síntese de nitrogenadas

Prévia do material em texto

Purinas são bases nitrogenadas que compõem o nucleotídeo. Adenina (A) e Guanina (G) são purinas que, por ponte de hidrogênio, se ligam às pirimidinas Timina (T) e Citosina (C), respectivamente. Geralmente são pouco solúveis em água de pH neutro e bastante abundantes na natureza, uma vez que metade das bases do DNA são purinas.
A principal utilização das purinas é a síntese do DNA, porém, elas também são componentes de várias outras moléculas indispensáveis ao organismo como o ATP (armazenamento de energia), o NADH (transportador de elétrons em reações bioquímicas da célula) o GTP (molécula de transporte de energia) AMPc (molécula responsável pela transdução de sinais na célula) e a Coenzima A (síntese e oxidação de ácidos graxos, descarboxilação oxidativa do ácido pirúvico anterior ao ciclo de Krebs).
A síntese de purinas se dá por dois meios: de novo, em que ocorre a partir de aminoácidos, gás carbônico, ribose e amônia; e salvamento, em que há a reciclagem de bases oriundas da degradação de nucleotídeos e nucleosídeos.
Existem outros tipos de purinas na natureza. Veja alguns exemplos:
Hipoxantina: é um importante constituintes de ácidos nucléicos, encontrado no anticódon do RNAt (RNA transportador). É muito utilizada como aditivo em células e culturas de parasitas como substrato e fonte de nitrogênio.
Xantina: é uma base púrica encontrada em vários tecidos do corpo humano e em vegetais, é um dos compostos responsáveis pela cor amarela da urina de animais (do grego, Xanthos = amarelo). Uma importante substância presente no grupo das xantinas é a Cafeína, composto químico de fórmula C8H10N4O2, encontrado em plantas e usado em bebidas sob forma de infusão como estimulante, é extremamente solúvel em água a altas temperaturas, não apresenta aroma e de sabor muito amargo.
Teobromina: alcaloide primário, muito encontrado no fruto do cacau e, portanto, presente no chocolate. É utilizada pela Medicina como vasodilatador (que dilata o vaso sanguíneo) e estimulante do coração. Futuramente pode ser utilizada no tratamento de câncer também.
O metabolismo de purinas dá origem ao ácido úrico, composto orgânico cuja fórmula química é C5H4N4O3, muito encontrado na urina de mamíferos, enquanto que em aves e répteis, é excretado pelas fezes. O excesso de ácido úrico no sangue (hiperuricemia) pode levar ao surgimento da gota, uma doença reumatismal em que os cristais de ácido úrico se depositam nas articulações do indivíduo, causando muita dor.
Pirimidinas são bases nitrogenadas, de estrutura heterocíclica e fórmula química C4H4N2. Essa classe de bases é representada pela citosina (C), timina (T) e uracila (U).
Na formação da molécula de DNA e RNA, as pirimidinas se unem às purinas correspondentes através de ligações de hidrogênio, ligação denominada emparelhamento de base. As pirimidinas são moléculas menores e formadas por um único anel de carbono e nitrogênio, ao contrário das bases púricas, que são grandes e compostas de dois anéis. No DNA, aparece a timina, enquanto no RNA, temos a uracila. A diferença entre essas bases se deve à presença do grupo metila na timina, que não ocorre na uracila.
A timina é a única molécula que só se encontra no DNA e é a principal estrutura que compõe esse ácido nucléico. A uracila, que substitui a timina no RNA, é uma base simples e, assim como a outra, estabelece apenas duas ligações de hidrogênio com a adenina (A), purina complementar. A citosina compõe tanto o DNA quanto o RNA e realiza três ligações de hidrogênio com a base púrica guanina (G).
Assim como as purinas, as pirimidinas também podem ser produzidas por síntese orgânica. Através da hidrólise de nucleotídeos (quebra de nucleotídeos com perda de fosfato) são produzidos os nucleosídeos (uma base ligada a uma pentose) pirimídicos citidina, uridina e timidina. A hidrólise desses nucleosídios ocorre no intestino, a partir da ingestão de ácidos nucléicos, mas não são totalmente absorvidos. No entanto, as bases que forma os nucleosídios não são utilizadas para compor novos ácidos nucléicos, e sim desintegradas na mucosa intestinal, em que serão eliminados os produtos do catabolismo (gás carbônico e ureia são catabólitos das pirimidinas).
