Metabolismo de Proteínas

Calma o coração.... Bioquímica é a pior coisa que tem!! Ainda mais pra quem não sabe nada de química Meu Deus, é sofrencia toda semana

Metabolismo de Proteínas
A síntese de proteínas é um dos processos biosintéticos mais complexos que se conhece. Em eucariotos, quase 300 tipos de macromoléculas contribuem para a síntese, totalizando cerca e 35% do peso seco celular. O gasto energético da síntese protéica pode chegar a 90% do gasto celular total.

Zamecnik e colaboradores determinaram, na década de 1950, que a síntese protéica ocorre no ribossomo, injetando aminoácidos radioativos em animais de experimentação e verificando sua localização intracelular logo após a injeção. Zamecnik e Hoagland depois descobriram que os aminoácidos se ligavam a RNA (depois denominado tRNA) antes de ser incorporado em proteínas, de modo dependente de energia. A formação destes aminacil-tRNAs é catalisada por aminacil-tRNA sintetases.

Crick foi o primeiro a propor que seqüências do mRNA eram reconhecidas por algum tipo de molécula (hoje sabidamente tRNA) que ao mesmo tempo liga um aminoácido. Deste modo, a seqüência do mRNA é traduzida em uma seqüência de aminoácidos. Como combinações de dois nucleotídeos poderiam codificar apenas para 16 aminoácidos, se supôs que pelo menos três resíduos eram necessários para indicar cada aminoácido específico.

O conjunto de três nucleotídeos que codifica um aminoácido específico é conhecido como um códon. Durante a tradução, os conjuntos de três nucleotídeos são lidos de modo sucessivo e sem intersecção. Para isso, deve haver uma sinalização específica que especifica o reading frame, já em princípio que existem três maneiras diferentes de se “ler” o mRNA.

Nirenberg e Matthaei foram pioneiros em decifrar que códons representam cada aminoácido. Eles demonstraram que poli(U) leva à síntese de polifenilalanina quando incubado com homogenato de E. coli com ATP e GTP. Poli(C) gerava poliprolina e poli(A) gerava polilisina. Os RNAs sintéticos foram gerados utilizando polinucleotídeo fosforilase, que sintetiza RNA sem templete, com base nos nucleosídeos 5´-difosfato fornecidos. Utilizando misturas de várias proporções de bases nos mRNAs gerados, foi possível identificar os aminoácidos codificados por cada códon.

Em 1964, Nirenberg e Leder demonstraram que ribossomos se ligavam a tRNAs específicos dependendo do mRNA fornecido. Como exemplo, poli(U) levava à ligação de Phe-tRNAPhe. Foram identificados então os tRNAs correspondentes a cada códon e aminoácido. Percebeu-se neste processo que alguns tRNAs reconheciam mais de um códon, enquanto alguns códons não ligavam nenhum tipo de tRNA.

Khorana desenvolveu técnicas para criar poliribonucleotídeos com seqüências repetidas, permitindo a elucidação de todos os códons. Alguns códons (UAA, UAG e UGA) foram denominados códons de terminação, pois sua presença não permitia a continuidade da síntese do polipeptídeo. O códon AUG foi identificado como sendo o códon de iniciação, que sinaliza inícios de polipeptídeos em todas as células, além de codificar para metionina. Este códon deve ser lido adequadamente para iniciar a síntese protéica e garantir que esteja em fase, evitando a formação de proteínas missense.

Seqüências de nucleotídeos randômicos têm um códon de terminação a cada 20. Seqüências maiores que ~50 códons sem terminações são conhecidas como open reading frames (ORFs), e geralmente correspondem a genes que codificam para proteínas. Em alguns vírus, alguns segmentos de DNA codificam pra duas proteínas diferentes com reading frames distintos. Isso permite carregar uma quantidade maior de informação genética com menor massa de DNA.

A síntese de proteínas pode ser dividida em fases de ativação de aminoácidos, iniciação, elongamento, terminação e processamento pós-traducional. Nestes processos, o ribossomo e tRNA têm um papel central. O ribossomo de E. coli é composto por cerca de 65% de rRNA e 35% de proteína, ocupando 25% do peso seco da célula. Possui duas subunidades, entre as quais se forma um sulco onde o mRNA passa durante a tradução. Em eucariotos, o ribossomo é maior e mais complexo, mas também tem duas subunidades entre as quais passa o mRNA. Os tRNAs são relativamente pequenos e formados por RNA simples fita ,dobrado em uma estrutura tridimensional precisa. Há pelo menos um tRNA por tipo de aminoácido. Alguns tRNAs reconhecem mais de um códon, e outros não. A estrutura do tRNA quando desenhada bidimensionalmente se assemelha a um trevo de quatro folhas, sendo que alguns tRNAs têm um braço curto a mais. Em três dimensões, o dobramento do tRNA leva à forma aproximada de L, com o braço do aminoácido em uma extremidade e o braço do anticódon na outra.

