Metabolismo das Purinas e Pirimidinas

Descrição Geral

Termos básicos

Base nitrogenada:

• Purina:
  • Adenina (A)
  • Guanina (G)
• Pirimidina:
  • Timina (T)
  • Uracilo (U)
  • Citosina (C)
• Outras bases menores:
  • Hipoxantina
  • Xantina

Nucleosídeos: 2 componentes:

• Uma base nitrogenada:
  • Adenina, guanina, timina e citosina no ADN
  • Adenina, guanina, uracilo e citosina no ARN
• Pentose:
  • Ribose
  • Desoxirribose

Uma ligação beta-N-glicosídica une o primeiro carbono da pentose e o N9 de uma purina ou o N1 de uma pirimidina (e.g., adenosina, guanosina, citidina, timidina, uridina, inosina).

Nucleotídeos: 3 componentes principais:

• Base nitrogenada
• Pentose
• Grupos de fosfato (número variável)

Estas moléculas formam o esqueleto do ADN (e.g., monofosfato de adenosina, monofosfato de guanosina, monofosfato de citidina)

> 1 grupo de fosfato:

A esterificação dos grupos fosfato forma os nucleosídeos difosfatados e trifosfatados correspondentes (e.g., trifosfato de adenosina (ATP, pela sigla em inglês), difosfato de adenosina (ADP, pela sigla em inglês)).

Ácido nucleico:

Polímero de nucleotídeos (e.g., ácido ribonucleico (ARN)).

Mnemónicas

• NucleoSide: base + Sugar (NucleoSídeo: base + “Açúcar“)
• NucleoTide: base + sugar + phosphaTe (NucleoTídeo: base + açúcar + fosfaTo)

Importância biomédica

As principais funções dos nucleotídeos:

• Formam os blocos de construção dos ácidos nucleicos
• Atuam como cosubstratos e coenzimas em reações bioquímicas
• Envolvidos em vias de sinalização celular e atuam, também, como segundos mensageiros intracelulares
• Fornecem energia química na forma de trifosfatos de nucleosídeos, como o ATP (energia em reações como a síntese de aminoácidos, proteínas e membranas celulares)

Síntese de Purinas

Construção da estrutura (síntese de novo)

• Os nucleotídeos são formados a partir de moléculas simples: aminoácidos (e.g., glutamina), dadores de carbono (e.g., tetrahidrofolato de formil) e bicarbonato.
• A síntese de nucleotídeos de purina é um processo de multirreação que começa com a conversão da ribose-5-fosfato em 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP, pela sigla em inglês).
• O principal local de síntese é o fígado (intracitoplasmático).

Etapa 1

Síntese de PRPP

• A PRPP é o substrato para a síntese de purinas.
• A ribose-5-fosfato é convertida em PRPP, com fosfatos provenientes do ATP (reação que produz AMP).
• Enzima: PRPP sintetase/ribose fosfato pirofosfocinase
• Correlação clínica: hiperatividade da PRPP: distúrbio ligado ao X associado à sobreprodução de nucleotídeos, manifestando-se com ↑ ácido úrico e anomalias do neurodesenvolvimento

Etapa 2

Formação de 5-fosforribosilamina (PRA, pela sigla em inglês)

• PRPP + glutamina → PRA
• O grupo pirofosfato do PRPP é libertado nesta reação.
• Etapa limitante da taxa de síntese
• Enzima: amidofosforibosiltransferase
• A enzima é inibida por:
  • AMP
  • Monofosfato de guanosina (GMP, pela sigla em inglês)
  • Monofosfato de inosina (IMP, pela sigla em inglês)

Etapa 3

Conversão de 5-fosforibosilamina em ribonucleotídeo de glicinamida (GAR, pela sigla em inglês)

• As etapas subsequentes são complementos para formar um anel de 5 ou 6 membros.
• A glicina é adicionada ao PRA para formar GAR.
• A glicina contribui com o C4, C5 e N7.
• Enzima: GAR sintetase (GARS)/fosforribosilamina glicina ligase

Etapa 4

Formilação de GAR em ribonucleotídeo de formilglicinamida (FGAR, pela sigla em inglês)

