Bioquimica Medica Basica de Marks - 2 Edicao 1062p, Notas de estudo de Bioquímica

Baixe Bioquimica Medica Basica de Marks - 2 Edicao 1062p e outras Notas de estudo em PDF para Bioquímica, somente na Docsity! Bioquímica Méd Básica de eb 2º Edição “4 a 1.3 | Colléh a» Allan/D. Marks áifo ate Mies joipa eta 70% Sm Dre se Re po: TOM = ore [rp (a Lao ER Lg Ro Ace ANTON USA RR tee gere Tre o lg e Tg Sat oi opaco e glet Lc pr SAE NT [o fer o [pao ETR o pose Te Lo - Ro pe LEA E a ci o como recurso mnemônico, auxiliando os estudantes a lembrarem as situações apresentadas. À medida que os capítulos avançam, os pacientes aparecem e reaparecem conforme seus problemas são examinados sob a luz dos conceitos bioquímicos tratados no texto. Outros destaques: t= Um sistema de ícones extremamente didático guia o leitor na busca da informação. DR je ar picape A TUR io ES Iso So SPA e respostas, bem como comentários interessantes. t=b Cada capítulo termina com o resumo dos conceitos clínicos e bioquímicos Ee age (e A t=» Questões de revisão aparecem no final de cada capítulo, auxiliando o estudante PRE Çe jet corto fo ora ST So RPA nr to er o ee (oo ts) Projeto gráfico inclui ilustrações de estruturas químicas e rotas metabólicas, bem como diagramas conceituais. tm) Uma nova seção sobre metabolismo tecidual aborda patologias comuns, tais como doença hepática e alcoolismo. [VER gole ola toe Lo Loo pec co o So > lg grr o [et PA o to Roe melhor recurso do que Bioquímica médica básica de Marks! artmed a artm RESPEITO PELO CONHECIMENTO Dedicatória Dedicamos esta edição a dois co-autores do livro original, Basic medical biochemistry: a clinical aprroach, os Drs. Dawn Marks e Colleen Smith. Sua visão, seu entusiasmo desfraldado e sua habilidade para simplificar o complexo foram reconhecidos diversas vezes durante suas carreiras com a mais alta premiação por excelência em ensino ofe- recida pela Universidade e pela Faculdade de Medicina de suas respectivas instituições. Essas qualidades, aliadas à sua convicção de que se aprende e se retém informação re- lacionada à medicina mais efetivamente quando ela é reforçada com correlação clínica, foram as forças teóricas que levaram ao delineamento e ao propósito da 1º edição. Suas mortes prematuras (Dawn em 2000 e Colleen em 2002) interromperam seu trabalho de revisão do livro. Entretanto, seus desejos e planos para a 2º edição foram também nossos desejos e planos. Tentamos permanecer fiéis às suas visões e, dessa forma, honrar suas memórias. Allan D. Marks, MD Michael A. Lieberman, PhD Prefácio à 2º Edição Bioquímica médica básica de Marks: uma abordagem clínica, 2º edição, visa a cobrir a bioquímica humana de maneira completa, sem, no entanto, detalhes excessivos. O objetivo deste livro é ajudar os estudantes a aprenderem a utilizar a bioquímica no processo de solução de problemas clínicos. O texto não apenas fornece uma base de informação completa e unificada, como também encoraja o uso da informação básica dentro de um contexto clínico. O material clínico é apresentado na forma de “pacientes”, criados a partir da ob- servação de um dos autores (Dr. Allan D. Marks) em sua prática de medicina interna. Esses pacientes têm nomes que servem como recurso mnemônico para as histórias dos casos. À medida que os capítulos avançam, os pacientes aparecem e reaparecem, e seus problemas vão sendo examinados sob a luz dos conceitos bioquímicos tratados no texto. Muitos são vistos repetidamente com exacerbações ou novas facetas de seu pro- blema original ou com problemas não-relacionados que requerem atenção médica. Os pacientes são pessoas com personalidades e traços que devem ser considerados em seu tratamento. Alguns aderem ao plano de tratamento, outros não. Alguns ficam curados, alguns ficam progressivamente piores — apesar do tratamento apropriado — e, como na vida real, alguns morrem. / NOVIDADES NESTA EDIÇÃO Houve um longo intervalo entre a 1º e a 2º edições deste livro (oito anos). Isso foi devi- do, em parte, à morte de dois autores da 1º edição, Dawn Marks e Colleen Smith. Em homenagem à visão de Dawn Marks para a 1º edição, bem como suas observações a respeito da 2º, o livro foi renomeado Bioquímica médica básica de Marks: uma abor- dagem clínica. O objetivo de revisar este livro foi retomar a natureza direta da bioquímica e con- tinuar a integrar aplicações médicas. Uma alteração importante realizada na 2º edição é a completa renovação das questões no final dos capítulos: elas agora se assemelham mais a questões do USMLE (United States Medical Licensing Examination) e possuem explicações completas. Outra alteração significativa é a inclusão da seção “Tecidos” no final do livro, a qual apresenta a aplicação da bioquímica na fisiologia de diferentes órgãos e tecidos. Para a inclusão dessa nova seção, foi necessária a reestruturação dos capítulos anteriores. As alterações específicas realizadas na organização e no conteúdo do livro são as seguintes: 1. Todos os capítulos foram atualizados no que era necessário. 2. O metabolismo de nucleotídeos recebeu seu próprio capítulo (Capítulo 41), devido à sua importância na compreensão de vários tipos de fármacos que in- terferem na síntese de DNA. 3. A seção de Endocrinologia Molecular (Capítulos 43 a 47 da 1º edição) foi eliminada, já que se sobrepunha consideravelmente com o que é ensinado em muitos cursos de fisiologia das Faculdades de Medicina. O material que pemaneceu foi distribuído para outros capítulos (a biossíntese de hormônios esteróides foi movida para o Capítulo 34 [o capítulo sobre metabolismo de colesterol]; o mecanismo de ação de hormônios esteróides é apresentado no Capítulo 11 [o capítulo sobre bioquímica e biologia celular], e o mecanismo de ação de hormônios, exceto insulina e glucagon, os quais regulam metabolismo de substratos energéticos, é apresentado no Capítulo 43).  PREFÁCIO À 2º EpiÇÃO w . Foi adicionado um novo capítulo, que trata do metabolismo de etanol (Capítu- lo 25). 6. Os Capítulos 5 e 6 da 1º edição (relação de química orgânica com bioquímica e estrutura dos principais compostos do corpo) foram combinados (ambos os tópicos são tratados no Capítulo 5 desta edição). 7. O Capítulo 9 da 1º edição, intitulado Enzimas, foi dividido em dois capítulos na 2º edição (Capítulo 8, Enzimas como Catalisadores, e Capítulo 9, Regulação de Enzimas). 8. O Capítulo 24 da 1º edição (conceitos básicos na regulação de metabolismo de substratos energéticos por insulina, glucagon e outros hormônios) teve seu conteúco dividido entre o Capítulo 11 (sinalização celular por compostos quí- micos) e o Capítulo 26 (regulação do metabolismo de substratos energéticos por insulina e glucagon) desta edição. 9. O conteúdo dos Capítulo 28 e 29 da 1º edição (rota da pentose-fosfato e rotas de interconversão de açúcares) foi combinado com o relacionado a células san- glííneas vermelhas e foi movido para o Capítulo 44, na nova seção de tecidos. 10. O Capítulo 30 da 2º edição não contém informação a respeito de proteoglica- nos, a qual foi movida para a seção de tecido conjuntivo, Capítulo 49. 11. O Capítulo 31 da 2º edição, gliconcogênese e manutenção da glicose sangúínea durante jejum, contém assuntos dos Capítulos 27 e 31 da I'edição. 12. A seção sobre tecidos contém capítulos sobre hormônios que regulam meta- bolismo de substratos energéticos (Capítulo 43), componentes do sangue (Ca- pítulo 44), reações de sangue (Capítulo 45), metabolismo hepático (Capítulo 46), metabolismo muscular (Capítulo 47), metabolismo do sistema nervoso (Capítulo 48) e metabolismo do tecido conjuntivo (Capítulo 49). O conteúdo da 1º ecição que foi movido para a seção sobre tecidos inclui a biossíntese do heme e a ligação de oxigênio à hemoglobina (Capítulo 44), a cascata de coagu- lação sengilínea (Capítulo 45), o metabolismo de proteoglicanos (Capítulo 49), a biossíntese de colágeno (Capítulo 49) e a biossíntese de neurotransmissores (Capítulo 48). O conteúdo novo nessa seção inclui o metabolismo xenobiótico (Capítulo 46), a diferenciação de células sangiúíneas (Capítulo 44), a regulação do uso de energia pelo músculo (Capítulo 47) e uma explicação mais detalhada sobre as proteínas do tecido conjuntivo (Capítulo 49). COMO UTILIZAR ESTE LIVRO Ícones identificam os vários componentes do livro: os pacientes que são apresentados no início de cada capítulo, as observações clínicas, as observações bioquímicas, ques- tões e respostas que aparecem nas margens das páginas e os comentários clínicos e bioquímicos que são encontrados no final de cada capítulo. Ao início de cada capítulo, o conteúdo desse é resumido de modo que os estu- dantes possam identificar as palavras-chave e os conceitos a serem ensinados. O com- ponente seguinte é a “Sala de Espera”, que apresenta pacientes com queixas e uma descrição dos eventos que os levaram a buscar ajuda médica. P indica paciente do sexo feminino Pp indica paciente do sexo masculino Sumário Parte Um. Metabolismo de Substratos Energéticos 1. Substratos Energéticos Metabólicos e Componentes Dietéticos 2. O Estato Alimentado ou Absortivo 22 3. Jejum 30 Parte Dois. Fundamentos Químicos e Biológicos da Bioquímica . Água, Ácidos, Bases e Tampões 41 . Estruturas dos Principais Compostos do Corpo 54 . Aminoácidos em Proteínas 72 . Relações Estrutura-Função nas Proteínas 92 . Enzimas como Catalisadores 115 . Regulação de Enzimas 138 57 . Sinalização Celular por Mensageiros Químicos 184 . Relação entre Biologia Celular e Bioquímica aS0wongu pn Parte Três. Expressão Gênica e a Síntese de Proteínas 12. Estrutura dos Ácidos Nucleicos 207 13. Síntese de DNA 222 14. Transcrição: Síntese de RNA 237 15. Tradução: Síntese de Proteínas 258 16. Regulação da Expressão Gênica 274 17. Uso de Técnicas de DNA Recombinante em Medicina 297 18. A Biologia Molecular do Câncer 317 Parte Quatro. Oxidação de Substratos Energéticos e Produção de ATP 19. Bioenergética Celular: ATP CO, 341 20. Ciclo do Ácido Tricarboxílico 360 21. Fosforilação Oxidativa e Função Mitocondrial 380 22. Produção de ATP a Partir de Glicose: Glicólise 399 23. Oxidação de Ácidos Graxos e Corpos Cetônicos 418 24. Toxicidade do Oxigênio e Danos por Radicais Livres 439 25. Metabolismo do Etanol 458  xii Sumário Parte Cinco. Metabolismo de Carboidratos 26. 27. Conceitos Básicos na Regulação do Metabolismo de Substratos Energéticos por Insulina, Glucagon e Outros Hormônios 477 Digestão, Absorção e Transporte de Carboidratos 493 28. Formação e Degradação de Glicogênio 511 29. Rotas do Metabolismo de Carboidratos: Rota da Pentose-Fosfato, Frutose e Metabolismo da Galactose 527 30. Síntese de Glicosídeos, Lactose, Glicoproteínas e Glicolipídeos 542 31. Gliconeogênese e Manutenção dos Níveis Sangiííneos de Glicose 556 Parte Seis. Metabolismo de Lipídeos 32. Digestão e Transporte dos Lipídeos da Dieta 583 33. Síntese de Ácidos Graxos, Triacilgliceróis e dos Principais Lipídeos de Membrana 594 34. Absorção, Síntese, Metabolismo e Destino do Colesterol 619 35. Meiabolismo dos Eicosanóides 654 36. Integração do Metabolismo de Carboidratos e Lipídeos 668 Parte Sete. Metabolismo do Nitrogênio 37. 42. Digestão de Proteínas e Absorção de Aminoácidos 687 38. Destino do Nitrogênio dos Aminoácidos: Ciclo da Uréia 732 39. 40. ” Síntese e Degradação de Aminoácidos 712 . Tetraidrofolato, Vitamina B12 e S-Adenosilmetionina 732 . Metabolismo de Purinas e Pirimidinas 747 Relações Interteciduais no Metabolismo de Aminoácidos 762 Parte Oito. Metabolismo Tecidual 43. 44. as. 46. 42. 48. 49. Ações de Hormônios que Regulam o Metabolismo Energético 783 A Bioquímica do Eritrócito e de Outras Células Sangilíneas 805 Proteínas Palsmáticas do Sangue, Coagulação e Fibrinólise 827 Metabolismo do Fígado 842 Metabolismo do Músculo em Repouso e Durante Exercício 862 Metabolismo do Sistema Nervoso 881 Matriz Extracelular e Tecido Conjuntivo 905 Apêndice: Repostas às Questões de Revisão 921 Índice 945 PARTE UM Metabolismo de Substratos Energéticos ara sobreviver, os seres humanos devem preencher dois requisitos me- tabólicos: ser capazes de sintetizar tudo que não é suprido pela dieta e de proteger o meio interno de toxinas e de condições variáveis no meio externo. Para preencher esses requisitos, os componentes dietéticos são metabolizados por meio de quatro tipos básicos de rotas: rotas oxidativas de substratos energéticos, rotas de armazenamento e mobilização de subs- tratos energéticos, rotas biossintéticas e rotas de detoxicação e excreção de resíduos. Cooperação entre tecidos e respostas a alterações no meio externo são comunicadas através de rotas de transporte e rotas de sinalização intracelular (Figura 1). Os alimentos da dieta são os substratos que fornecem: energia na forma de calo- ESTES rias, Essa energia é utilizada para a realização de diversas funções, como movimento, da dieta pensamento e reprodução. Assim. algumas rotas metabólicas são rotas de oxidação de substratos energéticos, que convertem substratos energéticos em energia que pode ser Substratos utilizada para trabalho biossintético ou mecânico. Todavia, qual é a fonte de energia | energéticos: - quando não estamos nos alimentando — entre as refeições e quando dormimos? Como — | Carboidrato aires alguém em greve de fome, que aparece nas manchetes dos jornais, sobrevive por tanto | podura HO tempo? Existem outras rotas metabólicas que são roras de armazenamento de substra- tos energéticos. Os substratos energéticos que são armazenados podem ser mobiliza- dos durante períodos nos quais não estamos nos alimentando ou quando é necessário E E Digestão, um aumento de energia para exercício. eim Nossa dieta também contém os compostos que não podem ser sintetizados pelo transporte corpo, bem como todos os blocos básicos de montagem para componentes que são sintetizados nas rotas biossintéticas. Por exemplo, há necessidades dietéticas de alguns Compostos aminoácidos, mas outros aminoácidos podem ser sintetizados a partir dos substratos nas células energéticos e de um precursor de nitrogênio da dieta. Os compostos necessários na die- FS ta para as rotas biossintéticas incluem certos aminoácidos. vitaminas e ácidos graxos no = mecenamentolde! essenciais. jossintéticas | cupstratos energéticos Reservas de subs- tratos energéticos Rotas de detoxicação e excreção de resíduos são rotas metabólicas dedicadas à Componentes remoção de toxinas que podem estar presentes na dieta ou no ar que respiramos, in- — | corporais troduzidas no corpo como fármacos ou geradas internamente a partir do metabolismo de componentes da dieta. Os componentes da dieta que não têm valor para o corpo e Rotas de O, devem ser descartados são chamados de xenobióticos. detoxicação Rotas de Em geral, as rotas biossintéticas (incluindo armazenamento de substratos ener- pp adia se géticos) são referidas como rotas anabólicas, isto é, rotas que sintetizam grandes mo- Eros dEso léculas a partir de componentes menores. A síntese de proteínas é um exemplo de RAS uma rota anabólica. Roras catabólicas são aquelas que quebram moléculas maiores em ET O energia: componentes menores. Rotas de oxidação de substratos energéticos são exemplos de Farodutos HO ya rotas catabólicas. do EsTaçãO] Nos humanos, a necessidade de diferentes células reclizarem diferentes funções resultou na especialização dos metabolismos celular e tecidual. Por exemplo, o tecido Figura 1.1 Rotas metabólicas gerais para os adiposo é um sítio especializado no armazenamento de gordura e contém as rotas me- — componentes da dieta no corpo. Os tipos de tabólicas que lhe permitem realizar essa função. Contudo, ele não possui muitas das rotas estão indicados em azul. rotas que sintetizam compostos necessários a partir dos precursores da dieta. Para per- mitir que as células cooperem na obtenção de necessidades metabólicas durante condi- ções variáveis de dieta, sono, atividade e saúde, são necessárias rotas de transporte no sangue entre tecidos e rotas de sinalização intracelular. Um meio de comunicação são os hormônios, os quais levam sinais sobre o estado dietético aos tecidos. Por exemplo, 4 —CoztEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Calor ao Produção de energia Utilização de energia Carboidrato Biossíntese Lipídeo Detoxicação Prótéta Contração muscular Transporte ativo de íons] Termogênese 7 0; E ADP + P; Figura 1.2 O ciclo ATP-ADP. As rotas oxidativas são catabólicas, ou seja, elas quebram moléculas. Em contraste, rotas anabólicas for- mam moléculas a partir de peças compo- nentes. Ácidos graxos Glicose, Aminoácidos e e Acetil-COA Ciclo do TCA co, co, r Sd câdeia de RSTATiRE trânsporte ZRES d6 elétrons HO O Figura 1.3 Geração de ATP a partir de com- ponentes de substratos energéticos durante a respiração. Glicose, ácidos graxos e aminoá- cidos são oxidados a acetil-CoA, um substra- to para o ciclo do TCA. No ciclo do TCA, eles são completamente oxidados a CO,. Quando substratos energéticos são oxidados, elétrons (e) são transferidos para o O, pela cadeia de transporte de elétrons, e a energia utilizada é ATP. Desde então, o Sr. Veere perdeu o apetite. Quando uma vizinha o encontrou dormindo de roupa, despenteado e confuso, ela chamou uma ambulância. O Sr. Veere foi interna- do na unidade psiquiátrica do hospital com um diagnóstico de depressão associada à desidratação e desnutrição. Otto Shape tem 25 anos e é um estudante de medicina que praticava muitos esportes durante o colégio e os primeiros anos de faculdade, mas agora está «fora de forma”. Desde que começou a faculdade, ele tem ganhado peso (1,78 'm de altura, ele atualmente pesa 84,9 Kg). Ele decidiu consultar um médico no serviço de saúde para os estudantes antes que o problema ficasse pior. Ivan Applebod é um contador de 56 anos que tem obesidade mórbida há al- guns anos. Ele exibe um padrão de obesidade central, “em forma de maçã”, a qual é causada por excesso de tecido adiposo depositado na área abdominal. Suas principais atividades recreativas são assistir à televisão enquanto bebe uísque com soda limonada e trabalhar ocasionalmente no jardim. Em um piquenique da companhia onde trabalha. ficou “tonto” enquanto jogava beisebol e decidiu que era hora de realizar um exame médico geral. Ao exame, ele pesava 120 kg com 1.78 m de altura. Sua pres- são sangiiínea estava levemente elevada — 155 mm Hg sistólica (normal = 140 mm Hg ou menos) é 95 mm Hg diastólica (normal = 90 mm Hg ou menos). Ann O"Rexia tem 23 anos e é compradora de uma loja feminina. Apesar de medir 1,70 m, ela pesa 45 kg. Amn está convencida que ela está gorda. Dois meses atrás, ela iniciou um programa de exercícios diários que consiste em 1 hora de corrida todas as manhãs e 1 hora de caminhada todas as noites. Ela também decidiu consultar um médico sobre uma dieta para redução de peso. L SUBSTRATOS ENERGÉTICOS DA DIETA Os principais substratos energéticos que são obtidos da dieta são carboidratos, pro- teínas e gorduras. Quando esses substratos energéticos são oxidados a CO, e H,O nas células, Eliberada energia pela transferência de elétrons para o O... A energia desse pro- cesso de oxidação gera calor e trifosfato de adenosina (ATP) (Figura 1.2). O dióxido de carbono viaja pelo sangue para os pulmões, onde é expirado, e a água é excretada na urina, no suor e em outras secreções. Embora o calor gerado pela oxidação de substra- tos energéticos seja utilizado para manter a temperatura corporal, o principal propósito desse processo é gerar ATP. O ATP fornece a energia que move a maioria dos processos que consomem energia na célula, incluindo reações de biossíntese e transporte ativo através de membranas. À medida que esses processos utilizam energia, o ATP é conver- tido novamente em difosfato de adenosina (ADP) e fosfato inorgânico (P). A geração e a utilização de ATP são referidas como o ciclo ATP-ADP. A oxidação de substratos energéticos para gerar ATP é chamada de respiração (Figura 1.3). Antes da oxidação, carboidratos são convertidos principalmente em gli- cose; gordura, em ácidos graxos, e proteínas, em aminoácidos. As rotas de oxidação da glicose, dos ácidos graxos e dos aminoácidos têm algumas características em comum. Eles primeiro oxidam os substratos energéticos a acetil-CoA, um precursor do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA). O ciclo TCA é uma série de reações que completam a oxidação de substratos energéticos a CO, (ver Capítulo 19). Elétrons perdidos dos substratos energéticos durante as reações oxidativas são transferidos para O, por uma série de proteínas na cadeia de transporte de elétrons (ver Capítulo 20). A energia da transferência de elétrons é utilizada para converter ADP e P, em ATP por um processo conhecido como fosforilação oxidativa. Em discussões sobre metabolismo e nutrição, a energia é frequentemente expressa em unidades de calorias. “Caloria”, nesse contexto, realmente significa quilocaloria (kcal). A energia é também expressa em joules. Uma quilocaloria é igual a 4,18 quilo- joules (k1). Os médicos tendem a utilizar unidades de calorias, em parte porque é o que seus pacientes utilizam e compreendem. Bioquímica MÉbICA BÁSICA DE Marks 5 NA. Carboidratos Os principais carboidratos na dieta humana são o amido, a sacarose, a lactose, a fru- tose e a glicose. O polissacarídeo amido é a forma de armazenamento de carboidratos em plantas. A sacarose (açúcar de mesa) e a lactose (açúcar do leite) são dissacaríde- os, e a frutose e a glicose são monossacarídeos. A digestão converte os carboidratos maiores em monossacarídeos, os quais podem ser absorvidos para a corrente san- giínea. A glicose, um monossacarídeo, é o açúcar predominante no sangue humano (Figura 1.4). A oxidação de carboidratos a CO, e H,O no corpo produz acerca de 4 kcal/g (Ta- bela 1.1). Em outras palavras, cada grama de carboidrato que é ingerida libera apro- ximadamente 4 kcal de energia. Observe que moléculas de carboidratos contêm uma quantidade significativa de oxigênio e já estão parcialmente oxidadas antes de entrarem no corpo humano (ver Figura 1.4). B. Proteínas As proteínas são compostas por aminoácidos que são unidos para formar cadeias line- ares (Figura 1.5). Além de carbono, hidrogênio e oxigênio, as proteínas contêm apro- ximadamente 169% de nitrogênio por peso. O processo digestivo quebra proteínas em seus aminoácidos constituintes, os quais entram no sangue. A completa oxidação de proteínas a CO,, H,O e NH.” no corpo libera cerca de 4 keal/g. C. Gorduras Gorduras são lipídeos compostos de triacilgliceróis (também chamados de trigliceríde- os). Uma molécula de triacilglicerol contém 3 ácidos graxos esterificados a uma porção de glicerol (Figura 1.6). As gorduras contêm muito menos oxigênio do que há contido em carboidratos ou proteínas. Portanto, elas são mais reduzidas c liberam mais energia quando oxidadas. A oxidação completa de triacilgliceróis a CO, e H,O no corpo libera aproximadamente 9 kcal/g, mais do que duas vezes a energia liberada de uma quantidade equivalente de carboidrato ou proteína. Amido Glicogênio (dieta) (reservas corporais) As “calorias” dos alimentos utiliza- das nas conversas de todos os dias são na verdade “Calorias”, ou seja, quilocalorias. “Caloria,” significando quiloca- loria, foi originalmente escrita com C maiús- culo, mas a letra maiúscula deixou de ser uti- lizada à medida que o termo se tornou popular. Assim, um refrigerante de 1 caloria tem, na verdade, 1 Cal (1 kcal) de energia. Tabela 1.1 Conteúdo Calórico de Substratos Energéticos kcal/g Carboidrato 4 Gordura 9 Proteina 4 Álcool 7 Uma análise da dieta de Ann O'Rexia mostrou que ela ingere 100 g de car- boidrato, 20 g de proteinas e 159 de gordura todos os dias. Quantas calorias ela consome por dia, aproximadamente? HO Glicose Figura 1.4 Estrutura do amido e do glicogênio. O amido, principal carboidrato da dieta, e o glicogênio, a forma de armazenamento da glicose, têm estruturas similares. Eles são polissacarídeos (muitas unidades de monossacarídeos) compostos de glicose, a qual é um monossacarídeo (uma unidade de açúcar). Dissacarídeos da dieta são compostos por duas unidades de monossacarídeos. 