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BIOQUÍMICA DIGESTÃO DE PROTEÍNAS E ABSORÇÃO DE AMINOÁCIDOS • Enzimas proteolíticas (proteases) – quebram proteínas da dieta em seus constituintes, os aminoácidos, no estômago e no intestino; • Proteases lisossomais (catepsinas) – degradam as proteínas que entram nos lisossomas. • Proteínas citoplasmáticas destinadas ao turnover – são ligadas covalentemente a uma pequena proteína, a ubiquitina, a qual, então, interage com um grande complexo protéico, o proteassoma, para degradar a proteína em um processo dependente de trifosfato de adenosina (ATP). • Os aminoácidos liberados das proteínas durante o turnover podem ser utilizados para a síntese de novas proteínas ou para a produção de energia. DIGESTÃO DAS PROTEÍNAS • Se inicia no estômago e se completa no intestino • As enzimas que digerem as proteínas são produzidas como precursores inativos (zimogênios), os quais são maiores do que as enzimas ativas. • Os zimogênios inativos são secretados pelas células nas quais são sintetizados e entram no lúmen do trato digestivo, onde são clivados a formas menores que têm atividade proteolítica; • Essas enzimas ativas têm diferentes especificidades; uma única enzima não pode digerir uma proteína, porém, agindo em conjunto, elas podem digerir as proteínas da dieta a aminoácidos e pequenos peptídeos, os quais são clivados pelas peptidases associadas às células epiteliais do intestino. 1. DIGESTÃO DE PROTEÍNAS NO ESTÔMAGO 2. DIGESTÃO DE PROTEÍNAS POR ENZIMAS DO PÂNCREAS No estômago, a pepsina inicia a digestão das proteínas hidrolisando-as a polipeptídeos menores; O conteúdo do estômago passa para o intestino delgado, no qual agem as enzimas produzidas pelo pâncreas exócrino. As proteases pancreáticas (tripsina, quimotripsina, elastase e carboxipeptidases) clivam os polipeptídeos a oligopeptídeos e aminoácidos; A clivagem adicional dos oligopeptídeos a aminoácidos é realizada por enzimas produzidas pelas células epiteliais do intestino. Finalmente, os aminoácidos produzidos pela digestão de proteína são absorvidos através das células epiteliais do intestino e entram no sangue. • O pepsinogênio é secretado pelas células principais do estômago. • As células parietais gástricas secretam HCl. O ácido no lúmen do estômago altera a conformação do pepsinogênio, que, então, pode clivar a si mesmo, produzindo a protease ativa pepsina. Portanto, a ativação do pepsinogênio é autocatalítica. • As proteínas da dieta são desnaturadas pelo ácido do estômago, o qual serve para inativar as proteínas e desdobrá-las parcialmente, tornando-as melhores substratos para as proteases. • No pH baixo do estômago, a pepsina não é desnaturada e age como uma endopeptidase, clivando ligações peptídicas em vários pontos dentro da cadeia protéica. • Conforme o conteúdo gástrico é esvaziado para o intestino, ele encontra as secreções do pâncreas exócrino. Uma dessas secreções é o bicarbonato, o qual, além de neutralizar o ácido estomacal, aumenta o pH, de forma que as proteases pancreáticas, as quais também estão presentes nas secreções pancreáticas, possam ficar ativas. • Quando secretadas, as proteases pancreáticas estão na forma de pró-enzima inativa (zimogênios). Como as formas ativas dessas enzimas podem digerir umas às outras, é importante que todas as formas zimogênicas se tornem ativas em um curto espaço de tempo. Tal feito é realizado pela clivagem do tripsinogênio à sua forma de enzima ativa tripsina, a qual, então, cliva os outros zimogênios pancreáticos, produzindo suas formas ativas. • O zimogênio tripsinogênio é clivado para formar tripsina pela enteropeptidase (uma protease, antigamente chamada de enteroquinase) secretada pelas células da borda em escova do intestino delgado. A tripsina catalisa as clivagens que convertem quimotripsinogênio na enzima ativa quimotripsina, a pró-elastase em elastase e as pró- carboxipeptidases em carboxipeptidases. BIOQUÍMICA • Tripsina, quimotripsina e elastase são serinaproteases que agem como endopeptidases. • Tripsina – é a mais específica dessas enzimas, clivando ligações peptídicas nas quais o grupo carboxila é fornecido por lisina ou arginina. • Quimotripsina – é menos específica, mas favorece