• O formiltetrahidrofolato formila o grupo amina do GAR para formar FGAR, contribuindo com o C8 da purina.
• Enzima: GAR transformilase/fosforribosil glicinamida formiltransferase

Etapa 5

Conversão da FGAR em ribonucleotídeo de formilglicinamidina (FGAM, pela sigla em inglês)

• Nesta reação, dependente da adenosina trifosfato (ATP, pela sigla em inglês), a glutamina doa o N3, formando FGAM.
• Enzima: FGAM sintetase / fosforribosil formil glicinamida sintase

Etapa 6

Formação do anel imidazol da purina

• Esta é uma reação dependente de ATP que conduz à formação e fecho do anel purínico.
• O ribonucleotídeo 5-aminoimidazol (AIR, pela sigla em inglês) é formado a partir desta reação.
• Enzima: AIR sintetase/fosforribosil formil glicinamida ciclo-ligase

Etapa 7

Carboxilação de AIR

• Esta é uma carboxilação do AIR, dependente de ATP, para formar o carboxiaminoimidazol ribonucleotídeo (CAIR), na presença de bicarbonato
• O C6 da purina é uma contribuição do bicarbonato.
• Enzima: AIR carboxilase

Etapa 8

Formação de ribonucleotídeo 5-aminoimidazol-4-(N-succinilcarboxamida) (SAICAR, pela sigla em inglês)

• A adição de aspartato forma uma ligação amida com o C6, para formar SAICAR.
• O N1 da purina é fornecido pelo aspartato.
• Enzima: SAICAR sintetase

Etapa 9

Eliminação do fumarato

• O ribonucleotídeo 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR, pela sigla em inglês) é formado pela clivagem do grupo fumarato.
• Enzima: Adenilosuccinato liase/5-fosforribosil-4-(N-succinil carboxamida)-5-aminoimidazol liase

Etapa 10

Formilação para formar ribonucleotídeo 5-formaminoimidazol-4-carboxamida (FAICAR, pela sigla em inglês)

• A formilação ocorre por reação entre o grupo amina do AICAR e o N10-formil tetrahidrofolato para formar FAICAR.
• O C2 do anel de purina é uma contribuição do N10-formil tetrahidrofolato.
• Enzima: AICAR transformilase

Etapa 11

Ciclização para formar IMP

• O monofosfato de inosina é formado pelo fecho enzimático do anel maior do FAICAR, com a libertação de água.
• O monofosfato de inosina é o precursor do AMP e do GMP.
• Enzima: IMP ciclohidrolase

Papel do folato

• O ácido fólico é composto por ácido p-aminobenzoico, glutamina e pteridina e está disponível para utilização na sua forma ativa: ácido tetrahidrofólico (TH4).
• A falta de folato leva à diminuição da síntese de nucleotídeos.
• As 2 consequências importantes do défice de ácido fólico são a anemia megaloblástica e a espinha bífida em recém-nascidos (devido ao défice materno de folato).

Formação de Adenina e Guanina

O monofosfato de inosina é convertido em adenina e guanina como AMP e GMP. Formado a partir do GMP, o trifosfato de guanosina (GTP, pela sigla em inglês) fornece a energia para converter IMP em AMP.

Síntese de monofosfato de guanosina

• Etapa 1: desidrogenação do IMP
  • A desidrogenação do IMP forma monofosfato de xantosina (XMP, pela sigla em inglês).
  • São libertados iões H⁺ (aceites pelo NAD⁺).
  • Enzima: IMP desidrogenase
• Etapa 2: amidação do XMP
  • Ocorre amidação do XMP (amida da glutamina) e hidrólise de ATP, produzindo GMP.
  • Enzima: GMP sintetase
• Correlação clínica:
  • O micofenolato, um imunossupressor, inibe a IMP desidrogenase (IMPDH, pela sigla em inglês), reduzindo a proliferação de células imunes.