6 CoLLEEN SMirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN A Srta. O'Rexia consome 400 kcal como carboidrato O kcal como proteína 135 kcal como gordura um total de 615 kcal/dia. Ivan Applebod comia 585 g de car- boidratos, 150 g de proteínas e 95 9 de gordura a cada dia. Além disso, ele bebia 45 g de álcool. Quantas calorias ele consumia por dia? Não é surpresa que as reservas de substratos energéticos do corpo consistam nos mesmos tipos de compostos encontrados na dieta, porque as plantas e os animais que servem de alimento também armazenam substratos energéticos na forma de amido ou glicogênio, triacilglice- róis e proteínas. Aminoácido Proteína Figura 1.5 Estrutura geral de proteínas e aminoácidos. R = cadeia lateral. Diferentes aminoácidos têm diferentes cadeias laterais. Por exemplo, R1 pode ser -CH,; R2, -O; R3,-CH,-COO.. o u QHa- 0+€ (CHoha CHs O-cH 10 ' í ny ! CHp= 06 —(CHo)io- CH | Triacilglicerol CH,-0H o o HO-C-H GHa0H Glicerol í i 1CH Estearato Figura 1.6 Estrutura de um triacilglicerol. O palmitato e o estearato são ácidos graxos saturados, isto é, eles não possuem ligações duplas. O oleato é monossaturado (uma ligação dupla). Ácidos graxos poliinsaturados possuem mais de uma ligação dupla. D. Álcool Costumava-se acreditar que o álcool (etanol, no contexto da dieta) não tem conteúdo calórico. De fato, o etanol (CH,CH,0H) é oxidado a CO, e H,O no corpo e libera aproximadamente 7 kcal/g, isto é, mais do que um carboidrato, mas menos do que gordura. | RESERVAS DE SUBSTRATOS ENERGÉTICOS DO CORPO Embora algumas pessoas possam tentar, é praticamente impossível comer de maneira constante. Felizmente, o corpo humano carrega suprimentos de substratos energéticos (Figura 1.7), os quais são leves em peso, grandes em quantidade e prontamente conver- tidos em substâncias oxidáveis. A principal reserva de substratos energéticos do corpo — familiar à maioria das pessoas — são as gorduras, as quais se localizam no tecido adiposo. Embora seja distribuída pelo corpo, ela tende a aumentar em quantidade na cintura e nas coxas e no abdômen à medida que se avança para a meia-idade. Além das reservas de gordura, o corpo também possui reservas importantes, embora muito menores, de carboidratos na forma de glicogênio localizado principalmente no fígado Bioquímica MépiCA BÁSICA DE Marks 9 Tabela 1.4 Atividades Típicas com Fatores de Atividade por Hora Correspondentes E sie Fatores de Atividade por Hora Categ: de Atividade (por tempo na atividade) Repouso: dormindo ou reclinado 10 Muito leve: realizar atividades sentado e de pé, dirigir, rea- 1,5 lizar trabalho de laboratório e digitação, costurar, passar a ferro, cozinhar, jogar cartas, tocar um instrumento musical Leve: caminhar em uma superfície plana a 4-5 km/h, trab: lhar na garagem, fazer manutenção elétrica e carpintari trabalhar em um restaurante, limpar a casa, jogar golfe, velejar, jogar tênis de mesa Moderado: caminhar à 5,5-6,5 km/h, remover ervas da- 50 ninhas, carregar cargas, praticar ciclismo, esquiar, jogar tênis, dançar Pesado: caminhar montanha acima com carga, derrubar ár- 70 vore, realizar escavação manual pesada, escalar montanha, jogar basquete, futebol, futebol americano 25 Reimpressa com permissão de Recommended Dietary Allowances, 10th Ed. Washington, DC: National Academy Press, 1989. O fator de atividade por hora é multiplicado pela TMB (TMR) por hora e, então, pelo número de horas. utilizado na atividade para dado gasto calórico para aquela atividade. Se ela é feita durante todas as horas em um dia, a soma em 24 horas será aproximadamente igual ao gasto de energia diário. mais ativo durante o fim de semana. A Tabela 1.4 mostra fatores para calcular os gastos de energia aproximados com atividades típicas. Uma estimativa grosseira da energia necessária por dia para atividade física pode ser feita utilizando-se um valor de 30% da TMR (por dia) para uma pessoa muito se- dentária (tal como um estudante de medicina que faz pouco além de estudar) e um va- lor de 60 a 70% da TMR (por dia) para uma pessoa que se envolve em cerca de 2 horas de exercício moderado por dia (ver Tabela 1.4). Um valor de 100% ou mais da TMR é utilizado por uma pessoa que faz várias horas de exercícios pesados por dia. C. Termogênese Induzida pela Dieta O GDE inclui um componente relacionado com a ingesta de alimento conhecido como termogênese induzida pela dieta (TID) ou efeito térmico dos alimentos (ETA). A TID era anteriormente chamada de ação dinâmica específica (ADE). Após a ingestão de alimento, a taxa metabólica aumenta devido à energia necessária para digerir, absorver, distribui e armazenar nutrientes. A energia necessária para processar os tipos e as quantidades de alimentos na dieta americana típica é provavelmente igual a cerca de 10% das calorias ingeridas. Essa quantidade é quase equivalente ao erro envolvido no arredondamento do conteúdo calórico de carboidratos, gordura e proteína para 4, 9 e 4, respectivamente. Portanto, a TID é fregiientemente ignorada, e os cálculos baseiam-se simplesmente na TMR e na energia necessária para atividade física. D. Cálculos do Gasto Diário de Energia O gasto total diário de energia é usualmente calculado como a soma da TMR (em kcal/ dia) e da energia necessária para a quantidade de tempo gasto em cada um dos diversos tipos de atividade física (ver Tabela 1.4). Um valor aproximado para o gasto diário de energia pode ser determinado a partir da TMR e da porcentagem apropriada da TMR necessária para a atividade física (mostrado anteriormente). Por exemplo, um estudante de medicina muito sedentário teria um GDE igual à TMR mais 30% da TMR (ou 1,3 x TIMR), e o gasto diário de uma pessoa ativa poderia ser duas vezes a TMR. E. Peso Corporal Saudável Idealmente, devia haver um esforço para manter um peso consistente com boa saúde. Pessoas com sobrepeso são com frequência definidas como estando 20% acima de seu peso ideal. Todavia, o que é peso ideal? O índice de massa corporal (IMC), calculado O Sr. Applebod pesa 264 Ib ou 120 kg (264 Ib divididas 2,2 por Ib/kg). Sua TMR estimada = 24 kcal/kg/dia x 120 = 2.880 kcal/dia, e sua TMR calculada a partir da Tabela 1.3 é apenas 2.271 kcal (11,6 P+879=[11,6x 120] + 879). A Srta. O'Rexia pesa 99 Ib ou 45 kg (99/2,2 Ib/kg). Sua TMR estimada = (24 kcal/kg/dia) x (45 kg) = 1.080 kcalídia, e sua TMR a partir da Tabela 1.3 é muito próxima desse valor (14,7 P + 496= 1.157 kcal/dia). Portanto, a estimativa gros- seira não funciona bem para pacientes obe- sos, devido a uma proporção muito maior de seu peso corporal ser de tecido adiposo ina- tivo. Com base nas atividades listadas na Tabela 1.4, o cidadão americano é sedentário. Hábitos sedentários se correlacionam fortemente com doença car- diovascular, então não surpreende que a doença cardiovascular seja a principal causa de morte naquele país. Quais são as estimativas razoáveis para os gastos diários de energia de Ivan Applebod e Ann O'Rexia? 10 — CorigEn SMrrH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN IMC igual: Peso/altura? (kg/m?) Ou [peso (Ibs) x 704] altura? (m?) Onde a altura é medida sem sapatos, e o peso é medido com roupas mínimas. Valores de IMC de: 18,5-24,9 = desejável < 18,5 = subpeso 25-29,9 = sobrepeso >30 = obeso Ivan Applebod e Ann O'Rexia estão em uma faixa de peso saudável? ATMR do Sr. Applebod é 2.271 kcal/ dia. Ele é sedentário, então necessi- ta de aproximadamente 30% de ca- lorias a mais para sua atividade física. Portan- to, seu gasto diário é em torno de 2.271 + (0,3 x 2.211) ou 1,3x 2.271 ou 2.952 kealídia. A TMR da Srta. O'Rexia é 1.157 kcal/dia. Ela realiza duas horas de exercício modera- do por dia (correndo e caminhando), então necessita de cerca de 65% mais calorias para sua atividade física. Portanto, seu gasto diá- rio é aproximadamente 1.157 + (0,65 x 1.157) ou 1,65x 1.157 ou 1.908 kcalídia. como peso/altura? (kg/m), é atualmente o método preferido para determinar se o peso da pessoa está em uma faixa saudável. Em geral, adultos com um valor de IMC inferior a 18,5 são considerados com subpeso, aqueles com IMC entre 18,5 e 24,9 são considerados como estando na faixa saudável de peso, entre 25 e 29.9 estão na faixa de sobrepeso ou pré-obeso e acima de 30 na faixa de obeso. F Perda e Ganho de Peso Para manter o peso corporal, deve-se ficar em equilíbrio calórico, o que ocorre se as quilocalorias nos alimentos são iguais ao GDE. Se são ingeridos menos alimentos do que o necessério para o GDE, as reservas de substratos energéticos fornecem as calo- Para avaliar o peso de um paciente, os médicos necessitam de padrões de obesidade aplicáveis em uma população geneticamente heterogênea. Empre- sas de seguro de vida têm sido utilizadas para desenvolver tabelas de varia- ção de peso, com base em gênero, altura e tamanho da forma corporal, que estão asso- ciados a maior longevidade, como a tabela Metropolitan Height and Weight Tables. Contudo, tais tabelas são consideradas inadequadas por diversas razões (p. ex., elas refletem informações da classe média alta de grupos brancos). O IMC é a classificação que é utilizada clinicamente hoje em dia. Ele se baseia em duas medidas simples, altura sem sapatos a peso com o mínimo de roupas. Os pacientes podem ver seu IMC em um normograma e não precisam realizar cálculos. A faixa de peso saudável coincide com as informações sobre mortalidade derivada das tabelas de seguros de vida. O IMC tam- bém mostra uma boa correlação com medidas independentes de gordura corporal. A maior falha do uso de IMC é que indivíduos com muita massa muscular podem ser classificados como obesos quando não o são. Outras medidas para estimar a gordura corporal e outros compartimentos do corpo, tais como pesar indivíduos embaixo d'água, são mais difíceis e caros, consomem tempo e têm sido geralmente utilizados com objetivo de pesquisas. IMG (indice de massa corporal) 185 25 30 Altura? 198,12 195,58. 193,04 190,50. 187,96. 185,42 182,88 180,34. 477,80. 175.26. 17272 170,18. 167,64 165,10. 162,56. 160,02 157,48. 154,94 152,40. 149,86. 14732 22,68 11340 124,74 “sem roupas 3402 4536 5670 6804 7938 Gramas"! 90,72 10206 “sem sapatos Se o paciente estiver acima ou abaixo do peso ideal (tal como Ivan Applebod ou Am O'Rexia), o médico, frequentemente com consultoria de um nutricionista, prescre- ve uma diete delineada para trazer 0 peso para a faixa ideal. rias adicionais, e há perda de peso. Inversamente, se são ingeridos mais alimentos do que o necessário para os gastos de energia, o excesso de substratos energéticos é arma- zenado (inicialmente no tecido adiposo), e há ganho de peso (Figura 1.8). Quando o tecido adiposo é utilizado para preencher as necessidades de energia, perde-se aproximadamente 453,6 g quando são gastas por volta de 3.500 calorias a mais do que o consumido. Em outras palavras, se são ingeridas 1.000 calorias a menos do que são gastas por dia, perde-se cerca de 907.2 g/semara. Como a média individual de ingesta de alimentos corresponde a cerca de apenas 2.000 a 3.000 calorias/dia, co- mer um terço ou a metade da quantidade normal fará a pessoa perder peso lentamente. Dietas da moda, que prometem uma perda de peso muito mais rápida do que essa, não possuem mérito científico. De fato, a perda inicial rápida de peso que ocorre com os que fazem dietas da moda é atribuída à perda de água corporal. Essa perda de água ocorre em parte porque a proteína do tecido muscular e o glicogênio hepático são de- gradados rapidamente para fornecer energia durante a fase inicial da dieta. Quando o tecido muscular (o qual é aproximadamente 80% água) e o glicogênio (aproximada- mente 70% água) são quebrados, essa água é excretada pelo corpo. IV. NECESSIDADES DIETÉTICAS Além de fornecer substratos energéticos e blocos de construção para a biossíntese, a dieta também fornece nutrientes específicos que são necessários para que as pessoas se mantenham saudáveis. Deve haver um fornecimento regular de vitaminas e minerais e ácidos graxos essenciais e aminoácidos essenciais. “Essenciais” significa que eles são essenciais na dieta, o corpo não pode sintetizar esses compostos a partir de outras mo- léculas e, portanto, eles devem ser obtidos da dieta. Nutrientes que o corpo necessita da dieta apenas em certas condições são chamados *“condicionalmente essenciai: A Recomendação Dietética Adequada (Recommended Dietary Allowance, RDA) e a Ingesta Adequada (A) fornecem estimativas quantitativas das necessidades de nu- trientes. A RDA para um nutriente é o nível de ingesta média necessária por dia para corresponder às necessidades de quase todos (97 a 98%) os indivíduos saudáveis em um grupo de gênero e estágio de vida particular. Grupo de estágio de vida é uma certa ixa etária ou estado fisiológico (p. ex., gestação ou lactação). A RDA tem a intenção de servir como um objetivo de ingesta para indivíduos. A [A é um valor de ingesta re- comendada utilizada quando não há informação suficiente para estabelecer a RDA. A. Carboidratos Nenhum carboidrato foi identificado como necessário na dieta, eles podem ser sinteti- zados a partir de aminoácidos, e um tipo de carboidrato pode ser convertido em outro. Contudo, problemas de saúde estão associados à eliminação completa de carboidratos Desnutrição, a ausência de uma ingesta adequada de nutrientes, ocorre nos EUA principalmente entre crianças de famílias com renda abaixo do nível de pobreza, idosos, indivíduos cujas dietas são influenciadas por álcool e uso de drogas e naqueles que fazem escolhas alimentares inadequadas. Nos EUA, mais de 13 milhões de crianças vivem em famílias com renda abaixo do nível da pobreza. Dessas, aproximadamente 10% têm desnutrição clínica, e a maioria com frequência apresenta anemia resultante da ingesta inadequada de ferro. Uma porcentagem maior tem nutri- ção inadequada quanto a proteínas e energia e exibe retardo de crescimento, algumas vezes como resultado de negligência dos pais. A desnutrição na infância também pode levar a dificuldade de aprendizado e doença crônica futura. Uma das melhores indica- ções de desnutrição é a medição do peso, pois é fácil de efetuar, e o peso é um dos primeiros, parâmetros a se alterarem durante a desnutrição. O termo kwashiorkor se refere a uma doença originalmente vista em crianças afri- canas sofrendo de deficiência de proteinas. Ela é caracterizada por hipoalbuminemia marcada, anemia, edema, barriga em barril, perda de cabelo e outros sinais de lesão tecidual. O termo marasmo é utilizado para desnutrição clórico-protéica prolongada, principalmente em crianças jovens. Bioquímica Mépica Básica DE Marks 11 ivan Applebod e Ann O'Rexia estão ganhando ou perdendo peso? ú Balanço calórico positivo Consumo > Gasto Equilíbrio calórico Consumo = Gasto Balanço calórico negativo Consumo < Gasto Figura 1.8 Balanço calórico. O peso de Ivan Applebod caracteriza obesidade. Seu IMC é 120 kg/1,78 = 37,9. Amn O'Rexia está com subpeso. Seu IMC é 45,9 x 1,70 m? = 15,5. 14 CozrrEN SMirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Tabela 1.7 VITAMINAS? Consegiências da Deficiência (nomes das doenças da deficiência estão em negrito) Ingesta Dietética de Referência (IDR) Mulheres: M Homens: H Vitamina (18-30 anos) Algumas Fontes Alimentares Comuns Vitaminas hidrossolúveis Vitamina C RDA Frutas cítricas, batatas, pimentões, brócolis, espina- M:75 mg fre, morangos H:90 mg UL:29 Tiamina RDA Cereais e pães enriquecidos, grãos não-refinados, M: 1,1 mg carne de porco, legumes, sementes, nozes H1,2mg Riboflavina RDA Produtos lácteos, cereais reforçados, cames, aves, M: 1,1 mg peixes, legumes H:1,3mg Niacina” RDA Carne: frango, bovina, peixe; careais enriquecidos Mi14 mg NEQ ou grãos totais; a maioria dos alimentos H:16 mg NEQ UL:35 mg vitamina Bs RDA Frango, peixe, porco, ovos, cereais fortificados, ar- (piridoxina) M:1,3mg roz não-polido, aveia, vegetais que contêm amido, H:13mg frutas não-cítricas, amendoins, nozes UL:100 mg Folato RDA Frutas cítricas, vegetais verde-escuros, cereais e M: 400 ug pães fortificados, legumes H: 400 ug Vitamin By RDA Produtos animais M: 24 ug H:2,4ug Biotina AI Fígado, clara de ovos M:30 ug H:30 ng Ácido pantotênico AI Ampla distribuição em alimentos, especialmente te- M:5 mg cidos animais; cereais de grão total; lggumes H:5mg Colina AI Leite, fígado, ovos, amendoins M:550 mg H:425mg UL:359 Vitaminas lipossolúveis Vitamina A RDA Cenouras, vegetais verde-escuros e com folhas, M: 700 ug batata-doce e abóbora, brócolis H: 900 pg UL: 3.000 pg Vitamina K RDA Vegetais de folhas verdes, vegetais da família do M: 90 pg repolho (brasica), flora bacteriana do intestino H:120ug Vitamina D 1aº Leite fortificado, exposição da pele à luz solar M:5ug H:5ug UL: 50 ng Vitamina E RDA Óleos vegetais, margarina, gérmen de trigo, nozes, M:15 mg vegetais de folhas verdes H:15mg UL:19 Escorbuto: formação defeituosa do colágeno levando a hemorragia subcutânea, dores nos ossos, nas articula- ções e nos músculos em adultos e posição rígida e dor em crianças. Beribéri: (molhado) edema, anorexia, perda de peso, apatia, diminuição da memória de curto prazo, confu- são irritabilidade, fraqueza e coração aumentado Ariboflavinose: dor de garganta, hiperemia, edema das membranas da mucosa oral, queilose, estomatite angular, glossite, lingua azulada, dermatite seborréica, anemia normocrômica normocítica Pelagra: rashes pigmentados e áreas expostas à luz solar, vômitos, constipação ou diarréia, língua vermelha brilhante, sintomas neurológicos Dermatite seborréica, anemia microcítica, convulsões epileptiformes, depressão e confusão Diminuição da divisão celular e crescimento, anemia megaloblástica, defeitos do tubo neural Anemia megaloblástica, sintomas neurológicos Conjuntivite, anormalidades do sistema nervoso central, alopecia, dermatite seca descamativa escamosa Irritabilidade e inquietação, fadiga, apatia, mal-estar, sin- tomas gastrintestinais, sintomas neurológicos Lesão hepática Cegueira noturna, xeroftalmia, queratinização do epi- télio dos tratos GI, respiratório e geniturinário, pele se torna seca e escamosa Coagulação sangúinea defeituosa, anemia hemorrágica do recém-nascido Raquitismos (em crianças), mineralização óssea inade- quada (osteomalacia) Distrofia muscular, anormalidades neurológicas Ingesta Dietéica de Referência (IDR); Recomendação Distética Adequade (RDAy; Ingesta Adequada (IA): Nível de ingestão Máxima tolerável (U) o macões para essa Ingesta Dietética de Referência para Vitamina C, Vitamina E, Selênio e Carotenáides (2000); da Ingesta Dietética de Referência para Cál ÉS Fósforo Magnésio, Vitamina D e Fluoreto (1997); ingesta Dietética de Referência para Vitamina A, Vitamina K, Arsênico, Boro, Cromo, Cobre, lado, Ferro, Mam- ganês, Molibdênio, Níquel, Slicone, Vanádio e Zinco (2001). Washinaton, DC: Food and Nutrition Board. Institute of Medicine. National Academy Press êneq = equivalentes de niacina. A niacina pode ser sintetizada nos humanos a partir de triptofano, e esse termo leva em consideração um fator de conversão para o triptofano da dieta “A vitamina 8, é encontrada apenas em produtos animais. “As necessidades dietéticas consideram a ausência de luz solar. Bioquímica MÉDICA BÁSICA DE Marks 15 homens de 19 a 30 anos, ainda 1,3 mg/dia para homens com mais de 70 anos, e 1,1 mg/dia para mulheres com idades de 19 a 30 anos. As maiores necessidades ocorrem durante a lactação (1,6 mg/dia). As vitaminas, por definição. não podem ser sintetizades pelo corpo. ou são sinteti- zadas a partir de um precursor da dieta muito específico em quantidades insuficientes. Por exemplo, a vitamina niacina pode ser sintetizada a partir do aminoácido essencial triptofano, mas não em quantidades suficientes para corresponder às necessidades do corpo. A niacina, portanto, ainda é classificada como vitamina. A ingesta excessiva de muitas vitaminas, tanto lipossolúveis quanto hidrossolú- veis, pode causar efeitos deletérios. Por exemplo, altas doses de vitamina A, uma vita- mina lipossolúvel, podem causar descamação da pele e defeitos de nascimento, e altas doses de vitamina C causam diarréia e distúrbios gastrintestinais. Uma Ingesta Dietéti- ca de Referência é o Nível de Ingestão Máxima Tolerável (UL), o qual é o maior nível de ingesta diária do nutriente que provavelmente não oferece risco de efeito adverso para a maioria dos indivíduos na população geral. Quando a ingesta se eleva acima da UL, o rio de efeitos adversos aumenta. A Tabela 1.7 inclui a UL para vitaminas conhe- cidas por oferecerem um risco em níveis altos. A ingesta acima da UL ocorre com mais frequência com suplementos dietéticos ou farmacológicos de vitaminas únicas, e não de alimentos. E. Minerais Muitos minerais são necessários na dieta. Eles são classificados, em geral, como ele- trólitos (fons inorgânicos que são dissolvidos em compartimentos líquidos do corpo), minerais (necessários em quantidades relativamente grandes), minerais traço (necessá- rios em quantidades menores) e minerais ultratraço (Tabela 1.8). Sódio (Na'), potássio (K”) e cloreto (CT) são os principais eletrólitos (íons) no corpo. Eles estabelecem gradientes de íons através de membranas, mantêm o balanço hídrico e neutralizam cargas positivas e negativas de proteínas e outras moléculas. O cálcio e o fósforo servem como componentes estruturais de ossos e dentes e, portanto, são necessários em quantidades relativamente grandes. O cálcio (Ca””) possui muitas outras funções no corpo: por exemplo. ele está envolvido na ação de hormô- sangiiínea. O fósforo é necessário para a formação de ATP e de intermediários fosforilados no metabolismo. O magnésio ativa muitas enzimas e também forma um complexo com ATP. O ferro é um mineral particularmente impor- tante, porque funciona como um componente da hemoglobina (a proteína carreadora de oxigênio no sangue) e é parte de muitas enzimas. Outros minerais, como o zinco ou o molibdênio, são necessários em quantidades muito pequenas (quantidades traço ou ultratraço). O enxofre é ingerido principalmente nos aminoácidos cisteína e metionina. Ele é encontrado em tecido conjuntivo, em especial na cartilagem e na pele, e possui funções importantes no metabolismo, as quais serão descritas quando for considerada a ação da coenzima A, um composto utilizado para ativar ácidos carboxílicos. O enxofre é excretado na urina como sulfato. Os minerais, como as vitaminas, provocam efeitos adversos se ingeridos em quan- tidades excessivas. Problemas associados a excessos ou deficiências dietéticas de mi- nerais são descritos nos capítulos subsequentes em conjunto com suas funções meta- bólicas normais. Tabela 1.8 Minerais Necessários na Dieta Eletrólitos Minerais Minerais Ultratraço* Sódio Cálcio Manganês Potássio Fósforo Fluoreto Cloro Magnésio Cobre Cromo Ferro Zinco Molibdênio Enxofre Outros? “Estes minerais são classificados como traço ou ultratraço. Uma deficiência dietética de cálcio pode levar à osteoporose, uma doença na qual os ossos são insufi- cientemente mineralizados e, por conseguên- cia, são frágeis e fraturados com facilidade. A osteoporose é um problema particularmente comum entre mulheres mais velhas. A defici- ência de fósforo resulta em perda óssea acompanhada de fraqueza, anorexia, mal-es- tar e dor. A deficiência de ferro leva à anemia, uma diminuição na concentração de hemo- globina no sangue. Quais alimentos fornecem a Percy Veere boas fontes de folato e vitami- na B12?  