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Síntese e degradação das porfirinas e do heme

I - Biossíntese e mecanismos reguladores:

As porfirinas são tetrapirróis cíclicos conjugados com metais, cujos quatro anéis heterocíclicos (I,II,III,IV) seencontram ligados entre si por grupos de meteno (-CH=), denominados α, β, γ, δ.

A biossíntese de porfirinas, para a qual a glicina é precursora, é de extrema importância devido ao papel do

núcleo de porfirina em proteínas heme, como a hemoglobina e a mioglobina (nas quais o ião Fe

2+

tem a funçãode ligar uma molécula de O2, possibilitando o seu transporte na corrente sanguínea), a catalase (onde o ferrocatalisa a dismutação do peróxido de hidrogénio) e os citocromos (o grupo heme serve como meio de transporte

electrónico entre proteínas).

Biossíntese do heme:

A

  primeira reacção da biossíntese do heme

ocorre nas mitocôndrias e envolve acondensação de uma molécula de glicina e

uma de succinil-CoA pela enzima δ-aminolevulinato sintetase (ALA sintetase), gerando α-amino-β-cetoadipato, que é então descarboxilado a δ-aminolevulinato (nas plantas,

algas e na maior parte das bactérias, o δ-aminolevulinato é formado a partir do glutamato e não da glicina). Esta reacção constitui o passolimitante da biossíntese do heme, é a reacção sujeita a uma maior regulação.

O ALA mitocondrial é então transportado para o citosol onde a ALA desidratase (1) (também chamada porfibilinogénio sintase ouhidroximetilbilano sintase) dimeriza duas moléculas de ALA para produzir porfobilinogénio.

O próximo passo (2) envolve a condensação de 4 moléculas de porfobilinogénio para produzir o intermediário hidroximetilbilano (ou  preuroporfirinogénio). A enzima para esta condensação é a porfobilinogénio desaminase (PBG desaminase), também chamada

uroporfinogénio I sintetase.O hidroximetilbilano formado vai ter dois principais destinos, os isómeros I e III do uroporfirinogénio (UPG). No entanto, o isómero I énão metabolizável, sendo preterido a favor do isómero III. Este forma-se pela acção conjunta da uroporfirinogénio sintase e da

uroporfirinogénio III cosintase (3). No citosol, o UPG é descarboxilado pela enzima uroporfirinogénio descarboxilase (4). Os produtos resultantes têm grupos metilo nolugar dos substituintes acetilo e são conhecidos como coproporfirinogénios (CPG), sendo o coproporfirinogénio III o intermediário mais

comum na síntese do heme.O coproporfirinogénio III é então transportado para o interior da mitocôndria, onde dois grupos propiónicos são descarboxilados em

grupos vinílicos, por acção da coproporfirinogéneo oxidase (5).O produto incolor desta reacção é o protoporfirinogénio IX. Nas mitocôndrias, este é convertido em protoporfirina IX pela

 protoporfirinogénio IX oxidase (6).A reacção final na síntese do heme (7) ocorre também nas mitocôndrias e envolve a inserção de um átomo de ferro no anel, gerando

heme b. A enzima que catalisa esta reacção é a ferroquelatase.

Mecanismos reguladores:Em eucariotas superiores, o principal regulador da via é a concentração de heme na célula, actuando por um mecanismo de retroacção

negativa. A concentração de Fe2+, por outro lado, actua por retroacção positiva na transcrição da primeira enzima da via, a ALAsintetase.

Apesar de o heme ser sintetizado em virtualmente todos os tecidos, os principais locais de síntese são células eritróides (~85%) ehepatócitos. As diferenças entre estes dois tecidos e as suas necessidades em grupos heme resultam em diferentes mecanismos de

regulação da sua biossíntese. Nos hepatócitos, o heme é necessário para a incorporação em citocromos, em particular na classe P450. Para além disso, numerosos

citocromos da via de fosforilação oxidativa contêm heme. Aqui, a hemina, produto da oxidação do heme, actua como um inibidor daALA sintetase, inibindo o seu transporte do citosol (onde é sintetizada) para a mitocôndria (o seu local de acção), assim como reprimetambém a síntese da enzima.Em células eritróides todo o heme é sintetizado para ser incorporado na hemoglobina. Neste caso, o controlo da biossíntese ocorre em

numerosos locais que não ao nível da ALA sintase. O controlo é exercido ao nível da ferroquelatase, a enzima responsável pela inserçãodo ferro na protoporfirina IX, e da porfobilinogénio desaminase.