resíduos que contenham aminoácidos ácidos ou hidrofóbicos. • Elastase – cliva não somente elastina, mas também outras proteínas nas ligações em que o grupo carboxila é doado por resíduos de aminoácidos com cadeias laterais pequenas (alanina, glicina ou serina). As ações dessas endopeptidases pancreáticas dão continuidade à digestão das proteínas da dieta iniciada pela pepsina no estômago. • Os peptídeos menores formados pela ação da tripsina, da quimotripsina e da elastase são atacados por exopeptidases, as quais são proteases que clivam um aminoácido por vez a partir do fim da cadeia. • As pró-carboxipeptidases, zimogênios produzidos pelo pâncreas, são convertidas pela tripsina em carboxipeptidases ativas. Essas exo- peptidases removem aminoácidos da extremidade carboxiterminal da cadeia peptídica. A carboxipeptidase A libera preferencialmente aminoácidos hidrofóbicos, enquanto a carboxipeptidase B libera aminoácidos básicos (arginina e lisina). 3. DIGESTÃO DE PROTEÍNAS POR ENZIMAS DAS CÉLULAS INTESTINAIS ABSORÇÃO DOS AMINOÁCIDOS • Os aminoácidos são absorvidos a partir do lúmen intestinal por meio de sistemas de transporte ativo secundário dependente de Na+ e de difusão facilitada. 1. CO-TRANSPORTE DE Na+ E AMINOÁCIDOS • Mecanismo de transporte primário – criação de um gradiente de sódio; • Processo de transporte secundário – acoplamento do aminoácido ao influxo de sódio; ➢ Esse mecanismo permite que as células concentrem aminoácidos a partir do lúmen intestinal. Os aminoácidos são, então, transportados para fora da célula em direção ao fluido intersticial principalmente por transportadores facilitados na membrana serosa. • Um dos carreadores transporta preferencialmente aminoácidos neutros, outro transporta prolina e hidroxiprolina, um terceiro transporta preferencialmente aminoácidos ácidos, e um quarto transporta aminoácidos básicos (lisina, arginina e o intermediário do ciclo da uréia, ornitina) e cistina (dois resíduos de cisteína ligados por ponte dissulfeto). 2. TRANSPORTE DE AMINOÁCIDOS PARA DENTRO DA CÉLULA • Os aminoácidos que entram no sangue são transportados através das membranas celulares dos vários tecidos principalmente por co- transportadores Na+-dependentes e, em menor extensão, por transportadores facilitados. • A dependência de Na+ do transporte de aminoácidos no fígado, no músculo e em outros tecidos permite que as células desses tecidos concentrem aminoácidos do sangue. • As aminopeptidases, localizadas na borda em escova, clivam um aminoácido por vez a partir da extremidade aminoterminal dos peptídeos. • As peptidases intracelulares agem em pequenos peptídeos que são absorvidos pelas células. • A ação conjunta das enzimas proteolíticas produzidas pelas células de estômago, pâncreas e intestino cliva as proteínas da dieta a aminoácidos. As enzimas digestivas digerem a si próprias, bem como as proteínas da dieta. • Elas também digerem as células intestinais que são regularmente esfoliadas para o lúmen. Essas células são substituídas por células que amadurecem a partir de células precursoras localizadas nas criptas duodenais. BIOQUÍMICA METABOLISMO DOSNITROGENADOS DESTINO DO NITROGÊNIO DESTINO DO NITROGÊNIO DOS AMINOÁCIDOS 1. REAÇÕES DE TRANSAMINAÇÃO • Principal processo para remover o nitrogênio dos aminoácidos; • O nitrogênio é transferido, como um grupo amino, do aminoácido original para o α- cetoglutarato formando glutamato, enquanto o aminoácido original é convertido em seu α- cetoácido correspondente; • Todos os aminoácidos, exceto lisina e treonina, são submetidos a reações de transaminação. • As enzimas que catalisam as reações de transaminação são conhecidas como transaminases ou aminotransferases. Para a maioria dessas reações, o α-cetoglutarato e o glutamato servem como um dos pares α- cetoácido-aminoácido. O piridoxal-fosfato é o co- fator, e o mecanismo da reação; • De forma geral, em uma reação de transaminação, um grupo amino de um aminoácido se torna o grupo amino do segundo aminoácido. • São reações prontamente reversíveis – elas podem ser utilizadas para remover o nitrogênio de aminoácidos ou para transferir nitrogênio para α -cetoácidos para formar aminoácidos (degradação e síntese de aminoácidos). 