A ativação dos aminoácidos consiste em esterificar o aminoácido, ligando-o ao tRNA correspondente e ativando-o para a formação de ligações peptídicas, um processo que ocorre no citosol e gasta ATP a AMP, catalisado pelas aminoacil-tRNA sintetases. Cada aminoacil tRNA sintetase é específica pra um aminoácido e um ou mais tRNAs. Existem duas classes desta enzima, com estruturas e evolução distintas, por motivos desconhecidos. As sintetases, além de catalisar a ligação entre o aminoácido e tRNA, também podem possuir atividade de proofreading, que hidrolisa aminoácidos errados ligados ao tRNA. Esta atividade é mais comum para aminoácidos com estruturas semelhantes a outros aminoácidos comuns. A atividade de proofreading é importante porque não há mecanismo no ribossomo que cheque se o aminoácido incorporado é o sinalizado pelo códon, fora a afinidade do anticódon do tRNA.

A iniciação envolve o reconhecimento do códon de iniciação e pareamento deste com o primeiro tRNA, num processo que requer GTP e é catalisado por fatores de iniciação. A síntese começa na extremidade amino-terminal e progride um aminoácido de cada vez, como demonstrado por Dintzis em 1961, utilizando aminoácidos marcados e vendo o tempo no qual eram incorporados em proteínas sendo sintetizadas. O códon inicial AUG é reconhecido por um tRNA de metionina específico para a iniciação, diferente do tRNA que reconhece AUG e incorpora metionina no interior do polipeptídeo. Esta metionina inicial, em bactérias, mitocôndrias e cloroplastos, é marcada como formilmetionina.

Para a iniciação da tradução em E. coli, é formado um complexo entre uma subunidade (30S) do ribossomo e dois fatores de iniciação (IF-1 e IF-3). Há então ligação do 30S com mRNA, e o códon de iniciação do mRNA é direcionado à posição correta por uma seqüência consenso, a de seqüência de Shine-Dalgarno, que se pareia com uma porção do rRNA. A proximidade com esta seqüência consenso indica ao códon AUG o pareamento com tRNA de iniciação contendo formilmetionina.

Há três porções do ribossomo bacteriano que ligam tRNAs: o sítio aminoacil (sítio A), o sítio peptidil (sítio P) e o sítio de saída (sítio E). O tRNA contendo formilmetionina se liga exclusivamente ao sítio P (formando o complexo de iniciação), com gasto de GTP. É o único tRNA a se ligar diretamente neste sítio. Os outros tRNAs se ligam na seqüência A, P E.

O elongamento progride com a adição de aminoácidos subseqüentes, levados ao ribossomo e posicionados por tRNAs, num processo coordenado por fatores de elongamento e que utiliza energia química da hidrólise de GTP. Este processo é controlado por proofreading, que checa o pareamento do códon/anticódon, mas não o aminoácido inserido. O tRNA se liga no fator de elongamento EF-Tu, e depois ao sítio A, com hidrólise de GTP. Há então formação da ligação peptídica entre os dois aminoácidos, por ataque do grupo α amino do aminoácido no sítio A à ligação entre aminoácido e tRNA no sítio P. O tRNA sem aminoácido do sítio P é então transferido ao sítio E por deslocamento (translocamento) do ribossomo, mudando também o posicionamento do segundo tRNA de A para P. Há agora ligação de um novo tRNA no sítio A, continuando o processo.

A terminação é sinalizada por um códon de terminação (UAA, UAG ou UGA). A liberação da proteína do ribossomo é auxiliada por fatores de liberação. Estes fatores realizam a hidrólise da ligação final entre o peptídeo e tRNA, desligam o tRNA do ribossomo e dissociam o ribossomo para que possa se ligar a um novo mRNA.

Durante o processo de síntese do peptídeo, duas ligações ricas em energia são hidrolisadas para a ligação tRNA-aminoácido, além de duas no translocamento e elongamento, além de gastos para correção de erros. Estes gastos são muito maiores que a energia química de uma ligação peptídica, garantindo a irreversibilidade de todos os processos envolvidos.

A proteína deve então se dobrar para atingir sua forma biologicamente ativa. Durante este processamento pós-traduação pode também haver alteração enzimática da estrutura protéica, como clivagem, metilação, acetilação, etc. O dobramento da proteína ocorre de forma hierárquica, impulsionado principalmente pelo efeito hidrofóbico, e resulta na formação das interações que irão manter a estrutura nativa da proteína. Este processo pode começar até mesmo durante a síntese protéica, convertendo a informação linear do DNA e mRNA em uma estrutura tridimensional protéica.