Síntese de AMP

• Etapa 1: Doação do grupo amina pelo aspartato
  • O grupo amina do aspartato (liga-se ao IMP) + hidrólise do GTP → adenilosuccinato
  • Enzima: adenilosuccinato sintetase
• Etapa 2: Eliminação do fumarato para formar AMP
  • O adenilosuccinato é convertido enzimaticamente em AMP pela remoção do fumarato.
  • Enzima: adenilosuccinase/adenilossuccinato liase

Regulação da síntese

A síntese de IMP, ATP e GTP é regulada para controlar a quantidade de nucleotídeos de purina produzidos.

• A enzima PRPP sintetase (etapa 1) é inibida pelo ADP e pelo GDP.
• A enzima amidofosforibosiltransferase (etapa 2) é inibida pelo:
  • AMP
  • GMP
  • IMP
• A enzima adenilosuccinato sintetase (síntese de AMP) é inibida pelo AMP.
• A enzima IMP desidrogenase (na síntese de GMP) é inibida pelo GMP.
• Fatores externos que afetam a síntese de purinas incluem análogos das purinas:
  • Tiopurinas (inibem a síntese de novo de purinas)
    • 6-Mercaptopurina (6-MP): agente antineoplásico e imunossupressor
    • 6-Tioguanina
    • Azatioprina (imunossupressor): sofre redução não enzimática em 6-MP
  • Fludarabina
  • Cladribina

Via de Resgate das Purinas

Construção da estrutura

• Criação de nucleotídeos a partir da degradação de ácidos nucleicos
• As purinas livres são convertidas novamente nos seus nucleotídeos respetivos, através de vias de resgate.
• O PRPP é um componente essencial nesta via.
• As 2 principais enzimas envolvidas são:
  1. Adenina fosforibosiltransferase (APRT, pela sigla em inglês)
  2. Hipoxantina-guanina fosforribosiltransferase (HGPRT, pela sigla em inglês)

Reações

• Breve resumo da via de resgate:
  • Adenina + PRPP ⇋ AMP + PPi (enzima: APRT)
  • Guanina + PRPP ⇋ GMP + PPi (enzima: HGPRT)
  • Hipoxantina + PRPP ⇋ IMP + PPi (enzima: HGPRT)
• Correlação clínica: Síndrome de Lesch-Nyhan: distúrbio recessivo ligado ao X causado por defeitos na HGPRT (incapazes de resgatar as bases das purinas → ↑ ácido úrico)

Importância

• Em tecidos como os eritrócitos e o cérebro, a via de resgate é importante devido à ausência de síntese de novo de purinas.
• Esta via economiza o gasto de energia intracelular.

Catabolismo de Nucleotídeos Purínicos

Os ácidos nucleicos (ARN/ADN) são decompostos por nucleases em nucleotídeos. Para degradar os nucleotídeos de purina, o fosfato e a ribose são primeiramente removidos, sendo que reações complementares culminam em xantina e depois em ácido úrico.

Monofosfato de guanosina

• Conversão de nucleotídeo em nucleosídeo (GMP em guanosina) pela enzima nucleotidase, resultando na remoção de fosfato
• A guanosina é ainda dividida:
  • A reação culmina em guanina e em ribose-1-fosfato.
  • Enzima: fosforilase de nucleosídeo de purina
• A desaminação da guanina leva à formação de xantina.

AMP

• A conversão de ácidos nucleicos (ARN/ADN em AMP e em bases) pode ter diferentes vias, usando diferentes desaminases.
• 1ª via:
  • AMP → adenosina: catalisada pela enzima purina nucleotidase, com remoção do fosfato
  • A adenosina é convertida em inosina pela adenosina desaminase (ADA, pela sigla em inglês)
  • A inosina é degradada pela purina nucleosídeo fosforilase (PNP, pela sigla em inglês) em hipoxantina e ribose-1-fosfato.
  • A hipoxantina é oxidada a xantina pela xantina oxidase.
• 2ª via:
  • AMP → ácido inosínico ou IMP: catalisado pela AMP desaminase
  • O IMP é convertido em inosina pela nucleotidase.
  • A inosina é degradada pela PNP em hipoxantina e ribose-1-fosfato.
  • A hipoxantina é oxidada a xantina pela xantina oxidase.
• Correlação clínica:
  • Deficiência da ADA: leva a ↑ desoxi-ATP, desoxi-GTP (tóxico para as células imunes, tais como as células T)
  • Deficiência da PNP: leva a ↑ desoxi-ATP, desoxi-GTP (tóxico para células imunes, tais como as células T) e está também associada a atrasos no desenvolvimento

