose-5-P e menos de NADPH:
Esse ramo utiliza intermediários da via glicolítica para fazer pentoses (ATP, NAD, FAD, RNA e DNA).
Quando se precisa igualmente de Ribose-5-P e NADPH:
Nessa situação, ocorre síntese de pentoses (ATP, NAD, FAD, RNA, DNA) e síntese de lipídeos (NADPH).
Quando se precisa de muito NADPH: 
Quando se precisa de muito NADPH e ATP ou piruvato:
A glicose-6-fosfato é repartida entre a glicólise e a via das pentoses-fosfato
A entrada da glicose-6-fosfato na glicólise ou na via das pentoses-fosfato depende das necessidades momentâneas da célula e da concentração de NADP+ no citosol. Na ausência desse aceptor de elétrons, a primeira reação da via das pentoses-fosfato (catalisada por G6PD) não pode prosseguir. 
Quando a célula está convertendo rapidamente NADPH em NADP+ em reduções biossinteticas, o nível de NADP+ se eleva, estimulando alostericamente a G6PD e, dessa forma, aumentando o fluxo de glicose-6-fosfato para a via das pentoses. 
Quando a demanda por NADPH é menor, o nível de NADP+ diminui, a via das pentoses-fosfato também diminui e a glicose-6-fosfato é usada para alimentar a glicólise. 
BIOSSÍNTESE DE AMINOÁCIDOS
Metabolismo do Nitrogênio 
O Nitrogênio para ser utilizado pelos animais, precisa ser fixado, o que demanda grande custo energético. Por isso, amônia, aminoácidos e nucleotídeos são utilizados de forma econômica pela maioria dos organismos, já que a reciclagem tem menor custo energético. O excedente é eliminado na natureza. 
Principais formas de excreção do N: ureia, ácido úrico e como amônia (através do íon amônio). 
Os animais aquáticos, que vivem circundados pela água, podem excretar a amônia, a qual, mesmo sendo tóxica não acarreta nenhum inconveniente, devido á diluição instantânea no meio ambiente. Já os animais terrestres, que possuem um suprimento limitado de água, não podem acumular a amônia, excretando, pois, o nitrogênio na forma de ureia ou ácido úrico (menor quantidade).
Degradação dos aminoácidos
Energia metabólica gerada nos tecidos 
1. Metabolismo dos carboidratos e lipídeos (~90%); 
2. Metabolismo dos aminoácidos (~10%) =Derivados de proteínas endógenas e exógenas.
Aminoácidos podem sofrer degradação oxidativa nas seguintes situações:
1. Dieta rica em proteínas – excedente de aminoácidos podem ser catabolizados e virar gordura ou glicogênio; 
2. Durante o jejum ou diabetes mellitus – proteínas são utilizadas como combustível;
3. Protein turnover – Durante a dinâmica normal de síntese e degradação das proteínas no organismo.
Renovação de proteínas
As proteínas estão em constante processo de degradação
e síntese. 
A concentração proteica geral mantém-se constante no indivíduo adulto e saudável. Entretanto, há grande variação na velocidade de degradação para cada proteína. Os aminoácidos excedentes são oxidados e o N é excretado; NH3 é tóxico.
São renovados cerca de 400 g de proteínas/dia em um adulto com dieta adequada, enquanto há eliminação correspondente a 100 g de proteína/dia. Como 300 g são renovados, os 100 g eliminados devem ser repostos pela alimentação.
Aminoácidos em excesso não são armazenados para utilização futura e tampouco excretados São convertidos em intermediários metabólicos, como piruvato, oxalacetato, acetil-coenzima (Acetil-CoA) e alfa -cetoglutarato
O balanço nitrogenado
O balanço nitrogenado é a diferença entre o N ingerido por dia (dos alimentos) e o excretado (pelas fezes e urina). 
Os indivíduos adultos apresentam balanço (ou equilíbrio) nitrogenado nulo, visto que os organismos animais não mais acumulam compostos nitrogenados depois de cessado o crescimento. Ao contrário do que ocorre com os carboidratos e lipídios, as proteínas não podem ser armazenadas. Daí uma maior excreção de N devido a uma dieta rica em proteínas. 