As modificações pós-traducionais são muitas vezes determinantes para a aquisição da estrutura tridimensional final da proteína. Estas incluem alterações aos aminoácidos amino- ou até carboxi-terminais. Em eucariotos, ~50% dos grupos amino-terminais são N-acetilados após a tradução. É comum a extremidade amino-terminal de proteínas ter seqüências sinalizadoras para certos compartimentos intracelulares, e estas seqüências serem removidas após a localização correta.

Alguns aminoácidos específicos como Ser, Thr, Tyr são fosforilados por ação enzimática e com gasto de ATP, dando-lhes carga negativa. Estas cargas podem ter várias funções: interação com cátions como Ca2+, regulação de função enzimática, etc. Outros aminoácidos são carboxilados ou metilados. Muitas proteínas formam ligações covalentes entre cisteínas, as pontes dissulfeto.

Algumas proteínas são ligadas covalentemente a carboidratos (glicoproteínas), geralmente em resíduos Asn, Ser ou Thr. Outras proteínas são ligadas a derivados de isopreno, como grupos farnesil (farnesilação), por exemplo. Esta modificação pode auxiliar no ancoramento de proteínas à membrana. Neste grupo, se encontram as proteínas da família Ras, proteínas G e laminina. Há também proteínas que são ligadas a grupos prostéticos como heme e biotina. Algumas proteínas são clivadas para formar sua forma ativa, como, por exemplo, a insulina e caspases.

Muitos antibióticos têm como alvo a síntese protéica bacteriana. A puromicina é um mimético da extremidade 3´ do tRNA, levando à formação de peptidil-puromicina, que impede a adição dos aminoácidos subseqüentes. As tetraciclinas inibem a ligação de tRNAs no sítio A do ribossomo. Cloramfenicol inibe a transferência peptídica em bactérias, mitocôndrias e cloroplastos. A Estreptomicina leva à falta de reconhecimento correto do códon. Alguns outros compostos afetam a síntese protéica em mamíferos, como a toxina diftérica e a ricina.

Para que cada proteína se localize intracelularmente em seu destino em células eucarióticas, várias estratégias diferentes são adotadas. Uma estratégia importante, descoberta por Sabatini e Blobel em 1970, é a inclusão de uma seqüência sinal na proteína, direcionando-a para sua localização final. Existem seqüências sinal amino-terminais bem determinadas para a mitocôndria, cloroplastos e retículo endoplasmático. Estas seqüências freqüentemente levam outras proteínas a este destino se fusionadas, e são removidas durante ou após o transporte ao destino intracelular.

A maioria das proteínas de membrana plasmática, lisossomais ou secretadas têm uma seqüência sinal que as transloca para o lúmen do retículo endoplasmático, onde a seqüência sinal é retirada por clivagem, como demonstrado por Palade. O peptídeo sinal se liga a signal recognition particle (SRP) que transporta o peptídeo em formação e o ribossomo ao retículo. Ali o SRP se liga ao peptide translocation complex, que direciona a proteína sendo sintetizada para o lúmen do retículo.

No lúmen do retículo endoplasmático, a seqüência sinal é removida, há dobramento da proteína e, possivelmente, glicosilação, freqüentemente em resíduos Asn. Há então transporte da proteína para um de vários destinos intracelulares. O transporte ao Golgi é feito em vesículas. Lá há seleção para transporte para outros destinos por mecanismos ainda não bem determinados.

A maioria das proteínas das mitocôndrias e cloroplastos é codificada por DNA nuclear, apesar de existir DNA nessas organelas, e requer mecanismos de transporte para se inserir corretamente na organela. A ação da seqüência sinal mitocondrial (20-35 aminoácidos ricos em Ser, Thr e resíduos básicos) e de cloroplastos se inicia após a síntese da proteína inteira. Neste momento, há reconhecimento dessas seqüências por chaperonas citosólicas (no caso da mitocôndria, HSP70, ou MSF – mitochondrial import stimulation factor), que estabilizam a forma desdobrada e transportam a proteína para receptores na membrana externa da organela. No caso da mitocôndria, se trata do complexo receptor da proteína TOM (transport across the outer membrane). Há então passagem através da porção transmembranar de TOM e subseqüentemente por TIM (transport across the inner membrane), que interage com TOM nos contact sites entre as membranas. A HSP70 mitocondrial (mHSP70), que hidrolisa ATP, e o potencial de membrana mitocondrial providenciam a energia necessária para o processo. A proteína é então dobrada na matriz mitocondrial, com a ajuda de chaperonas locais. Há também remoção por proteases da seqüência sinal.

Há certas proteínas mitocondriais que não são completamente transportados através das duas membranas, se inserindo na membrana interna ou externa devido a sinais de parada de transferência (stop transfer). Pode também haver clivagem da seqüência que passa por TIM, para se criar uma proteína do espaço intermembranas. Finalmente, há proteínas membranares e do espaço intermembranas que são processadas na matriz antes de ser transferidas para seu destino final.