Xantina

• Tanto a adenosina como a guanosina são convertidas em xantina.
  • Adenosina → inosina → hipoxantina → xantina
  • Guanosina → guanina → xantina
• Xantina oxidase:
  • Catalisa hipoxantina em xantina e xantina em ácido úrico
  • O produto final, ácido úrico, é excretado na urina.
• Correlação clínica: o alopurinol, um inibidor da xantina oxidase, é utilizado no tratamento da gota.

Síntese de Pirimidina

Construção da estrutura (síntese de novo)

• A base da pirimidina é sintetizada primeiro e depois incorporada no nucleotídeo (o anel é completado antes de ser ligado à ribose-5-fosfato).
• Fontes dos átomos de carbono e do nitrogénio da pirimidina:
  • A glutamina e o bicarbonato contribuem com o N3 e C2, respectivamente, que se combinam para formar carbamoil fosfato.
  • O aspartato contribui com o N1, C6, C5 e C4

Etapa 1

Síntese de carbamoil fosfato

• Esta reação ocorre no citoplasma.
• O nitrogénio da glutamina e o carbono do bicarbonato reagem para formar carbamoil fosfato.
• Enzima: carbamoil fosfato sintetase II

Etapa 2

Síntese de carbamoil aspartato

• Etapa limitante da taxa de síntese
• O carbamoil fosfato reage com o aspartato para produzir carbamoil aspartato.
• Os átomos C2 e N3 derivam do carbamoil fosfato.
• Enzima: aspartil transcarbamoilase (ATCase)
  • Ativada pelo ATP
  • Inibida pelo trifosfato de citidina (CTP, pela sigla em inglês)

Etapa 3

Formação do anel de pirimidina

• Uma molécula de água é eliminada e o aspartato de carbamoil é convertido num composto do anel (dihidroorotato).
• Enzima: dihidroorotase

Etapa 4

Oxidação do dihidroorotato

• A remoção de átomos de hidrogénio (desidrogenação) das posições C5 e C6 produz ácido orótico.
• Enzima: dihidroorotato desidrogenase
• Coenzima: NAD

Etapa 5

Formação de orotidina-5-monofosfato (OMP, pela sigla em inglês)

• Ácido orótico + ribose-5-fosfato → monofosfato de orotidina ou ácido orotidílico
• O PRPP é o dador da ribose-5-fosfato.
• Enzima: orotato fosforibosiltransferase (OPRT, pela sigla em inglês)

Etapa 6

Descarboxilação para formar monofosfato de uridina (UMP, pela sigla em inglês)

• O monofosfato de orotidina sofre descarboxilação.
• O UMP é produzido pela remoção de C1 na forma de CO₂, tornando a uridina a primeira pirimidina a ser sintetizada.
• Enzima: OMP descarboxilase
• As etapas subsequentes formam a uridina trifosfato (UTP, pela sigla em inglês) e a citidina trifosfato (CTP, pela sigla em inglês).

Nota: As últimas 2 enzimas nesta via, OPRT e OMP decarboxilase, estão localizadas no mesmo polipéptido, UMP sintase. A UMP sintase catalisa a conversão do ácido orótico em UMP.

Síntese de trifosfato de uridina e trifosfato de citidina

O UTP e o CTP são usados na síntese de ARN.

UTP:

• Etapa 1:
  • A fosforilação da UMP pelo ATP produz difosfato de uridina (UDP, pela sigla em inglês)
  • Enzima: nucleosídeo monofosfato cinase (UMP/CMP cinase)
• Etapa 2:
  • O UDP é fosforilado em trifosfato de uridina (UTP, pela sigla em inglês) pelo ATP.
  • Enzima: nucleosídeo difosfato cinase (NDPK, pela sigla em inglês)

CTP:

• O UTP é convertido em CTP (trifosfato de citidina) pela adição de um grupo amina da glutamina.
• Esta reação requer ATP.
• Enzima: CTP sintetase
  • Ativada pelo GTP
  • Inibida pelo CTP

Desoxirribonucleotídeos e timina

O ADN é diferente do ARN, porque o ADN tem desoxirribose, em vez de ribose, e timina (5-metiluracil), em vez de uracilo.