16 CotEEN SMrrH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN O folato é encontrado em frutas e ve- getais cítricos (p. ex. laranja), vege- tais de folhas verdes (p. ex. espinafre e brócolis), cereais fortificados e legumes (p. ex., ervilhas) (ver Tabela 1.7). Inversamente, a vitamina B,, é encontrada apenas em alimen- tos de origem animal, incluindo carnes, ovos e leite. E: Água A água constitui metade a quatro quintos do peso do corpo humano. A ingesta de água necessária por dia depende do balanço entre a quantidade produzida pelo metabolismo corporal e a quantidade perdida através da pele, do ar expirado e na urina e nas fezes. V. DIRETRIZES DIETÉTICAS Diretrizes ou objetivos dietéticos são a recomendação para escolha de alimentos que podem reduzir o risco de doenças crônicas ou degenerativas enquanto é mantida uma ingesta de nutrientes. Muitos estudos têm mostrado uma associação entre dieta e exer- cício e diminuição de risco para certas doenças, incluindo hipertensão, aterosclero- se, acidente vascular cerebral, diabetes, certos tipos de câncer e osteoartrite. Assim, o American Heart Institute e o American Cancer Institute, bem como diversos outros grupos, desenvolveram recomendações dietéticas e de exercício para diminuir 0 risco dessas doenças. O Dietary Guidelines for Americans (2000), preparado sob autori- dade conjunta do US Department of Agriculture e o US Department of Health and Human Services, engloba muitas dessas recomendações. Porções recomendadas dos diferentes grupos de alimentos são mostradas em uma pirâmide alimentar (Figura 1.9). Observações de interesse especial para médicos que aconselham pacientes incluem as seguintes: A. Recomendações Gerais + O objetivo deve incluir um peso saudável, a realização de atividades físics todos os dias. Para a manutenção de um peso saudável, a ingesta calórica deve corresponder ao gasto calórico. Devem ser praticados pelo menos 30 minutos de atividade física moderada (tal como caminhar 3,2 km) diariamente. Um pro- grama de exercícios regular ajuda a atingir e manter o peso ideal, a condição cardiovascular e a força. Os alimentos devem ser escolhidos conforme as proporções recomendadas na pirúmide alimentar, incluindo uma variedade de grãos e uma de frutas e vegetais diariamente. Os alimentos devem ser mantidos em boas condições. Por exemplo, os restos de alimentos devem ser refrigerados imediatamente. B. Vegetais, Frutas e Grãos + Dietas ricas em vegetais, frutas e grãos devem ser escolhidas. Devem ser inge- ridas cinco ou mais porções de vegetais e frutas por dia (particularmente vege- tais verdes e frutas cítricas) e seis ou mais porções diárias de grãos (amidos e outros carboidratos complexos, na forma de pães, cereais fortificados, arroz, massa). Além de energia, vegetais, frutas e grãos fornecem vitaminas, minerais, substâncias protetoras (tais como carotenóide) e fibras. As fibras, a parte não- digerível dos alimentos vegetais, tê jos efeitos benéficos, incluindo alívio da constipação. O consumo de açúcar refinado nos alimentos e bebidas deve ser reduzido para abaixo do padrão americano. O açúcar refinado não tem valor nutricional além de seu conteúdo calórico e promove a decomposição dos dentes. C. Gorduras * A ingesta de gorduras deve ser reduzida. Para aqueles com risco de infarto do miocárdio e acidente vascular cerebral, as gorduras devem corresponder a não mais do que 30% do total de calorias da dieta, e ácidos graxos saturados devem corresponder a 10% ou menos. Alimentos ricos em gorduras saturadas incluem queijo, leite integral, sorvete e muitos cortes de came bovina. Ácidos graxos Bioquímica MÉDICA BÁSICA DE Marks 19 tros riscos cardiovasculares, como hipertensão (pressão sansiiínea alta), hiperlipidemia (níveis altos de lipídeos sangiiíneos) e diabetes melito tipo 2 (caracterizado por hiper- glicemia). Ivan já teve elevação moderada em ambas as pressões sanguíneas, sistólica e diastólica. Além disso, seu nível de colesterol sérico total era 296 mg/dL, bem acima do valor normal desejado (200 mg/dL). O Sr. Applebod foi encaminhado para o centro de redução de peso do hospital, onde uma equipe de médicos, nutricionistas e psicólogos poderá auxiliá-lo a atingir a faixa de peso ideal. diagnóstico de anorexia nervosa inicial, um distúrbio comportamental que en- volve distúrbios emocional e nutricional. A Srta. O'Rexia foi encaminhada para um psiquiatra com especial interesse em anorexia nervosa, e foi iniciado um pro- grama de psicoterapia e de modificação de comportamento v Ann O'Rexia. Devido à sua história e exame físico, Ann O"Rexia teve Percy Veere. Percy Veere pesava 56,6 kg e media 1,79 m de altura (sem sapatos) com uma estrutura média. Seu IMC era 17.5. o qual corresponde a um subpeso significativo. Quando sua esposa morreu, ele pesava 66,7 kg. Para sua altura, um IMC na faixa de peso saudável corresponde a pesos entre 59,8 e 80,7 kg. O estado de má nutrição do Sr. Veere refletiu em seu exames laboratoriais na ad- missão. Os resultados dos exames hematológicos foram consistentes com uma anemia por deficiência de ferro complicada por baixos níveis de ácido fólico e vitamina B,,, duas vitaminas que podem afetar o desenvolvimento de células sangiiíneas vermelhas normais. Seu nível de albumina sérica baixo foi causado por ingesta insuficiente de proteína e um déficit de aminoácidos essenciais, o que resulta em uma habilidade re- duzida de sintetizar proteínas do corpo. O psiquiatra solicitou uma consultoria com um nutricionista do hospital para avaliar a extensão do marasmo do Sr. Veere (desnutrição causada por uma deficiência de proteínas e calorias totais) bem como suas deficiências de vitaminas e minerais. COMENTÁRIOS BIOQUÍMICOS Ingesta Dietética de Referência. As ingestas dietéticas de referência são estimativas quantitativas da ingesta de nutrientes que podem ser utilizadas para avaliar e planejar dietas para pessoas saudáveis. Elas foram preparadas pelo Standing Committee on the Scientific Evaluation of Dietary Reference Intakes (DRI of the Food and Nutrition Board, pelo Institute of Medicine e pela National Aca- demy of Science, com participação ativa do Health Canada. Os quatro valores de refe- rência para ingesta são as Recomendações Dietéticas Adequadas (RDA), as Necessida- des Médias Estimadas (NME), a Ingesta Adequada (IA) e o Nível de Ingestão Máxima Tolerável (UL). Para cada vitamina, o comitê revisou a literatura disponível em estudos com humanos e estabeleceu critérios para ingesta adequada, tais como prevenção de certos sintomas de deficiência, prevenção de anomalias de desenvolvimento ou risco diminuído de doença crônico-degenerativa. O critério não foi sempre o mesmo para cada grupo etário. Uma necessidade é definida como o nível continuado mais baixo de ingesta de um nutriente capaz de satisfazer esse critério. O NME é o valor de ingesta diária estimado para corresponder à metade da necessidade de indivíduos aparente- mente saudáveis para grupo etário ou gênero. O RDA é o NME mais dois desvios-pa- drão da média, o qual é a quantidade que deveria satisfazer 97 a 98% das necessidades da população. O nível de IA em vez de um RDA é estabelecido para nutrientes quando não há informações suficiente para determinar o NME. O Nível de Ingestão Máxima Tolerável (UL) se refere ao maior nível de ingesta diária de nutrientes consumidos durante um tempo que provavelmente não apresenta risco de efeitos adversos para quase todos indivíduos saudáveis na população geral. Efeitos adversos são definidos como qualquer alteração significativa na estrutura ou na função do organismo humano. O peso acima do normal aumenta os fatores de risco cardiovascular, os quais incluem hipertensão, diabetes e alteração nos níveis de lipí- deos sangiiíneos. Ele também aumenta o risco de problemas respiratórios, doença da vesícula biliar e certos tipos de câncer. A prevalência de obesidade na po- pulação dos EUA está aumentando. Em 1962, 12% da população apre- sentava um IMC igual ou maior que 30 e, por- tanto, eram clinicamente obesos. Este núme- ro aumentou para 14,5% em 1980 e para 22,6% em 1998. Além disso, 30% eram pré- obesos em 1998 (IMC = 25,0 a 29,9). Portanto, mais de 50% da população estão atualmente com sobrepeso, isto é, obeso ou pré-obeso. Um exemplo da diferença entre a IA e a NME é fornecido pela riboflavi na. Existe bem pouca informação sobre necessidades de nutrientes de crianças muito jovens. Contudo, o leite humano é o único alimento recomendado para os primei- ros 4 a 6 meses, de tal modo que a IA da vita- mina riboflavina para esse grupo etário ba- seia-se na quantidade de leite materno consumido por crianças a termo saudáveis. Inversamente, a NME da riboflavina para adultos baseia-se em um número de estudos em humanos relacionando ingesta dietética de riboflavina com marcadores bioquímicos do estado da riboflavina e do desenvolvimen- to de sintomas de deficiência clínica.  20 CozteEN SMirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN UL não significa que a maioria dos indivíduos que o ultrapassam sofrerão efeitos adversos sobre a saúde, mas que o risco de efeitos adversos aumenta à medida que a ingesta aumenta acima do UL. Leituras Sugeridas Um livro-texto bom e completo sobre nutrição é ShoilsME, Olson JA, Shike M. Ross, AC. Mo- dern nuirition in health and disease. Baltimore: Williams & Wilkins, 1999. Tabelas nutri- cionais extensas, incluindo as tabelas para peso e altura Metropolitan estão disponíveis nos apêndices, Recomendações Dietéticas Adequadas recentes preparadas pela Food and Nutrition Board of the National Academy of Science (1997-2001) estão disponíveis em vários volumes publicados pela National Academy Press (ver Tabela 1.7) e podem ser consultadas ontine no endereço eletrônico http:/books.nap.edu/. Para analisar dietas para calorias e conteúdos de nutrientes, consulte o banco de dados sobre ali- mentos e listas disponibilizados pelo USDA. O endereço eletrônico www.nal.usda.gov/fnic fornece listas de fontes de composição de alimentos, tais como o banco de dados do U.S. Department of Agriculture. Agricultural Research Service, 2001. USDA Nutrient Database for Stardard Reference, Release 14. Nutrient Data Laboratory Homepage, htip://www.nal. usda.gov/fnic/foodcomp. Esse endereço eletrônico também fornece listas sobre fontes de análise de dieta e links para o Interactive Healthy Eating Index, o qual é um programa que estudantes podem utilizar para analisar suas dietas (http://147.208.9.133). Um programa útil para avaliar a dieta, o MSU Nutriguide, pode ser obtido pelo Departamento de Nutrição da Michigan State University. As recomendações dietéticas se alteram frequentemente à medida que novas informações se tornam disponíveis. Atualmente, as Recomendações Dietéticas Adequadas estão disponí- veis nas seguintes fontes: Food and Nutrition Information Center, National Agricultural Library. USDA (www. íns.usda.gov); National Heart, Lung, and Blood Institute Informa- tion Center (www.nhlbi.nih.gov); American Heart Association (www americanheart.org); American Institute for Cancer Research (www.aicr.org), e a American Diabetes Associa- tion (www.diabetes.org). Outra fonte confiável para informações nutricionais na internet é www navigatortufis.edu. Algumas faculdades de medicina nos EUA receberam o Nutrition Academic Awards do Natio- nal Institute of Heart, Blood and Lung, National Institutes of Health (www.nhlbi.nih.gov/ funding/naa). Essas faculdades estão desenvolvendo produtos para educação médica sobre nutrição. É QUESTÕES DE REVISÃO - CAPÍTULO 1 Orientações: para cada questão abaixo, selecione a resposta correta. (E) é maior para crianças do que para adultos. 1. No processo de respiração, substratos energéticos (A) são armazenados como triacilgliceróis. (B) são oxidados para gerar ATP. (C) liberam energia principalmente como calor. (D) se combinam com CO, e H,O. (E) se combinam com outros componentes dietéticos nas ro- tas anabólicas. . O conteúdo calórico por grama de substratos energéticos (A) é maior para carboidratos do que para triacilgliceróis. (B) é maior para proteínas do que para gordura. (C) é proporcional à quantidade de oxigênio em um substra- to energético. (D) é a quantidade de energia que pode ser obtida a partir da oxidação de substratos energéticos. A taxa metabólica em repouso é (A) equivalente às necessidades dos órgãos maiores e do músculo em repouso. geralmente maior por quilograma de peso corporal em mulheres do que em homens. (C) geralmente mais baixa por quilograma de peso corporal em crianças do que em adultos. (D) diminuída em um ambiente frio. (E) aproximadamente equivalente ao gasto diário de energia. (B . ORDA é (A) a quantidade média de nutrientes necessária para manter a função normal em 50% da população dos EUA. (B) a quantidade média de um nutriente ingerido por 50% da população dos EUA. Broquímica MépiCa BÁSICA DE Marks 21 (C) a quantidade mínima de um nutriente ingerida diaria- mente que previne sintomas de deficiência. (D) um objetivo dietético razoável para a ingesta de um nu- triente por um indivíduo saudável (F) baseado principalmente em informação obtida com ani- mais de laboratório. . Um paciente de 35 anos, sedentário, pesando 120 kg, estava sofrendo de angina (dor no peito) e outros sinais de doença arterial. Seu médico, em consultoria com um nutricionista, solicitou o registro de três dias da dieta. O paciente consumia uma média de 585 g de carboidratos, 150 g de proteínas, e 95 g de gordura a cada dia. Além disso, ele bebia 45 g de álcool. O paciente (A) consumia entre 2.500 e 3.000 kcal por dia. (B) tinha uma ingesta de gordura dentro da faixa recomen- dada nas diretrizes dietéticas atuais (i.e., ano 2000). (C) consumia 50% de suas calorias como álcool. (D) era deficiente em ingesta protéica. (E) estava em balanço calórico negativo. 24 CoLLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN As enzimas digestivas convertem açúcares complexos em unidades simples de açúcar para a absorção. Açúcares são sacarídeos, e os prefixos mono” (um), “di” (dois), “tri” (três), “oligo” (pouco) e “poli” (muito) referem-se ao núme- ro de unidades de açúcar ligadas entre si. Enzimas são proteínas que catali- sam reações bioquímicas; em outras palavras, elas aumentam a velocida- de na qual as reações ocorrem. Seus nomes em geral terminam em “ase”. Proteínas são aminoácidos unidos por meio de ligações peptídicas. Di- peptídeos têm dois aminoácidos, tripeptídeos têm três aminoácidos, e assim por diante. Proteases digestivas são enzimas que clivam as ligações peptídicas entre os aminoácidos (ver Capítulo 1, Figura 1.5). As gorduras devem ser transporta- das no sangue ligadas a proteínas ou em complexos lipoprotéicos, porque elas são insolúveis em água. Assim, tanto triacilgliceróis como colesterol são en- contrados em complexos lipoprotéicos. Os estudos laboratoriais solicitados no momento de sua segunda visita ao consultório mostram que Ivan Ap- plebod tem hiperglicemia, uma elevação da glicose sangúínea acima de valores normais. No momento dessa visita, o seu nível de glico- se sangúínea pós-prandial de 2 horas era de 205 mg/dL. (Pós-prandial de 2 horas refere-se ao nível de glicose medido 2 horas após uma refeição, quando a glicose deve ter sido capta- da pelos tecidos e a glicose sangúinea ter re- tornado aos níveis de jejum, aproximadamen- te 80-100 mg/dL). Sua glicose sangúínea determinada após um jejum overnight (de uma noite) estava em 162 mg/dl. Como am- bas as medidas de glicose sangúínea estavam significativamente acima do normal, foi feito o diagnóstico de diabetes melito tipo 2, anterior- mente conhecida como diabetes melito não- insulino-dependente (NIDDM, do inglês non- insulin-dependent diabetes mellitus). Nessa doença, o fígado, o músculo e o tecido adipo- so são relativamente resistentes à ação da in- sulina em promover a captação de glicose para dentro das células e o seu armazenamen- to como glicogênio e triacilgliceróis. Portanto, mais glicose permanece no sangue. A. Carboidratos Os carboidratos da dieta são convertidos em monossacarídeos, O amido, um polímero de glicose, é o principal carboidrato da dieta. Ele é digerido pela c-amilase salivar e, então, pela ot-amilase pancreática, que age no intestino delgado. Di, tri e oligossacarí- deos produzidos por essas o-amilases são clivados à glicose pelas enzimas digestivas localizadas na superfície da membrana em “borda em escova” das células epiteliais intestinais. Os dissacarídeos da dieta também são clivados pelas enzimas nessa borda em escova. A sacarase converte o dissacarídeo sacarose (açúcar de mesa) em glicose e frutose, e a lactase converte o dissacarídeo lactose (açúcar do leite) em glicose e galactose. Os monossacarídeos produzidos pela digestão e os da dicta são absorvidos pelas células epiteliais intestinais e liberados na veia porta hepática, que os carrega para o fígado. B. Proteínas As proteínas da dieta são clivadas a aminoácidos por proteases (ver Figura 2.2, círculo 3). À pepsina age no estômago, e as enzimas proteolíticas produzidas pelo pâncreas (tripsina, quimotripsina, elastase e as arboxipeptidases) agem no lúmen do intestino delgado. As aminopeptidases e as di e tripeptidases associadas às células epiteliais intestinais completam a conversão das proteínas da dieta em aminoácidos que são ab- sorvidos pelas células epiteliais intestinais e liberados na veia porta hepática. C. Gorduras A digestão de gorduras é mais complexa do que a de carboidratos e proteínas. porque elas não são muito solúveis em água. Os triacilgliceróis da dieta são emulsificados no intestino pelos sais biliares, os quais são sintetizados no fígado e armazenados na vesícula biliar. A lipase pancreática converte os triacilgliceróis no lúmen do intestino em ácidos graxos e em 2-monoacilgliceróis (glicerol com um ácido graxo esterificado no carbono 2), os quais interagem com os sais biliares para formar minúsculas micro- gotas chamadas micelas. Os ácidos graxos e os 2-monoacilgliceróis são absorvidos dessas micelas pelas células epiteliais intestinais, onde são sintetizados novamente em triacilgliceróis. Os triacilgliceróis são empacotados com proteínas, fosfolipídeos, colesterol e outros compostos em complexos lipoprotéicos, conhecidos como quilo- mícrons, que são secretados na linfa e, por fim, entram na corrente sangiínea (ver Figura 2.2, círculo 2) H. MUDANÇAS NOS NÍVEIS HORMONAIS APÓS UMA REFEIÇÃO Após uma refeição rica em carboidratos, o pâncreas é estimulado a liberar o hormônio insulina, € a liberação do hormônio glucagon é inibida (ver Figura 2.2, círculo 4). Os hormônios endócrinos são liberados pelas glândulas endócrinas, tais como o pâncreas, em resposta a um estímulo específico. Eles carregam pelo sangue, entre os tecidos, mensagens sobre o estado fisiológico global do corpo. Nos tecidos-alvo, eles ajustam a taxa de várias rotas metabólicas para satisfazer as condições em mudança. O hormônio endócrino insulina, que é secretado pelo pâncreas em resposta à uma refeição rica em carboidrato, carrega a mensagem de que a glicose da dieta está disponível e pode ser utilizada c armazenada. A liberação de outro hormônio, o glucagon, é suprimida pela glicose e pela insulina. O glucagon informa que a glicose deve ser gerada a partir das reservas de substrato energético endógenas. As mudanças subsegentes nos níveis hor- monais circulantes causam mudanças nos padrões metabólicos do corpo envolvendo um número de diferentes tecidos e rotas metabólicas. ll. DESTINO DA GLICOSE APÓS UMA REFEIÇÃO A. Conversão em Glicogênio, Triacilgliceróis e CO, no Fígado Como a glicose deixa o intestino via veia porta hepática, e o fígado é o primeiro tecido que ela atravessa, ele extrai uma porção dessa glicose do sengue. Um pouco da glicose que entra nos hepatócitos (células do fígado) é oxidado em rotas de geração de trifosfa- to de adenosina (ATP) para satisfazer as necessidades enerzéticas imediatas dessas cé- lulas, e o restante é convertido em glicogênio e triacilgliceróis ou utilizado para reações biossintéticas. No fígado, a insulina promove a captação de glicose por aumentar sua utilização como substrato energético e seu armazenamento como glicogênio e triacil- gliceróis (ver Figura 2.2, círculos 5, 6 e 7). Quando a glicose está sendo oxidada a CO,, ela primeiramente é oxidada a piruva- to na rota da glicólise. O piruvato é, então, oxidado a acetil-CoA. O grupo acetil entra no ciclo do ácido tricarboxílico (TCA, do inglês tricarboxvlic acid), onde é completa- mente oxidado a CO. A energia das reações de oxidação é utilizada para gerar ATP. Os estoques de glicogênio hepático alcançam um valor máximo de aproximada- mente 200 a 300 g após uma refeição rica em carboidrato, enquanto os estoques de gor- dura do corpo são relativamente ilimitados. Conforme o estoque de glicogênio começa a ser preenchido, o fígado também começa a converter um pouco do excesso de glicose que ele recebe em triacilgliceróis. Tanto a porção glicerol quanto a porção ácido graxo dos triacilgliceróis podem ser sintetizadas a partir de glicose. Os ácidos graxos também são obtidos pré-formados do sangue. Entretanto, o fígado não armazena triacilgliceróis, mas os empacota juntamente com proteínas, fosfolipídeos e colesterol em complexos lipoprotéicos, conhecidos como lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDL), que são secretados na corrente sangiiínea. Uma pequena quantidade dos ácidos graxos da VLDL é captada pelos tecidos para suas necessidades energéticas imediatas, mas a maioria é armazenada no tecido adiposo como triacilgliceró B. Metabolismo da Glicose em Outros Tecidos A glicose que vem do intestino e que não é metabolizada pelo fígado vai através sangue para os tecidos periféricos (a maioria dos outros tecidos). onde ela pode ser oxidada para produzir energia. A glicose é o único substrato enersético que pode ser utiliza- do por todos os tecidos. Muitos tecidos armazenam quantidades pequenas de glicose como glicogênio. Os músculos têm reservas de glicogênio relativamente grandes. A insulina estimula muito o transporte de glicose para dentro dos dois tecidos que possuem a maior massa do corpo, o músculo e o tecido adiposo. Ela tem efeitos muito pequenos sobre o transporte de glicose para outros tecidos. 