Em cloroplastos, o processo de transporte de proteínas é parecido. Proteínas dos tilacóides têm duas seqüências sinal. A primeira direciona para o cloroplasto e, ao ser removida, permite a exposição da segunda, que direciona ao tilacóide.

Para levar proteínas ao núcleo, há uma seqüência sinal específica, a NLS (nuclear localization sequence) que não é clivada após a entrada no núcleo, para permitir vários ciclos de reorganização das proteínas nucleares após a divisão celular. O transporte de proteínas para o núcleo é auxiliado por importinas e a Ran, uma GTPase que interage com os poros da membrana nuclear.

Em bactérias, há também seqüências de sinalização para localizações em membranas, entre membranas e para o ambiente extracelular. Proteínas secretadas são impedidas de se dobrar pela chaperona SecB, que as leva pra SecA, que interage na membrana com SecYEG. Há então transporte através da membrana, com gasto de ATP.

Algumas proteínas são importadas por células, por ligação em receptores de membrana e endocitose. A endocitose é mediada por clatrinas, proteínas que formam ao redor da porção endocitada uma estrutura poliédrica fechada, que depois é dissolvida no citoplasma.

A degradação protéica é necessária para remoção de proteínas anormais ou inúteis, e serve para reciclar seus aminoácidos. A meia vida de proteínas é muito variável mas, de modo geral, é diminuída pelo uso. Deste modo, enzimas de vias metabólicas muito ativas têm alto turn over.

Em E. coli, muitas proteínas são degradadas pela protease Lon, que gasta ATP para realizar a hidrólise da ligação peptídica. Em eucariotos, a degradação protéica envolve a ubiquitina, uma proteína altamente conservada que se liga a proteínas a serem degradadas às custas de ATP. A degradação da proteína ubiquitinada é então realizada pelo complexo proteasomo, que também utiliza ATP

Síntese de aminoácidos e nucleotídeos
O nitrogênio é o quarto átomo mais abundante em seres vivos, e se encontra predominantemente em aminoácidos e nucleotídeos, cuja síntese possui vias comuns.

O nitrogênio presente nestas moléculas é proveniente do N2 atmosférico fixado por um grupo restrito de bactérias (Klebsiela, Azobacter e Rhizobium) na forma de amônia (NH4+). Plantas e microorganismos podem sintetizar aminoácidos a partir de amônia, mas a amônia é pouco abundante no solo por causa de bactérias como Nitromonas e Nitrobacter que o oxidam a nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-). O nitrato pode ser re-convertido a N2 por denitrificação bacteriana. Nitrato e nitrito podem ser reduzidos a amônia por plantas e microorganismos para sintetizar aminoácidos. Animais precisam obter aminoácidos prontos a partir de fontes vegetais ou animais. Todos estes organismos são capazes de degradar aminoácidos a amônia.

A fixação do nitrogênio se dá por um grupo restrito de bactérias, muitas das quais são simbiontes de raízes de leguminosas. Apesar da conversão de nitrogênio em amônia ser altamente exergônica, ocorre em baixa velocidade devido à estabilidade da ligação tripla N≡N. Para compensar a energia de ativação deste processo, a fixação biológica de nitrogênio envolve o consumo de oito ligações fosfóricas do ATP por N fixado. Este processo ocorre no complexo da nitrogenase, uma proteína ferro-enxofre que também requer molibdênio ou vadánio. Os elétrons necessários (oito por N2) são inseridos um a um pela nitrogenase, provindos de ferredoxina e/ou flavodixina, predominantemente. A nitrogenase é muito sensível a O2, que a inativa rapidamente. Pra evitar este processo, algumas bactérias de vida livre possuem fosforilação oxidativa desacoplada do transporte de elétrons, diminuindo as tensões locais de O2 e levando a aquecimento local. Bactérias simbiontes de leguminosas utilizam a leghemoglobina sintetizada pelas plantas para se proteger de O2.

A amônia é inicialmente incorporada em plantas e bactérias na forma de dois aminoácidos: glutamato e glutamina. A amina do glutamato é fonte de nitrogênio para a geração de outros aminoácidos, enquanto a amida da glutamina é utilizada para uma variedade de processos biológicos. A incorporação da amônia envolve a ação da glutamina sintetase, que combina glutamato com amônia para gerar glutamina, às custas de um ATP. Em bactérias e plantas, o nitrogênio do radical da glutamina pode ser transferido para o α-cetoglutarato, gerando duas moléculas de glutamato, e oxidando um NADPH, numa reação catalisada pela glutamato sintase. Há também, em menor proporção, incorporação direta de amônia em α-cetoglutarato pela glutamato desidrogenase, formando glutamato com gasto de NADPH.