2. REMOÇÃO DO NITROGÊNIO DOS AMINOÁCIDOS COMO AMÔNIA • Células do corpo e bactérias do intestino liberam o nitrogênio de certos aminoácidos na forma de amônia ou íon amônio (NH4 +); • O íon amônio libera um próton para formar amônia por uma reação com um pK de 9,3. Portanto, no pH fisiológico, o equilíbrio favorece o NH + por um fator de aproximadamente 100/1; • O NH3 também está presente no organismo (forma que pode atravessar as membranas celulares); • O NH3 passa para a urina a partir das células tubulares renais e diminui a acidez da urina pela ligação de prótons, formando NH4+. Uma vez que o NH4+ é formado, o composto não pode mais se difundir livremente através das membranas. • O glutamato pode ser desaminado oxidativamente por uma reação catalisada pela glutamato-desidrogenase que produz íon amônio e α-cetoglutarato; • O NAD+ ou o NADP+ podem servir como cofatores. Essa reação ocorre na mitocôndria da maioria das células e é prontamente reversível; ela pode incorporar amônia ao glutamato ou liberar amônia a partir de glutamato. • O glutamato pode coletar nitrogênio de outros aminoácidos como consequência das reações de transaminação e, então, liberar amônia através da reação da glutamato-desidrogenase. Esse NH4+ AMINOÁCIDOS α-cetoácidos Proteínas da Dieta Proteínas Endógenas Biossíntese de aminoácidos, nucleotídeos, aminas Excreção CICLO DE KREBS Glicose CO2 BIOQUÍMICA processo fornece uma das fontes de amônia que entra no ciclo da uréia. • A histidina pode ser diretamente desaminada para formar NH4+ e urocanato. • As desaminações da serina e da treonina são reações de desidratação que requerem piridoxal- fosfato e são catalisadas pela serina-desidratase. A serina forma piruvato, e a treonina, α- cetobutirato. Em ambos os casos, o NH4+ é liberado. • A glutamina e a asparagina contêm grupos R amidas que são liberados como NH4+ por desaminação. • A asparagina é desaminada pela asparaginase, produzindo aspartato e NH4+. • A glutaminase age na glutamina, formando glutamato e NH4+. A reação da glutaminase é particularmente importante no rim, no qual o íon amônio produzido é excretado diretamente na urina, na qual ele forma sais com ácidos metabólicos, facilitando a remoção desses na urina. • O NH4+ que entra no ciclo da uréia é produzido no organismo pela desaminação, ou desamidação, de aminoácidos. 3. PAPEL DO GLUTAMATO NO METABOLISMO DO NITROGÊNIO NOS AMINOÁCIDOS • Papel central no metabolismo dos aminoácidos (síntese/degradação); • O glutamato fornece nitrogênio para síntese de aminoácidos. Nesse processo, o ele obtém seu nitrogênio ou dos outros aminoácidos, por reações de transaminação, ou do NH4+, pela reação da glutamato-desidrogenase. As reações de transaminação servem, então, para transferir grupos amino do glutamato para α-cetoácidos para produzir seus aminoácidos correspondentes; • Quando os aminoácidos são degradados e a uréia é formada, o glutamato coleta nitrogênio dos outros aminoácidos por reações de transaminação. Alguns desses nitrogênios são liberados como amônia pela reação da glutamato- desidrogenase; • O NH4+ é uma das duas formas nas quais o nitrogênio entra no ciclo da uréia. A segunda forma de nitrogênio para a síntese da uréia é fornecida pelo aspartato. O glutamato pode ser a fonte desse nitrogênio; ele transfere seu grupo amino para o oxaloacetato, e aspartato e α- cetoglutarato são formados. 4. PAPEL DA ALANINA E DA GLUTAMINA NO TRANSPORTE DO NITROGÊNIO DOS AMINOÁCIDOS PARA O FÍGADO • As enzimas do ciclo da uréia são ativas principalmente no fígado (é necessário um mecanismo para transportar o nitrogênio dos aminoácidos para o fígado); • Alanina e glutamina – principais transportadores de nitrogênio no sangue; • A alanina é exportada principalmente pelo músculo. Como o músculo metaboliza a glicose por meio da glicólise, o piruvato está disponível no músculo. O piruvato é transaminado com o glutamato para formar alanina, a qual vai até o fígado; • O glutamato é formado pela transaminação de um aminoácido que esteja sendo degradado. Chegando ao fígado, a alanina é transaminada a piruvato, e o nitrogênio será utilizado para a síntese de uréia; • O piruvato formado é utilizado para a gliconeogênese, e a glicose é exportada para o músculo para