Os desoxirribonucleotídeos são gerados a partir dos seus ribonucleotídeos correspondentes.

• As ribonucleotídeos redutases (RNRs, pela sigla em inglês) reduzem os ribonucleosídeos difosfatos (NDPs, pela sigla em inglês) a desoxirribonucleosídeos difosfatos (dNDPs, pela sigla em inglês).
• Os dNDPs, por sua vez, são convertidos em desoxirribonucleosídeos trifosfatos (dNTPs, pela sigla em inglês) pela nucleosídeo difosfato cinase (NDPK, pela sigla em inglês).

A timina é uma pirimidina presente no ADN; assim, a porção ribose do nucleotídeo correspondente requer redução.

• Etapa 1:
  • UDP → dUDP
  • Enzima: ribonucleotídeo redutase
• Etapa 2:
  • dUDP → dUTP
  • Enzima: NDPK
• Etapa 3:
  • dUTP → monofosfato de desoxiuridina (dUMP, pela sigla em inglês)
  • Enzima: dUTP difosfohidrolase
• Etapa 4:
  • dUMP é metilado em monofosfato de desoxitimidina (dTMP, pela sigla em inglês).
  • Enzima: timidilato sintase
  • Requer tetrahidrofolato de metileno (como dador de metil)
• Etapa 5:
  • dTMP é fosforilado em dTTP (pelo ATP).
  • A fosforilação ocorre em 2 ciclos.

Correlação clínica: 5-fluorouracil: agente antimetabolito (usado em neoplasias) que inibe a timidilato sintase e diminui a síntese de ADN

Regulação da síntese

• A enzima, carbamoil fosfato sintetase (CPS, pela sigla em inglês) II, na etapa 1:
  • Ativada pelo PRPP e ATP
  • Inibida pelo UTP e UDP
• A enzima ATCase, na etapa 2, é inibida alostericamente pelo CTP.
• A enzima OMP descarboxilase (etapa 6) é inibida pelo UMP.
• Fatores externos, incluindo análogos da pirimidina (usados como agentes antineoplásicos):
  • 5-fluorouracilo
  • Capecitabina
  • Citarabina
  • Gencitabina

Via de resgate de nucleotídeos de pirimidina

• Tal como as purinas, as pirimidinas são recicladas a partir de intermediários derivados de ácidos nucleicos.
• As reações convertem ribonucleosídeos (uridina, citidina) e desoxirribonucleosídeos (timidina, desoxicitidina) em nucleotídeos.
• Cinases ou fosforiltransferases catalisam a transferência do grupo fosforil (a partir do ATP) para os difosfatos, produzindo trifosfatos:
  • NDP + ATP → NTP + ADP
  • dNDP + ATP → dNTP + ADP

Catabolismo de Nucleotídeos de Pirimidina

As células animais degradam os nucleotídeos de pirimidina em bases nitrogenadas, resultando em produtos de degradação como o uracilo e a timina (via redução) no fígado.

• Como nos nucleotídeos de purina, o ácido nucleico (ARN/ADN) é decomposto por nucleases em nucleotídeos.
• A citosina é degradada a uracilo pela remoção de um grupo amina.
• Tanto o uracilo quanto a timina são então reduzidos a diidrouracil e diidrotimina, respetivamente, que sofrem reações posteriores e culminam nos produtos finais:
  • Diidrouracil → β-alanina
  • Dihidrotimina → β-aminobutirato
  • Reação catalisada pela: β-ureidopropionase hepática
  • O β-aminobutirato e a β-alanina são ainda usados no metabolismo dos aminoácidos.
  • Os iões de amónia (NH₄⁺) libertados na degradação destes produtos são usados no ciclo da ureia.

Distúrbios do Metabolismo dos Nucleotídeos