As células animais quebram nucleotídeos pirimídicos, dando origem às bases que o compõem. Tal reação se dá por meio de desfosforilação (remoção de um fosfato da molécula), desaminação (liberação de um grupo amina por aminoácidos sob a forma de amônia) e clivagem de ligações glicosídicas (fragmentação de ligações de moléculas de carboidratos e álcoois). Timina e uracila produzidas são degradas pelo fígado por redução, tendo como produto do catabolismo os aminoácidos alanina e aminoisobutirato, que depois serão convertidos em manolil-CoA e metil-manolil-CoA.
Distúrbios do metabolismo de pirimidinas podem dar origem a sérias doenças hereditárias tais como a Dihidropirimidina-desidrogenase, a dihidropirimidase e a ureidopropionase.
LIVRO:
Os nucleotídios são necessários para o crescimento e a replicação das células. A di-hidrofolato redutase (à direita) é uma enzima essencial para a síntese de um nucleotídio. O crescimento das células na presença de metotrexato, um inibidor da redutase, é responsável pelo número crescente de cópias do gene da redutase. As regiões amarelas brilhantes visíveis em três dos cromossomos na micrografia de fluorescência (à esquerda), que foram cultivados na presença de metotrexato, contêm centenas de cópias do gene da redutase. [Imagem à esquerda, cortesia da Dra. Barbara Trask e da Dra. Joyce Hamlin.]
Os nucleotídios são biomoléculas essenciais, necessárias para uma variedade de processos vitais. Em primeiro lugar, os nucleotídios são os precursores ativados dos ácidos nucleicos, necessários para a replicação do genoma e para a transcrição da informação genética em RNA. Em segundo lugar, um nucleotídio de adenina, o ATP, constitui a “moeda corrente” universal de energia. Um nucleotídio de guanina, o GTP, também atua como fonte de energia para um grupo mais seleto de processos biológicos. Em terceiro lugar, os derivados de nucleotídios, como a UDP-glicose, participam em processos de biossíntese, como a formação de glicogênio. Em quarto lugar, os nucleotídios são componentes essenciais de vias de transdução de sinais. Os nucleotídios cíclicos, como o AMP cíclico e o GMP cíclico, são segundos mensageiros que transmitem sinais dentro da célula, bem como entre células. Além disso, o ATP atua como doador de grupos fosforila transferidos por proteína quinases em uma variedade de vias de sinalização, e, em alguns casos, o ATP é secretado como molécula de sinalização. Neste capítulo, continuaremos a nossa discussão iniciada no Capítulo 24 sobre a incorporação de nitrogênio em aminoácidos a partir de fontes inorgânicas, como o gás nitrogênio. Os aminoácidos glicina e aspartato constituem o arcabouço sobre os quais são montados os sistemas de anéis presentes nos nucleotídios. Além disso, o aspartato e a cadeia lateral da glutamina atuam como fontes de grupos NH2 na formação de nucleotídios.
 As vias de biossíntese de nucleotídios são de suma importância como pontos de intervenção para agentes terapêuticos. Muitos dos fármacos mais amplamente usados no tratamento do câncer bloqueiam etapas na biossíntese dos nucleotídios, particularmente etapas na síntese dos precursores de DNA. Os nucleotídios podem ser sintetizados de novo ou por vias de recuperação As vias de biossíntese de nucleotídios são divididas em duas classes: as vias de novo e as vias de recuperação (Figura 25.1). Nas vias de novo (começando de zero), ocorre montagem das bases nucleotídicas a partir de compostos mais simples. Inicialmente, a estrutura de uma base pirimidínica é montada e, em seguida, ligada à ribose. Em contrapartida, a estrutura de uma base purínica é sintetizada, peça por peça, diretamente sobre a estrutura da base de ribose. Essas vias apresentam, cada uma delas, um pequeno número de reações elementares, que são repetidas com variações, produzindo diferentes nucleotídios,como se esperaria de vias que surgiram bem no início da evolução. Nas vias de recuperação, bases pré-formadas são recuperadas e novamente ligadas a uma unidade de ribose. As vias de novo levam à síntese de ribonucleotídios. Entretanto, o DNA é formado a partir de desoxirribonucleotídios. Considerando que o RNA precedeu o DNA no curso da evolução, todos os desoxirribonucleotídios são sintetizados a partir dos ribonucleotídios correspondentes. O açúcar desoxirribose é produzido pela redução da ribose em um nucleotídio totalmente formado. Além disso, o grupo metila que distingue a timina no DNA da uracila no RNA é acrescentado na última etapa da via. A nomenclatura dos nucleotídios e suas unidades constituintes já foram apresentadas no Capítulo 4. Convém lembrar que um nucleosídio é constituído de uma base purina ou pirimidina ligada a um açúcar, enquanto um nucleotídio é um éster fosfato de um nucleosídio. Os nomes das principais bases do RNA e do DNA e seus nucleosídios e nucleotídios derivados são apresentados na Tabela 25.1.