Exceções:
Balanço negativo: Quando se tem uma dieta rica em carboidratos e pobre em proteínas, ocorre a reciclagem da proteína endógena e uma consequente diminuição da massa muscular, pois há perda de ptn, ou seja, uma “desnutrição”. Outros casos: estado de jejum, dieta restritiva, doenças altamente catabólicas como câncer e AIDS, etc.
Balanço positivo: Assim como quando ocorre uma ingestão maior do que a necessária de proteínas, o balanço nitrogenado se apresenta como positivo, além dos casos de indivíduos em fase de crescimento e de gravidez (por conta da lactação e do desenvolvimento fetal).
Valor biológico 
Determina a quantidade de proteínas encontradas nos alimentos que realmente são absorvidas pelo corpo. As proteínas que contém mais aminoácidos essenciais possuem melhor digestibilidade, tendo uma absorção no trato gastrointestinal mais eficiente. Logo, temos que quanto maior o valor biológico, maior será a absorção e, consequentemente, a utilização dos aminoácidos. Assim, quanto menor ele for, maior será a saída na forma de ureia.
A degradação dos aminoácidos
Ocorre em 2 etapas:
Separação do grupo α-NH3 do esqueleto carbônico gerando o α-ceto-ácido correspondente.
Oxidação das cadeias laterais dos aminoácidos, sendo convertidas em compostos comuns do metabolismo dos carboidratos e lipídios.
Transaminação (citoplasma)
Reação sofrida por quase todos os aminoácidos no citosol dos hepatócitos.
Reação catalisada por enzimas transaminases a partir da transferência do grupo amino do aminoácido para o α-ceto-glutarato, gerando um α-cetoácido e uma molécula de glutamato (carreador de -NH3+ para excreção ou reações bossintéticas).
O glutamato, então, funciona como doador de grupos amino para as vias biossinteticas ou para as vias de excreção, que levam à eliminação de produtos de excreção de nitrogenados.
Os reagentes e produtos dessas reações apresentam energias parecidas, apresentando uma constante de equilíbrio próxima de 1 e o deltaG igual a 0, logo, quando a [produtos] = [reagentes], a reação para, impedindo que haja acumulo de glutamato. 
Exemplo: 
Ex: ao doar seu grupo amino, o ácido aspártico se torna oxaloacetato; a alanina, piruvato e o aspartato, oxaloacetato.
Desaminação oxidativa(mitocôndria)
Nos hepatócitos, o glutamato é enviado do citosol – onde sofreu transaminação – para a mitocondrial a fim de sofrer desaminação para que o α-ceto-glutarato seja recuperado e, assim, haja a continuidade da transaminação e para que os grupos amino sejam removidos do glutamato para seguirem pela excreção.
Essa enzima esta presente na matriz mitocondrial dos hepatócitos e utiliza NAD+ OU NADPH+ como aceptor de equivalentes redutores. 
O α-ceto-glutarato formado a partir da desaminação pode ser utilizado no ciclo do ácido cítrico e para a síntese de glicose. 
Quando temos necessidade de realizar desaminação?
Em situações em que precisamos degradar aminoácidos, como quando a gliconeogênese se encontra ativa em situações de jejum muito prolongado. Nesse caso, precisamos degradar aminoácidos para formar intermediários do CK e, assim, formar glicose. 
Outra situação é quando há excesso de consumo de proteína, ou seja, quando há excesso de nitrogênio no organismo, fazendo com que os aminoácidos em excesso que foram absorvidos sejam degradados.
Músculo
O músculo é rico em proteínas. Então, em caso de hipoglicemia intensa, o musculo degrada suas proteínas para gerar esqueletos carbônicos que geram ureia. O musculo, para se desfazer do seu grupamento amino gerado, transfere esse sob a forma de Alanina e Glutamina (glutamato ligado a mais um grupamento amônio). 
A desaminação do Glutamato ocorre em 50% e o restante que não foi desaminado se junta ao amônio gerado, tornando-se glutamina. 