1. CÉREBRO E OUTROS TECIDOS NEURAIS O cérebro e outros tecidos neurais são muito dependentes de glicose para suas neces- sidades energéticas. Eles, em geral, oxidam-na completamente via glicólise e ciclo do TCA a CO, e H,O, gerando ATP (ver Figura 2.2, círculo 8). Exceto sob condições de jejum, a glicose é o único substrato energético importante desses tecidos. Ela é, tam- bém, um dos principais precursores de neurotransmissores, os compostos químic: que transmitem os impulsos elétricos (como gradientes iônicos) entre os neurônios. A queda da glicose sangiiínea muito abaixo dos níveis normais provoca tontura e aturdi- mento e, se progredir, coma e finalmente morte. Em condições normais, de não-jejum, o cérebro e o restante do sistema nervoso requerem aproximadamente 150 g de glicose por dia. 2. CÉLULAS SANGÚÍNEAS VERMELHAS A glicose é o único substrato energético utilizado pelas células sangiúíneas vermelhas, pois elas não possuem mitocôndrias. A oxidação de ácidos graxos e de aminoácidos, a cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação oxidetiva (geração de ATP que é dependente de O, e da cadeia transportadora de elétrons) ocorrem na mitocôndria. A Broquímica MépicA BÁSICA DE Marks 25 No fígado, e na maioria dos outros tecidos, glicose, gordura e outros substratos energéticos são oxida- dos ao grupo acetil de dois carbonos o l (CHa—C—) da acetil-CoA. A CoA, que torna o grupo acetil mais reativo, é um co-fator (a coenzima A) derivado da vitamina pantote- nato. O grupo acetil da acetil-CoA é comple- tamente oxidado a CO, no ciclo do TCA (ver Figura 1.4). O trifosfato de adenosina (ATP) é o produto final dessas rotas oxidativas. O ATP contém energia derivada das reações catabólicas de oxidação produtoras de ener- gia e transfere essa energia para processos anabólicos e outros que requeiram energia na célula. O metabolismo de substratos ener- géticos é frequentemente discutido como se o corpo consistisse apenas em cérebro, músculo (esquelético e cardia- co), fígado, tecido adiposo, células sangúíne- as vermelhas, rim e células epiteliais intesti- nais (o intestino”). Esses são os tecidos dominantes em termos de economia global de substrato energético, e os que nós descre- vemos com mais frequência, mas é evidente que todos os tecidos requerem substratos energéticos para produzir energia, e muitos têm requerimentos de substratos energéticos específicos. 26 CoLLeEN SMirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Glicogênio Glicose Ácidos graxos Aceti-COA TCA Figura 2.3 Oxidação de substratos energéti- cos no músculo esquelético em exercício. O músculo em exercício utiliza mais energia do que o músculo em repouso, e, portanto, a uti- lização de substratos energéticos está aumen- tada para suprir mais ATP. O nível de colesterol total de Ivan Applebod está agora em 315 mg/dL, levemente maior do que seu nível prévio de 296. (O nível recomendado atual- mente para o colesterol sérico total é de 200 mg/dL ou menos.) Seu nível de triacilglicerol é de 250 mg/dL (o normal é entre 60 e 160 mgjdL). Esses níveis de lipídeos indicam que o Sr. Applebod tem hiperlipidemia (nível alto de lipoproteínas no sangue) e, portanto, está em risco para o desenvolvimento futuro de aterosclerose e suas consequências, tais como ataques cardíacos e derrames. glicose, entretanto, gera ATP a partir da glicólise anaeróbica no citosol, e, dessa forma, as células sangiiíneas vermelhas obtêm toda a sua energia por esse processo. Na gli- cólise anaeróbica, o piruvato formado a partir da glicose é convertido a lactato, que é, então, liberado no sangue (ver Figura 2.2, círculo 9). Sem glicose, as células sangúíneas vermelhas não podem sobreviver. Como são clas que carregam oxigênio dos pulmões para os tecidos, sua ausência causaria falta de energia na maioria dos tecidos do corpo, pois eles requerem O, para converter comple- tamente seus substratos energéticos em CO, e H,0. 3. MÚSCULO Os músculos esqueléticos em exercício podem utilizar glicose do sangue ou dos seus próprios estoques de glicogênio, convertendo a glicose em lactato por meio da glicólise ou oxidando-a por completo a CO, e H,O. O músculo também utiliza outros substratos energéticos do sangue, tais como os ácidos graxos (Figura 2.3). Após uma refeição, a glicose é utilizada pelo músculo para repor os estoques de glicogênio que são exauri- dos durante o exercício. A glicose é transportada para as células musculares e converti- da em glicogênio por processos que são estimulados por insulina. 4. TECIDO ADIPOSO A insulina estimula o transporte de glicose para as células adiposas, bem como para as células musculares. Os adipócitos oxidam glicose para produzir energia e também a utilizam como fonte da porção glicerol dos triacilgliceróis que armazenam (ver Figura 2.2, círculo 10). IV. DESTINO DAS LIPOPROTEÍNAS NO ESTADO ALIMENTADO Dois tipos de lipoproteínas, quilomícrons e VLDL, são produzidos no estado alimen- tado. A principal função dessas lipoproteínas é fornecer um sistema de transporte san- gilíneo para os triacileliceróis, os quais são muito insolúveis em água. Entretanto, clas também contêm o lipídeo colesterol, que é relativamente insolúvel em água. Os tria- cilgliceróis dos quilomícrons são formados nas células epiteliais intestinais a partir dos produtos da digestão dos triacilgliceróis da dieta. Os triacilgliceróis da VLDL são sintetizados no fígado. Quando essas lipoproteínas passam pelos vasos sangúíneos, no tecido adiposo, seus triacilgliceróis são degradados a ácidos graxos e glicerol (Figura 2.2, círculo 12). Os ácidos graxos entram nas células adiposas e se combinam com o glicerol que é pro- duzido a partir da glicose sangiúínea. Os triacilgliceróis resultantes são armazenados nas células adiposas na forma de grandes gotas de gordura. Os remanescentes dos qui- lomícrons são removidos do sangue pelo fígado, e os remanescentes das VLDL podem ser removidos pelo fígado ou podem formar lipoproteína de densidade baixa (LDL), que é removida pelo fígado ou pelas células periférica: Dificilmente chega-se perto dos limites da capacidade de armazenar triacilglice- róis no tecido adiposo. A habilidade dos seres humanos em armazenar gordura parece ser limitada apenas pela quantidade de tecido que pode ser carregada sem sobrecarre- gar o coração. v. DESTINO DOS AMINOÁCIDOS NO ESTADO ALIMENTADO Os amincácidos derivados das proteínas da dieta vão do intestino para o fígado pela veia porta hepática (ver Figura 2.2, círculo 3). O fígado os utiliza para a síntese de pro- teínas séricas, bem como de suas próprias proteínas, e para a biossíntese de compostos nitrogenados que necessitam de aminoácidos precursores, tais como aminoácidos não- essenciais, heme, hormônios, neurotransmissores e bases púricas e pirimídicas (p. ex. adenina e citosina no DNA). Ele também pode oxidar aminoácidos ou convertê-los 2. Após a digestão de uma refeição rica em carboidratos, (A) o glucagon é liberado pelo pâncreas. (B) a insulina estimula o transporte de glicose para dentro do cérebro. (C). o fígado e o músculo esquelético utilizam glicose como seus principais substratos energéticos. (D) os músculos esqueléticos convertem glicose em ácidos graxos. (E) as células sangiiíneas vermelhas oxidam glicose : CO,. 3. Aminoácidos derivados da digestão de proteínas da dieta (A) fornecem nitrogênio para a síntese de aminoácidos não- essenciais no fígado podem ser convertidos em glicose na maioria dos teci- dos. não podem ser convertidos em gordura do tecido adipo- so. liberam nitrogênio que é convertido em uréia no múscu- lo esquelético. (E) são geralmente convertidos em proteínas do corpo ou excretados na urina. (B) (C) (D) Bioquímica MépiCA BÁSICA DE Marks 29 Níveis elevados de quilomícrons foram medidos no sangue de um paciente. Qual terapia dietética deveria ser mais útil para baixar os níveis de quilomícron? (A) Ingestão diminuída de calorias (B) Ingestão diminuída de gordura (C) Ingestão diminuída de colesterol (D) Ingestão diminuída de amido (E) Ingestão diminuída de açúcar Um paciente apresentou um IMC de 33 kg/m” e uma circun- ferência de cintura de 119 cm. Qual terapia dietética poderia ser considerada mais útil? (A Ingestão diminuída de calorias totais, porque todos os substratos energéticos podem ser convertidos em triacil- gliceróis do tecido adiposo. (B) À mesma quantidade de calorias totais, mas substituição de calorias de carboidratos por calorias de gorduras (C) A mesma quantidade de calorias totais, mas substituição de calorias de proteínas por calorias de gorduras. Uma dieta pura em gorduras, porque somente os ácidos graxos sintetizados no fígado podem ser depositados como triacilgliceróis no tecido adiposo. Uma dieta de alimentos específicos, tais como sorvete e refrigerante dietético. (D) (E Rotas denominadas com o sufixo “lise” são aquelas nas quais molé- culas complexas são quebradas ou isadas” em unidades menores. Por exem- plo, na glicogenódlise, o glicogênio é decom- posto em subunidades de glicose; na glicóli- se, a glicose é decomposta em duas moléculas de piruvato; na lipólise, triacilgliceróis são de- compostos em ácidos graxos e glicerol; na proteólise, proteinas são decompostas em seus constituintes aminoácidos. Gliconeogênese significa formação (gênese) de nova (neo) glicose e, por definição, converte novos (não- carboidratos) precursores em glicose. Os graus de desnutrição protéico- calórica (marasmo) são classifica- dos de acordo com o IMC. Desnutrição IMC protéico-calórica (kg/em?) I 17,0-18,4 u 16,0-16,9 m <160 Percy Veere apresentou o nível | de desnutri- ção protéico-calórica. Com a altura de 1,80m, ele deveria ter um peso acima de 59,8 kg para atingir um IMC superior a 18,5. Ann O'Rexia apresentou o nível Ill de desnutrição protéi- co-calórica. Com 1,67 m de altura, seu peso corporal deve ser superior a 51,6 kg para que ela atinja um IMC de 18,5. Jejum O estado de jejum (fasting). O jejum começa cerca de 2 a 4 horas após uma refeição, quando os níveis de glicose sangiiínea retomam aos níveis basais, e continua até que eles comecem a aumentar; após o início da próxima refeição. Dentro de apro- simadamente 1 hora após uma refeição, os níveis de glicose sangitínea começam a cair Consegitentemente, os níveis de insulina declinam, e os níveis de glucagon au- mentam. Essas mudanças nos níveis hormonais disparam a liberação de substratos energéticos a partir das reservas do corpo. O glicogênio hepático é degradado pelo processo de glicogenólise, o qual fornece glicose para o sangue. Os triacilgliceróis do tecido adiposo são mobilizados pelo processo de lipólise, o qual libera ácidos gra- xos e glicerol para o sangue. A utilização de ácidos graxos como substrato energético aumenta com a duração do jejum; o ácido graxo é o principal substrato energético oxidado durante o jejum noturno. Oxidação de substratos energéticos. Durante o jejum, a glicose continua a ser oxidada pelos tecidos dependentes de glicose, tais como o cérebro e as células vermelhas do sangue, e os ácidos graxos são oxidados por tecidos como o músculo eo fígado. O músculo e a maioria dos outros tecidos oxidam ácidos graxos comple- tamente a CO, e H,O. Entretanto, o fígado oxi da parcialmente os ácidos graxos a moléculas menores chamadas corpos cetônicos, os quais são liberados no sangue. O músculo, 9 rim e alguns outros tecidos obtêm energia da oxidação completa de cor- pos cetônicos no ciclo do ácido tr icarboxílico (TCA). Manutenção da glicose sangilínea (glicemia). Conforme o jejum progride, o fígado produz glicose não apenas pela glicogenólise (liberação de glicose a partir do glicogênio), mas também por um segundo processo, chamado gliconeogênese (síntese de glicose a partir de compostos não arboidratos). As principais fontes de carbono para a gliconeogênese são o lactato, o glicerol e os aminoácidos. Quando os carbonos dos aminoácidos são convertidos a glicose pelo fígado, seus nitrogênios são convertidos a uréia. Inanição (starvation). Um jejum de três ou mais dias caracteriza o estado de inanição. O músculo continua a queimar ácidos graxos, mas diminui a utilização de corpos cetônicos. Como resultado, a concentração de corpos cetônicos no sangue aumenta a um nível no qual o cérebro começa a oxidá-los para produzir energia. O cérebro, então, necessita menos glicose, e, portanto, o fígado diminui sua taxa de gli- coneogênese. Consegiientemente, menos proteína é degradada no músculo e em ou- tros tecidos para fornecer aminoácidos para a gliconeogênese. A reserva de proteína preserva funções vitais pelo maior tempo possível. Devido a essas mudanças nos padrões de utilização de substratos energéticos de vários tecidos, os seres humanos podem sobreviver por períodos longos sem a ingestão de alimento. 090 SALA DE ESPERA Percy Veere foi intemado no hospital com um diagnóstico de depressão men- tal associada à desnutrição (ver Capítulo 1). No momento da admissão, seu peso corporal de 56.7 kg dava a ele um índice de massa corporal (IMC) de 17,5 (variação normal, 18,5 a 24.9). Sua albumina sérica estava 10% abaixo do limite inferior da variação normal, e ele exibia sinais de deficiência de ferro e vitaminas. Bioquímica MÉDICA BÁSICA DE Marks 31 Testes adicionais foram feitos para auxiliar a avaliação do grau de desnutrição do Sr. Veere e o progresso de sua recuperação. A circunferência de seu braço e a prega cutânea de seu tríceps foram medidas, e a circunferência muscular medial do braço foi calculada (ver Capítulo 2, Medidas Antropométricas). Sua transferrina sérica, bem como sua albumina sérica foram medidas. A glicose sangiiínea e a concentração de corpos cetônicos em jejum foram determinadas por meio de amostras de sangue co- letadas antes do café da manhã do dia seguinte. Uma amostra de urina de 24 horas foi coletada para determinar a excreção de-corpos cetônicos e a excreção de creatinina para cálculo do índicé creatinina-altura (CA), uma medida da depleção protéica do músculo esquelético. Amn O"Rexia estava recebendo aconselhamento psicológico para anorexia nervosa, mas com pouco sucesso (ver Capítulo 1). Ela consultou seu gineco- logista porque não estava menstruando há 5 meses. Ela também reclamava de ficar facilmente fatigada. O médico identificou que o peso corporal de Ann, de 38,55 kg, era menos de 65% de seu peso ideal (seu IMC era agora 13,7). Ele recomendou hospitalização imediata. O diagnóstico na admissão foi desnutrição grave secundária à anorexia nervosa. Os achados clínicos incluíam temperatura corporal central, pressão sangiiínea e pulso diminuídos (respostas adaptativas à desnutrição). Seu médico solici- tou dosagens dos níveis sangiiíneos de glicose e corpos cetônicos e fez um teste de presença de corpos cetônicos na urina, bem como solicitou avaliação funcional de seu coração e seus rins. Il. O ESTADO DE JEJUM Os níveis de glicose sangiiínea atingem um pico cerca de 1 hora após uma refei então, diminuem conforme os tecidos oxidam glicose ou a convertem em formas de armazenamento de substratos energéticos. Não mais do que 2 horas após uma refeição, os níveis retornam à faixa de jejum (entre 80 e 100 mg/dL). Essa diminuição na glicose sangiúínea faz com que o pâncreas diminua sua secreção de insulina, o que provoca a queda do nível sérico dessa. O fígado responde a esse sinal hormonal começando a degradar suas reservas de glicogênio e a liberar glicose no sangue. Se for realizada outra refeição dentro de poucas horas, retorna-se ao estado ali- mentado. Entretanto, se o jejum continuar por um período de 12 horas, entra-se no estado basal (também conhecido como estado pós-absortivo). Em geral, considera-se que uma pessoa está no estado basal após um jejum noturno, quando nenhum alimento foi ingerido desde o jantar da noite anterior. Nesse momento, o nível de insulina sérica está baixo, e o de glucagon está aumentando. A Figura 3.! ilustra as principais carac- terísticas do estado basal. A. A Glicose Sangiínea e o Papel do Fígado Durante o Jejum O fígado mantém os níveis de glicose sangiiínea durante o jejum, e seu papel é, por- tanto, crucial. A glicose é o principal substrato energético para tecidos como o cérebro e o tecido neural e o único substrato energético para as células vermelhas do sangue. A maioria dos neurônios não possui as enzimas necessárias para a oxidação de ácidos graxos, mas pode utilizar corpos cetônicos até um certo limite. As células vermelhas do sangue não possuem mitocôndrias, as quais contêm as enzimas de oxidação de ácidos graxos e corpos cetônicos, e podem utilizar apenas glicose como substrato energético. Portanto, é fundamental que o nível de glicose sangiiínea não diminua muito e nem de forma muito rápida. Inicialmente, as reservas de glicogênio hepático são degradadas para fomecer gli- cose para o sangue, mas elas são limitadas. Embora os níveis de glicogênio hepático possam aumentar até 200 a 300 g após uma refeição, restam apenas cerca de 80 g após um jejum noturno. Entretanto, o fígado tem outro mecanismo para produzir glicose sangiiínea conhecido como gliconeogênese. Na gliconeogênese, lactato, glicerol e ami- noácidos são utilizados como fontes de carbono para sintetizar glicose. Conforme o jejum continua, a gliconeogênese adiciona-se de modo progressivo à glicose produzida pela glicogenólise no fígado. Percy Veere não se alimentou bem no seu primeiro dia de hospitaliza- ção. Sua glicemia de jejum determi nada na manhã do segundo dia foi de 72 mg/ dl (normal, jejum noturno = 80 a 100 mg/dL). Assim, apesar de sua desnutrição e de seu jejum noturno, sua glicemia estava sendo mantida em níveis bem próximos dos nor- mais pela gliconeogêness, por meio de pre- cursores aminoácidos. Se sua glicose sangii- nea diminuísse abaixo de 50 a 60 mg/dL durante o jejum, seu cérebro ficaria incapaz de absorver glicose suficientemente rápido para obter a quantidade necessária para pro- duzir energia e para a síntese de neurotrans- missores, resultando em coma e, por fim, morte. Embora muitos outros tecidos, como as células vermelhas do sangue, também se- jam dependentes, de forma total ou parcial, de glicose para produzir energia, eles são mais aptos do que o cérebro para exercer suas funções sob baixas concentrações de glicose sangúínea.  34 CoLLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Tabela 3.1 Capacidades Metabólicas de Vários Tecidos Tecido Córtex Processo Fígado Adiposo Renal Músculo Cérebro REC* Ciclo do TCA facetiCoA > CO, + H,0) +++ + ++ +a+ +++ Es B-Oxidação de ácidos graxos +++ -— ++ AE Ea a Formação de corpos cetônicos +++ -- E Es se En Utilização de corpos cetônicos == + + +++ +++ -—— lisjum prolongado) Glicálisa (glicose —» CO, + HO) +++ ++ ++ ++ +++ Es Produção de lactato E Eq st É ds (glicose — lactato) Exercício Metabolismo do glicogênio (síntese e +++ + + ++ + e degradação) Gliconeogênese lactato, aminoácidos, glicerol ++ o + E pas Es = glicose) Ciclo da uréia (amônia — uréia) +++ am Er pe a Es Lipogênese (glicose —» ácidos graxos) ++ + as ne Er . *REBC = células vermelhas do sangue (do inglês red blood cells), ou eritrócitos. mas ES. a É Sangue « Glicogênio E Glicose (esgotado) Y Insulina GC quis TEA r TCA t Glucagon EP] [ATP] cetil-COA Glicerol KB Tecido adiposo TG AceliiCoa == Proteina TÇA Músculo cor [ATP] Figura 3.3 Estado de inanição. As abreviaturas estão definidas nas Figuras 2.2 e 3.1. As linhas pontilhadas indicam processos que dimi- nuíram em relação ao estado de jejum, e a linha contínua grossa indica um processo que aumentou. Bioquímica MÉDICA BÁsiCA DE MARKS 35 aumenta (Figura 3.4). O cérebro começa a captar esses corpos cetônicos do sangue e a oxidá-los para produzir energia. Portanto, o cérebro precisa menos glicose do que ele precisava após um jejum noturno (Tabela 3.2). A glicose ainda é necessária, entretanto, como fonte de energia para as células ver- melhas do sangue, e o cérebro continua a utilizar uma quantidade limitada de glicose, a qual ele oxida para produzir energia e utiliza como fonte de carbono para a síntese de neurotransmissores. Em termos globais, entretanto, a glicose é “poupada” (conserva- da). Menos glicose é utilizada pelo corpo, e, portanto, o fígado precisa produzi-la em menor quantidade por hora durante o jejum prolongado do que durante períodos mais curtos de jejum. Como as reservas de glicogênio no fígado se esgotam em cerca de 30 horas de jejum, a gliconeogênese é o único processo pelo qual o fígado pode fornecer glicose para o sangue se o jejum continua. O pool (conjunto) de aminoácidos, produzido pela degradação de proteínas, continua a ser a principal fonte de carbono para a gliconeogê- nese. Uma fração desse pool de aminoácidos também é utilizada para funções biossin- téticas (p. ex. síntese de heme e neurotransmissores) e nova síntese protéica, processos que devem continuar durante o jejum. Entretanto, como resultado da taxa diminuída de gliconeogênese durante o jejum prolongado, as proteínas são “poupadas”; menos proteína é degradada para fornecer aminoácidos para a gliconeogênese. Enquanto está convertendo o carbono de aminoácidos em glicose na gliconeogê- nese, o fígado também converte o nitrogênio desses aminoácidos em uréia. Consegien- temente, como a produção de glicose diminui durante o jejum prolongado comparada com o jejum breve, a produção de uréia também diminui (Figura 3.5). B. Papel do Tecido Adiposo Durante o Jejum Prolongado Durante o jejum prolongado, o tecido adiposo continua a degradar suas reservas de triacilgliceróis, fornecendo ácidos graxos e glicerol para o sangue. Esses ácidos graxos são a principal fonte de substratos energéticos para o corpo. O glicerol é convertido em glicose, enquanto os ácidos graxos são oxidados a CO, e H,O por tecidos como o músculo. No fígado, os ácidos graxos são convertidos em corpos cetônicos que são oxidados por muitos tecidos, incluindo o cérebro. Um grande número de fatores determina por quanto tempo pode-se ficar em jejum e ainda sobreviver. A quantidade de tecido adiposo é um deles, pois ele for- nece ao corpo sua principal fonte de substratos energéticos. Entretanto, os níveis de proteína do corpo também podem determinar a extensão de tempo que se pode ficar em jejum. A glicose ainda é utilizada durante o jejum prolongado (inanição), ma em quantidades bastante reduzidas. Embora as proteínas para fornecer aminoácidos para a gliconeogênese sejam degradadas em taxas menores durante a inanição do que durante os primeiros dias de jejum, ainda são perdidas proteínas que servem para funções vitais para os tecidos do corpo. A sua quantidade pode ficar tão reduzida que o coração, o rim e outros tecidos vitais param de funcionar, ou pode se desenvolver uma infecção e não haver reservas adequadas para preparar uma resposta imune. Além dos problemas energéticos, há também a privação de vitaminas e minerais pre- cursores de coenzimas e outros compostos necessários para as funções teciduais Devido tanto à falta de ATP quanto à ingestão diminuída de eletrólitos, a composição de eletrólitos do sangue ou das células torna-se incompatível com a vida. Por fim. morre-se de inanição. Tabela 3.2 Alterações Metabólicas Durante o Jejum Prolongado, Comparadas com as do Jejum de 24 Horas Músculo 1 Utilização de corpos cetônicos Cérebro 1 Utilização de corpos cetônicos Fígado 1 Gliconeogênese Músculo t Degradação de proteina Fígado 4 Produção de uréia Os exames laboratoriais de admis- são de Ann O'Rexia mostraram um nível de glicose sangúínea de 65 mg/dL (glicemia de jejum normal = 80 a 100 mg/dL). Sua concentração de corpos cetôni cos séricos era de 4.200 uM (normal = «70 UM). O teste de urina Ketostix (Bayer Diag- nostics, Mishawaha, IN) foi moderadamente positivo, indicando que corpos cetônicos es- tavam presentes na urina. No seu estado de inanição, a utilização de corpos cetônicos por seu cérebro está ajudando a conservar pro- teínas de seus músculos e órgãos vitais. 6 “5 9 z É 4 Glicose |70 5 = a se 8 8 E c ê Es orpos ê 2a cetônicos| 3 Ea ps g ê E H Ácidos ê graxos End 0 2 4 6 8 Dias de jejum Figura 3.4 Alterações na concentração de substratos energéticos no sangue durante o jejum prolongado. A morte por inanição ocorre com a perda, em geral, de 40% do peso cor- poral, quando aproximadamente 30 a 50% das proteínas do corpo foram perdidas, ou 70 a 95% das reservas de gordura. Em ge- ral, isso ocorre com IMC de aproximadamente 13 para homens e de 11 para mulheres. Glicose 700 gid Jejum 12 horas Inanição 3 dias Inanição 5-6 semanas 5 10 15 Uréia excretada (g/a) Figura 3.5 Alterações na excreção de uréia durante o jejum. A produção de uréia é muito baixa em uma pessoa consumindo apenas gli- cose. Ela aumenta durante o jejum conforme as proteínas musculares são degradadas para suprir aminoácidos para a gliconeogênese. Entretanto, conforme o jejum progride, a sín- tese de uréia diminui. Como o cérebro satisfaz um pouco de suas necessidades energéticas oxidando corpos cetônicos após 3 a 5 dias de jejum, a gliconeogênese diminui, poupando proteína no músculo e em outros tecidos. 