A glutamina sintetase é o principal ponto de regulação da incorporação de amônia em aminoácidos, sendo inibida por vários aminoácidos, carbamoil fosfato e AMP. A adenilação da Tyr397 também leva à inibição da enzima, e ocorre em condições de baixa glutamina e alto α-cetoglutarato e ATP.

Os outros aminoácidos são sintetizados a partir dos grupos amino de glutamato ou glutamina e cadeias carbônicas derivadas da glicólise, ciclo do ácido cítrico ou via das pentoses. A capacidade de sintetizá-los varia com o organismo. Enquanto as bactérias geralmente possuem vias de síntese de todos os aminoácidos, mamíferos geralmente só sintetizam a metade com vias menos complexas (aminoácidos não essenciais). Iremos descrever as vias de síntese com ênfase nos mecanismos presentes em bactérias, agrupando os aminoácidos de acordo com seus precursores.

α-Cetoglutarato é o precursor de glutamato, glutamina e também prolina e arginina. A prolina é derivada da ciclização do glutamato, às custas de ATP e NADPH. A arginina é gerada em animais pelo ciclo da uréia. Em bactérias, a síntese ocorre a partir de glutamato em que o grupo amino é temporariamente acetilado a partir de acetil-CoA, havendo então transaminação, deacetilação e uso da ornitina formada para gerar arginina.

Serina, glicina e cisteína são sintetizados a partir de 3-fosfoglicerato. A síntese da serina envolve a oxidação do grupo hidroxil do 3-fosfoglicerato, gerando 3-fosfohidroxipiruvato, que é transaminado a 3-fosfoserina e hidrolizado. A serina é precursora da glicina, que é formada a partir da remoção de um carbono e água pela ação da serina hidroximetil transferase, que requer tetrahidrofolato e piridoxal fosfato. A inserção de um enxofre derivado de sulfatos ambientais na serina ativada por acetilação gera a cisteína.

O piruvato e oxaloacetato são precursores de nove aminoácidos, sendo a alanina e aspartato produtos direto de sua transaminação. A asparagina é gerada por amidação do aspartato, com a glutamina como doador de NH4+. O aspartato também origina a metionina, lisina e treonina, por vias complexas que variam significativamente entre diferentes organismos. Isoleucina e valina são geradas a partir de treonina, com inserção de um piruvato e redução. A leucina é gerada a partir de um precursor da valina.

Os aminoácidos de cadeia aromática triptofano, fenilalanina e tirosina são sintetizados a partir da condensação de fosfoenolpiruvato e eritrose 4 fosfato, gerando vários compostos que são transformados para formação do anel carbônico. O corismato é o composto aromático que age como precursor destes três aminoácidos. O corismato sofre uma descarboxilação oxidativa e transaminação para gerar tirosina. A fenilalanina é sintetizada pela descarboxilação e desidratação do corismato, seguida de transamiação. A síntese do triptofano a partir de corismato reuqer vários passos adicionais para a formação do novo anel.

A histidina é derivada de três precursores: 5-fosforibosil 1-profosfato (PRPP), derivado de ribose 1-fosfato, que contribui os cinco carbonos; ATP, que contribui nitrogênio e um carbono e glutamina, que contribui o segundo nitrogênio do anel. O uso de ATP como metabólito e não cofator rico em energia é pouco usual, mas não representa uma perda, porque gera um produto que faz parte da via de biossíntese de purinas: 5-aminoimidazol 4-carboxamida ribonucleotídeo.

A maioria das vias de síntese de aminoácidos é regulada por retroalimentação negativa. Como exemplo, a isoleucina inibe alostericamente a treonina desidratase, a primeira enzima na sua via de síntese. A glutamina sintetase é inibida por vários aminoácidos, cujo efeito é somatório.

Os aminoácidos agem como precursores de vários outros tipos de biomoléculas que contém nitrogênio. Um exemplo são as porfirinas, derivadas da condensação de succinil-CoA e glicina gerando δ aminolevulinato, e que junto com ferro fazem parte do grupo heme da hemoglobina e citocromos. Defeitos na via de síntese de profirinas levam ao desenvolvimento de porfirias, um conjunto de doenças genéticas de sintomas variáveis e inespecíficos, de difícil diagnóstoco e tratamento.

A degradação da hemoglobina no fígado libera Fe3+ e bilirrubina, um derivado linear do anel tetrapirrólico do grupo heme. Este pigmento faz parte dos sais biliares, e é eliminado pelo trato gastro-intestinal. A falta de eliminação apropriada leva ao seu acúmulo sérico e é causa de icterícia.

A creatina, que serve como forma de depósito de ligação fosfato rica em energia (fosfocreatina), é sintetizada a partir de glicina e arginina, com a metionina como doadora de grupo metil.