25.1 O anel pirimidínico é montado de novo ou recuperado por vias de recuperação Na síntese de novo de pirimidinas, o anel é sintetizado em primeiro lugar e, em seguida, ligado a uma ribose fosfato, formando um nucleotídio pirimidínico (Figura 25.2). Os anéis pirimidínicos são montados a partir de bicarbonato, aspartato e amônia. Embora uma molécula de amônia já presente em solução possa ser usada, ela é habitualmente produzida pela hidrólise da cadeia lateral da glutamina. O bicarbonato e outros compostos de carbono oxigenados são ativados por fosforilação A primeira etapa na biossíntese de novo das pirimidinas é a síntese de carbamoil fosfato a partir de bicarbonato e amônia, em um processo de múltiplas etapas, que exige a clivagem de duas moléculas de ATP. Essa reação é catalisada pela carbamoil fosfato sintetase (CPS; Seção 23.4). A análise da estrutura da CPS revela dois domínios homólogos, cada um dos quais catalisa uma etapa dependente de ATP (Figura 25.3). Na primeira etapa, o bicarbonato é fosforilado pelo ATP, formando carboxifosfato e ADP. Em seguida, a amônia reage com carboxifosfato formando ácido carbâmico e fosfato inorgânico.
Os intermediários podem se mover entre os sítios ativos por canalização A carbamoil fosfato sintetase contém três sítios ativos diferentes (Figura 25.3), separados uns dos outros por uma distância total de 80 Å. Os intermediários produzidos em um sítio movem-se para o seguinte, sem sair da enzima. Esses intermediários movem-se dentro da enzima por meio de canalização do substrato, à semelhança do processo descrito para a triptofano sintetase (Figura 25.4; também Figura 24.17). A amônia produzida no sítio ativo de hidrólise da glutamina percorre uma distância de 45 Å através de um canal no interior da enzima para alcançar o sítio onde foi gerado o carboxifosfato. O ácido carbâmico produzido nesse sítio difunde-se por mais uma distância de 35 Å pela extensão do canal, alcançando o sítio onde ocorre a produção de carbamoil fosfato. Essa canalização desempenha duas funções: (1) os intermediários produzidos em um sítio ativo são capturados, sem qualquer perda por difusão, e (2) os intermediários lábeis, como o carboxifosfato e o ácido carbâmico (que se decompõem em menos de 1 s em pH 7), são protegidos da hidrólise. Veremos mais exemplos de canalização de substratos posteriormente neste capítulo.
As vias de recuperação reciclam bases de pirimidinas As bases pirimidínicas podem ser recuperadas a partir dos produtos de degradação do DNA e do RNA pelo uso de vias de recuperação. Nessas vias, uma base pré-formada é reincorporada em um nucleotídio. Consideraremos a recuperação da base pirimidínica, timina. A timina é encontrada no DNA e forma um par de bases com a adenina na dupla-hélice de DNA. A timina liberada do DNA degradado é recuperada em duas etapas. Na primeira, a timina é convertida no nucleosídio timidina pela timidina fosforilase.