O musculo, a partir de 2 aminoácidos – Aspartato e Alanina – gastou 1 α-ceto-glutarato para produzir 1 intermediario de CK e piruvato. 
A Glutamina é transferida para o fígado. E o que o fígado faz com ela?
Retira 1 amônio por desaminase, formando glutamato. Ao retirar o outro, forma α-ceto-glutarato e os 2 amônios entram para o ciclo da Ureia. 
JEJUM PROLONGADO
Alanina atua como um transportador da NH3 e piruvato do músculo (em atividade anaeróbica) até o fígado.
Músculo e tecidos que degradam aminoácidos como combustível o grupo -NH3+ como Glutamato. 
O grupo NH3+ do Glutamato pode ser transformado em Glutamina e transportada para o fígado OU transferido ao piruvato (produto da glicólise muscular).
O fígado, fazendo gliconeogênese, manda glicose para o musculo e gera muito piruvato. 
O ATP utilizado pelo fígado provem da beta-oxidação e do musculo – degradação de aminoácidos.
O fígado usa seu ATP para gerar glicose e o musculo gera ATP.
O músculo manda o grupamento amônio para o fígado através da alanina e glutamina, para que esse se desfaça do amônio na forma de ureia, através do Ciclo da Ureia. 
CICLO DA UREIA
O amônio presente na mitocôndria hepática é utilizado imediatamente, juntamente com o CO2 (sob a forma de HCO3-) produzido pela respiração mitocondrial, para formar carboamoil-fosfato na matriz. Essa reação é dependente de ATP. 
O carboamoil-fosfato entra no ciclo da ureia. Primeiro, essa molécula doa seu grupo carbamoila para a ornitina, formando citrulina, liberando Pi. 
Os próximos passos trazem o segundo grupo amino. A fonte é o aspartato produzido na mitocôndria por transaminação (a partir do oxaloacetato) e transportado para o citosol. 
A condensação entre a citrulina e o aspartato gera arginino-succinato. Esse então é clivado em arginina e fumarato. 
O fumarato é convertido a malato e a seguir entra na mitocôndria para entrar no CK, enquanto que a arginina é clivada, produzindo ureia e ornitina (transportada para a mitocôndria para iniciar outra volta do ciclo da ureia)
O fígado recebe glutamina de todos os órgãos, por essa molécula ser a forma geral de transporte do amônio, porem somente o músculo gera alanina para o fígado. 
O Ciclo da Ureia consome um intermediário do Ciclo de Krebs (o oxaloacetato que é transformado em aspartato), mas “devolve” um – o fumarato – que será convertido em malato. 
Dessa forma, temos que o Ciclo da Ureia se comunica com o Ciclo de Krebs, sendo chamado de Bicicleta de Krebs. 
Os aminoácidos degradados em piruvato, α-ceto-glutarato, succinil/CoA, fumarato e/ou oxaloacetato podem ser convertidos em glicose e glicogênio, sendo, assim, chamados de glicogênicos.
Já os que são degradados em acetoaceti-CoA e/ou acetil-CoA podem produzir corpos cetônicos no fígado, sendo chamados de cetogênicos. (Sua capacidade de produzir corpos cetônicos é especialmente evidente no diabetes melito não controlado, quando o fígado produz grandes quantidades de corpos cetonicos a partir de ácidos graxos e de aminoácidos cetogênicos). 
Potenciais
Questões
Uma consequência do jejum prolongado é a redução da massa muscular. O que acontece com as proteínas musculares? 
As proteínas são degradadas a aminoácidos e utilizados na gliconeogênese.
Se a oxidação da glicose-6-fosfato pela via das pentoses-fosfato estivesse sendo utilizada para gerar principalmente NADPH para reações de biossíntese, o outro produto, ribose-5-fosfato, se acumularia. Qual problema isso poderia causar?
O acumulo de ribose-5-fosfato tenderia a forçar essa reação no sentido inverso pela ação das massas. Poderia também afetar outras reações metabólicas que envolvem a ribose-5-fosfato como substrato ou produto -como as vias de síntese de nucleotídeos.