A glutationa, doadora de elétrons para uma série de reações redox, é derivada de glicina, glutamato e cisteína. A glutationa reduzida (GSH) pode doar elétrons para a glutationa peroxidase, uma das principais enzimas responsáveis pela remoção de peróxidos intracelulares. A glutationa oxidada (GSSG) resultante pode ser recuperada à forma reduzida pela glutationa redutase, utilizando NADPH como fonte de elétrons. Deste modo, as relações GSH/GSSG e NADPH/NADP+ são indicadores do balanço redox intracelular.

Um outro mensageiro importante derivado de aminoácidos é o óxido nítrico, sinteitizado pela ação da óxido nítrico sintase a partir de arginina, NADPH e O2. O óxido nítrico e espécies reativas de nitrogênio derivadas podem agir como neurotransmissores, reguladores da coagulação e do tônus vascular. Além disso, óxido nítrico e peroxinitrito são os principais reguladores fisiológicos da capacidade máxima de transporte de elétrons mitocondrial, através de sua ação inibitória na citocromo c oxidase.

Vários neurotransmissores e hormônios são derivados de aminoácidos. A dopamina, norepinefrina e epinefrina são sintetizados a partir de tirosina. O glutamato gera GABA por decarboxilação, e a serotonina é derivada do triptofano. A histamina é derivada da histidina, e sua produção pode ser inibida por análogos da histidina como a cimetidina, com poderosos efeitos antialérgicos.

Os nucleotídeos precursores de DNA, RNA, ATP e cofatores podem ser sintetizados por dois processos: a reciclagem de nucleosídeos liberados dos áciods nucléicos ou a síntese de novo a partir de precursores, que incluem aminoácidos.

A síntese de novo de purinas (adenosina e guanosina) utiliza como precursores glicina, aspartato, formato, glutamina e CO2, conforme determinado por Buchanan utilizando moléculas marcadas radioativamente. A síntese se inicia com a incorporação de um grupo amino de glutamina em PRPP, seguido da adição de carbonos da glicina, nitrogênio de outra glutamina, desidratação e fechamento do anel imidazólico. Há então uma carboxilação, num processo que, pouco usualmente, não requer biotina. O grupo carboxilato é então rearranjado, e há incorporação de amina provinda de aspartato. O último carbono é contribuído por tetrahidrofolato, e o segundo anel é fechado, formando inosinato. O inosinato gera adenilato a partir da inserção de um grupo amino do aspartato, e guanilato a partir da sua oxidação seguida da inserção de um grupo amino da glutamina.

A síntese de purinas é regulada por retroalimentação negativa, sendo a geração de PRPP a partir de ribose 5 fosfato e o primeiro passo para síntese de inosinato inibida por inosinato, AMP e GMP. Os nucleosídeos monofosfatos são convertidos a trifosfatos pela ação de nucleosídeo monofosfato e difisfato quinases.

A síntese de pirimidinas (citidina e uridina) utiliza carbamoil fosfato sintetizada por uma isoforma citosólica da carbamoil fosfato sintetase. O carbamoil fosfato é combinado com aspartato, seguido de uma desidratação e fechamento do anel pirimidínico. Há então uma oxidação e inserção da cadeia lateral que formará a ribose a partir de PRPP. Uma descaboxilação gera uridilato, enquanto a fosforilação seguida de inserção de nitrogênio de glutamina gera citidina trifosfato (CTP). O CTP é inibidor da condensação de carbamoil fosfato e aspartato, providenciando um importante mecanismo de regulação desta via.

Deoxinucleotídeos utilizados na síntese de DNA são gerados por redução direta de seus ribonucleotídeos correspondentes, em reações catalisadas por ribonulceotídeo redutases. Os elétrons necessários são derivados de glutationa ou tiorredoxina. Deoxitimidina é sinteitizada a partir de dUMP, numa reação que envolve a participação de tetrahidrofolato.

Como células cancerosas se desenvolvem em velocidade muito maior que as células sadias, necessitam de altas taxas de síntese de purinas e pirimidinas. Por isso, vários quimioterápicos utilizados em doenças proliferativas são inibidores desta síntese. A azaserina é um análogo da glutamina desenvolvido por Buchanan em 1950, uma das primeiras drogas deste tipo. O metotrexato é um inibidor da diidrofolato redutase.

