Metabolismo dos Aminoácidos

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Zilda Figueiredo 2018
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Pool dos AA 
Degradação de proteínas e reposição do pool intracelular
Sistema lisossomal
Ubiquitina proteassomo
Digestão das proteínas (hormônios/enzimas)
Absorção dos aminoácidos
Catabolismo dos aminoácidos
Transaminação 
Desaminação oxidativa
Toxicidade da amônia
Transporte do grupo amino dos tecidos para o fígado
Ciclo da uréia
Estequiometria
Regulação
Doenças hereditárias do ciclo da uréia
Conexão entre o ciclo da uréia e o ciclo de Krebs
Degradação do esqueleto carbonado dos aminoácidos
Biossíntese de aminoácidos
Síntese de outros compostos nitrogenados 
Distúrbios genéticos que afetam catabolismo de aminoácidos em humanos
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A principal função dos AA é a síntese de proteínas e de uma grande variedade de compostos nitrogenados. O excedente de AA serve como fonte de energia.
A necessidade dietária de proteína é influenciada pela ingestão de carboidratos. 
Se a qtde de carboidratos é insuficiente (jejum) ou não pode ser metabolizada (diabetes mellitus) as proteínas se tornam um importante combustível.
A capacidade de efetuar essas sínteses depende da disponibilidade de um conjunto de AA, equilibrado em relação às necessidades de cada um dos 20 AA. 
Se os AA da dieta não correspondem às necessidades do organismo, alguns AA podem ser sintetizados. Entretanto, AA aromáticos e ramificados ( Phe, Val, Trp, Tre, Ile, met, His, Arg, Leu, Lis) precisam ser obtidos da dieta (AA essenciais ).
Por outro lado, se a quantidade de proteína ingerida é insuficiente vai haver uma redistribuição dos AA. Ex: menos Hb vai ser sintetizada e os AA vão ser destinados a funções vitais.
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Pool de aminoácidos – gerado pelos AA digeridos (1/4) e pela degradação de proteínas existentes na célula (3/4). 
As proteínas apresentam t1/2 vida variando de min. a horas ou dias. Exemplos de proteínas que sofrem extensiva síntese e degradação - Hb, proteínas musculares (jejum), enzimas digestivas. 
Turnover proteico -  renovação da proteína corporal.
Existem 2 sistema enzimáticos responsáveis pela degradação de proteínas danificadas ou indesejadas:
Ubiquitina-proteassomo - degrada principalmente proteínas endógenas (proteínas sintetizadas dentro da célula)
Proteólise lisossomal – degradação de materiais do meio extracelular (por meio da endocitose), a degradação de proteínas de membrana, a reciclagem de organelas e componentes celulares envelhecidos e a proteólise estimulada pelo jejum no fígado.
 
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No caso da digestão lisossomal, o turnover da proteína começa com o englobamento da proteína ou organela em vesículas conhecidas como autofagossomas,
por um processo conhecido como autofagia. As vesículas se fundem então com os lisossomos e as proteínas, os lipídeos e as glicanas são degradados pelas hidrolases ácidas lisossomais
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Proteínas selecionadas para degradação são inicialmente ligadas covalentemente a ubiquitina. A ubiquitina se liga a um resíduo de lisina na proteína que ira sofrer degradação e outras moléculas de ubiquitina se prendem àquela primeira.
A adição consecutiva de ubiquitina forma uma cadeia poliubiquitina.
As proteínas marcadas com a ubiquitina são então reconhecidas por um complexo proteolítico, macromolecular, em forma de barril chamado proteassomo.
O proteassomo é um complexo protéico responsável pela degradação de proteínas modificadas por cadeias de poli-ubiquitina. Ele consiste de uma unidade catalítica central denominada de proteassomo 20S (20S PT) e por unidades regulatórias (19S ou 11S).
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Digestão de proteínas 
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A entrada de proteínas no estômago estimula a secreção de gastrina por sua vez estimula a liberação do HCl e do pepsinogênio. A ativação da pepsina causa hidrólise de ligações peptidicas da P produzindo peptideos menores. A entrada desse material parcialmente digerido no intestino delgado acarreta a liberação da secretina (que estimula o pâncres a liberar o bicarbonato) e de colecistocinina (CCK) que estimula a liberação de outros zimogênios (tripsinogênio, quimotripsinogênio, procarbpxipeptidase A e B). Enteropeptidases presentes no intestino delgado convertem tripsinogênio em tripsina que ativa os outros zimogênios. 