Alterações genéticas na biossíntese de porfirinas podem levar à acumulação de intermediários da via, causando uma série de doençasconhecidas como porfírias. Defeitos genéticos que causam um aumento da actividade da ALA sintetase ou uma diminuição na actividade

da uroporfirinogénio I sintase dão origem à mais comum das porfírias, a porfíria aguda intermitente, que é diagnosticada pela excrecçãoem excesso de porfobilinogénio (uma condição que não é obvia a partir da cor da urina, já que este é incolor). Outro exemplo é a

α

β

γ

δ

I

II

IV

III

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 protoporfiria eritropoiética. Nesta situação, a uroporfirinogénio III sintetase está presente na medula óssea a apenas 30% do seu nívelnormal. O resultado é que enormes quantidades de uroporfirinogénio I e dos seus coloridos produtos de oxidação são encontrados na

urina e depositados numa grande variedade de tecidos, incluindo dentes e ossos.

II - Degradação, pigmentos (biliares, urinários e fecais) e mecanismos reguladores:

A maioria das porfirinas no organismo existem sob a forma de grupos heme, presentes em moléculas como a hemoglobina, a mioglobina

e os citocromos. Destes, a maior fonte de heme para degradação é proveniente da morte de eritrócitos (por hora são destruídos entre 1 a

2*108 eritrócitos, fornecendo 6g de hemoglobina por dia para degradar). Na degradação da hemoglobina, a componente proteica (globina) é degradada nos seus aminoácidos constituintes para reutilização,enquanto o heme (que é vermelho-escuro) é degradado em células fagocíticas, com maior proporção no baço, fígado e medula óssea. Os

 passos de degradação do heme nestas células são os seguintes:

1. Degradação do heme pelo complexo enzimático heme oxigenase (HO). Aqui ocorre

abertura do anel de tetrapirrol da porfirina, por quebra da ponte alfa-metenilo entre os pirróis I e II.Ocorre com duas oxigenações e usa NADPH como poder redutor para libertar Fe 2+, CO e biliverdina,

um pigmento verde.

2.Redução da bilirrubina pela enzima biliverdina redutase. Esta enzima catalisa a adição de um hidrogéniofornecido pelo NADPH para reduzir a ligação dupla entre os pirróis III e IV, formando-se a bilirrubina,

um pigmento amarelo que será encaminhado para o fígado para a sua posterior transformação.

Os produtos da degradação do heme são variados. O Fe 2+ é transportado através da circulação sanguínea pela ferritina para ser reutilizado na formação de novos grupos heme; o CO, apesar de ser muito tóxico em

altas concentrações, nesta via é produzido em pequenas quantidades, tendo bastante importância na protecção antioxidante, vasodilatação e síntese de neurotransmissores. A bilirrubina é também utilizada em

 pequenas quantidades nos tecidos como um antioxidante muito poderoso.

A bilirrubina é uma molécula apolar e insolúvel no plasma sanguíneo. Para queseja encaminhada para o fígado, liga-se à albumina sérica, aumentando muito asua solubilidade no sangue. Esta proteína tem dois locais de ligação para a

 bilirrubina, de alta e baixa afinidade. Assim, excessos de bilirrubina difundem-senos tecidos. A bilirrubina entra pela face sinusoidal dos hepatócitos por difusãofacilitada, ligando-se em seguinda à ligandina, que aumenta a sua solubilidade no

citosol.Em seguida, a bilirrubina conjuga-se com ácido glicurónico no retículo endoplasmático liso dos hepatócitos,

formando-se bilirrubina diglicurónido, uma molécula polar e solúvel no plasma. As enzimas que catalisam estaconjugação são as glicuronosil transferases. Por último, esta bilirrubina conjugada sai dos hepatócitos para os

canalículos biliares por transporte activo primário. Estes canalículos terminam no ducto biliar, sendo a bilirrubina diglicurónido o principal componente da bílis que é excretada para o duodeno.

Como sabemos, os sais biliares têm um papel importante na digestão das gorduras. Quando a bilirrubina diglicurónido atinge a porçãoterminal do íleon e o intestino grosso, a flora fecal produz beta-glicuronosidases, que removem os grupos glicurónido e reduzem a

 bilirrubina a vários compostos, sendo o principal produto o urobilinogénio. Este urobilinogénio pode seguir três vias:

• Pode entrar na circulação sanguínea e ser reconvertido no fígado a bilirrubina conjugada para ser excretada de novo na bílis.A isto se chama ciclo enterohepático do urobilinogénio;

• Pode entrar na circulação sanguínea e ser encaminhado para o rim, onde é convertido a urobilina, um pigmento amarelo que

dá cor à urina;

• Pode continuar a ser degradado pela flora fecal no intestino, sendo oxidado a estercobilina, um pigmento castanho-

avermelhado que dá cor às fezes.

