Porfirinas: Estrutura e Síntese do Heme

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PORFIRINAS
ntrodução As porfirinas são compostos orgânicos cíclicos tetrapirrólicos, ou seja, formados por quatro anéis pirrólicos que interagem entre si por meio de ligações metenil. Os anéis pirrólicos das porfirinas (porfirinogênios) são tradicionalmente numerados de I a IV. As porfirinas diferem entre si por suas cadeias laterais, por exemplo, a uroporfirina (porfirinas excretadas na urina) apresenta os grupos acetato (-CH2-COOH-) e propionato (-CH2-CH2-COOH-) como cadeias laterais, enquanto a coproporfirina (porfirina excretada nas fezes) tem como cadeias laterais os grupos metil (-CH3) e propionato. O centro da porfirina pode albergar um íon metálico, sendo chamadas, nesse caso, de metaloporfirina. A metaloporfirina mais relevante em humanos é o heme presente como grupo prostético da hemoglobina, da mioglobina, do citocromo P450 e da enzima catalase. Outra metaloporfirina bastante presente na natureza é a clorofila, em que o metal é o íon magnésio (Figura 30.1). 
As porfirinas são, portanto, pigmentos de cor púrpura e de origem natural, e sua estrutura cíclica é responsável pela absorção da luz em um comprimento de onda próximo de 410 nm, conferindo-lhes a sua cor característica. A presença do íon metálico no centro do anel de porfirina pode alterar essa propriedade em decorrência do fenômeno de transferência de carga dos átomos de nitrogênio para o metal. Distribuição das cadeias laterais nas porfirinas A disposição das cadeias laterais nas moléculas de porfirina pode ser representada por letras – acetato (A), propionato (P), metil (M) e vinil (V) – e o arranjo dessas cadeias laterais determina se a porfirina será do tipo I ou do tipo III. Por exemplo, a uroporfirina III apresenta assimetria nos grupos laterais A e P no anel IV. Essa disposição assimétrica das cadeias laterais classifica a porfirina como tipo III, enquanto uma molécula de porfirina que apresenta a disposição de suas cadeias laterais de forma exatamente simétrica é classificada como porfirina do tipo I (Figura 30.2). 
Tecidos que sintetizam o heme 
O fígado e a medula óssea são os principais tecidos relacionados com a síntese do heme. O fígado sintetiza heme de modo não contínuo, ou seja, atendendo à demanda de proteínas que utilizam heme como grupo prostético, como é o caso do sistema citocromo P450. Já as células da medula fabricam heme de modo contínuo para suprir a demanda das moléculas de hemoglobina. De fato, a síntese do heme deve ocorrer ainda na medula, uma vez que na síntese de porfirina a primeira reação e as três últimas ocorrem no ambiente intramitocondrial e os eritrócitos maduros não apresentam mitocôndrias, de modo que a síntese fora da medula seria inviável. A síntese do heme pode ser dividida em três etapas: síntese da molécula precursora da porfirina, o ácido-δ-aminolevulínico (ALA); formação do anel tetrapirrólico (uroporfirinogênio); e conversão do uroporfirinogênio em heme.
Síntese do ácido-α-amino-β-cetoadípico O primeiro passo para a síntese do heme ocorre na matriz mitocondrial e é também uma etapa limitante na sua biossíntese. Nessa etapa, ocorre a formação do ácido-α-amino-β-cetoadípico, decorrente da condensação entre uma molécula de glicina e succinil-CoA, um intermediário do ciclo do ácido cítrico. Subsequentemente, o ácido-α-amino-β-cetoadípico é descarboxilado, dando origem ao ácido-δ-aminolevulínico (ALA; Figura 30.3). A enzima envolvida nesse primeiro passo da síntese do heme chama-se δ-aminolevulinato-sintase (ALA-sintase) e requer piridoxal fosfato como coenzima (Figura 30.4). Durante a reação, são liberados CO2 e coenzima-A. O ALA representa a única fonte de átomos de carbono e nitrogênio para a síntese de porfirina. Mutações que reduzem a atividade catalítica da ALA-sintase eritrocitária causam anemia sideroblástica com acúmulo de ferro no interior de mitocôndrias dos eritroblastos. Por sua vez, mutações que conduzem ao aumento da atividade catalítica da ALA-sintase eritrocitária determina o acúmulo de protoporfirina causando porfiria, um grupo de doenças decorrentes de alterações enzimáticas na biossíntese do heme. 