36 CoLLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Índice creatinina-altura. O marcador bioquímico mais amplamente usado para estimar a massa muscular cor- poral é a excreção urinária de creatinina de 24 horas. A creatinina é um produto de de- gradação formado no músculo em atividade a uma taxa constante, proporcionalmente à quantidade de tecido muscular que possui o paciente. Em um indivíduo com desnutrição protéica, a creatinina urinária irá diminuir na mesma proporção da diminuição da massa muscular. Para avaliar a depleção de massa muscular, a creatinina excretada é represen- tada em relação à altura, o índice creatinina- altura (ICA). A quantidade de creatinina (em miligramas) excretada pelo indivíduo em 24 horas é dividida pela quantidade excretada por um indivíduo normal saudável de mesma altura e sexo. A razão resultante é multiplica- da por 100 para expressá-la como percenta- gem. O ICA de Percy Veere foi de 85% (de 80- 90% do normal indicam um déficit leve; 60-80% indicam um déficit moderado; menos de 60% do normal indicam um déficit grave da massa muscular). Figura 3.6 Fotografia de paciente com ano- rexia nervosa. Retirada de MedCom slide, 1970. COMENTÁRIOS CLÍNICOS Percy Veere. Como resultado de seu apetite gravemente suprimido, o Sr. Percy Vere desenvolveu uma desnutrição protéico-calórica de grau leve, Esse tipo de desnutrição protéica, quando prolongado, pode causar alterações nos vilos do intestino delgado, as quais reduzem a sua capacidade absortiva para O pouco alimento que é ingerido. Apesar da ingestão insuficiente de carboidratos na dieta. o nível sangúííneo de gli- cose do Sr. Veere é 72 mg/dL, próximo ao limite inferior (80 mg/dL) da variação nor- mal para uma pessoa bem-nutrida saudável após um jejum de 12 horas. Esse é o achado esperado; ele reflete a capacidade do fígado de manter níveis adequados de glicose sangiiínea por meio da gliconeogênese mesmo durante restrição calórica prolongada e relativamente grave. Aminoácidos da degradação de proteínas, principalmente no mús- culo esquelético, fornecem a maioria dos precursores para a gliconeogênese. Percy Veere tem vários indicadores de desnutrição protéica: seus níveis séricos de albumina e transferrina estão abaixo do normal, sua circunferência muscular medial do braço (CMMB) está no percentil 12, e seu índice creatinina-altura (ICA) é 85%. Os baixos níveis de proteínas séricas refletem uma ingestão protéica baixa na dieta e, possivelmente, uma capacidade diminuída de absorver aminoácidos da dieta. Conse- qiientemente, aminoácidos são mobilizados a partir da degradação de proteínas nos músculos e em outros tecidos para fornecer precursores para a síntese de novas pro- teínas bem como para a gliconcogênese. O resultado é uma perda de massa muscular, indicada pela CMMB e pelo ICA, e níveis diminuídos de proteínas . Os ácidos graxos mobilizados a partir do tecido adiposo são à principal fonte de energia para a maioria dos tecidos. Como o paciente está se alimentando, e não em jejum total, seus corpos cetônicos estavam apenas moderadamente elevados no sangue (110 UM; normal de 70 UM) e não apareceram na urina. Após várias sessões de aconselhamento psicológico e a promessa de uma visita prolongada de seu neto, o Sr. Veere retomou seu padrão normal de alimentação. Ann O'Rexia. Am O'Rexia tem anorexia nervosa, uma doença crônica de- bilitante na qual fatores psicológicos e biológicos pouco conhecidos levam a distúrbios na imagem corporal do paciente. Esses pacientes buscam a magre- za apesar da presença de emaciação grave e uma aparência “esquelética” (Figura 3.6). Em geral, eles têm muito medo de estar com sobrepeso e negam a gravidade de seu baixo peso corporal. A «menorréia (falta de menstruações) em geral se desenvolve durante a anorexia nervosa e outras condições quando o conteúdo de gordura corporal caí para aproxi- madamente 22 % de seu peso total. A causa imediata da amenorréia é uma produção reduzida de hormônios protéicos gonadotrópicos (hormônio luteinizante e hormônio folículo estimulante) pela hipófise anterior; a conexão entre essa alteração hormonal e o conteúdo de gordura corporal ainda não é compreendido. A Srta. O"Rexia está sofrendo as consegiiências de uma restrição protéica e caló- rica prolongada e grave. Ácidos graxos, liberados do tecido adiposo por lipólise, estão sendo convertidos em corpos cetônicos no fígado, e o nível de corpos cetônicos no sangue está extremamente elevado (4.200 UM; normal de 70 UM). O fato de seus rins estarem excretando corpos cetônicos está refletido no teste de urina moderadamente positivo para corpos cetônicos observado na internação. Embora a glicose sangiiínea da Srta. O'Rexia esteja abaixo da faixa normal de jejum (65 mg/dL; normal de 80 mg/dL), ela tem sentido apenas um grau moderado de hipoglicemia (glicose sangiiínea baixa), apesar de sua dieta severa próxima da ina- nição. Seus níveis de glicose sangúínea refletem a habilidade do cérebro para utilizar corpos cetônicos como substratos energéticos quando eles estão elevados no sangue, diminuindo, assim, a quantidade de glicose que deve ser sintetizada a partir de amino- ácidos fornecidos por degradação de proteínas. O IMC da Srta. O'Rexia mostrou que ela estava próxima da morte por inanição. Ela foi. portanto, hospitalizada e submetida à nutrição enteral (nutrientes fornecidos através de um tubo de alimentação). O plano terapêutico geral, delineado no Capítulo  PARTE DOIS Fundamentos Químicos e Biológicos da Bioquímica disciplina da bioquímica se desenvolveu quando foram iniciados, pelos bioquímicos, o estudo das moléculas de células, tecidos e líquidos cor- porais e, pelos médicos, a procura pelas bases moleculares das diversas doenças. Hoje, a prática da medicina depende da compreensão de regras e interações do enorme número de diferentes substâncias que permitem o funcionamento do corpo. A tarefa é menos árdua para quem conhece as propriedades, a nomenclatura e a função das classes de compostos, como carboidratos e enzimas. O objetivo desta seção é revisar algumas informações em um contexto rele- vante para a medicina. No Capítulo 4, será discutida a relação metabólica de ácidos e tampões do san- gue. O foco do Capítulo 5 são a nomenclatura, a estrutura e algumas propriedades da maioria das classes de compostos encontrados no corpo humano. A estrutura de uma molécula determina sua função e seu destino, e o nome usual de um composto pode fregiientemente dizer algo sobre sua estrutura. Proteínas são cadeias lineares de aminoácidos que se dobram em estruturas tridi- mensionais complexas. Elas atuam na manutenção das estruturas celular e tecidual e no transporte e movimento de moléculas. Algumas proteínas são enzimas, as quais são catalisadores que aumentam muito a taxa de reações químicas do sangue. Os Capítulos 6e 7 descrevem os aminoácidos e suas interações dentro das proteínas que caracteri- zam as estruturas tridimensionais funcionais e flexíveis dessas proteínas. Os Capítulos 8e 9 descrevem as propriedades, as funções e a regulação de enzimas. As proteínas e outros componentes agem dentro de um ambiente especializado de- finido pela sua localização nas células e nos líquidos celulares. Sua ação é parcialmente dependente das membranas que limitam o livre movimento de moléculas. O Capítulo 10 inclui uma breve revisão dos componentes celulares, sua organização nas organelas subcelulares e a maneira pela qual os vários tipos de moléculas se movem nas células e entre os compartimentos celulares. Em um organismo complexo como o humano, diferentes tipos celulares executam diferentes funções. Essa especialização requer que as células se comuniquem umas com as outras. Uma das maneiras de elas se comunicarem é por meio da secreção de mensageiros químicos, os quais carregam um sinal para outras células. No Capítulo 11, serão considerados alguns princípios de sinalização celular e descritos alguns sistemas de mensageiros químicos. Tanto neste livro como na prática médica, será preciso converter diferentes unida- des utilizadas para peso e tamanho dos compostos e para sua concentração no sangue e em outros líquidos. A Tabela | fornece definições de algumas das unidades utilizadas para essas interconverssões. A nomenclatura utilizada para des- crever pacientes pode incluir o nome de uma classe de componen- tes. Por exemplo, uma paciente com diabetes melito que estava com hiperglicemia tem al- tas (hiper) concentrações de carboidratos (glic) em seu sangue (emia). Do ponto de vista bioquímico, a maioria das doenças metabólicas são causadas por enzimas e por ou- tras proteínas que apresentam um mau fun- cionamento, que é corrigido pelos fármacos utilizados para tratar tais doenças. Por exem- plo, indivíduos com aterosclerose, que têm níveis de colesterol elevados, são tratados com um fármaco que inibe uma enzima na via para síntese de colesterol. Mesmo uma infecção bacteriana pode ser considerada uma doença de função protéica, pois pode se considerar as toxinas bacterianas como pro- teínas. As enzimas são afetadas por essas to- xinas, e a resposta imune, durante a tentativa de destruir as bactérias, envolve proteínas. Di Abietes tem um nível elevado de glicose no sangue de 684 mg/dl. Qual é a concentração molar de gli- cose no sangue de Di? (Pista: o peso molecular da glicose [C,H,,0,] é 180 gramas por mol. 40 CozLEEN SMirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN os clínicos nos Estados Unidos ex- R) mg/dL é a maneira mais comum de Tabela 1 Unidades Comuns Expressas na Forma de Equivalentes pressarem a concentração sangúiínea 1M 1mol/L Peso molecular em g/L de glicose. Uma concentração de 684 mg/dL é 1mM 1 milimol/L 107 mol/L 684 mg por 100 mL de sangue, ou 6.480 mg !MM 1 micromol/L. 10 mol/L por um litro (L), ou 6,48 g/L. Se 6,84 g/L é div. (in! tdi oa dido por 180 gramas por mol, obtém-se um — jog, anal ddE ns valor de 0,038 mol/L, o qual é 0,038 M, ou 38 4 mgjaL 1mg/100 mL 10º 9100 mL mM. 1 mEg/L 1 miliequivalente/L ml x valência do íon 1kg 1.009 2,2 Ibs libras) tem 102m 0,394 polegadas 4| Água, Ácidos, Bases e Tampões Cerca de 60% do corpo humano é composto por água. Ela age como um solvente para as substâncias necessárias para o organismo, tais como K”, glicose, trifos de adenosina (ATP) e proteínas, e é importante para o transporte de moléculas de ca- lor: Muitos dos componentes produzidos no corpo e dissolvidos em água contêm gru- pos químicos que agem como ácidos ou bases, liberando ou recebendo íons hidrogê- nio. O conteúdo do íon hidrogênio e a quantidade de água do corpo são controlados para manter um ambiente constante para as células, chamado de homeostase (mesmo estado) (Figura 4.1). Desvios significativos de um estado constante, tal como acidose ou desidratação, podem causar risco à vida. Este capítulo descreve o papel da água no corpo e os sistemas tampão utilizados por ele para se proteger dos ácidos e bases produzidos no metabolismo. Água. A água é distribuída entre os compartimentos intra e extracelulares; esse ltimo inclui os líquidos intersticiais, o sangue e a linfa. Por ser a água uma molécu- la dipolar com uma distribuição irregular de elétrons entre os átomos de hidrogênio e xigênio, ela forma ligações de hidrogênio com outras moléculas polares e age como um solvente. O pH da água. A água se dissocia fracamente para formar íons hidrogênio (H") e hidroxil (OH). A concentração de íons hidrogênio determina a acidez da solução, a qual é expressa em termos de pH. O pH de uma solução é o logaritmo negativo de sua concentração de íon hidrogênio. Ácidos e Bases. Um ácido é uma substância que pode liberar íons hidrogênio prótons), e uma base é uma substância que pode receber íons hidrogênio. Quase sodas as moléculas de um ácido forte, quando dissolvidas em água, dissociam-se e liberam seus íons hidrogênio, mas apenas uma pequena porcentagem do total de mo- léculas de um ácido fraco se dissocia. Um ácido fraco tem uma constante de disso- ciação caracterísitica, K, A relação entre o pH de uma solução, o K, de um ácido e a extensão de sua dissociação são obtidos pela equação de Henderson-Hasselbalch. Tampões. Um tampão é uma mistura de um ácido não-dissociado e sua base conjugada (a forma do ácido que perdeu seu próton). Isso leva a solução a resistir a alterações no pH quando H' ou OH é adicionado. Um rampão tem uma maior ca- pacidade de tamponamento na escala próxima ao seu pK, (o logaritmo negativo do seu K,). Dois fatores determinam a efetividade de um tampão, seu pK, relativo ao pH da solução e sua concentração. Ácidos e bases metabólicos. O metabolismo normal gera CO, ácidos metabó- ticos (p. ex., ácido láctico e corpos cetônicos) e ácidos inorgânicos (p. ex., ácido sulfúrico). A maior fonte de ácido é CO,, que reage com água para produzir ácido carbônico. Para manter o pH dos líquidos corporais em uma variação compatível com a vida, o corpo tem tampões, como bicarbonato, fosfato e hemoglobina (ver Figura 4.1). Finalmente, mecanismos respiratórios removem ácido carbônico através da expiração de CO,, e os rins excretam ácido com íon amônia (NH) e outros tons. co, Pulmões Líquidos corporais Tampões Bicarbonato Fosfato Hemoglobina NHa NH$ V Urina Figura 4,1 Manutenção do pH corporal. O cor- po produz cerca de 13 a 22 moles de ácido por dia a partir do metabolismo normal. Ele se protege dessa acidez com tampões que mantêm um pH neutro e pela expiração de Co, através dos pulmões e da excreção de NH; e outros íons pelos rins. 44 CozreeN SMirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Tabela 4.1 Distribuição de Íons nos Cátions Ne” 145 12 K 4 150 Ânions cr 105 5 Hco; 25 12 Fosfato inorgênico 4 100 *Q conteúdo de íons inorgânicos é muito semelhante no plasma e no líquido intersticial, os dois componen- tes do líquido extracelular. (LEC = liquido extracelular, LIC = líquido intracelular.) Na emergência, Di Abietes foi rei- dratada com soro fisiológico, que é uma solução de 0,9% de NaCl. Por que foi utilizado soro fisiológico em vez de água? Di Abietes teve uma diurese osmóti- ca. Como ela apresenta níveis san- gúíneos de glicose e corpos cetôni- cos bastante elevados, esses compostos estão passando do sangue para o filtrado glo- merular, nos rins, e, então, para a urina. Como consequência da alta osmolalidade do filtrado glomerular, a quantidade de água que está sendo excretada na urina é maior do que o normal, o que leva à constatação de que Di tem poliúria (volume urinário aumentado). A perda de água do sangue para urina faz com que a água passe do interior das células para o espaço intersticial e para o sangue, provo- cando uma desidratação intracelular. As célu- las desidratadas no cérebro não são aptas a executarem suas funções normais. Como re- sultado, Di está em coma. HO = H* + OH” Figura 4.5 A dissociação da água. O laboratório relata que o pH sangú- ineo de Di Abietes era 7,08 (valores de referência = 7,37 a 7,43). Qual era a [H"] no seu sangue comparada com a con- centração em um pH normal de 7,4? Equação 4.1 Definição de pH. pH=-log [H'] responde so aumento de calor com a diminuição da quantidade de pontes de hidro- gênio e ao resfriamento com o aumento da formação de pontes de hidrogênio entre as suas moléculas. C. Eletrólitos Os líquidos extracelular (LEC) e intracelular (LIC) contêm eletrólitos, um termo geral aplicado a bicarbonato e ânions e cátions inorgânicos. Os eletrólitos são dis- tribuídos entre os compartimentos de forma irregular; no LEC (plasma e líquido in- tersticial). os principais eletrólitos são Na” e CI e, nas células, K* e fosfatos como HPO;? (Tabela 4.1). Essa distribuição é mantida principalmente pelos transportado res dependentes de energia que bombeiam Na* para fora das células em troca de K (ver Capítulo 10). D. Osmolalidade e Movimento de Água A água é distribuída entre os diferentes compartimentos líquidos de acordo com « concentração de solutos, ou osmolalidade, de cada um deles. A osmolalidade de um líquido é proporcional à concentração total de suas moléculas dissolvidas, incluin do íons, metabólitos orgânicos e proteínas (em geral é expressa como miliosmole: [mOsm]/kg de água). A membrana celular semipermeável que separa os comparti mentos extra e intracelular contém um número de canais de íons através dos quais : água pode se mover livremente, mas outras moléculas não. Do mesmo modo, a águ: pode se mover livremente através de capilares que separam o líquido intersticial o plasma. Como resultado, ela se move de um compartimento com concentra: de solutos mais baixa (baixa osmolalidade) para um com concentração mais alta para atingir uma osmolalidade igual em ambos os lados da membrana. A força par manter a mesma quantidade de água em ambos os lados da membrana é chamada d pressão osmótica. Quando um compartimento líquido perde água, outro a repõe, para manter a os molalidade aproximadamente constante. O sangue contém uma grande quantidade d proteínas carregadas negativamente, e são necessários eletrólitos para balancear essa cargas. À medida que a água passa do sangue para urina para balancear a excreção d íons. o volume sangiiíneo é preenchido com água do líquido intersticial. Quando as os molalidades do sangue e do líquido intersticial estão muito altas, a água se move pai fora das células. A perda de água celular também pode ocorrer na hiperglicemia, um vez que a alta concentração de glicose aumenta a osmolalidade do sangue. Il ÁCIDOS E BASES Ácidos são compostos que doam um fon hidrogênio (H”) para uma solução, e basé são compostos (como o fon OH”) que captam íons hidrogênio. Uma pequena parte c própria água se dissocia, gerando íons hidrogênio (H") — os quais são também cham: dos de prótons — e íons hidróxido (OH) (Figura 4.5). Grande parte dos íons hidrogên estão hidratados na água, formando espécies como H,O”, entretanto são usualmen representados apenas como H”. A água é neutra, nem ácida nem bá i A. OpHda Água A fração de dissociação das moléculas de água em H” e OH é muito leve, e a co centração de íons hidrogênio na água pura é apenas 0,0000001 M, ou 107 mol/L. concentração de íons hidrogênio em uma solução é usualmente indicada pelo term pH, o qual é o log, negativo da concentração de íons hidrogênio expresso em mol (Equação 4.1). Portanto, o pH da água pura é 7. A constante de dissociação da água, K,, expressa a relação entre a concentraç de íons hidrogênio [H'], a concentração de íon hidróxido [OH'] e a concentração | água [H.0] no equilíbrio (Equação 4.2). Como a água se dissocia fracamente, a [H é essencialmente constante em 55.5 M. Multiplicando-se a X, para água (cerca de 1,8 x 10º M) por 55,5 M, obtém-se um valor de aproximadamente 10“ (M)”, o qual é cha- mado de produto iônico da água (K,) (Equação 4.3). Devido ao fato de a K, (o produto de [H*] e [0H"]) ser sempre constante, uma diminuição da [H"] deve ser acompanhada por um aumento proporcional de [0H]. Um pH de 7 é considerado neutro, porque [H”] e [OH] são iguais. Em relação à água pura, as soluções ácidas têm uma concentração maior de íons hidrogênio e uma concentração menor de íons hidróxido (pH < 7.0), e as soluções básicas têm uma concentração menor de fons hidrogênio e uma concentração maior de íons hidróxido (pH>7,0). B. Ácidos Fortes e Fracos Durante o metabolismo, o corpo produz um número de ácidos que aumentam a concen- tração de íons hidrogênio no sangue ou em outros líquidos corporais e tendem a baixar o pH (Tabela 4.2). Esses ácidos, metabolicamente importantes, podem ser classificados como ácidos fracos ou ácidos fortes pelo seu grau de dissociação em um íon hidrogê- nio e uma base (o componente aniônico). Ácidos inorgânicos. como ácido sulfúrico (H.SO, e ácido clorídrico (HCT), são ácidos fortes que se dissociam completamente em solução (Figura 4.6). Ácidos orgânicos que contêm grupos de ácidos carboxílicos fp. ex., os corpos cetônicos ácido acetoacético e ácido B-hidróxi-butírico) são ácidos fracos que se dissolvem apenas de forma limitada em água. Em geral, um ácido fraco (HA), chamado de ácido conjugado, dissocia-se em um íon hidrogênio e um compo- nente aniônico (A), chamado de base conjugada. O nome de um ácido não-dissociado usualmente termina em “ico” (p. ex., ácido acetoacético). e o nome de um componente aniônico dissociado termina em “ato” (p. ex., acetoacetato A tendência de (HA) de se dissociar e doar um fon hidrogênio para a soluçã representada por seu K,, a constante de equilíbrio para diss jo de um ácido fraco Equação 4.4). Quanto maior o K,, maior a tendência de dissociar um próton. Na equação de Henderson-Hasselbalch, a fórmula para a constante de dissociação de um ácido fraco é convertida em uma equação logarítmica conveniente (Equação 4.5). O termo pk, representa o log negativo de K,. Se o pK, para um ácido fraco é conhecido, essa equação pode ser utilizada para calcular a razão entre a forma não- protonada e a protonada em qualquer pH. A partir dessa equação, pode-se ver que um ácido fraco está 50% dissociado em um pH igual ao seu pK,. Dennis Veere ingeriu um número desconhecido de comprimidos de ácido ace- tilsalicílico (Aspirina”). O ácido acetilsalicílico é rapidamente convertido em ácido salicílico no corpo. O efeito inicial da Aspirina” é produzir uma alcalose respiratória por uma estimulação da área de controle “metabólico” central da respira- ção no hipotálamo. Esse processo aumenta a frequência respiratória e a expiração de CO, e é seguido por uma complexa acidose metabólica causada, em parte, pela disso- ciação do ácido salicílico (ácido salicílico +» salicilato” + Hº, pK, = 3,5). O-C-Ch, 0 Acetilsalicilato O salicilato também interfere na produção mitocondrial ds ATP. o que resulta em au- mento da produção de CO, e acumulação de lactato e outros ácidos orgânicos no san- gue, Subseguentemente, o salicilato pode diminuir a função renal e, portanto, provocar a acumulação de ácidos fortes de origem metabólica, como ácido sulfúrico e ácido fosfórico. Em geral, crianças que ingerem quantidades tóxicas de Aspirina” estão aci- dóticas quando chegam à emergência. Equação 4.2 Dissociação da água. [HI [OH] kd= 1H,0] Equação 4.3 O produto iônico da água. K= IH OH = 1x 10" Equação 4.4 OK, Para a reação HAS A+ H' INTIAI [HA] 0,9% de NaCI é 0,9 g de NaCl/100 mL, equivalente a 9 g/L. O NaCl tem um peso molecular de 58 g/mol, portanto a concentração de NaCI na solução isotônica é 0,155 M, ou 155 mM. Se todo o NaCl fosse dissociado em íons Na* e CI, a os- molalidade seria 310 mOsm/kg de água. Como o NaCI não é completamente dissocia- do, e algumas camadas de hidratação circun- dam as moléculas de NaCI não-dissociadas, a osmolalidade da solução fisiológica isotônica é cerca de 290 mOsm/kg H,0. A osmolidade do plasma, dos líquidos intersticiais e do LIC também são próximos de 290 mOsm/kg de água, de tal maneira que não ocorrem gran- des deslocamentos de água ou edema quan- do solução fisiológica isotônica é administra- da por via intravenosa. Equação 4.5 Equação de Henderson- Hasselbalch 82) H=pkK, — PH=PK, +00 a) Pela inspeção, pode-se dizer que a [HY da paciente está elevada, mas esse aumento corresponde a menos do que 10 vezes o normal. Uma alteração de 10 vezes na [H'] altera o pH em 1 unidade. Para Di, o pH de 7,08 = log [H"], e, portanto, a [H"] dela é€1x 107º, Para calcular sua [H'], representa- se 7,08 por -8 + 0,92. O antilogaritmo na base 10 de 0,92 é 8,3. Assim, sua [H'] é 8,3 x 10º comparada a 4,0 x 10º em pH 7,4, ou pouco mais do que o dobro do valor normal. 