	
25.2 As bases purínicas podem ser sintetizadas de novo ou recicladas por vias de recuperação À semelhança dos nucleotídios pirimidínicos, os nucleotídios purínicos podem ser sintetizados de novo ou por uma via de recuperação. Quando sintetizados de novo, a síntese de purinas começa com materiais iniciais simples, como aminoácidos e bicarbonato (Figura 25.5). Diferentemente das bases de pirimidinas, as bases purínicas são montadas já ligadas ao anel de ribose. De modo alternativo, as bases purínicas, liberadas pela degradação hidrolítica de ácidos nucleicos e nucleotídios, podem ser recuperadas e recicladas. As vias de recuperação das purinas são particularmente notáveis pela energia preservada e pelos efeitos marcantes de sua ausência (p. 758). O sistema do anel purínico é montado sobre a ribose fosfato A biossíntese de novo das purinas, à semelhança da biossíntese de pirimidinas, necessita de PRPP; entretanto, para as purinas, o PRPP fornece o alicerce sobre a qual as bases são construídas passo a passo. A etapa comprometida inicial é o deslocamento do pirofosfato pela amônia, e não por uma base pré-montada, produzindo 5-fosforribosil-1-amina, estando a amina na configuração β. Essa reação é catalisada pela glutamina fosforribosil amidotransferase. Esta enzima é constituída de dois domínios: o primeiro é homologo às fosforribosil transferases nas vias de recuperação das purinas (p. 750), enquanto o segundo produz amônia a partir da glutamina por hidrólise. Entretanto, esse domínio de hidrólise de glutamina é distinto daquele que exerce a mesma função na carbamoil fosfato sintetase. Na glutamina fosforribosil amidotransferase, a hidrólise da glutamina é facilitada por um resíduo de cisteína localizado na extremidade aminoterminal. Para evitar o desperdício com a hidrólise de qualquer um dos substratos, a amidotransferase só assume a configuração ativa quando se liga tanto ao PRPP quanto à glutamina. Como no caso da carbamoil fosfato sintetase, a amônia produzida no sítio ativo de hidrólise da glutamina passa por um canal para alcançar o PRPP sem ser liberada na solução. O anel de purina é montado por etapas sucessivas de ativação por fosforilação seguida de deslocamento São necessárias nove etapas adicionais para a montagem do anel de purina. É importante observar que as primeiras seis etapas são reações análogas. A maioria dessas etapas é catalisada por enzimas com domínios de ATP grasp, que são homólogos aos da carbamoil fosfato sintetase. Cada etapa consiste na ativação de um átomo de oxigênio ligado a carbono (tipicamente, um átomo de oxigênio carbonílico) por fosforilação, seguida de deslocamento do grupo fosforila pela amônia ou de um grupo amina que atua como nucleófilo (Nu).
	
3. O grupo carbonila interno é ativado por fosforilação e, em seguida, convertido por uma amidina pela adição de amônia derivada da glutamina. 4. O produto dessa reação, formilglicinamidina ribonucleotídio, cicliza para formar o anel imidazol de cinco membros encontrado nas purinas. Embora essa ciclização provavelmente seja favorável do ponto de vista termodinâmico, uma molécula de ATP é consumida para garantir a irreversibilidade. O padrão familiar é repetido: um grupo fosforila da molécula de ATP ativa o grupo carbonila e é deslocado pelo átomo de nitrogênio ligado à molécula de ribose. Por conseguinte, a ciclização é uma reação intramolecular, em que o nucleófilo e o átomo de carbono ativado pelo fosfato estão presentes na mesma molécula. Nos eucariotos superiores, as enzimas que catalisam as etapas 1,2 e 4 (Tabela 25.2) são componentes de uma única cadeia polipeptídica. 5. O bicarbonato é ativado por fosforilação e, em seguida, atacado pelo grupo amino exocíclico. O produto da reação na etapa 5 sofre rearranjo para transferir o grupo carboxilato ao anel imidazol. É interessante observar que os mamíferos não necessitam de ATP para essa etapa; aparentemente, o bicarbonato liga-se diretamente ao grupo amino exocíclico e, em seguida, é transferido para o anel imidazol. 6. Ogrupo carboxilato do imidazol é novamente fosforilado, e o grupo fosfato é deslocado pelo grupo amino do aspartato. Mais uma vez, nos eucariotos superiores, as enzimas que catalisam as etapas 5 e 6 (Tabela 25.2) compartilham uma única cadeia polipeptídica. 7. O fumarato, um intermediário no ciclo do ácido cítrico, é eliminado, deixando o átomo de nitrogênio do aspartato ligado ao anel imidazol. O uso de aspartato como doador de grupo amino e a liberação concomitante de fumarato lembra a conversão da citrulina em arginina no ciclo da ureia, e essas etapas são catalisadas por enzimas homólogas nas duas vias (Seção 23.4). 8. Um grupo formila do N10-formil-tetra-hidrofolato é acrescentado a esse átomo do nitrogênio, formando um 5-formaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleotídio final. 9. O 5-formaminoimidazol-4-carboxamida ribonucleotídio cicliza com a perda de água, formando o inosinato. Muitos dos intermediários na via de biossíntese de novo das purinas sofrem rápida degradação em água. A sua instabilidade em água sugere que o produto de uma enzima precisa ser canalizado diretamente para a próxima enzima ao longo da via. Evidências recentes mostraram que as enzimas formam, de fato, complexos quando há necessidade de síntese de purinas. O AMP e o GMP são formados a partir do IMP Algumas etapas convertem o inosinato em AMP ou GMP (Figura 25.7). O adenilato é sintetizado a partir do inosinato pela substituição do átomo de oxigênio carbonila em C-6 por um grupo amino. Mais uma vez, a adição de aspartato, seguida da eliminação de fumarato, contribui para o grupo amino. O GTP, e não o ATP, é o doador de grupo fosforila na síntese do intermediário adenilossuccinato a partir do inosinato e aspartato. De acordo com a utilização de GTP, a enzima que promove essa conversão, a adenilossuccinato sintase, está estruturalmente relacionada com a família de proteínas G e não contém um domínio ATP grasp.