No fígado, a enzima ALA-sintase é inibida pelo excesso de heme; nesse caso, o Fe+2 é oxidado a Fe+3 convertendo-se em hemina, que promove inibição na síntese da enzima. Já na medula óssea, a síntese do heme é regulada pela disponibilidade de ferro intracelular e também por meio da eritropoetina, um hormônio glicoproteico liberado pelas células peritubulares renais cuja função é modular a produção de eritrócitos por parte da medula óssea.
	
Síntese do porfobilinogênio
 O ácido-δ-aminolevulínico (ALA) é transportado da matriz mitocondrial para o citosol. A síntese do porfobilinogênio (PGB) é catalisada pela enzima δ-aminolevulinato-desidratase (também chamada porfobilinogênio-sintetase). A porfobilinogênio-sintetase apresenta alto grau de similaridade em diferentes organismos: no homem, por exemplo, a enzima apresenta dois íons zinco coordenados por resíduos de cisteína, sendo que um deles atua na reação de catálise. São necessárias duas moléculas de ALA para dar origem a uma molécula de PGB; cada molécula de ALA interage com um resíduo de lisina no sítio ativo enzimático e, por meio de abstração de prótons, ocorrem aromatização e formação do porfobilinogênio (Figura 30.5). A ALA-sintase é o ponto de regulação da via de síntese do heme, acredita-se que o acúmulo de heme atua por meio de uma molécula repressora, que age como um regulador negativo do acúmulo de ALA-sintase. Outro modo de regulação da enzima seria pelo mecanismo de feedback, ou seja, a ausência de heme provoca acúmulo de ALA, enquanto grande quantidade leva à redução do acúmulo de ALA. A porfobilinogênio-sintetase é extremamente sensível a íons metálicos, tanto que a anemia observada no envenenamento por chumbo é decorrente da inibição da porfobilinogênio-sintetase resultando em acúmulo de ALA. Alguns xenobióticos podem causar aumento de ALA hepática, como os fármacos fenobarbital, griseofulvinas e hidantoínas. Essas substâncias são metabolizadas no fígado por meio do sistema microssomal P450 mono-oxigenase que emprega heme em sua composição. No sentido de serem metabolizados, esses fármacos levam a um aumento de síntese das proteínas do sistema P450, o que exaure as reservas hepáticas de heme. A redução dos níveis de heme nos hepatócitos, por sua vez, leva ao aumento na síntese de ALA-sintase com correspondente aumento na síntese de ALA.
Síntese do uroporfirinogênio 
O uroporfirinogênio III é formado da condensação de quatro moléculas de porfobilinogênio, o que também quer dizer que, para cada molécula de uroporfirinogênio II, são necessárias oito moléculas de ALA. O uroporfirinogênio III representa o primeiro intermediário cíclico da biossíntese do anel tetrapirrólico e, ao mesmo tempo, o primeiro ponto de ramificação para as rotas divergentes que conduzem à formação de diferentes classes de moléculas de tetrapirrólicas. A enzima hidroximetilbilanosintase (ou uroporfirinogênio I sintase) liga quatro moléculas de porfobilinogênio de forma linear, obtendo-se o pré-uroporfirinogênio, também chamado de 1-hidroximetilbilano. O hidroximetilbilano apresenta a tendência de ciclização espontânea, dando origem ao uroporfirinogênio I, contudo, quando sofre a ação da enzima uroporfirinogênio III sintase, o produto final passa a ser o uroporfirinogênio III, que é uma porfirina assimétrica (Figura 30.6). A conversão dos uroporfirinogênios em suas respectivas uroporfirinas ocorre por meio da oxidação promovida pela luz ou mesmo pelos próprios uroporfirinogênios formados.
Após a síntese do uroporfirinogênio III, ele pode ser convertido em coproporfirinogênio III por meio da ação catalítica da enzima uroporfirinogênio descarboxilase, que promove a descarboxilação das cadeias laterais acetato convertendo-as em metil. A descarboxilação inicia-se no acetato do anel D e segue sucessivamente pelos anéis A, B e C. A enzima uroporfirinogênio descarboxilase tem a capacidade de aceitar uma grande variedadede diferentes substratos, incluindo uroporfirinogênios I e II e também todas as formas de uroporfirinogênios e coproporfirinogênios; de fato, ela é capaz de catalisar a conversão de uroporfirinogênios I e III em coproporfirinogênios I e III, respectivamente (Figura 30.7). A uroporfirinogênio descarboxilase é uma descarboxilase incomum, pois não depende de grupos prostéticos ou cofatores. Para a síntese do heme, é necessário que a molécula de coproporfirinogênio III seja convertida em protoporfirinogênio IX. Para tanto, a enzima coproporfirinogênio III oxidase promove descarboxilação das cadeias laterais de propionato presentes nos anéis AB, convertendo-as em grupos vinil. Essa reação ocorre na matriz mitocondrial e requer oxigênio, que atua como aceptor de elétrons durante a catálise.