As aminopeptidases clivam os di e tripeptideos em AA livres. 
Apenas AA livres são encontrados na circulação porta.
Depois que todos os di- ou tripeptídios remanescentes são degradados nos enterócitos, os aminoácidos livres são transportados para a veia porta e levados ao fígado para o metabolismo energético ou biossíntese, ou distribuídos para os outros tecidos a fim de satisfazerem necessidades
semelhantes.
Órgãos em vermelho. Enzimas em verde. Hormônios em azul.
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Aminopeptidases
(Membrana em borda de escova) 
Peptidases intracelulares
 Di e tripeptidases 
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Especificidade em relação à atuação das proteínas
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Após a absorção, os aminoácidos entram no pool de aminoácidos do organismo (plasma e reserva tissular) e são utilizados para a síntese de outros aminoácidos ou proteínas na produ- ção de energia, ou sofrem degradação e reutilização.
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Jejuno e porção superior do íleo
Absorção de AA livres
Sistema de carreadores 
AA neutros
AA ácidos
AA básicos
Imino ácidos
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Transporte ativo secundário – gradiente eletroquímico
Co-transportador H+-dependente
Membrana Basolateral
Transporte apenas de AA (peptídeos são hidrolisados dentro do enterócito)
Transporte principalmente por difusão e carreadores Na dependentes
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Quantidades ínfimas podem ser absorvidas intactas
Anticorpos presentes no colostro e leite materno
Antígenos proteico  formação de anticorpos
Posterior contato pode causar sintomas alérgicos 
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Catabolismo dos aminoácidos
Nos animais, os aminoácidos podem sofrer degradação em três circunstâncias metabólicas diferentes:
1- Durante a renovação das proteínas teciduais, aminoácidos liberados pela quebra de proteínas e que não sejam necessários para a síntese de novas proteínas são degradados por oxidação.
2- Quando a dieta é rica em proteínas (a quantidade de aminoácidos ingeridos é maior que a necessidade corporal de biossíntese), o excedente de aminoácidos é catabolizado.
3- Durante o jejum prolongado ou diabetes mellitus (quando os carboidratos não estão acessíveis), as proteínas corporais são hidrolisadas e seus aminoácidos empregados como combustível.
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1ª fase do catabolismo - remoção dos grupos amino (transaminação e subseqüente desaminação oxidativa), formando amônia e o -cetoácido correspondente. Uma parte da amônia livre é excretada na urina, porém a maior parte dela é utilizada na síntese de uréia (via mais importante para o descarte do nitrogênio do organismo).
2ª fase do catabolismo - os esqueletos carbonados dos -cetoácidos são convertidos em intermediários comuns das vias metabólicas produtoras de energia
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Os aminoácidos destinados para o metabolismo energético têm que ser desaminados para produzirem o esqueleto de carbono. 
Existem três mecanismos para a remoção do grupo amino dos aminoácidos.
Transaminação – a transferência do grupo amino para um cetoácido aceptor adequado
Desaminação oxidativa – a remoção oxidativa do grupo amino, resultando em cetoácidos e amônia
Remoção de uma molécula de água pela desidratase – por exemplo, serina ou treonina desidratase; essa reação produz um intermediário imina instável, que se hidrolisa espontaneamente para produzir um α-cetoácido e amônia.
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Remoção do grupo amino - Transaminação
 1ª etapa do catabolismo da maioria dos L-AA. 
 Coleta de grupos aminos, a partir de diferentes aminoácidos, na forma de L-glutamato. 
O glutamato funciona como doador de grupos aminos para vias biossintéticas ou para via de excreção. 
o grupo alfa-amino é transferido para o carbono alfa do alfa-cetoglutarato, liberando o correspondente alfa-cetoácido, análogo do aminoácido.
Todas as aminotransferases
apresentam como grupo prostético o piridoxal-fosfato (PLP), derivado da vitamina B6. O piridoxal-fosfato funciona como um carreador temporário de grupos amino, no sítio ativo das aminotransferases. 
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Dependendo do aminoácido transaminado, haverá um tipo diferente de cetoácido formado (p.e.x.: o aspartato forma o oxalacetato, a alanina forma o piruvato); porém sempre o mesmo aminoácido glutamato é formado. 