servir como energia. • Esse ciclo de movimento de carbonos e nitrogênios entre o músculo e o fígado é conhecido como ciclo glicose-alanina. • A glutamina é sintetizada a partir do glutamato pela fixação de amônia, necessitando de energia que é uma enzima citoplasmática encontrada em todas as células. Sob condições de rápida degradação de aminoácidos em um tecido, de forma que os níveis de amônia aumentem, o glutamato que está sendo formado por reações de transaminação irá aceitar uma outra molécula de nitrogênio para formar glutamina. • A glutamina vai até o fígado, o rim ou o intestino, nos quais a glutaminase irá remover o BIOQUÍMICA nitrogênio amida para formar glutamato mais amônia. • No rim, a liberação da amônia e a formação do íon amônio servem para formar sais com ácidos metabólicos na urina; • No intestino, a glutamina é utilizada como substrato energético; • No fígado, a amônia é utilizada para a biossíntese da uréia. CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS NO FÍGADO • Desaminação – remoção dos grupos amina para ser utilizados na produção de energia ou conversão em carboidratos ou gorduras; ➢ Desaminação oxidativa: uréia; amônia. • Transaminação – síntese de aminoácidos não essenciais; ➢ Transaminação: aminoácidos. TRANSAMINAÇÃO • Reação de transaminação – catalisada pelas enzimas aminotransferases. O objetivo dessa reação, é produzir ácido glutâmico e diversos alfa- cetoácidos. TRANSAMINASES • Pirodoxal fosfato (B6) cofator; GLUTAMATO DESIDROGENASE TRANSAMINAÇÃO E DESAMINAÇÃO FLUXO DO NITROGÊNIO DOS AMINOÁCIDOS PARA A URÉIA BIOQUÍMICA CICLO DA URÉIA • O principal produto de excreção de nitrogênio é a uréia, a qual é eliminada pelo corpo na urina. Esse composto inócuo, produzido principalmente no fígado pelo ciclo da uréia, serve como uma forma de eliminar a amônia, a qual é tóxica, particularmente ao cérebro e ao sistema nervoso central. A amônia é rapidamente removida do sanguee convertida em uréia pelo fígado. O nitrogênio é transportado no sangue principalmente nos aminoácidos, em particular na alanina e na glutamina. • Substrato – amônia; glutamina e glutamato; aspartato; • Localização tecidual – hepatócito; • Localização celular – mitocôndria; citosol; • Consumo de ATP – 3 moléculas; 1. REAÇÕES DO CICLO DA URÉIA • O nitrogênio entra no ciclo da uréia como NH + e aspartato; • O NH4+ se converte em carbamoil-fosfato, o qual reage com a ornitina para formar citrulina; • A ornitina é o composto que inicia e é regenerado pelo ciclo (semelhante ao oxaloacetato no ciclo do TCA); • O aspartato reage com a citrulina, doando, por fim, seu nitrogênio para a formação da uréia; • A arginina é formada em dois passos sucessivos; • A clivagem da arginina pela arginase libera uréia e regenera ornitina. SÍNTESE DE CARBAMOIL-FOSFATO: PRODUÇÃO DE ARGININA PELO CICLO DA URÉIA: • Na primeira reação do ciclo da uréia, NH4+, bicarbonato e ATP reagem para formar carbamoil- fosfato; • É necessária a clivagem de 2 ATP para formar a ligação fosfato de alta energia do carbamoil-fosfato; • A carbamoil-fosfato-sintetase I (CPSI), a enzima que catalisa essa primeira reação do ciclo da uréia, é encontrada principalmente nas mitocôndrias do fígado e do intestino. • O número romano sugere que exista uma outra carbamoil-fosfato-sintetase, e, de fato, há a CPSII, localizada no citosol, a qual produz carbamoil-fosfato para biossíntese de pirimidinas, utilizando o nitrogênio da glutamina; • O carbamoil-fosfato reage com a ornitina para formar citrulina; • A ligação fosfato de alta energia do carbamoil-fosfato fornece a energia requerida para essa reação, a qual ocorre na mitocôndria e é catalisada pela ornitina- transcarbamoila-se; • O produto, a citrulina, é transportado através da membrana mitocondrial em troca de ornitina citoplasmática e entra no citosol; • O carreador para essa reação de transporte catalisa uma troca eletroneutra de dois compostos. • No citosol, a citrulina reage com o aspartato, a segunda fonte de nitrogênio para a síntese da uréia, para produzir argininossuccinato. Essa reação, catalisada pela argininossuccinato-sintetase, é direcionada pela hidrólise do ATP a monofosfato de adenosina (AMP) e pirofosfato. O aspartato é produzido pela