Síntese do protoporfirina IX e incorporação do ferro 
A penúltima etapa da síntese do heme envolve a oxidação do protoporfirinogênio IX em protoporfirina IX. Essa reação ocorre de forma espontânea, contudo o organismo dispõe da enzima protoporfirinogênio IX oxidase que garante que esse importante passo bioquímico se dê efetiva e rapidamente. A etapa final da síntese do heme ocorre na matriz mitocondrial e quando o ferro em seu estado ferroso é incorporado ao centro do anel de protoporfirina IX, reação que é catalisada pela enzima ferroquelatase (Figura 30.8). Além do ferro, a enzima é capaz de inserir no centro do anel outros íons bivalentes, como Ni+2 e Zn+2, enquanto outros íons bivalentes atuam como inibidores da reação enzimática, como é o caso do Mn+2, Hg+2 e Pb+2. A ferroquelatase é uma enzima dimérica, cada subunidade apresenta quatro estruturas betapregueadas paralelas envolvidas por estruturas em alfa-hélice. Durante a catálise, a configuração planar do anel de protoporfirina IX sofre uma distorção adquirindo um aspecto de abóbada, facilitando, assim, a quelação de metal. Alterações na função da ferroquelatase ou sua deficiência causam protoporfiria eritropoética.
PORFIRIAS E ALTERAÇÕES GENÉTICAS DO METABOLISMO DO HEME 
O termo porfiria tem origem do grego porphýra, que significa púrpura, remetendo à coloração vermelha ou arroxeada da urina de doentes portadores de porfiria. Trata-se de um grupo de alterações que envolvem enzimas relacionadas com a biossíntese do heme (Figura 30.9), resultando em acúmulo e excreção aumentada de porfirinas ou de seus precursores (Figura 30.10). As porfirias podem ser classificadas em genéticas ou adquiridas (Tabela 30.1). As porfirias adquiridas ocorrem, por exemplo, em condições de contaminação por metais pesados, como é o caso do chumbo. Os fatores ambientais e genéticos interagem entre si para a manifestação da doença, uma vez que nem sempre os indivíduos portadores de mutações genéticas a desenvolvem na ausência de fatores ambientais precipitantes. As porfirias hereditárias decorrem de distúrbios autossômicos dominantes, com exceção da porfiria eritropoética congênita, que é recessiva. Já a classificação das porfirias agudas e cutâneas envolve a forma de apresentação dos sintomas. Na porfiria aguda, há predomínio dos sintomas neuropsiquiátricos e viscerais, enquanto nas cutâneas há grande manifestação de fotossensibilidade cutânea. A classificação das porfirias hepáticas ou eritropoéticas leva em consideração a origem dos precursores que estão em excesso, já que os dois tecidos que sintetizam o heme são o fígado e a medula óssea. O primeiro utiliza o heme para ser incorporado ao sistema microssomal P450, enquanto a medula óssea sintetiza o heme para se integrado à molécula de hemoglobina.
 
	
	Figura 30.10 Cascata de síntese do heme, enzimas envolvidas e as porfirias originadas em decorrência das respectivas falhas enzimáticas. *A porfiria cutânea tardia afeta tanto o fígado quanto os eritrócitos.