Transaminação
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A serina e treonina podem ser diretamente desaminadas
	Serina  piruvato + NH4+ (serina desidratase) 
	Treonina  KG + NH4+ (treonina desidratase) 
 
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Desaminação do glutamato
O glutamato libera seu grupo amino como amônia no fígado através da reação catalisada pela glutamato desidrogenase.
Essa desaminação mitocondrial, requer NAD+ ou NADP+ como receptor dos elétrons da reação. Com a retirada do grupamento amino do aminoácido, há a formação de um cetoácido. No caso do glutamato (principal aminoácido dessa via) o cetoácido formado é o α-cetoglutarato que sai da mitocôndria e retorna ao citoplasma para servir de substrato para outra reação de transaminação.
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A desaminação oxidativa gera uma molécula inorgânica: a amônia (NH3), que também existe na sua forma protonada: íon amônio (NH4+).
A produção de amônia gera um sério problema fisiológico porque essa molécula é extremamente tóxica. 
Como a amônia é tóxica e sua conversão em ureia ocorre no fígado, ela deve ser incorporada a compostos não tóxicos e que atravessem a membrana com facilidade
GLUTAMINA – na maioria dos tecidos extra-hepáticos
ALANINA – nos músculos
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Nas mitocôndrias das células cerebrais o excesso de NH3 reage com KG para formar glutamato. O consumo do KG reduz o TCA diminuindo a produção de ATP (não aceito universalmente)
Depleção de glutamato - NH3 inibe glutaminase – reduz o glutamato que é um neurotransmissor excitatório.
Glutamina se acumula nos neurônios – entrada de água por osmose causando edema e inchaço dos astrócitos.
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Transporte do grupo amino dos tecidos extra-hepáticos ao fígado
 Dois mecanismos são utilizados em humanos para o transporte da amônia dos tecidos periféricos para o fígado, para sua conversão final em uréia. 
O primeiro, utilizado na maioria dos tecidos, utiliza glutamina-sintetase para combinar amônia com glutamato e formar glutamina - uma forma não tóxica de transporte de amônia. A glutamina é transportada no sangue para o fígado, onde é clivada pela glutaminase para produzir glutamato e amônia livre .
 O segundo mecanismo de transporte, utilizado principalmente pelo músculo, envolve transaminação do piruvato para formar alanina
Síntese da glutamina a partir do glutamato
Transporte para o fígado
Fígado
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Para reduzir os níveis de amônia, os astrócitos, células neuronais que garantem o suporte e nutrição dos neurônios, vão sintetizar a glutamina.
NH4+ + glutamato + ATP glutamina + ADP + Pi (glutamina sintase)
Os nitrogênios da glutamina podem ser convertidos e, uréia no fígado.
Redução da amônia no cérebro
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Ciclo glicose-alanina – Durante o exercício prolongado e o jejum, o músculo utiliza AAs de cadeia ramificada como fonte de energia. O nitrogênio removido é transferido (através do glutamato) para a alanina, que é liberada na corrente sanguínea. No fígado, a alanina é captada e convertida em piruvato para a síntese subsequente de glicose.
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Ciclo da uréia
 Quando não são empregados para a síntese de novos aminoácidos ou outros compostos nitrogenados, os grupos amino são canalizados para a formação de um único produto final, a 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. (Obs 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 CO2 . A uréia é produzida pelo fígado e então transportada pelo sangue até os rins, para ser
excretada na urina.
- O ciclo da uréia abrange dois compartimentos celulares: começa no interior da mitocôndria do hepatócito, mas três dos passos subsequentes ocorrem no citosol.
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Síntese de carbamoil-fosfato
A carbamoil fosfato sintetase I (CPS1), a enzima limitante do ciclo da ureaa, só é ativa na presença de N-acetilglutamato, um ativador alostérico que aumenta a afinidade da enzima por ATP. A síntese de 1 mol de carbamoil fosfato requer 2 moles de ATP. Os outros produtos são 2 moles de ADP e 1 mol de Pi
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O ciclo da uréia consiste em cinco reações :
- duas dentro da mitocôndria 
 três no citosol. 
O ciclo utiliza:
dois grupos amino –
um do NH4+ e um do aspartato, e um carbono do HCO3- para formar a uréia.