transaminação do oxaloacetato. • O argininossuccinato é clivado pela argininossuccinato- liase para formar fumarato e arginina; BIOQUÍMICA CLIVAGEM DA ARGININA PARA PRODUZIR URÉIA: 2. ORIGEM DA ORNITINA • Ornitina – aminoácido; • Não é incorporada nas proteínas durante o processo de síntese protéica, pois não existe códon genético para esse aminoácido. • É normalmente regenerada pelo ciclo da uréia (um dos produtos da reação da arginase), ela também pode ser sintetizada de novo, se necessário; • A reação é uma transaminação não-usual catalisada pela ornitina-aminotransferase, sob condições específicas, no intestino; • A direção dessa reação em geral é a de formação de glutamato semialdeído, o qual é o primeiro passo da via de degradação da ornitina. 3. REGULAÇÃO DO CICLO DA URÉIA • O fígado humano tem uma grande capacidade para converter o nitrogênio dos aminoácidos em uréia, prevenindo, dessa forma, os efeitos tóxicos da amônia, a qual pode, caso contrário, acumular. • O ciclo da uréia é regulado pela disponibilidade de substrato; quanto maior a velocidade de produção de amônia, maior a velocidade de produção de uréia. • A regulação por disponibilidade de substrato é uma característica geral de controle de vias de eliminação, tal como o ciclo da uréia, o qual remove compostos tóxicos do organismo. Esse é um tipo de regulação por feed-forward, ao contrário da regulação por feedback (retroalimentação), a qual é característica de vias que geram produtos finais funcionais. 4. FUNÇÃO DO CICLO DA URÉIA DURANTE O JEJUM • Durante o jejum, o fígado mantém os níveis de glicose no sangue. Os aminoácidos das proteínas musculares são a maior fonte de carbono para a produção de glicose pela via da gliconeogênese. Conforme os carbonos dos aminoácidos são convertidos em glicose, os nitrogênios são convertidos em uréia. Assim, a excreção urinária de uréia é maior durante o jejum; • Quando o jejum progride, entretanto, o cérebro começa a utilizar corpos cetônicos, poupando a glicose do sangue; • Menos proteína muscular é clivada para fornecer aminoácidos para a gliconeogênese, e a produção diminuída de glicose a partir de aminoácidos é acompanhada por uma diminuição na produção de uréia. • O principal aminoácido que serve como substrato para a gliconeogênese é a ala- nina, a qual é sintetizada nos tecidos periféricos para agir como um carreador de nitrogênio (ver Figura 38.10). A liberação de glucagon, que acontece durante o jejum, estimula o transporte de alanina para o fígado pela ativação da transcrição do sistema de transporte para alanina. • Duas moléculas de alanina são necessárias para gerar uma molécula de glicose. O nitrogênio • O fumarato é produzido a partir dos carbonos do argininossuccinato provenientes do aspartato e é convertido em malato, o qual é usado tanto para a síntese de glicose pela via da gliconeogênese quanto para a regeneração de oxaloacetato pelas reações citoplasmáticas similares àquelas mencionadas no ciclo do TCA; • O oxaloacetato formado é transaminado para gerar o aspartato que carrega o nitrogênio para o ciclo da uréia. Assim, os carbonos do fumarato podem ser reciclados a aspartato. • A arginina, que contém os nitrogênios derivados do NH4+ e do aspartato, é clivada pela arginase, produzindo uréia e regenerando ornitina; • A uréia é produzida a partir do grupo guanidino da cadeia lateral da arginina; • A porção da arginina originalmente derivada da ornitina é reconvertida em ornitina; • As reações pelas quais a citrulina é convertida em arginina e essa é clivada para produzir uréia ocorrem no citosol; • A ornitina, outro produto da reação da arginase, é transportada para dentro da mitocôndria em troca de citrulina e, na mitocôndria, pode reagir com o carbamoil- fosfato, iniciando outra volta do ciclo. BIOQUÍMICA dessas duas moléculas de alanina é convertido em uma molécula de uréia; SÍNTESE DE CREATININA digestão das proteínas absorção dos aminoácidos DESTINO DO NITROGÊNIO DOS AMINOÁCIDOS CATABOLISMO DE AMINOÁCIDOS NO FÍGADO TRANSAMINAÇÃO TRANSAMINASES GLUTAMATO DESIDROGENASE TRANSAMINAÇÃO E DESAMINAÇÃO FLUXO DO NITROGÊNIO DOS AMINOÁCIDOS PARA A URÉIA CICLO DA URÉIA síntese de creatinina
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