Quanto à regulação desta via, os principais eventos são os seguintes:• Transcrição do gene da heme oxigenase: existem pelos menos 3 tipos de HO no organismo. A mais importante, a HO-1,

 possui transcrição do seu gene regulada, sendo activada por stress, hiperoxia e hipoxia, choque térmico e exposição aos UV.A HO-2 existe no cérebro e é continuamente transcrita.

• Regulação da enzima heme oxigenase: a HO é induzível por altas concentrações de heme;

• Transporte da bilirrubina: alguns antibióticos realizam inibição competitiva no local de alta afinidade da albumina sérica;

• Conjugação e secreção da bilirrubina: O passo limitante de toda a degradação da bilirrubina ao nível do fígado é a passagem

da bilirrubina conjugada dos hepatócitos para os canalículos biliares, porque o transporte activo é saturável por concetraçãoa este nível. A conjugação e a secreção são um sistema conjugado, porque são induzidos pelas mesmas substâncias.

O excesso de bilirrubina no plasma sanguíneo designa-se por hiperbilirrubinémia. Quando ultrapassa a concentração de 2.5 mg/dl de

 plasma, a bilirrubina difunde-se nos tecidos, causando icterícia. Esta doença caracteriza-se por amarelecimento da pele e dos olhos. Podeter origem pré-hepática (excesso de produção de bilirrubina para o fígado excretar, como pode ocorrer na anemia hemolítica), hepática(hepatite, cancro do fígado), ou pós hepática (obstrução do ducto biliar, cancro do pâncreas, pedras na vesícula biliar). No caso da

icterícia pós-hepática, há excesso de bilirrubina conjugada, e pode ser detectada também pela sua presença na urina. Nos recém-nascidosesta situação é comum porque o sistema de conjugação da bilirrubina ao nível do fígado ainda está imaturo e acumula-se bilirrubina no

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sangue. Isto pode ser resolvido com recurso à exposição a luz polarizada, que converte fotoquimicamente a bilirrubina em compostosmais solúveis e fáceis de degradar.

III - Citocromo P450: composição e mecanismo de acção na destoxificação hepática:

O nosso organismo está exposto diariamente, através do ar, água, alimentos, a diversas substâncias tóxicas, que é necessário metabolizar,

 para não se acumularem e provocarem sobrecargas e disfunções orgânicas importantes que propiciem o desenvolvimento de certasdoenças. Estas substâncias tóxicas são compostas por metais pesados, como o chumbo ou o mercúrio, químicos tóxicos, comomedicamentos, álcool, pesticidas, herbicidas, aditivos alimentares, solventes orgânicos (eg. benzeno); compostos microbianos e produtos

finais do metabolismo proteico: ureia e amoníaco. Doravante, iremos designá-las, genericamente, por xenobióticos (apesar destaexpressão ser mais adequada para as substâncias tóxicas provenientes do exterior, o facto é que o mecanismo de destoxificação hepática

é idêntico tanto para as endógenas como para as exógenas). O fígado é o principal órgão responsável por filtrar todas as toxinas produzidas pelo próprio organismo, além das provenientes do meio ambiente, que são acumuladas ao longo do tempo. O mecanismo

responsável pela destoxificação dá-se através da filtragem sanguínea e pode ser dividido em duas fases:Fase I: As substâncias tóxicas sofremtransformações metabólicas para

 posteriormente, na fase II tornar possível a suaeliminação (é nesta fase que entra o citocromoP450, do qual falaremos mais adiante).

Fase II: Nessa fase as toxinas formadas ou

recebidas na fase I conjugam-se com algunsgrupos químicos hidrossolúveis, tornando-secompostos excretáveis, o que facilita a eliminação através da função renal e fecal. De facto, a polaridade destes compostos

(xenobióticos) é aumentada e a ligação a grupos polares de compostos (eg. sulfato, glicuronato) é promovida, logo a sua eliminação éfacilitada.

Citocromo P450 (ou CYP ), é o nome dado a cada um dos elementos de uma família muito vasta de hemeproteínas, formando, em geral, parte de componentes das cadeias de transporte de electrões. O nome citocromo P450 deriva do facto de ser um conjunto de proteínas

celulares (cytos) coloridas (cromo), absorvendo luz na gama dos 450nm (quando o Ferro do grupo heme é reduzido). A reacção maiscomum catalisada pelo CYP é uma mono-oxigenação (inserção de um átomo de oxigénio num substrato orgânico –AH, enquanto o outro

átomo de oxigénio é reduzido a água). Será uma reacção do tipo , sendo, no caso do CYP , o

BH2 um co-substrato representado pelo NADPH+H+ (ou pelo NADH+H+). Este tipo de monoxigenases mistas (ou hidroxilases) está

 presente nas mitocôndrias e no retículo endoplasmático das células dediversos órgãos, incluindo o fígado, o rim, o cérebro e linfócitos, as

quais desempenham um papel fundamental na destoxificação hepática. No entanto, nem sempre a hidroxilação dos xenobióticos pelo CYP 

conduz a um processo de desintoxicação, pois algumas moléculas podem converter-se em formas muito reactivas capazes de se ligarem