CATABOLISMO
Catabolismo do grupo heme Os eritrócitos são a grande fonte de heme para a degradação, embora o heme oriundo dos citocromos e da mioglobina também sofra degradação. O heme presente nos eritrócitos é metabolizado para formar bilirrubina que, posteriormente, sofre conjugação com ácido glicurônico, sendo então excretada na bile. Os eritrócitos têm duração de aproximadamente 120 dias, tempo determinado por diversos fatores, como a perda dos resíduos de ácidos siálicos presentes em seus glicoconjugados de membrana. As unidades de ácidos siálicos protegem essas células da captação pelo sistema reticuloendotelial hepático. Eritrócitos senis perdem suas porções de ácido siálico expondo resíduos de galactose, que interagem com receptores dos hepatócitos possibilitando a sua captação por parte do fígado. Outro fator determinante no tempo de vida eritrocitário é a integridade de suas proteínas de membrana e do citoesqueleto responsáveis pela alta capacidade de deformidade dos eritrócitos, já que o diâmetro de muitos capilares é menor que o diâmetro dos eritrócitos. Estima-se que cada eritrócito atravesse o baço cerca de 120 vezes/dia pelos capilares com diâmetro de aproximadamente 3 μm, levando cerca de 30 s nesse processo. Eritrócitos senis perdem sua eficiência em deformar-se, assim são retidos nos capilares delgados do baço onde sofrem degradação por macrófagos. Em torno de 85% do heme degradado advém dos eritrócitos e os 15% restantes são de fontes não eritroides, como os citocromos. A degradação dos eritrócitos ocorre no sistema microssomal, sobretudo no fígado, no baço e na medula óssea. Esse processo libera as porções globina e o ferro das moléculas de hemoglobina, que normalmente são reaproveitados na síntese de novas moléculas de hemoglobina. A enzima heme oxigenase catalisa a primeira etapa na degradação do heme; trata-se de uma enzima substrato-induzível, ou seja, sua expressão é induzida pela presença do grupo heme. Quando o grupo heme chega até o complexo da heme oxigenase, o ferro geralmente já sofreu oxidação por meio de NADPH, sendo convertido em sua forma férrica, momento em que o grupo heme passa a ser chamado de hemina. Subsequentemente, a enzima utiliza outra molécula de NADPH para inserir oxigênio na ligação α-metenil, situada entre os anéis pirrólicos I e II. Nesse processo, o íon de ferro é oxidado de sua forma ferrosa para férrica. A adição do oxigênio desestabiliza o anel, abrindo-o. Esse passo do complexo da heme oxigenase libera Fe+3, CO e biliverdina. A biliverdina é então convertida em bilirrubina por meio da enzima biliverdina redutase, que emprega NADPH para reduzir a ponte metenil entre os anéis pirrólicos III e IV (Figura 30.11). A bilirrubina apresenta uma coloração amarelada em contraste com a biliverdina, cuja cor é verde. De fato, o tom amarelo que um hematoma adquire após algum tempo indica a presença de compostos intermediários decorrentes da degradação do heme por parte do sistema reticuloendotelial.
Captação de bile pelo fígado 
Em virtude de seu caráter predominantemente apolar, a bilirrubina não se solubiliza no plasma, sendo, portanto, carreada ligada à albumina plasmática. Ao que parece, a albumina apresenta dois sítios de ligação à bilirrubina, um cuja interação é forte e outro com interação fraca. Estima-se que aproximadamente 25% da bilirrubina circule ligada à albumina com alta afinidade e que os complexos albumina-bilirrubina formados ocorram na proporção de 1:1, 2:1 e, mais raramente, 3:1. A fração de bilirrubina livre, ou seja, não ligada à albumina, é a responsável pela deposição de bilirrubina nos tecidos e, portanto, pelos seus efeitos deletérios no organismo. Diversos medicamentos podem deslocar a bilirrubina de seus sítios de ligação na albumina plasmática, como salicilatos (comumente utilizados na inflamação, antipirese, analgesia e artrite reumatoide) e sulfonamidas (um grupo de antibióticos sintéticos). Essa situação é clinicamente importante em recém-nascidos, uma vez que a bile interage com o sistema nervoso causando uma série de complicações denominadas “kernicterus”, uma condição resultante da toxicidade da bilirrubina às células dos gânglios da base e diversos núcleosdo tronco cerebral. No fígado, mais precisamente nos sinusoides hepáticos, a bilirrubina é removida da albumina e captada pelos hepatócitos, e, no citosol, liga-se a proteínas específicas chamadas ligandinas. No interior dos hepatócitos, mais precisamente no retículo endoplasmático liso, ocorre a conjugação da bilirrubina e, nesse processo, a enzima UDP-glicuronil-transferase catalisa a adição de glicuronato à molécula de bilirrubina utilizando ADP-ácido glicurônico como doador de glicuronato. Essa reação ocorre em duas etapas, formando primeiro monoglicuronato e, depois, diglicuronato, que é a forma predominante de excreção de bile por parte do organismo (Figura 30.12). A carência dessa enzima causa a icterícia fisiológica no neonato. A bilirrubina não conjugada normalmente não sofre excreção; a conjugação converte a bilirrubina em uma forma hidrossolúvel, uma vez que o glicuronato tem caráter polar. A síntese de diglicuronato de bilirrubina ocorre sobretudo no fígado, mas também em menor escala nos rins e no intestino grosso.