46 CozLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Tabela 4.2 Ácidos no Sangue de um Indivíduo Saudável Ácido Ânion PK, Fontes Principais Ácido forte Ácido sulfúrico Sulfato SO,” Completamente — Sulfato da dieta e aminoácidc (4,50) dissociado que contêm S Ácido fraco Ácido carbônico Bicarbonato 3,80 CO, do Ciclo de Krebs “(R-COOH) (R-COO) Ácido láctico Lactato 373 Glicólise anaeróbica “(R-COOH) IR-COO? Ácido pirúvico Piruvato 2,39 Glicólise (R-COOH) (R-c007 Ácido cítrico Citrato 3,13;4,76;640 | Ciclo de Krebs e dieta (p. ex. (R-3COOH) (R3c00) frutas cítricas) Ácido acetoacético Acetoacetato 3,62 Oxidação de ácidos graxos a (R-COOH) (R-C00) corpos cetônicos Ácido P-hidroxibutírico B-hidroxibutirato 4,41 Oxidação de ácidos graxos à (R-CO0H) (R-C007) corpos cetônicos Ácido acético Acetato 4,76 Metabolismo do etanol (R-COOH) (R-C007) Diidrogênio fosfato Monoidrogênio 6,8 Fosfatos orgânicos da dieta (HPOj) fosfato ' (HPOS? fon amônio Amônia 9,25 Compostos nitrogenados da (NHÇ) (NHg) dieta A maioria dos ácidos carboxílicos metabólicos tem pK, entre 2 e 5, depende dos outros grupos na molécula (ver Tabela 4.2).0 pK, reflete a força de um ácido. dos com um pk, de 2 são ácidos mais fortes do que aqueles com um pk, de 5, pois qualquer pH, uma proporção maior está dissociada. Wl- TAMPÕES Os tampões consistem em um ácido fraco e sua base conjugada e fazem com que solução resista a alterações no pH quando íons hidrogênio ou íons hidróxido são cionados. Na Figura 4.7, o pH de uma solução de ácido acético, um ácido fraco, « presentado em função da quantidade de OH que foi adicionada. O OH" é express equivalentes do ácido acético total, representado nas formas dissociada e não-dissc + so Ácido Sulfato sulfúrico om OH CHy=CH=CH;— COI] = CHg-CH-CH,-COO” + Hr; Ácido B-hidroxibutirato P-hidroxibutírico “ CHg=C—CH,—COOH: n == CH-C-CH;-CO0” + Ácido Acetoacetato acetoacético Figura 4.5 Dissociação de ácidos. O ácido sulfúrico é um ácido forte que se dissoci íons H* e sulfato. Os corpos cetônicos ácido acetoacético e ácido P-hidroxibutíric ácidos fracos que se dissociam de forma parcial em íons Hº e suas bases conjuga PR RU o Sm DT e Pee PD E VP VR ER DENT SE, Krebs Combustível ——» COp c0,+<—4 co, + H,0 Acetoacetato Ácidos [ Acetoacetato | graxos Hr À HCO; HCO; Sangue Célula hepática Anidrase fá carbônica HoCOa Eritrócito Figura 4.9 Sistemas-tampões do corpo. O CO, produzido plo metabolismo celular é convertido em bicarbonato e H nos eritrócitos. No interior desses, o Hº é tamponado pela hemoglobina (Hb) = pelo fosfato (HPO,?). O bicarbonato é transportado para dentro do sangue para tamponar o Hº gerado pela produção de outros ácidos metabólicos, como o corpo cetônico ácido acetoacético. Outras proteínas (Pr) também servem como tampões intracelulares. hemoglobina perde alguns de seus íons hidrogênio, uma característica que lhe permite ligar oxigênio mais rapidamente (ver Capítulo 7). Assim, o sistema tampão do bicarbo- nato está intimamente relacionado com o fornecimento de oxigênio para os tecidos. O centro respiratório no hipotálamo, o qual controla a frequência respiratória, é sensível a alterações no pH. À medida que o pH diminui. a respiração se torna mai rápida, e mais CO, é expirado. Já, quando ele se eleva, a respiração se torna mais su- perficial. Portanto, a frequência respiratória contribui pare a regulação do pH por seu efeito sobre o conteúdo de CO, dissolvido no sangue. O bicarbonato e o ácido carbônico, o qual se difunde através da parede capilar do sangue para o líquido intersticial, constituem um importante tampão tanto para o plas- ma quanto para o líquido intersticial. Contudo, o sangue difere do líquido intersticial porque tem um alto conteúdo de proteínas extracelulares. como a albumina, as quais contribuem para sua capacidade tamponante por meio das cadeias laterais dos aminoá- eidos, que são capazes de captar e liberar prótons. O conteúdo de proteínas do líquido intersticial é baixo demais para servir como um tampão efetivo. C. pH Intracelular Ânions fosfato e proteínas são os principais tampões envolvidos na manutenção de um pH constante nos líquidos intracelulares. O ânion fostato inorgânico H;PO, se dissocia para gerar Hº e a base conjugada HPO, * com um pk, de 7.2 (ver Figura 4.9, círculo 6). Assim, ânions fosfato desempenham um papel importante como tampões intracelu- lares nos eritrócitos e em outros tipos de células, onde sua concentração é muito mais alta do que no sangue e no líquido intersticial (ver Tabela 4.1, líquido extracelular). Ânions fosfato orgânicos, como glicose-6-fosfato e ATP, também agem como tampões. O líquido intracelular tem um alto conteúdo de proteínas que contêm histidina e outros aminoácidos que podem aceitar prótons, de um modo semelhante à hemoglobina (ver Figura 4.9, círculo 7). O transporte de íons hidrogênio para fora das células também é significativo para manter constante o pH intracelular. O metabolismo produz outros ácidos além de CO,, como, por exemplo, o ácido acetoacético e o ácido B-hidroxibutírico, produzi- dos pela oxidação de ácidos graxos até corpos cetônicos, no fígado, e o ácido lático, produzido pela glicólise no músculo e em outros tecidos. O pK, para a maioria dos ácidos carboxílicos é menor do que 5, portanto eles estão completamente dissociados no pH sangiiíneo e no líquido celular. Anions metabólicos são transportados para fora da célula junto com Hº (ver Figura 4.9, círculo 8). Se a célula se torna muito ácida, mais H” é transportado para fora em troca de íons Na” por transportador diferente. Se a célula se torna muito alcalina, mais bicarbonato é transportado para fora em troca de íons CI”. Di Abietes e Percy Veere estavam hiperventilando quando chegaram na emergência: a Srta. Abietes, em resposta à acidose metabólica primária, e o Sr. Veere, em resposta à ansiedade. A hiper- ventilação eleva o pH sangúíneo em ambos os casos; no primeiro, ela age contra a acido- se de forma parcial e, no segundo, produz al- calose respiratória (pH sangúíneo anormal- mente alto). O ácido fosfórico (H;PO,) se dissocia em íons H* e diidrogênio fosfato (H;PO,) com um pk, de 2,15. A dis- sociação H,PO, em H'e íons monoidrogena- dos (HPO7?) ocorre em um pk, de 7,20. Mo- noidrogênio fosfato se dissocia em H” e ânions fosfato (PO,*) em um pk, de 12,4. 50 CoLtEEN SmirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Íons amônio são ácidos que se dis- sociam para formar a base conjuga- da amônia e íons hidrogênio. Qual é a forma presente no sangue? E na urina? O diabetes melito é diagnosticado pela concentração de glicose plas- mática (plasma é o sangue do qual os eritrócitos foram removidos por centrifu- gação). Como, em geral, a glicose plasmática se eleva após uma refeição, os valores de re- ferência normais e o nível diagnóstico são definidos em relação ao momento de consu- mo de alimentos ou consumo de uma quanti- dade de glicose específica durante um teste oral de tolerância à glicose. Após uma noite de jejum, os valores de glicose abaixo de 110 mg/dL são considerados normais e acima de 126 mg/dL definem diabetes melito. Valores de glicose plasmática em jejum maiores ou iguais a 110 e menores do que 126 mg/dl de- finem uma condição intermediária denomi- nada tolerância diminuída à glicose em je- jum. Os níveis de glicose plasmática ao acaso (qualquer momento do dia sem considerar quando ocorreu a última refeição) não devem ser maiores do que 200 mg/dL. Um nível de glicose plasmática duas horas pós-prandial (após uma refeição ou após uma carga de gli- cose) entre 140 e 199 mg/dL define uma con- dição conhecida como tolerância diminuída à glicose. Um nível acima de 200 mg/dl define diabetes melito. D. Hidrogênio, Amônia e íons Fosfato Urinários O ácido não-volátil produzido pelo metabolismo corporal não pode ser excretado pel: respiração como CO, e, portanto, é excretado na urina. A maioria dos íons hidrogê nio de ácidos não-voláteis é excretada como ácido não-dissociado, que, em geral tampona o pH urinário entre 5,5 e 7,0. Um pH de 5,0 é o pH urinário mínimo. À se creção ácida inclui ácidos inorgânicos, como íons fosfato e amônio, bem como ácide úrico e ácidos tricarboxílicos, como ácido cítrico (ver Tabela 4.2). Uma das maiore: fontes de ácidos não-voláteis no corpo é o ácido sulfúrico (H,SO,), que é gerado : partir de compostos que contêm sulfato ingeridos nos alimentos e do metabolismé de aminoácidos que contêm enxofre, cisteína e metionina. Ele é um ácido forte qu está dissociado em H e ânion sulfato (SO,”) no sangue e na urina (ver Figura 4.6). / excreção urinária de HP, auxilia na remoção de ácidos. Para manter a homeostas metabólica, deve ser excretada na urina a mesma quantidade de fosfato que é obtid dos alimentos na forma de ânions fosfato ou fosfatos inorgânicos, como fosfolipídeos A forma na qual o fosfato está presente na urina (H,PO, ou HPO,”) depende do pl urinário e do pH do sangue. fons amônio são os principais contribuintes para o tamponamento do pH uri nário, mas não do pH sangiiíneo. A amônia (NH;) é uma base que se combina cor prótons para produzir íons amônio (NH; (NH; + Hº > NH,), uma reação qu ocorre com um pkK, de 9,25. Ela é produzida a partir do catabolismo de aminoácido ou absorvida pelo intestino e é mantida em concentrações muito baixas no sangu devido à sua toxicidade para os tecidos neurais. Células nos rins geram NH,” e excretam para urina na proporção da acidez (concentração de prótons) do sangus A medida que as células tubulares transportam Hº para urina, elas retornam ânior bicarbonato para o sangue. E. Ácido Clorídrico O ácido clorídrico (HCT), também chamado de ácido gástrico, é secretado pelas célul: parietais do estômago para o lúmen estomacal, onde a acidez forte desnatura proteín: ingeridas para que elas possam ser degradadas por enzimas digestivas. Quando os cof teúdos do estômago são liberados para o lúmen do intestino delgado, o ácido gástric é neutralizado pelo bicarbonato secretado pelas células pancreáticas e pelas células « parede intestinal. COMENTÁRIOS CLÍNICOS Dianne Abietes. Di Abietes tem diabetes melito tipo I(previamente ch mada de juvenil ou diabetes melito insulino-dependente, DMID). Ela ma tém seu nível de insulina por meio de duas injeções subcutâneas diárias « insulina. Se seus níveis sangiiíneos de insulina ficam muito baixos, ácidos graxos vres saem dos seus adipócitos (células gordurosas) e são convertidos pelo fígado n corpos cetônicos ácido acetoacético e ácido P-hidroxibutírico. À medida que ess ácidos acumulam no sangue, uma acidose metabólica conhecida como cetoacido diabética (CAD) se desenvolve. Até que a insulina seja administrada para rever! essa tendência, diversos mecanismos compensatórios são acionados para minimiza: extensão da acidose. Um desses mecanismos é a estimulação do centro respiratór no hipotálamo induzido pela acidose, a qual torna a respiração mais profunda e mi fregiiente (respiração de Kussmaul). O CO, é expirado mais rapidamente do que normal, e o pH sangiúíneo se eleva. Os resultados da avaliação laboratorial realiza em Di Abietes na emergência foram consistentes com uma CAD moderadamer grave. Seu pH sangiíneo arterial estava muito baixo, e corpos cetônicos estavam p) sentes em seu sangue e sua urina (em geral, corpos cetônicos não estão presentes urina). Além disso, seu nível de glicose sangiínea era 648 mg/dL (valores de referé Por RENOME nau na fina RED VOS RR SERPRO AR RR SRT cia = 80-110 em jejum e não maior que 200 em uma amostra de glicose aleatória). Sua hiperglicemia, a qual induz uma diurese osmótica, contribui para sua desidrata- ção e a hiperosmolaridade em seus líquidos corporais. O tratamento foi iniciado com soluções fisiológicas intravenosas para repor a per- da de líquidos por diurese osmótica e hiperventilação. A diurese osmótica resultou de um volume urinário de água elevado para diluir as grandes quantidades de glicose e os corpos cetônicos excretados na urina. A hiperventilação aumentou a perda de água pela respiração (no ar expirado). Foi introduzida uma dose de ataque de insulina regular como “bolo” intravenoso seguido de insulina adicional a cada hora conforme necessá- rio. A resposta metabólica da paciente ao tratamento foi atentamente monitorizada. aguardava os resultados de seu nível de salicilato sérico inicial, foi realizada uma lavagem estomacal, e diversos comprimidos brancos foram encontrados no aspirado estomacal. Ele foi repetidamente examinado e não mostrou nenhum sinal de toxicidade por salicilato, como estimulação respiratória, desconforto no abdômen superior, náusea ou cefaléia. Seu salicilato sérico foi de 92 ug/mL (em geral, o nível em um adulto recebendo dosagem terapêutica de 4 a 5 g/dia é de 120 a 350 Lig/mL, e um nível de 800 Hg/mL é considerado potencialmente letal). O paciente foi internado para ser observado duran- te a noite e continuou bem. A dosagem de salicilato sérico na manhã seguinte foi 24 ug/mL. Ele foi liberado mais tarde durante o dia. v Dennis Veere. Dennis permaneceu desperto na emergência. Enquanto Percy Veere. Na emergência, o Sr. Veere se queixou de tontura e “agulha- das” (parestesias) em suas mãos e em torno de seus lábios. Esses sintomas resultaram de alteração respiratória, causada, nesse caso, pelo “comportamen- to”, e não pelo controle “metabólico” respiratório central (como visto em Di Abietes guando ela estava em cetoacidose diabética). O sistema comportamental do Sr. Veere foi ativado em função de sua ansiedade pelo potencial envenenamento de seu neto. A hiperventilação alveolar levou sua PaCO, a diminuir abaixo da variação normal de 37 a 43 mm Hg. A alcalemia causou os sintomas neurológicos. Após informar o Sr. Veere de que seu neto estava bem, pediu-se que ele respirasse lentamente em um pequeno saco de papel posicionado em torno de seu nariz e sua boca, deixando que ele inalasse o CO, expirado através de sua hiperventilação. Dentro de 20 minutos, seus sintomas desapareceram. COMENTÁRIOS BIOQUÍMICOS Agua corporal e desidratação. Desidratação, ou perda de água, ocorre quando a ingesta de sal e água é menor do que a combinação das taxas de perda de volume renal e extra-renal (Figura 4.10). Em um estado hipovolêmi- co verdadeiro, a água total, o volume LEC e o volume LIC estão diminuídos. Uma das causas de hipovolemia é uma ingesta de água inadequada para repor o volume de ex- creção diário (manutenção da homeostase de líquidos). A quantidade de perda de água pelos rins é determinada pela quantidade de água necessária para diluir os íons, ácidos e outros solutos excretados. A excreção urinária de solutos e a perda de água no ar ex- pirado, a qual atinge quase 400 mL/dia, ocorre tanto durante o jejum quanto em perío- dos de ingesta normal de alimentos. Assim, pessoas que estão perdidas no deserto ou náufragos continuam a perder água pelo ar e pela urina, além da sua perda de água através da pele e das glândulas sudoríparas. Pacientes comatosos e pacientes que estão debilitados e incapazes de engolir também perdem água e se tornam desidratados. A anorexia (perda do apetite), tal como Percy Veere vivenciou durante sua depressão (ver Capítulos 1 e 3), pode resultar em desidratação devido ao fato de a ingesta de alimentos ser normalmente uma fonte de líquidos. Lesões cerebrais que causam uma perda da sede podem levar a desidratação. O pk, para dissociação de íons amô- nio é 9,25. Assim, a forma não-dis- sociada de ácido conjugado, NH,, predomina no pH fisiológico de 7,4 e no pH urinário de 5,5 a 7,0. A amônia é uma base conjugada incomum porque ela não é um ânion. Ganho de água Líquidos 1.500 mL Alimentos sólidos 800 mL Metabolismo energético 400 mL Ar expirado 400 mL Evaporação e suor 600 mL Figura 4.10 Homeostase de líquidos corpo- rais (balanço hídrico corporal constante). A ingesta é influenciada por disponibilidade de líquidos e alimentos, sede, fome e habilidade de engolir. A fregúência e a evaporação res- piratórias e o volume urinário influenciam a perda de água. O corpo ajusta o volume de excreção urinária para compensar as varia- ções nos outros tipos de perda de água e na ingesta. Os hormônios aldosterona e an- tidiurético (ADH) auxiliam o monitoramento do volume sangúíneo e da osmolalidade por meio de mecanismos regulatórios da sede e do equilíbrio de sódio e água. CH,CH,0H Etanol cH,0H Metanol Os nomes dos grupos químicos com frequência são incorporados ao nome comum de cada composto e indicam dife- renças importantes na estrutura química. Por exemplo, no nome etanol, o "et" indica o gru- po etil (CH,CH,-), o “ol! indica o grupo álcool (OH) e o "ano" indica as ligações simples en- tre os átomos de carbono. O metanol contém um grupo metil (CH,) no lugar do grupo etil. Também chamado álcool da madeira, o me- tanol é muito mais tóxico para humanos do que o etanol, o álcool das bebidas alcoólicas. A ingestão de metanol resulta em distúrbios visuais, bradicardia, coma e convulsões. As moléculas hidrofóbicas são trans- portadas no sangue ligadas a pro- teínas carreadoras ou incorporadas a lipoproteínas complexas que têm um nú- cleo lipídico hidrofóbico e uma superfície mais polar. Estruturas dos Principais Compostos do Corpo O corpo contém compostos de grande diversidade estrutural, variando de carboidratos* simples e aminoácidos a polímeros bastante complexos, como pro- teínas e ácidos nucleicos. Muitos desses compostos têm características estruturais relacionadas a seus nomes, sua solubilidade na água, as vias nas quais participam ou sua função fisiológica. Assim, aprender a terminologia utilizada para descrever compostos individuais e classes de compostos pode facilitar muito o aprendizado d bioquímica. Neste capítulo, são descritas as principais classes de carboidratos e lipídeos e algumas classes de compostos contendo nitrogênio. As estruturas de aminoácidos, proteínas. ácidos nucleicos e vitaminas são estudadas em mais detalhes nos capítu- los subsegiientes. Grupos funcionais nas moléculas. As moléculas orgânicas são compostas principalmente de carbono e hidrogênio. Contudo, suas características únicas estã relacionadas a estruturas denominadas grupos funcionais envolvendo oxigênio, ni: trogênio, fósforo ou enxofre. Carboidratos. Os carboidratos, comumente conhecidos como açúcares, podem ser classificados por seu grupo carbonila (aldo ou cetoglicídeos), o número de car bonos que eles contêm (p. ex., pentoses, hexoses) ou as posições dos grupos hidro- xila nos átomos de carbono assimétrico (carboidratos D ou L, estereoisômeros ou epímeros). Eles podem também ser categorizados de acordo com seus substituintes da cadeic lateral (p. ex. aminoglicídeos) ou o número de monossacarídeos (como glicose) unidos por ligações glicosídicas (dissacarídeos, oligossacarídeos e polis- sacarídeos). Glicoproteinas e proteoglicanos têm carboidratos ligados aos seus componentes protéicos. Lipídeos. Os lipídeos são um grupo de componentes estruturalmente diversos definidos por sua hidrofobicidade; eles não são muito solúveis em água. Os princi pais lipídeos do corpo humano são os ácidos graxos, os quais são esterificados pel glicerol, formando os triacilgliceróis (triglicerídeos) ou fosfoacilgliceróis (fosfogl! cerídeos). Nos esfingolipídeos, um ácido graxo é ligado à esfingosina, a qual é de- rivada de serina e outro ácido graxo. Os glicolipídeos contêm carboidratos ligado: a um grupo hidroxila de lipídeo. Os ácidos graxos poliinsaturados específicos são precursores de eicosanóides. O lipídeo colesterol é um componente das membrana eo precursor de outros compostos que contêm núcleos esteróides, como sais bilia- res e hormônios esteróides. O colesterol é um dos compostos sintetizados a partir de um precursor com cinco carbonos chamado de unidade de isopreno. Compostos contendo nitrogênio. O nitrogênio nos grupos amino ou nas estru- turas heterocíclicas em anel com fregiiência têm carga positiva no pH neutro. Os aminoácidos contêm um grupo carboxila, um grupo amino e um ou mais carbonos adicionais. As purinas, pirimidinas e piridinas têm estruturas heterocíclicas em anel contendo nitrogênio. Os nucleosídeos incluem uma dessas estruturas em anel ligadas a um açúcar. A adição de um fosfato produz um nucleotídeo. *N. de T. Na Reunião Internacional de Bioquímica e Biologia Molecular em Genebra, ficou estat lecido o uso dos termos glicídeos, diolosídeos, triolosídeos, poliolosídeos, etc., como nomeclatu No entanto, os anglo-saxônicos, como os autores deste livro, usam carboidratos, sacarídeos, monc sacarídeos, dissacarídeos, polissacarídeos, etc. BIOQUÍMICA MEDICA BASICA DE MARKS 34 vo SALA DE ESPERA Di Abietes se recuperou de seu episódio de cetoacidose diabética e foi libera- da do hospital (ver Capítulo 4). Ela retornou para uma consulta de seguimento como paciente ambulatorial. Ela relata que está fazendo a dieta recomendada e que administra a insulina por injeção subcutânea duas vezes ao dia. Os níveis de gli- cose sérica são monitorados no laboratório do hospital aproximadamente a cada duas semanas, e ela mesma monitora os níveis sangilíneos de glicose a cada dois dias. Lotta Topaigne é uma mulher de 47 anos que chega ao consultório médico se queixando de uma dor pulsátil grave no dedão do pé direito que começou há oito horas. O dedo não sofreu trauma, mas parece vermelho e inchado. Ele está mais quente do que o tecido circunjacente e está bastante sensível mesmo a uma pressão leve. A Srta. Topaigne é incapaz de flexionar ou estender voluntariamente as articulações do dedo, e movimento passivo das articulações causa muita dor. L GRUPOS FUNCIONAIS DE COMPOSTOS BIOLÓGICOS A. Compostos Biológicos As moléculas orgânicas do corpo consistem principalmente em carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo ligados por ligações covalentes. O elemento- chave é o carbono, o qual forma quatro ligações covalentes com outros átomos. Os somos de carbono são unidos por ligações duplas ou simples para formar o esqueleto carbonado em estruturas de tamanho e complexidade variados (Figura 5.1). Os grupos contendo 1, 2, 3, 4 e 5 carbonos mais hidrogênio são chamados de grupos metila, etila, propionila, butila e pentila, respectivamente. Se a cadeia de carbono é ramificada, o prefixo “iso” é utilizado. Se o composto contém uma ligação dupla, “ene” alguma: vezes é incorporado ao nome. As estruturas de carbono que são lineares ou ramifica- das com ligações simples ou duplas, mas que não contêm um anel, são chamadas de alifáticas. Os anéis contendo carbono são encontrados em inúmeros compostos biológicos. Um dos mais comuns é o anel de benzeno contendo seis carbonos, algumas vezes chamado de grupo fenila (ver Figura 5.1). Esse anel tem três ligações duplas, mas os elétrons são compartilhados igualmente por todos os seis carbonos deslocados para planos acima e abaixo do anel. Os compostos contendo o anel de benzeno, ou uma estrutura em anel similar com propriedades semelhantes ao benzeno, são chamados de aromáticos. B. Grupos Funcionais As moléculas bioquímicas são definidas por seu esqueleto de carbono e por estruturas chamadas de grupos funcionais que, em geral, envolvem ligações entre carbono e oxi- gênio, carbono e nitrogênio, carbono e enxofre, carbono e grupos fosfato (Figura 5.2). Em ligações carbono-carbono e carbono-hidrogênio, os elétrons são compartilhados igualmente entre os átomos, e as ligações são não-polares e relativamente não-reativas. Em ligações carbono-oxigênio e carbono-nitrogênio, os elétrons são compartilhados de modo desigual, e as ligações são polares e mais reativas. Assim, as propriedades funcionais dos grupos, em geral, determinam os tipos de reações que ocorrem e o papel fisiológico da molécula. Os nomes dos grupos funcionais, com fregiência, são incorporados ao nome do composto. Por exemplo, uma cetona pode ter um nome que termina em “ona”, como acetona, e o nome de um composto que contém uma hidroxila (álcool ou grupo OH) pode terminar em “ol” (p. ex., etanol). O grupo acila é a porção da molécula que for- Di Abietes teve uma acidose metabó- lica resultante de uma produção he- pática aumentada de corpos cetôni- cos. Sua resposta à terapia foi acompanhada com testes de rastreamento para corpos cetô- nicos na urina. Esses testes empregaram uma tira de papel contendo nitroprussiato, um com- posto que reage com grupos ceto. A glicose sangúínea foi medida por um ensaio enzimáti- co que é específico para o carboidrato D-glico- se 6 não reagirá com outros açúcares. A Ligação Ligação simples dupla Cha CH” Grupo isopentenila alitático cHicH=CH— B HH C==0, Anel er, benzênico "A 2 Po NY HÁ Grupo fenila aromático Figura 5.1 Exemplos de compostos alifáticos e aromáticos. A. Um grupo isopreno, o qual é um grupo alifático. O prefixo "iso" indica ra- mificação, e o "eno* indica uma ligação dupla. B. Um anel benzênico (ou grupo fenila), o qual é um grupo aromático. Os corpos cetônicos sintetizados no fígado são P-hidroxibutirato e aceto- acetato. Um terceiro corpo cetônico, acetona, é formado pela descarboxilação não-enzimática do acetoacetato. OH 1 CHs-CH-CH,—COO- P-Hidroxibutirato o o o n " " CH;-C-CH,-C—0-+CH;-C-CH, + CO, Acetoacetato Acetona A acetona é volátil e é responsável pelo odor adocicado na respiração de pacientes que têm cetotacidose como Di Abietes. Quais gru- pos funcionais estão presentes em cada um desses corpos cetônicos? COLLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Álcool [p= -cds Grupo sulfidrila Um dissulfeto Grupos carbono-oxigênio Ácido carboxílico Cetona q =CH,3N*-CH; vd Amina quartenária Grupo amino Ésteres e amidas Éster Tioéster Fosfoéster Amida Figura 5.2 Principais tipos de grupos funcionais encontrados em compostos bioquímicos do corpo humano. o 4 O; cHOH | H-C 1 1 H-C-0H H-C-0H 1 1 CH,0H CH,0H A B Qual dos compostos é glicerol e qual é glice- raldeído? Julgando a partir das estruturas mos- tradas na questão na página 55, qual composto é mais oxidado, f-hidro- xibutirato ou acetoacetato? Qual é mais re- duzido? p-Hidroxibutirato e acetoacetato são carboxilatos (ácidos carboxílicos dissociados). Acetoacetato e aceto- na contêm grupos ceto/cetona. Devido ao fato de B-hidroxibutirato conter um grupo ál- cool (hidroxila) e não um grupo ceto, o nome geral dos corpos cetônicos para esses com- postos é, na verdade, um nome inadequado. nece o grupo carbonila (-C=0) em uma ligação éster ou amida. Ele é indicado em um nome por uma terminação “il”. Por exemplo, as reservas de gordura do corpo são tria- cilgliceróis. Três grupos acila (ácido graxo) são esterificados pelo glicerol, um com- posto contendo três grupos álcool. No restante deste capítulo, serão colocadas em ne- grito as porções dos nomes dos compostos que se referem a uma classe de compostos ou uma característica estrutural. 