O guanilato é sintetizado pela oxidação do inosilato a xantilato (XMP), seguida da incorporação de um grupo amino em C-2. O NAD+ é o aceptor de hidrogênio na oxidação do inosinato. O xantilato é ativado pela transferência de um grupo AMP (em lugar de um grupo fosforila) do ATP para o átomo de oxigênio do grupo carbonila recém-formado. A amônia, produzida pela hidrólise da glutamina, desloca então, o grupo AMP para formar guanilato, em uma reação catalisada pela GMP sintetase. Observe que a síntese de adenilato requer a presença de GTP, enquanto a síntese de guanilato necessita de ATP. Esse uso recíproco de nucleotídios pelas vias cria uma importante oportunidade de regulação (Seção 25.4).
As enzimas da via de síntese de purinas associam-se umas às outras in vivo Os bioquímicos acreditam que as enzimas de muitas vias metabólicas, como a glicólise e o ciclo do ácido cítrico, estão fisicamente associadas entre si. Essas associações aumentariam a eficiência das vias, visto que facilitariam o movimento do produto de uma enzima para o sítio ativo da próxima enzima na via. As evidências dessas associações provêm principalmente de experimentos em que um componente de uma via, cuidadosamente isolado da célula, está ligado a outros componentes da via. Todavia, essas observações levantam a seguinte pergunta: as enzimas associam-se entre si in vivo ou associam-se espuriamente durante o procedimento de isolamento? Evidências recentes in vivo mostram que as enzimas das vias de purina associam-se às outras quando há necessidade de síntese de purinas. Várias enzimas da via foram fundidas com a proteína fluorescente verde (ver Figura 2.65) e transfectadas para as células. Quando as células foram cultivadas na presença de purina, houve difusão disseminada de GFP por todo o citoplasma (Figura 25.8A). Quando as células foram transferidas para meios de crescimento sem purinas, a síntese de purinas começou, e as enzimas associaram-se entre si, formando complexos designados como purinossomos (Figura 25.8B). Esses experimentos foram repetidos com outras enzimas da via de síntese de purinas fusionadas a GFP, e os resultados foram os mesmos: ocorre síntese de purinas quando as enzimas formam purinossomos. O que na verdade provoca a formação de complexos? Embora os resultados ainda não estejam estabelecidos, parece que uma fosfatase, que presumivelmente responde de algum modo à ausência de purinas, induz a formação de complexos, enquanto uma quinase, que responde à presença de purinas, causa desmontagem do purinossomo. 
As vias de recuperação economizam o gasto intracelular de energia Conforme discutido anteriormente, a síntese de novo das purinas exige um investimento substancial de ATP. As vias de recuperação de purinas proporcionam um meio mais econômico de produção de purinas. As bases purínicas livres, derivadas da renovação de nucleotídios ou da alimentação, podem ligar-se a PRPP, formando monofosfatos de nucleosídios purínicos, em uma reação análoga à formação de orotidilato. Duas enzimas de recuperação com especificidades diferentes recuperam as bases purínicas. A adenina fosforribosil transferase catalisa a formação de adenilato (AMP):
LIVRO 2: 
As bases nitrogenadas, compostos heterocíclicos, são assim denominadas por apresentar em um átomo de nitrogênio que confere à molécula um caráter básico. As bases que formam os nucleotídeos são derivadas de dois compostos: as piridinas e as purinas. As principais bases pirimídicas são a citosina, a timina e a uracila, que se caracterizam por serem compostos hete- rocíclicos com apenas um anel, enquanto as bases púricas são representadas pela adenina e pela guanina, que apresentam dois anéis.