A degradação das purinas se inicia pela hidrólise da ligação com fosfato, e culmina, tanto para AMP quanto GMP, com a geração de xantina, que é transformada em ácido úrico pela xantina oxidase, uma flavoproteína ferro-enxofre que contém molibdênio, e transfere elétrons para O2, gerando radicais ânion superóxido e H2O2. O acúmulo de ácido úrico formado por esta via no sangue e teciduos leva à gota, por causar inflamação e dor nas juntas por deposição de sais de urato. O alupurinol, um análogo da hipoxantina e inibidor da xantina oxidase, é bastante eficaz no alívio destes sintomas. A degradação de pirimidinas geralmente libera amônia (NH4+) e intermediários da degradação de aminoácidos. Purinas e pirimidinas livres podem também ser recicladas, formando nucleotídeos por mecanismos muito menos complexos que a síntese de novo.

Oxidação de Aminoácidos
A oxidação de aminoácidos é uma fonte de energia de importância variável para diferentes espécies. Chega a compreender 90% da energia utilizada por animais carnívoros, enquanto as plantas quase não utilizam esta via, sintetizando e degradando apenas os aminoácidos necessários para a biossíntese de proteínas.

Em humanos, a oxidação de aminoácidos pode ocorrer durante o turnover de proteínas, após dietas ricas em proteínas, quando sua ingestão supera as necessidades para biossíntese de proteínas e em jejum ou diabetes, quando carboidratos não podem ser metabolizados.

Iremos focalizar nossa atenção no catabolismo de aminoácidos em vertebrados, por ser melhor conhecido. Para serem oxidados, os aminoácidos são separados de seu grupo amino, gerando diferentes α-cetoácidos, que podem servir como fonte de energia ou como fonte de carbonos para a gliconeogênese. Este processamento normalmente ocorre no fígado. Aminoácidos de outros tecidos, principalmente do tecido muscular, são transferidos ao fígado na forma de alanina, formada por transferência do seu grupo amino (transaminação) ao piruvato. No fígado, a cadeia carbônica da alanina pode ser utilizada para neoglicogênese, com exportação da glicose formada de volta ao fígado. Esta ciclagem de alanina e glicose entre fígado e músculo consiste no ciclo de Cori.

Há também formação de glutamina no músculo e outros tecidos, que possui a vantagem de transportar dois grupos amino ao fígado. A glutamina é formada pela glutamina sintetase a partir de glutamato, NH4+ e ATP. Há inserção de um grupo amino na carboxila distal do gutamato, às custas da hidrólise de ATP. No fígado e rins, a glutamina pode regenerar glutamato e NH4+ pela ação da glutaminase. Dentro do fígado, grupos amino de aminoácidos importados e provenientes da alimentação são transferidos a α-cetoglutarato, gerando glutamato, que é então transportado para as mitocôndrias, onde seu grupo amino é eliminado.

Estas formas de transporte plasmático de amônia são necessárias devido à toxicidade deste composto isolado, que apresenta potente capacidade de levar à depleção energética cerebral, por mecanismos ainda pouco conhecidos.

As transferências de grupos amino de diferentes L-aminoácidos para o α-cetoglutarato gerando um α-cetoácido e glutamato são catalisadas pelas transaminases ou aminotransferases. Estas enzimas possuem piridoxal fosfato como grupo prostético, um derivado da piridoxina. Este grupo é capaz de se ligar reversivelmente ao grupo amino, catalisando reações do tipo pingue-pongue. Duas aminotransferases, a alanina e aspartato aminotransferases, têm sua atividade plasmática dosada para revelar e quantificar lesões hepáticas e musculares, ocasionando a liberação da enzima para o plasma.

O nitrogênio retirado dos aminoácidos oxidados pode ser excretado de várias maneiras. Plantas praticamente não excretam nitrogênio, reciclando-o para a produção de outros compostos nitrogenados. Organismos amonotélicos eliminam o nitrogênio como amônia, uma forma de eliminação comum para animais aquáticos. Pássaros e répteis são uricotélicos: excretam ácido úrico, formado a partir do metabolismo de purinas convertidas então a xantinas. Apesar de envolver um gasto energético grande, este mecanismo é interessante para estas espécies devido à economia de água. A maioria dos animais terrestres são urotélicos, e eliminam uréia.

A uréia é produzida por uma seqüência de reações cíclicas descobertas por Krebs e Henseleit em 1932, o ciclo da uréia. O ciclo se inicia na matriz de mitocôndrias hepáticas, onde NH4+ e bicarbonato se condensam, às custas da hidrólise de 2 ATPs, para formar carbamoil fosfato, de modo catalisado pela carbamoil fosfato sintetase I (uma segunda isoforma desta enzima é citosólica e possui uma função distinta na síntese de pirimidinas). O carbamoil fosfato então se condensa com a ornitina, formando citrulina e Pi, de modo catalisado pela ornitina transcarbamoilase. A citrulina passa para o citosol, onde é metabolisada pela argininosuccinato sintetase, que a condensa com aspartato, concomitantemente à hidrólise de ATP a AMP, com formação de argininosuccinato. Há então ação da argininosuccinato liase, liberando arginina e fumarato. O fumarato pode entrar para o ciclo do ácido cítrico, formando oxaloacetato, que pode então regenerar aspartato por transaminação. a arginina sofre a ação da arginase, que a cliva em uréia e ornitina, que é transportada para o interior da mitocôndria para reiniciar o ciclo. Há evidências de formação de complexos multienzimáticos entre as enzimas mitocondriais e citosólicas do ciclo da uréia.