1. GRUPOS OXIDADOS E REDUZIDOS Os grupos carbono-carbono e carbono-oxigênio são descritos como “oxidados” ou “re- duzidos” de acordo com o número de elétrons em torno do átomo de carbono. Oxida- ção é a perda de elétrons e resulta na perda de átomos de hidrogênio juntamente com um ou dois elétrons, ou no ganho de um átomo de oxigênio ou grupo hidroxila. Redu- ção é o ganho de elétrons e resulta no ganho de átomos de hidrogênio ou na perda de um átomo de oxigênio. Assim, o carbono torna-se progressivamente mais oxidado (e menos reduzido) à medida que se vai de um álcool para um aldeído ou de uma cetona para um grupo carboxila (ver Figura 5.2). Ligações duplas carbono-carbono são mais oxidadas (e menos reduzidas) do que ligações simples carbono-carbono. 2. GRUPOS QUE POSSUEM UMA CARGA Os grupos ácidos contêm um próton que se pode dissociar, em geral deixando o res- tante da molécula como um ânion com uma carga negativa (ver Capítulo 4). Nas bio- moléculas, os principais substituintes aniônic (o grupos carboxilato, grupos fosfato ou grupos sulfato (o sufixo “ato” indica uma carga negativa) (Figura 5.3). Os grupos fosfato ligados aos metabólitos com fregiiência são abreviados por um “P” com um círculo em torno, como na glicose-6-P. Compostos contendo nitrogênio em geral são básicos e podem adquirir uma carga positiva (Figura 5.4). O nitrogênio tem cinco elétrons em sua camada de valência. Se apenas três desses elétrons formarem ligações covalentes com outros átomos, o nitro- gênio não tem carga. Se os dois restantes formarem ligação com um íon hidrogênio ou átomo de carbono, o nitrogênio fica com uma carga positiva. As aminas consistem em BIOQUÍMICA MEDICA BASICA DE MARKS 1. CARBOIDRATOS DEL Um átomo de carbono que contém quatro grupos químicos diferentes forma um centro assimétrico (quiral) (Figura 5.10). Os grupos ligados ao carbono assimétrico podem ser distribuídos para formar dois isômeros diferentes que são imagens em espelho um do outro e não-sobreponíveis. Os monossacarídeos estereoisômeros são designados D ou L, considerando se a posição do grupo hidroxila mais distante do grupo carbono- carbonila combina com o gliceraldeído D ou L (Figura 5.11). Embora um sistema mais sofisticado de nomenclatura utilizando designação (R) e (S) em geral seja utilizado para descrever as posições de grupos em moléculas complexas como fármacos, a de- signação D e L ainda é utilizada em medicina para descrever carboidratos e aminoáci- dos. Devido ao fato de a glicose (o principal açúcar no sangue humano) e a maioria dos outros carboidratos nos tecidos humanos pertencerem à série D, os carboidratos são considerados D, a menos que L seja especificamente adicionado ao nome. 2. ESTEREOISÔMEROS E EPÍMEROS Os estereoisômeros têm a mesma fórmula química, mas diferem na posição do grupo hidroxila em um ou mais carbonos assimétricos (Figura 5.12). Um carboidratos com n centros assimétricos tem 2” estereoisômeros, a menos que tenha um plano de simetria. Os epímeros são estereoisômeros que diferem na posição do grupo hidroxila em um de seus carbonos assimétricos. D-glicose e D-galactose são epímeras uma da outra, diferindo apenas na posição quatro, e podem ser interconvertidas nas células humanas por enzimas chamadas de epimerases. D-manose e D-glicose também são epímeras uma da outra. 3. ESTRUTURAS EM ANEL Os monossacarídeos existem em solução principalmente como estruturas em anel nas quais o grupo carbonila (aldeído ou cetona) reagiu com um grupo hidroxila na mesma molécula para formar um anel de cinco ou seis membros (Figura 5.13). O oxigênio que estava no grupo hidroxila é agora parte do anel, e o carbono originário do grupo car- bonila, o qual contém agora um grupo -OH, tornou-se o átomo de carbono anomérico. Um grupo hidroxila no carbono anomérico representado abaixo do anel está na posição a: representado acima do anel, está na posição B. Na estrutura tridimensional, o anel não é plano, mas em geral assume a conformação em “cadeira” na qual os grupos hi- droxila estão localizados em uma distância máxima uns dos outros. Em solução, o grupo hidroxila no carbono anomérico espontaneamente (de forma não-enzimática) se modifica da posição o. para a por um processo chamado de mu- tarrotação. Quando o anel se abre, é formada uma cadeia de aldeído ou cetona linear. Quando o anel se fecha, o grupo hidroxila pode estar na posição O ou P (Figura 5.14). Esse processo ocorre mais rapidamente na presença de enzimas celulares chamadas de mutarrotases. Contudo, se o carbono anomérico forma uma ligação com uma outra molécula, essa ligação é fixada na posição , e o carboidrato não pode sofrer mutarro- tação. As enzimas são específicas para ligações a: ou À entre os carboidratos e outras moléculas e reagem apenas com um tipo. 4. CARBOIDRATOS COM SUBSTITUIÇÕES Os carboidratos frequentemente contêm grupos fosfato, grupos amino, grupos sulfato ou grupos N-acetil. A maioria dos monossacarídeos livres dentro das células é fosfo- rilada na sua extremidade de carbono, o que previne seu transporte para fora da célula (ver glicose-6-fosfato na Figura 5.6). Os carboidratos aminados como galactosamina e glicosamina contêm um grupo amino em vez de um grupo hidroxila em um dos áto- mos de carbono, em geral no carbono dois (Figura 5.15). Fregiientemente, esse grupo amino foi acetilado para formar um carboidrato N-acetilado. Em moléculas complexas denominadas proteoglicanos, muitos dos carboidratos N-acetilados também contêm grupos sulfato negativamente carregados ligados a um grupo hidroxila do carboidrato. Cetose CH,0H L 2 =0! Cetona HO-G—H H- 6 -0H H-C-0H CHoH Frutose Figura 5.9 A frutose é uma ceto-hexose. A estereoespecificidade de D-glico- se com frequência é indicada em medicina pelo uso de seu nome an- tigo, dextrose. Uma solução utilizada para infusão intravenosa em pacientes é a solução de dextrose a 5% (5 9/100 mL). D-manoss e D-galactose são este- reoisômeros? Elas são epímeras uma da outra? (ver Figura 5.12) 1 CH,0H p-Gliceraldeído L-Gliceraldeído Imagem em espelho da molécula Molécula Figura 5.10 D- e L-Gliceraldeído. O carbono no centro contém quatro diferentes grupos substituintes dispostos na forma de um te- traedro. Um arranjo diferente cria um isôme- ro que é uma imagem em espelho que não é possível de ser sobreposta ao composto original. Se você rota a estrutura de imagem em espelho de tal modo que os grupos 1 e 2 fiquem alinhados, o grupo 3 ficará na posição do grupo 4, e o grupo 4 ficará na posição do grupo 3. 24 SOLLEEN SMITH, ALLAN DL. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN o “ a am rn Home H-C-0H Drenes H-c+0H: Ctoi; CH,0H D-Gliceraldeído D-Glicose Figura 5.11 D-Gliceraldeído e D-glicose. Esses carboidratos têm a mesma configuração no carbono assimétrico mais distante do grupo carbonila. Ambos pertencem à série D. Carbo- nos assimétricos são representados em azul. Eles são estereoisômeros, mas não epímeros um do outro. Eles têm a mesma fórmula química, mas dife- rem na posição de dois grupos hidroxila. io se H-C-0H Ho-C-H H-C-0H H-C-0H CroH p-Glicose P (e H-Ç o HO-C-H H-C-0H Ho-G-H Ho-C-H H-C-oH Ho-C-H H-C-0H H-C-0H CHoH CHoH D-Manose D-Galactose Figura 5.12 Exemplos de estereoisômeros. Esses compostos têm a mesma fórmula química (C,H,,0,), mas diferem nas posições dos grupos hidroxila nos seus carbonos assimétricos (em azul). a-p-Glicopiranose *cH,0H ia cio HofC-H al Hºc-0H 5! HÉc-oH 6! CH,0H D-Frutose | o-p-Frutofuranose Figura 5.13 Anéis de piranose e furanose formados a partir de glicose e frutose. Os carbonos anoméricos estão assinalados. -p-Glicopiranose (36%) o “ ei H-C-0H 1 HO-C-H 1 H-C-0H 1 El met CH,0H D-Glicose -n-Glicopiranose (<0.1%) (63%) Figura 5.14 Muterrotação da glicose em solução, com porcentagens de cada forma em equilíbrio. Bioquímica Mépica BÁsiCA DE Marks 671 5. CARBOIDRATOS OXIDADOS E REDUZIDOS Os carboidratos podem ser oxidados no carbono aldeído para formar um ácido. Tecni- camente, o composto não é mais um carboidrato, e a terminação de seu nome é trocada de “-ose” para “ácido...-ônico” (p. ex., ácido glicônico, Figura 5.16). Se o carbono contendo o grupo hidroxila terminal está oxidado, o carboidrato é chamado de ácido urônico (p. ex. ácido glicurônico). Carboidratos oxidados H OH H OH D-Gluconato Carboidratos reduzidos CHo0H Desoxirribose Figura 5.16 Carboidratos oxidados e reduzidos. O grupo afezado é mostrado em azul. O ácido glicônico (D-gluconato) é formado pela oxidação do carbono aldeído da glicose. O ácido glicurônico é formado pela oxidação do grupo OH terminal da glicose. O sorbitol, um álcool derivado de carboidrato, é formado pela redução cio grupo aldeído da glicose. A desoxirribose é formada pela redução de ribose. Figura 5.15 Um carboidrato aminado N-aceti- lado. O Nindica o grupo amino ao qual o gru- po acetila foi ligado, mostrado na caixa azul. Os proteoglicanos contêm muitas cadeias longas de polissacarídeos li- gadas a uma proteína central. As ca- deias polissacarídicas, chamadas de glicosa- minoglicanos, são compostas de unidades de dissacarídeos repetidas contendo carboidra- tos ácidos oxidados (como ácido glicurônico), carboidratos sulfatados e carboidratos amino N-acetilados. O grande número de cargas ne- gativas faz com que as cadeias de glicosami- noglicanos se projetem para fora da proteína, de tal modo que a estrutura geral lembra uma escova de limpar garrafas. Os proteoglicanos são partes essenciais da matriz extracelular, do humor aquoso do olho, de secreções das células produtoras de muco e da cartilagem. 64 CoLLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Os eicosanóides são um grupo de compostos similares a hormônios produzidos por muitas células no corpo. Eles são derivados de ácidos graxos polissaturados como ácido aracdônico que contém 20 carbonos (eicosa) e tem 3, 4 ou 5 ligações duplas. As prostaglandinas, os trom- boxanos e os leucotrienos pertencem a esse grupo de compostos. Ácido palmitolêico, ácido olêico e ácido aracdônico são os ácidos gra- xos insaturados mais comuns na célula. O ácido palmitolêico é um ácido graxo 16:1, 4º. Como seria chamado como ácido graxo a? Trans ENGESA ASAS Cis Figura 5.19 Ligações cis e trans em cadeias laterais de ácido graxo. Observe que a ligação dupla cis faz a cadeia se dobrar. o E " HC-0-C-R, 9 Ro-C—0 e 2C a H o E l HiC-0-C-R; Triacil-sn-glicerol Figura 5.20 Um triacilglicerol. Observe que os carbonos 1 e 3 da porção glicerol não são idênticos. A parte mais larga da seta está mais próxima do leitor do que a porção estreita. uma ligação dupla entre as posições 9 e 10, é designado 18:1, A”. O número 18 indica o número de átomos de carbono, 1 (um) indica o número de ligações duplas, e A” indica a posição da ligação dupla entre os átomos de carbono 9 e 10. O ácido olêico também pode ser designado 18:1(9), sem o A. Os ácidos graxos também são classificados pela distância da ligação dupla mais próxima à terminação «9 (o grupo metila na terminação mais distante do grupo carboxila). Assim, o ácido olêico é um ácido graxo 09, e o ácido linolêico é um ácido graxo 3. O ácido araguidônico, um ácido graxo poliinsatu- rado com 20 carbonos e à ligações duplas, é um ácido graxo (06 que é completamente descrito como 20:4,A**'*. As ligações duplas na maioria dos ácidos graxos que ocorrem naturalmente estão na configuração cis (Figura 5.19). A designação cis significa que os hidrogênios estão no mesmo lado da ligação dupla, e as cadeias acil estão no outro lado. Em ácidos graxos trans, as cadeias acil estão no lado oposto à ligação dupla. A margarina e a gordura utili- zada para fritar batatas provavelmente são a maior fonte dos ácidos graxos trans encontra- dos em humanos. Ácidos graxos trans são produzidos pela hidrogenação química de áci- dos graxos poliinsaturados em óleos vegetais e não são um produto alimentício natural. C. Acilgliceróis Um acilglicerol compreende glicerol com um ou mais ácidos graxos (o grupo acila) li- gados por ligação éster (Figura 5.20). Monoacilgliceróis, diacilgliceróis e triacilgliceróis contêm 1, 2 ou 3 ácidos graxos esterificados com glicerol, respectivamente. Os triacil- gliceróis raramente contêm o mesmo ácido graxo em todas as três posições e são, então, chamados de triacilgliceróis mistos. O glicerol é esterificado no carbono 2 com mais fre- guência por ácidos graxos insaturadas. Na configuração tridimensional do glicerol, os carbonos 1 e 3 não são idênticos, e as enzimas são específicas para um ou outro carbono. D. Fosfoacilgliceróis Os fosfoacilsliceróis contêm ácidos graxos esterificados na posição 1 e 2 do glicerol e um fosfato (sozinho ou com um substituto) ligado ao carbono 3. Se apenas um grupo fosfato está ligado ao carbono 3, o composto é ácido fosfatídico (ver Figura 5.21). O ácido fosfatídico é um precursor para a síntese dos outros fosfoacilgliceróis. A fosfatidilcolina é um dos maiores fosfatidilgliceróis encontrados em membra- nas (ver Figura 5.21). A amina é positivamente carregada em pH neutro, e o fosfato é negativamente carregado. Assim, a molécula é anfipática; ela contém grandes regiões polares e apolares. A fosfatidilcolina também é chamada de lecitina. A remoção de um grupo acila graxo de um fosfoacilglicerol forma um lisolipídeo. Por exemplo, a remo- ção do grupo acila graxo da lecitina forma lisolecitina. E. Esfingolipídeos Os esfingolipídeos não têm um esqueleto de glicerol; eles são formados a partir de sfingosina (Figura 5.22). A esfingosina é derivada de serina e um ácido graxo especí- fico, palmitato. As ceramidas são amidas formadas a partir de esfingosina pela ligação de um ácido graxo ao grupo amino. Vários esfingolipídeos são, então, formados pela li- gação de diferentes grupos ao grupo hidroxila da ceramida. Como refletido nos nomes Fosfatidilcolina Colina Ácido fosfatídico Figura 5.21 Fosfoacilgliceróis. Os fosfolipídeos encontrados nas membranas, como a fosfatidilcolina, têm um grupo polar ligado ao fosfato. Fosforilcolina [o ci c m a [Geremida | 0-P — 0H; —CHa = Ri is Ha Ha, Ha Estingomielina Galactose Gangliosídeo Local do carboidrato cH,0H É adicionado 1 H-C NH = E OH o o Gm Gm GH CHa (CHa)s2 Cr Ceramida Figura 5.22 Esfingolipídeos, derivados de ceramida. A estrutura da ceramida é mostrada na parte de baixo da figura. A porção ceramida mostrada em azul é a esfingosina. O NH eo OH foram cedidos pela serina. Grupos diferentes são adicionados ao grupo hidroxila da ceramida para formar esfingomielina, galactocerebrosídeos e gangliosídeos. NANA = ácido N-acetilneuramínico, também chamado de ácido siálico; Glc = glicose; Gal = galactose; GaINAc = N-acetilgalactosamina. dos cerebrosídeos e gangliosídeos, esses esfingolipídeos contêm carboidratos ligados ao grupo hidroxila da ceramida por ligações glicosídicas. Eles são glicolipídeos (mais especificamente, glicoesfingolipídeos). A esfingomielina, a qual contém um grupo fos- forilcolina ligado à ceramida, é um componente das membranas celulares e da bainha de mielina em torno dos neurônios. F. Esteróides Os esteróides contêm uma estrutura de quatro anéis chamada de núcleo esteróide (Fi- gura 5.23). O colesterol é o precursor de esteróides nas células humanas a partir do qual todos os hormônios esteróides são sintetizados por modificações no anel ou na cadeia lateral C20. Embora o colesterol não seja muito solúvel em água, ele é conver- tido em sais biliares anfipáticos solúveis em água, como ácido cólico. Os sais biliares alinham as superfícies das gotas lipídicas, chamadas de micelas, no lúmen do intestino, onde mantêm as gotas emulsificadas no ambiente aquoso. O colesterol é um dos componentes sintetizados nos humanos a partir de unidades de cinco carbonos ramificados com uma ligação dupla chamadas de unidades isoprê- nicas (ver Figura 5.1A). As unidades isoprênicas são combinadas em cadeias longas para formar outras estruturas, como as cadeias laterais da coenzima Q em humanos e a vitamina A em plantas. BIOQUÍMICA MEDICA BASICA DE MARKS DI O ácido palmitoléico é um ácido gra- xo «7. Ele tem uma ligação dupla entre os carbonos 9 e 10. Assim como o ácido palmítico, ele tem 16 carbonos, dessa forma a ligação dupla deve estar no carbono 7 da extremidade 0. 66 CoztgEN SmirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN 26, o Ria Cro Coto Dota Jota Se acto et º CH meMa coo” Colesterol oH Ho” “OH Ho Ácido cólico 17p-Estradiol Figura 5.23 Colesterol e seus derivados. O núcleo esteróide é mostrado em azul. O sal biliar, o ácido cólico e o hormônio esteróide 17P- estradiol são derivados do colesterol e contêm a estrutura esteróide em anel. Que características estruturais im- portam para as diferenças em solu- bilidade do colesterol, do estradiol e do ácido cólico no corpo? (ver Figura 5.23) Embora os D-aminoácidos em geral não sejam incorporados a proteí- nas em seres vivos, eles têm m tas outras funções em bactérias, como a sín- tese de ligações cruzadas (cross-links) na parede celular. IV. COMPOSTOS CONTENDO NITROGÊNIO O nitrogênio, como descrito na Seção L.B.2, é um átomo eletronegativo com dois elé- trons não-compartilhados na sua órbita de valência mais externa. Em pH neutro, o nitrogênio nos grupos amino em geral está ligado a quatro outros átomos e tem carga positiva. Contudo, a presença de átomo de nitrogênio em um composto orgânico au- mentará sua solubilidade em água, se o nitrogênio estiver ou não com carga. A. Aminoácidos Os aminoácidos são compostos que contêm um grupo amino e um grupo ácido car- boxílico. Em proteínas, os aminoácidos são sempre L-o-aminoácidos (o grupo amino está ligado ao carbono o. na configuração L) (Figura 5.24). Esses aminoácidos também servem como precursores para compostos contendo nitrogênio no corpo, como a fos- fatidilcolina (ver Figura 5.21), e são a base para a maior parte do metabolismo humano de aminoácidos. Contudo, as reações metabólicas ocasionalmente produzem um ami- noácido que tem um grupo amino ou y, como o neurotransmissor ácido y-aminobutí- rico (ver Figura 5.24). Contudo, apenas o.-aminoácidos são incorporados a proteínas. B. Estruturas em Anel Contendo Nitrogênio 1. PURINAS, PIRIMIDINAS E PIRIDINAS O nitrogênio também é um componente de estruturas em anel referidas como anéis he- terocíclicos ou bases nitrogenadas. Os três tipos mais comuns de anéis contendo nitro- gênio no corpo são purinas (p. ex., adenina), pirimidinas (p. ex., timina) e piridinas (p. o | Ri o o a CH; ll IH E -0 E -0 | CHa HaN=C-H H=C—NHs 5 CH, ol A I BOHg BCHs NH$ L-alanina p-alanina Yyaminobutirato Figura 5.24 A estrutura dos aminoácidos. Lotta Topaigne. A Srta. Topaigne tem artrite gotosa aguda envolvendo o dedão do pé direito. A microscopia de luz polarizada do líquido aspirado do espaço articular mostra cristais de urato monossódico fagocitados por células sangúíneas brancas. A presença de cristais de urato relativamente insolúveis dentro do espaço articular ativa uma cascata inflamatória, levando aos componentes clássicos de inflamação articular (dor, vermelhidão. calor. edema e limitação do mo- vimento articular). COMENTÁRIOS BIOQUÍMICOS Toxinas Ambientais de Hidrocarbonetos Aromáticos Clo- rados. Como resultado da ação humana, componentes tóxicos contendo anéis de benzeno clorados têm sido amplamente distribuídos no ambiente. O pesticida DDT e a classe de compostos químicos chamada de dioxinas fornecem exem- plos de hidrocarbonetos aromáticos clorados e compostos estruturalmente relacionados que são muito hidrofóbicos e pouco biodegradáveis (Figura 5.28). Como consegiiência de sua afinidade e lipossolubilidade, esses compostos químicos são concentrados no tecido adiposo de peixes, de pássaros que se alimentam de peixes e de mamíferos carní- voros, incluindo humanos. O DDT, um bifenil clorado, foi muito utilizado nos Estados Unidos como herbi- da entre 1940 e 1960 (ver Figura 5.28). Embora não tenha sido utilizado nesse país desde 1972, os anéis de benzeno clorados são resistentes à biodegradação, e o solo é a água dos Estados Unidos ainda estão contaminados com pequenas quantidades. O DDT ainda é utilizado em outras partes do mundo. Devido ao fato de essa molécu- 1a. altamente lipofílica, ser armazenada na gordura de animais, organismos acumulam progressivamente maiores quantidades de DDT a cada estágio sucessivo da cadeia ali- entar. Os pássaros que se alimentam de peixes, um dos organismos no topo da cadeia imentar, têm diminuído sua população devido ao efeito do DDT sobre a espessura da casca de seus ovos. O DDT não é tão tóxico em humanos, embora exposição por longo período ou exposição a altas doses possa causar sintomas neurológicos reversíveis. efeitos hepatotóxicos ou câncer. 