(covalentemente) a determinadas proteínas e ácidos nucleicos e dar origem a processos de cancerização (eg. o CYP2E1 metaboliza o

Acetaminofén(1), dando origem a NAPQI(2) que é hepatotóxico). Existemmuitos tipos de Citocromos P450, podendo destacar-se os que se

representam na tabela da página anterior, pela sua importância nomecanismo de destoxificação hepática. Por exemplo, o CYP2E1 é

responsável pela degradação do Paracetamol, sendo o Etanol um indutor (por isso, excessos de Acetaminofén e/ou de etanol podem levar a

hepatoxicidade). Não representados na tabela, os CYP da subfamília 4Asão extremamente importantes no metabolismo de ácidos gordos (eg.

araquidónico). A maioria dos CYP é formada por 400-500 aminoácidos,

dos quais cerca de 55% são de natureza apolar. Nas reacções dehidroxilação a forma oxidada do citocromo P450 (Fe3+) combina-se como substrato em presença de NADPH-cytP450 redutase, formando-se um complexo férrico citocromo P450(Fe2+ )-substrato, portador de

um electrão (proveniente do NADPH). Este complexo combina-se com o O2, dando lugar a uma espécie muito reactiva e instávelcontendo (FeO)3+, que oxida directamente o substrato, com libertação de água. Em seguida o substrato oxidado dissocia-se e regenera-se

a forma oxidada do CytP450 (dando o substrato lugar a um produto hidroxilado).

 Nos esquemas abaixo é possível ver como os electrões necessários para activar o oxigénio passam no NADPH ao CYP através da acção

da enzima NADPH-cytP450 redutase, que juntamente com o CYP se encontra na membrana celular.

(1) Acetaminofén – derivado analgésico e antipirético da acetanilida; Paracetamol é dos nomescomerciais;

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O mecanismo de acção é complexo e não está bem esclarecido devido ao baixo tempo médio de vida dos seus intermediários. Existemevidências de que no processo se geram espécies reactivas de oxigénio (superóxido: O2•

-; peróxido de hidrogénio: H2O2) e outros radicais

livres (R•) que se podem unir a um radical hidroxilo e gerar o produto hidroxilado. A decomposição do CYP oxigenado é descrita comouma das maiores fontes de radicais superóxido dos sistemas biológicos. Vejamos o caso do metabolismo do Etanol. No fígado, mais

 propriamente no citosol dos hepatócitos, o etanol é convertido em acetaldeído e NADH e, na matriz mitocondrial, o acetaldeídoconverte-se em acetato e NADH. Portanto, o etanol pode ser convertido em triacilgliceróis. Além disso, o excesso da produção de

 NADH (derivada do consumo excessivo, mas não habitual, de

álcool) pode levar à inibição de processos que necessitem de NAD+ (eg. gliconeogénese e oxidação dos ácidos gordos), o queleva, por exemplo, à acumulação de triacilgliceróis no fígado.

Também ocorre libertação de acetaldeído que, quando ligado agrupos funcionais de alguns compostos importantes, leva à

“ressaca”. No entanto, quando o consumo de álcool se tornafrequente, o organismo cria um sistema de eliminação

alternativo: o sistema microssomal de oxidação do etanol,MEOS (Microssomal Ethanol Oxidation System), que gasta

 poder redutor em vez de produzir  sistema do citocromo P450.

Portanto, pessoas que bebem habitualmente eliminam o álcoolmais depressa e perdem peso, em vez de ganhar, sob a agravante

de haver destruição progressiva do fígado (cirrose, cancro). Ometabolismo microssomal do etanol é um caso típico de

metabolismo de xenobióticos pelo fígado, sendo, no entantocomum ao sistema de destoxificação de alguns fármacos (por 

isso, é que há interferência do álcool no metabolismo de algunsmedicamentos).

TRABALHO EFECTUADO POR:

Cátia Bandeiras, nº 58390;Andreia Borges, nº 58505;Diogo Ferreira, nº 58548(grupo 10) MEBM

BIBLIOGRAFIA:

• Murray, R. K. et al , Harper's Illustrated Biochemistry, 26ª Edição (2003), McGraw-Hill Medical;

•  Nelson, D. L. & Cox, M. C., Lehninger's Principles of Biochemistry

 

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, 2ª Edição (2005), Thieme;

• Halpern, M. J et al , Bioquímica, Edição Revista (1997), Lidel;

• http://library.med.utah.edu/NetBiochem/hi7b.htm

• http://www.med.unibs.it/~marchesi/heme.html