O ciclo é regulado de duas maneiras principais. A primeira envolve regulação hormonal da síntese das enzimas envolvidas, que aumentam em atividade durante o jejum prolongado. A segunda envolve regulação alostérica da carbamoil fosfato sintetase, que é inibida por N-acetil glutamato. Este composto é sintetizado a partir da condensação de glutamato e acetil-CoA, catalisada pela N-acetilglutamato sintase. Esta enzima é ativada por arginina, que, além de sinalizar o acúmulo de intermediários do ciclo da uréia também indica o aumento de aminoácidos livres intracelulares, como ocorre após refeições ricas em proteína ou quando há proteólise estimulada por jejum.

Apesar da eliminação do grupo amino convergir para uma forma predominante em animais, a cadeia carbônica precisa ser metabolisada de maneira específica para cada aminoácido. Em seres humanos sadios, todas as cadeias carbônicas dos 20 aminoácidos podem ser oxidadas, apesar de não haver mecanismos de biossíntese para metade delas, os aminoácidos essenciais.

Várias transformações de aminoácidos envolvem transferências de um carbono, que envolvem o uso de um de três tipos de cofatores: a biotina, que transfere CO2, tetrahidrofolato, que carrega metilenos, formils e formiminos, entre outros, e S-adenosilmetionina, que carrega metilas.

Vários aminoácidos são degradados a acetil-CoA, sendo alguns via geração de piruvatos, que são gliconeogênicos, e outros a acetoacetil-CoA ou acetil-CoA diretamente, sendo cetogênicos. Os gliconeogênicos são alanina (que gera piruvato diretamente pela ação da alanina aminotransferase), triptofano (que é degradado a alanina), cisteína (que tem seu enxofre removido, seguido de uma transaminação que gera piruvato), serina (que gera piruvato e NH4+ pela ação da serina dehidratase), e glicina (que gera serina, mas pode também ser degradada diretamente a CO2 + NH4+). A treonina pode também, em alguns organismos, gerar glicina e serina. Em humanos, é metabolizada a succinil-CoA.

Aminoácidos cetogênicos incluem o triptofano, metabolisado por vias complexas e variáveis que geram acetoacetil-CoA, acetil-CoA e também podem gerar pequenas quantidades de piruvato. Além de ser oxidado como fonte de energia, é freqüente o uso de triptofano como precursor de outras biomoléculas como NAD e serotonina. Lisina (que libera uma acetil-CoA), tirosina e fenilalanina (que liberam um fumarato) são degradadas a acetoacetil-CoA, predominantemente, enquanto a isoleucina gera acetil-CoA e propionil-CoA. A primeira enzima a metabolizar a fenilalanina, a fenilalanina hidroxilase, é deficiente em pacientes fenilcetonúricos, uma das doenças metabólicas mais comuns. Nestes pacientes, o acúmulo de feninalanina, fenilpiruvato e fenilacetato levam a danos cerebrais e retardo mental grave. A restrição de fenilalanina dietética previne completamente este dano, sendo portanto de interesse o diagnóstico neonatal desta doença.

Alguns aminoácidos geram α-cetoglutarato, sendo também capazes de ser utilizados para gliconeogênese. Prolina, glutamato e glutamina geram α-cetoglutarato sem perda de carbonos, enquanto arginina e histidina perdem os carbonos ligados a nitrogênios das cadeias laterais.

Asparagina é degradada a aspartato pela asparaginase, liberando a amina da cadeia lateral. A aspartato aminotransferase então gera oxaloacetato a partir destes aminoácidos gliconeogênicos.

Metionina, isoleucina, treonina e valina são degradados a pripionil-CoA, gerando metilmalonil-CoA e succinil-CoA pela mesma via que ácidos graxos de cadeia com número de carbonos ímpar. A deficiência de metilmalonil-CoA mutase, a última enzima nesta via, leva ao acúmulo de metilmalonato, inibidor competitivo do complexo II mitocondrial que leva a grave lesão neurológica característica da acidose metilmalônica.

O metabolismo dos aminoácidos de cadeia ramificada valina, leucina e isoleucina envolve a ação da aminotransferase de cadeia ramificada, presente em tecidos extra-hepáticos. Após a transaminação, uma desidrogenase específica cataliza a descarboxilação oxidativa das cadeias carbônicas. Uma doença metabólica rara é causada pela deficiência desta enzima, a doença da urina em xarope de bordo.