1. Carbamoil fosfato sintetase 1
2: ornitina transcarbamoilase
3: argininosuccinato sintetase
4: argininosuccinase
5: arginase
A síntese começa na matriz da mitocôndria, onde há a formação de carbamoil-fosfato a partir de amônio e bicarbonato. As reações a seguir fazem parte do ciclo da uréia: na mitocôndria, o carbamoil-fosfato condensa-se com a ornitina, formando citrulina, que é transportada para o citossol, onde reage com aspartato, dando origem ao arginino-succinato, que se decompõe em arginina e fumarato. A arginina é hidrolizada e produz uréia e ornitina. 
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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.
Gasto total = 4 ATPs
Aspartato + NH3 + CO2 + 3 ATP  Uréia + fumarato + 2 ADP +AMP + 2 Pi+ PPi+ 3 H2O
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Regulação por N-Acetilglutamato (NAG)
Carbamoil fosfato sintetase I é regulada alostericamente por N-Acetilglutamato (NAG)
N-acetilglutamato (NAG) Ativa a CPS1
Dieta rica em proteínas, o excesso de aminoácidos é oxidado, aumentando a concentração de glutamato (consequência da transaminação). O aumento do glutamato estimula a síntese de NAG. A ativação resultante da CPS1 aumenta a taxa de síntese de uréia. Assim, o excesso de nitrogênio produzido pela degradação de aminoácidos é eficientemente excretado.
Jejum prolongado, a degradação das proteínas dos músculos vai ser intensificada, já que as cadeias carbônicas desses aminoácidos vão ser utilizadas na gliconeogênese; e a eliminação dos grupos amino restantes vai aumentar a excreção de uréia.
 Arginina ativa a N-acetilglutamato sintase
N-acetilglutamato sintase é ativada por arginina (que é um intermediário do ciclo da uréia). Se a produção de uréia não conseguir eliminar toda a amônia produzida pela oxidação de aminoácidos, vai haver o acúmulo de arginina. O seu acúmulo vai provocar um aumento da concentração de NAG. O NAG então vai estimular a CPS1, essa enzima vai fornecer um dos substrato do ciclo da uréia. 
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O ciclo da ureia é regulado em parte pelo controle da concentração de N-acetilglutamato, o ativador
alostérico essencial da CPS I. A arginina é um ativador alostérico de N-acetilglutamato sintase e é
também uma fonte de ornitina (via arginase) para o ciclo da ureia. As concentrações das enzimas do
ciclo da ureia também aumentam ou diminuem em resposta a uma dieta rica ou pobre em proteínas. A
síntese e excreção da ureia estão diminuídas e a excreção de NH4
+ é aumentada durante a acidose,
como um mecanismo para excretar prótons pela urina. Por último, deve ser notado que durante o
jejum a proteína é degradada para liberar os aminoácidos que são utilizados na gliconeogênese. O
aumento da degradação de proteína durante o jejum resulta no aumento da síntese e excreção da ureia,
um mecanismo para eliminar o nitrogênio liberado.
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Conexões entre o ciclo da uréia
e o ciclo de Krebs
O ciclo da Uréia funciona de forma conectada ao ciclo de Krebs. O fumarato, que é um sub-produto do ciclo da uréia é metabolizado pelo Ciclo de Krebs que por vez o converte em oxaloacetato, que pode ser convertido em aspartato que é utilizado pelo Ciclo da Uréia.
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Degradação dos esqueletos carbônicos dos aminoácidos
Os aminoácidos são degradados a compostos que podem ser metabolizados em CO2 e H2O ou usado na gliconeogênese
Os AA são degradados em um dos sete intermediários: piruvato,-cetoglutarato, Succinil-CoA, fumarato, oxaloacetato, acetil-CoA ou acetoacetato .
Os aminoácidos podem, ser divididos em dois grupos
com base em seus destinos catabólico:
1. Aminoácidos glicogenicos,).
2. Aminoácidos cetogênicos
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Biossíntese dos aminoácidos
Visão geral da síntese dos aminoácidos
Os seres humanos podem sintetizar 12 dos 20 aminoácidos a partir de intermediários anfibólicos. Dentre estes 12, dois (cisteína e tirosina) são formados a partir de aminoácidos nutricionalmente essenciais.
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Biossíntese dos aminoácidos
Síntese de alanina, aspartato, glutamato, asparagina e glutamina
Estas reações envolvem respectivamente transaminação (1) piruvato, (2) oxaloacetato e (3) KG e amidação de (4) aspartato e (5) glutamato.
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Glutamato é o precursor de prolina, ornitina e arginina
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Biossíntese dos aminoácidos
Serina, glicina e cisteína são derivados do 3-fosfoglicerato
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Síntese de neutransmissores derivados de aminoácidos
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Síntese de óxido nítrico a partir da arginina
Co-fatores: FMN, FAD, heme contendo Fe3+.
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Síntese das purinas a partir dos aminoácidos
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Síntese de creatina e fosfocreatina a partir de aminoácidos
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Síntese da glutationa a partir de aminoácidos
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A figura ao lado mostra todos os passos da degradação da fenilalanina. 
As deficiências em cada uma dessas enzimas estão associadas a doenças, indicadas dentro das caixas laranjas.
Os produtos finais da oxidação da fenilalanina são uma molécula de fumarato (um intermediário do Ciclo de Krebs) e uma molécula de acetoacetil-CoA Um precursor do acetil-CoA e de corpos cetônicos
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Descrever os três mecanismos utilizados pelos humanos para a remoção do nitrogênio dos aminoácidos, anterior ao metabolismo dos seus esqueletos de carbono.
Delinear a sequência das reações do ciclo da ureia e traçar o fluxo do nitrogênio dos aminoácidos dentro e fora do ciclo.
Descrever a função da vitamina B6 nas reações das aminotransferases.
Definir os termos e dar exemplos de aminoácidos glicogênicos e cetogênicos.
Resumir os fatores que contribuem para a absorção e a diminuição do pool de aminoácidos livres nos animais.
Resumir as fontes e o uso da amônia nos animais e explicar o conceito de equilíbrio de nitrogênio.
Identificar os aminoácidos essenciais e as fontes metabólicas dos aminoácidos não essenciais.
Explicar as bases bioquímicas e os princípios da terapêutica para o tratamento da fenilcetonúria e da doença da urina em xarope de bordo 
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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
Sarcopenia – perda de massa magra
Desnutrição calorico proteica
Estratégias de nutrição e suplementação no esporte procurar livro
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Ubiquitinação ocorre através da ligação do α-carboxyl da glycine presente na ubiquitina ao grupo ε-amino da lysine presente na proteina by a three-step, enzyme-catalyzed process. 
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A gastrina favorece a formação de HCl e provoca a descarga de parte do conteúdo estomacal para o duodeno. O HCl tem como função fornecer alguma protecção contra colonizações bacterianas indesejáveis e activar o pepsinogénio ,
colecistocinina (CCK) pelo duodeno que por sua vez libera a enteropeptidase que ativa o tripsinogênio pancreático convertendo-o em tripsina. 
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Alanina também é um importante transportador de amônia dos tecidos extra-hepáticos. Entretanto, a sua síntese só é observada quando há um intenso trabalho muscular. Nessa situação metabólica, o músculo tende a produzir muito lactato resultante da glicólise anaeróbica, a partir do piruvato. O lactato pode ser reciclado no fígado gerando nova molécula de glicose na gliconeogênese. Porém, o H+ liberado para o sangue tende a levar a uma acidose que é uma das causas da fadiga muscular. Da mesma forma, o músculo está degradando muitos aminoácidos e aumentando perigosamente a amônia celular. Assim sendo, a síntese da alanina resolve estes dois problemas de uma só vez, já que são necessários piruvato e amônia para sintetizar uma molécula de alanina . A alanina é captada pelo fígado e degradada gerando novamente o piruvato, que é reciclado na gliconeogênese fornecendo novas moléculas de glicose, para o praticante de exercício físico intenso com uma nova carga de glicose plasmática para o metabolismo energético.
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A síntese do fumarato é o 1º elo entre o ciclo da uréia e o TCA, o outro é o aspartato
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Corpos cetônicos: fornecem energia pro cérebro, coração, rins...
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Histamina: vasodilatador em tecidos animais envolvido nas respostas imunologicas. Tbm atua como neurotransmissor
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NO: nos humanos, tá envolvido em vários processos biológicos: controle da pressão sanguínea, envolvido na neurotransmissão
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Fosfocreatina: presente no músculo esquelético, responsável por armazenar energia (pois é fosforilada) que será utilizada, através da degradação, na contração muscular.
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Glutationa: antioxidante, desativando os radicais livres que são prejudiciais à saúde (câncer e doenças neurodegenerativas). 
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