7 ç O nO) E I Col DDT ci o ci Clorodibenzo-p-dioxina Figura 5.28 Toxinas ambientais. O diclorodifenil tricloretano (DDT) é um membro de uma classe de hidrocarbonetos aromáticos que contêm dois anéis de benzeno (fenila) clorados unidos por uma molécula de etano clorada. As clorcdibenzo-p-dioxinas (CDDs) são uma classe de mais de 75 hidrocarbonetos clorados relacionados na qual todos con- têm uma molécula de dibenzo-p-dioxina (DD), incluindo dois anéis de benzeno ligados por duas pontes de oxigênio em carbonos adjacentes a cade um dos anéis benzênicos. 2,3,7,8 tetraclorodibenzo-p-dioxina, mostrada acima, é uma das mais tóxicas e mais extensivamente estudadas. Os dibenzofuranos clorados (CDFs) são estrutural e toxico- logicamente relacionados. Bioquímica Mépica BÁsica DE Marks 69 A maior parte deste capítulo lidou com os nomes e as estruturas de compostos que são nutrientes para os humanos ou metabólitos que podem ser produzidos a partir de reações no corpo hu- mano. Contudo, a saúde também é afetada por compostos xenobióticos que ocorrem na- turalmente e compostos xenobióticos produ- zidos pelo homem (compostos que não têm valor nutricional e que não são produzidos nos humanos) que são ingeridos ou absorvi- dos através da pele. O DDT e as dioxinas for- necem exemplos de hidrocarbonetos aromá- ticos clorados, uma classe importante de compostos químicos feitos pelo homem pre- sentes no ambiente. O acúmulo de DDT no tecido adipo- so pode ter ação de proteção nos humanos, pois diminui a quantida- de de DDT disponível para passar através das membranas lipídicas apolares e chegar aos neurônios do cérebro, ou passar através das membranas placentárias e chegar ao feto. Eventualmente, o DDT é convertido em meta- bólitos mais polares que são excretados na urina. Contudo, alguns podem passar com os lipídeos para o leite materno de mães ama- mentando. !4 | COLLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN A maior parte do que é conhecido sobre a toxicidade de dioxinas nos humanos origina-se de indivíduos expostos acidental ou cronicamente a níveis mais altos (p. ex., acidentes industriais ou presença em áreas pulverizadas com o "Agente Laranja” ou outros herbicidas conta- minados com dioxinas). Os efeitos de doses mais baixas provavelmente estão associados a atrofia de timo e resposta imune diminuída, cloracne e lesões de pele relacionadas e neo- plasia (câncer). As dioxinas podem cruzar a placenta e causar efeitos de desenvolvimento e reprodutivo, crescimento pré-natal diminuí- do e mortalidade pré-natal. As dioxinas, especificamente dibenzo-p-dioxinas cloradas (CDDs), constituen outra classe de toxinas ambientais que atualmente são de grande preocupação (ve: Figura 5.28). Elas têm sido medidas em um nível chamado de basal no sangue, no te cido adiposo e no leite materno de todos os humanos testados. As CDDs são formada: como um bioproduto durante a produção de outros compostos clorados e herbicidas e pelo processo de branqueamento clorado em fábricas de papel. Elas são liberada: durante a incineração de lixo industrial, municipal e doméstico e durante a combustãc de combustíveis fósseis e são encontradas na fumaça do cigarro e na exaustão do: combustíveis gasolina e diesel. Elas também são formadas pela combustão de matéri: orgânica durante incêndios florestais. Elas entram na atmosfera como partículas dá matéria, são vaporizadas e podem se espalhar por grandes distâncias e entrar no sol e na água. No topo da cadeia alimentar, os humanos adquirem os níveis de dioxinas princi palmente pelo consumo de alimentos, em especial carne, produtos lácteos e peixes Uma vez no corpo humano, as dioxinas são armazenadas no tecido adiposo e têm um: meia-vida de aproximadamente 5 a 15 anos. Elas não são reativas, são pouco degrada das e não são prontamente convertidas em compostos solúveis em água que podem se excretados na urina. Elas são lentamente excretadas na bile e nas fezes e, junto com o: lipídeos, passam para o leite materno de mães amamentando. Leituras Sugeridas Nomenclatura de compostos químicos. A maioria dos livros-texto para graduação fornece de talhes sobre a nomenclatura utilizada para moléculas orgânicas, incluindo a nomenclatur: R.S para centros quirais Toxinas ambientais. Boas revisões da literatura são publicadas pelo U.S. Department of Healt and Human Services: Public Health Service Agency for Toxic Substances and Disease Re gistry, incluindo: Toxicological Profile for Chlorinated Dibenzo-p-dioxins, 1998, and th Toxicological Profile for 4,4-DDT, 4.4-DDE, 4,4-DDD (Update), 1994. QUESTÕES DE REVISÃO - CAPÍTULO 5 Orientação: selecione uma única resposta para cada questão a se- guir. Fundamente suas respostas no seu conhecimento sobre no- menclatura. Você não precisa reconhecer qualquer das estruturas mostradas para responder as questões. 1. Qual das seguintes é uma característica universal dos com- postos solúveis em água? (A) Eles são compostos por átomos de carbono e hidrogê- nio. (B) Eles devem conter um grupo que tenha uma carga nega- 3. tiva completa. (C) Eles devem conter um grupo que tenha uma carza posi- tiva completa. (D) Eles contêm grupos polares que podem formar pontes de hidrogênio com a água. (E) Eles contêm grupos aromáticos. 2. CH,0H-CH,-CH,-COO" Uma paciente foi admitida na emergência do hospital em coma. Os testes laboratoriais encontraram em seu sangue al- (D) tos níveis do composto mostrado acima. Com base na estru tura (e em seu conhecimento sobre a nomenclatura de grupo: funcionais), você identifica o composto como (A) metanol (álcool da madeira). (B) etanol (álcool). (C) etilenoglicol (anticongelante). (D) P-hidroxibutirato (um corpo cetônico). (E) Yhidroxibutirato (a droga ecstasy). Um paciente foi diagnosticado com uma deficiência da enzi ma lisossômica ot-glicosidase. O nome da enzima deficien te sugere que ela hidrolisa uma ligação glicosídica, a qual « uma ligação formada (A) por múltiplas pontes de hidrogênio entre duas molécula: de carboidrato. (B) entre o carbono anomérico de um carboidrato com um O-H (ou N) de outra molécula. (C) entre dois carbonos anoméricos em polissacarídeos. internamente entre o carbono anomérico de um monos sacarídeo e seu próprio carbono hidroxila 5. (E) entre o carbono contendo o grupo aldol ou ceto e o car- bono à. . Um paciente foi diagnosticado com hipertrigliceridemia. Essa condição recebe esse nome devido aos altos níveis san- giiíneos de lipídeos compostos por (A) 3 grupos acila de ácidos graxos ligados a um esqueleto de glicerol. (B) um lipídeo glicerol contendo um grupo fosforilcolina. (C) um esfingolipídeo contendo três grupos de ácidos gra- xos. (D) três partes de glicerol ligadas a um ácido graxo. um DA A O a A EBD À A (E) três partes de gliceraldeído ligadas a um ácido graxo. . Um paciente foi diagnosticado com esfingolipidoses, as quais são doenças congênitas envolvendo a habilidade de degradar esfingolipídeos. Todos os esfingolipídeos têm em comum (A) um esqueleto de glicerol. (B) ceramida. (C) fosforilcolina. (D) ácido N-acetilneuramínico (NANA). (E) uma estrutura esteróide em anel à qual a esfingosina está ligada. 74 CozLEEN SmirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN I HAN-C-H 1 R Figura 6.2 Dissociação dos grupos a-carboxi- la e a-amino dos aminoácidos. Em pH fisio- lógico (-7), predomina uma forma na qual ambos os grupos a-carboxila e c-amino estão carregados. Alguns aminoácidos também têm grupos ionizáveis nas suas cadeias laterais. A estereoespecificidade L com fre- quência é incorporada aos nomes dos fármacos derivados de aminoá- cidos como "L" ou "levo", a partir da direção para a qual os aminoácidos L desviam a luz polarizada. Por exemplo, os pacientes com doença de Parkinson são tratados com L- DOPA (um derivado do aminoácido L-tirosi- na), e os pacientes com hipotireoidismo são tratados com levotiroxina (um derivado dife- rente de L-tirosina). L ESTRUTURA GERAL DOS AMINOÁCIDOS Vinte aminoácidos diferentes comumente são encontrados em proteínas. Todos são a-aminoácidos nos quais o grupo amino está ligado ao carbono at (o átomo de carbono próximo ao grupo carboxilato) (ver Figura 6.1). O carbono a tem dois substituintes adicionais chamados de cadeias laterais (-R). A cadeia lateral é diferente para cada aminoácido. Em um pH fisiológico de 7,4, o grupo amino desses aminoácidos tem uma carga positiva, e o grupo carboxílico está negativamente carregado (Figura 6.2). O pk, dos grupos carboxílicos primários de todos os aminoácidos é de cerca de 2 (1,8 a 2,4). Em valores de pH muito mais baixos do que o pK, (concentrações maiores do fon hidrogê- nio), todos os grupos carboxílicos estão protonados. No pK,, 50% das moléculas estão dissociadas em ânions carboxilato e prótons, e em um pH de 7,4, mais do que 99% das moléculas estão dissociadas (ver Capítulo 4). O pK, de todos os grupos o-amino é de aproximadamente 9,5 (8,8 a 11,0), de tal modo que em pH mais baixo do que 7,4, a maioria dos grupos amino está totalmente protonada e tem carga positiva. A forma de um aminoácido que tem tanto uma carga positiva quanto negativa é chamada de ewitterion. Devido ao fato de esses grupos químicos carregados poderem formar pon- tes de hidrogênio com moléculas de água, todos esses aminoácidos são hidrossolúveis em pH fisiológico. Em todos os aminoácidos, com exceção da glicina, o carbono ct é um carbono assimétrico que tem quatro substituintes diferentes e pode existir em uma configuração Lou D (Figura 6.3). Os aminoácidos nas proteínas dos mamíferos são todos L-amino- ácidos representados com o grupo amino para a esquerda, se o grupo carboxila está no topo das estruturas. Esses mesmos aminoácidos servem como precursores de compos- tos nitrogenados sintetizados no corpo. Dessa forma, o metabolismo de aminoácidos em humanos também é centrado em L-aminoácidos. O aminoácido glicina não é D ou L, pois o carbono a contém dois átomos de hidrogênio. As propriedades químicas dos aminoácidos conferem a cada proteína suas carac- terísticas próprias. As proteínas são compostas de uma ou mais cadeias polipeptídicas lineares contendo centenas de aminoácidos. A segiiência de aminoácidos, chamada de coo” HI CH R R t-Aminoácido H-C HO e C EH m=— C 80H CH;0H L-Gliceraldeído cH,0H p-Gliceraldeído Figura 6.3 L- e D-aminoácidos. As formas L são as únicas encontradas em proteínas humanas. As ligações saindo do papel são mostradas em setas pretas; aquelas entrando no papel, em setas sombreadas. Os grupos o-amino e os átomos de H vêm em direção ao leitor, e o a-carboxila e as cadeias laterais se afastam. As formas L e D são imagens em espelho que não podem ser sobrepostas pela rotação da molécula. A referência para as formas L e D são os estereoisômeros do gliceraldeído. DR Red par ENE Jp o oh prdDeO RE ca RIPRO ST IO RENNES Zoo intao OO o SR estrutura primária, é determinada pelo código genético para as proteínas. Nas cadeias polipeptídicas, os aminoácidos são ligados por ligações peptídicas entre o grupo car- boxílico de um aminoácido e o grupo amino do aminoácido adjacente (Figura 6.4). Assim, o grupo amino, o carbono at e os grupos carboxílicos formam o esqueleto pep- tídico, e as cadeias laterais dos aminoácidos se estendem para fora desse esqueleto. As cadeias laterais interagem com o esqueleto peptídico de outras regiões da cadeia ou com as cadeias laterais de outros aminoácidos na proteína para formar regiões hidrofóbicas, ligações eletrostáticas, pontes de hidrogênio ou pontes dissulfeto. Essas interações determinam o padrão de dobramento da molécula. O dobramento tridi- mensional da proteína forma regiões distintas chamadas de sítios de ligação, que são alinhados com as cadeias laterais de aminoácidos que interagem especificamente com outra molécula chamada de ligante (como o heme na hemoglobina). Assim, as pro- priedades químicas das cadeias laterais determinam como a proteína se dobra, como e liga a ligantes específicos e como interage com seu ambiente (como o meio aquoso do citoplasma). Os nomes dos diferentes aminoácidos recebem abreviaturas de três letras e de uma letra (Tabela 6.1). As abreviaturas de três letras utilizam as duas primeiras letras do ome mais a terceira letra do nome ou a letra de um som característico, como trp para ptofano. As abreviaturas de uma letra utilizam a primeira letra do nome dos amino- idos mais fregientes nas proteínas (como “A” para alanina). Se a primeira letra já i designada, a letra ou o som característico é utilizado (como “R” para arginina). As reviaturas com uma única letra em geral são utilizadas para denominar os aminoáci- os em uma segiiência polipeptídica. H. CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS LATERAIS DOS AMINOÁCIDOS Na Figura 6.5, os 20 aminoácidos utilizados para a síntese de proteínas estão agru- pados em diferentes classificações de acordo com as características de polaridade e estruturais das cadeias laterais. Esses agrupamentos podem ser úteis para descrever funções ou vias metabólicas dos aminoácidos. Contudo, algumas cadeias laterais dos aminoácidos se encaixam em classificações diferentes e, assim, são agrupadas de rma diferente em cada livro-texto. Duas das características da cadeia lateral que são úteis para a classificação são seu pK,e seu índice hidropático, mostrado na Tabela 6.2. O índice hidropático é um escala utilizada para indicar a hidrofobicidade da ca- deia lateral; quanto mais positivo o índice hidropático, tanto maior a tendência de se agrupar com outras moléculas apolares e excluir água em efeito hidrofóbico. Quanto mais negativo o índice de hidropático de um aminoácido, tanto mais hidrofílica é sua cadeia lateral. A. Aminoácidos Alifáticos, Apolares A glicina é o aminoácido mais simples e não se encaixa bem em nenhuma classificação devido ao fato de sua cadeia lateral ser apenas um átomo de hidrogênio. A alanina e os aminoácidos de cadeia ramificada (valina, leucina e isoleucina) têm cadeias laterais pesadas apolares e alifáticas. O alto grau de hidrofobicidade das cadeias laterais dos aminoácidos de cadeia ramificada é indicado por seu alto índice hidropático (ver Ta- bela 6.2). Os elétrons são compartilhados igualmente entre os átomos de carbono e de hidrogênio nessas cadeias laterais, de tal modo que não podem se ligar com a água por pontes de hidrogênio. Dentro das proteínas, essas cadeias laterais desses resíduos de aminoácidos irão se agrupar para formar núcleos hidrofóbicos. Sua associação também é promovida pelas forças de van der Waals entre os núcleos carregados positivamente de um átomo e a nuvem de elétrons de outro. Essa força é efetiva em distâncias curtas, quando muitos átomos estão juntos, como se estivessem “empacotados”. Os papéis de prolina e glicina na estrutura dos aminoácidos diferem daqueles dos aminoácidos apolares. O aminoácido prolina contém um anel envolvendo seu carbono a e seu grupo a-amino, os quais são parte do esqueleto peptídico. Esse anel rígido H o Ro O LR! SSI E HN-C-C-0" + HAN CBS I Ry H HO HO RO o CATE HAN=C-C-N-C-C-O 1 I 1 R “HH Figura 6.4 Ligações peptídicas. Os aminoáci- dos em uma cadeia polipeptídica são unidos por ligações peptídicas entre o grupo carbo- xila de um aminoácido e o grupo amino do próximo aminoácido na sequência. De acordo com alguns bioquímicos, “W" indica o som característico de “triptofano” (ver Tabela 6.1). Tabela 6.1 Abreviaturas dos Aminoácidos Nome Abreviaturas* TrêsLetras Uma Letra Alanina Ala A Arginina Arg R Asparagina Asn N Aspartato Asp D Cisteina Cys E Glutamato Glu E Glutamina Gin o Glicina Gy G Histidina His H Isoleucina Ile I Leucina Leu L Lisina Lys K Metionina Met M Fenilalanina Phe F Prolina Pro P Serina Ser s Treonina Thr if Triptofano Tp w Tirosina Tyr Y Valina Val v * As abreviaturas de três letras em geral são mais utilizadas. As abreviaturas de uma letra são utilizadas principalmente para listar as sequências de eminoáci- dos de cadeias protéicas longas A enzima digestiva proteolítica qui- motripsina quebra as ligações peptí- dicas formadas pelos grupos carbo- xila de aminoácidos grandes, pesados, sem carga. Quais aminoácidos se encaixam nessa categoria? 76 Cozteex SMrrH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Apolar, alifático Cíclico no Aromático -H CL HAN CH Mais polar A çoo- HAN=C-H Glicina Alanina Prolina e > 1 G=0H Cadeia ramificada a coo” z pa Fenilalanina Tirosina Triptofano Valina Leucina Isoleucina Polar, sem carga (não-ionizado) Contendo enxofre coo” coo- coo” coo” e] 2 HAN=C-H HAN=C-H Asparagina Glutamina Serina Treonina Metionina Cisteína Carregado Negativo (ácido) Positivo (básico) coo” Aspartato Glutamato Arginina Lisina Histidina Figura 6.5 As cadeias laterais dos aminoácidos. As cadeias laterais estão destacadas. Os aminoácidos são agrupados por polaridade e características estruturais de suas cadeias laterais. Contudo, esses agrupamentos não são absolutos. Tirosina e triptofano, frequente- mente listados como aminoácidos apolares, são mais polares do que outros aminoácidos aromáticos devido aos seus anéis fenólico e indólico, respectivamente. Bioquímica MéDiCA BÁSICA DE MARKS 19 e arginina têm cadeias laterais contendo nitrogênio, que pode ser protonado e car- regado positivamente em valores de pH fisiológico ou mais baixos. A histidina tem um anel imidazol que contém nitrogênio como cadeia lateral. A lisina tem um grupo amino primário no carbono 6 ou £ (da segiiência à, B, Y, 8, €), e a arginina tem um grupo guanidina. As cargas positivas nos aminoácidos básicos permitem que eles formem ligações iônicas (ligações eletrostáticas) com grupos carregados negativamente, como as ca- deias laterais de aminoácidos ácidos ou os grupos fosfato de coenzimas (Figura 6.8). Além disso, as cadeias laterais de lisina e arginina com frequência formam ligações iônicas com compostos carregados negativamente ligados a sítios de ligação de pro- teínas, como os grupos fosfato no ATP. As cadeias laterais dos aminoácidos ácidos e sicos também participam de pontes de hidrogênio e na formação de pontes salinas como a ligação de um íon inorgânico como Na” entre dois grupos parcial ou totalmen- te carregados negativamente). A carga desses aminoácidos em pH fisiológico é uma função de seus pK,s para a dissociação de prótons dos grupos o-carboxílicos, dos grupos O-amino e das cadeias aterais. A curva de titulação da histidina ilustra as alterações que ocorrem na estrutura do aminoácido à medida que o pH da solução é alterado de menos de 1 para 14 pela ição de fons hidróxido (Figura 6.9). Em pH baixo, todos os grupos têm prótons; os 'pos amino têm uma carga positiva, e os grupos carboxílicos têm carga zero. À me- dida que o pH é aumentado pela adição do àlcali (OH), o próton se dissocia do grupo carboxílico, e sua carga se altera de zero para negativa, com pK, de aproximadamente 2. 0 pH no qual 50% dos prótons se dissociaram. A cadeia lateral da histidina é um anel imidazol com um pK, de aproximadamente & que se altera de um anel predominamente protonado positivamente carregado para m anel sem carga nesse pH. O grupo amino no carbono & é titulado em um pH muito mais alto (entre 9 e 10), e a carga se altera de positiva para zero à medida que o pH se eleva. O pH no qual a carga total das moléculas em solução é zero é chamado de ponto isoelétrico (pl). Nesse pH, as moléculas em um campo elétrico não migrarão para um pólo positivo (cátodo) ou um pólo negativo (ânodo), pois o número de cargas negativas cada molécula é igual ao número de cargas positivas. As cadeias laterais de aminoácidos se alteram de sem carga para negativamen- te carregadas, ou de positivamente carregadas para sem carga à medida que liberam prótons (Figura 6.10). Os aminoácidos ácidos perdem um próton de suas cadeias la- terais dos ácidos carboxílicos em um pH de cerca de 4, e, assim, são negativamente egados em pH 7,4. A cisteína e a tirosina perdem prótons em seus pK,s (-8,4 e 5, respectivamente), assim suas cadeias laterais são sem carga em pH fisiológico. As cadeias laterais de histidina, lisina e arginina se alteram de positivamente carregadas para neutras nos seus pK,s. As cadeias laterais dos dois aminoácidos básicos, arginina e lisina, têm valores de pK, acima de 10, de tal modo que a forma positivamente carre- da sempre predomina em pH fisiológico. A cadeia lateral da histidina (pK, -6.0) se dissocia próximo ao pH fisiológico, assim apenas uma porção das cadeias laterais da histidina tem uma carga positiva (ver Figura 6.9). Em proteínas, apenas as cadeias laterais dos aminoácidos e o grupo amino na ex- tremidade aminoterminal e o grupo carboxila na extremidade carboxilterminal têm prótons dissociáveis. Todos os outros grupos carboxílicos c amino nos carbonos q es- tão unidos em ligações peptídicas que não têm prótons dissociáveis. As cadeias laterais dos aminoácidos podem ter pK,s muito diferentes daqueles dos aminoácidos livres se eles estiverem envolvidos em pontes de hidrogênio ou ligações iônicas com cadeias la- terais de outros aminoácidos. O pK, do grupo imidazol da histidina, por exemplo, com freqiiência é deslocado para um valor mais alto entre 6 e 7, de tal modo que ele capta e libera um próton no espectro do pH fisiológico. ll. VARIAÇÕES NA ESTRUTURA PRIMÁRIA Embora quase todos os aminoácidos na estrutura primária de uma proteína contribu- am para sua conformação (estrutura tridimensional), a estrutura primária de uma pro- teína pode variar em algum grau entre as espécies. Mesmo entre a espécie humana, a O glutamato tem um carga negativa na sua cadeia lateral em pH fisioló- gico e, assim, pode formar ligações iônicas ou pontes de hidrogênio com água ou outras cadeias laterais. A valina é um amino- ácido hidrofóbico e, portanto, tende a intera- gir com outras cadeias laterais hidrofóbicas para excluir água. (O efeito dessa substitui- ção na estrutura da hemoglobina está descri- to em mais detalhes no Capítulo 7.) Figura 6. Interação eletrostática entre a ca- deia lateral positivamente carregada da lisina e a cadeia lateral negativamente carregada do aspartato. A eletroforese é uma técnica utiliza- da para separar proteínas com base na carga que tem sido extremamen- te útil em medicina para identificar proteínas com composições diferentes de aminoácidos. A carga total de uma proteína em um certo pH é uma soma de todas as cargas positivas e negativas de todas as cadeias laterais ioni- záveis dos aminoácidos mais os grupos ami- no N-terminal e carboxil C-terminal. Teorica- mente, a carga total de uma proteína em qualquer pH pode ser determinada a partir de sua composição de aminoácidos, calculando a concentração de grupos carregados positi- va e negativamente pela equação de Hender- son-Hasselbalch (ver Capítulo 4). Contudo, pontes de hidrogênio e ligações iônicas entre as cadeias laterais dos aminoácidos nas pro- teínas tornam esse cálculo irreal. 80 CorgeN SMirH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN ie pKa (ONHs) = 9,8 4 | 2 : j i L i L J o 05 1,0 15 20 25 30 Equivalentes de OH” CooH coo” coo” coo” di PKa En PKaz nt PKas í HiN-CH +» HN-CH «>» HN-CH *——> HoN-CH mr ls a a nn! nie! nte! nn! Abaixo de Entre Entre Acima de pH 1,8 pH1,866,0 PH 60093 pH 9,3 Espécies predominantes Figura 6.9 Curva de titulação da histidina. As espécies iônicas que predominam em cada região são mostradas abaixo do gráfico. O pl é o ponto isoelétrico (no qual a molécula não tem carga líquida). Forma que predomina pKa Forma que predomina abaixo do pKa, acima do pK, 3,9 Aspartato - CH, —COOH <—— - CH, -C00” ER o 41 Glutamato |-cH,-CH,-COOH «> [-cH-ch-coo + H |>— CH; o HN N. E eo I— Histidina [om | <<, Lou |] + W For g E Sn Z 84 Cisteína |cHsH <> enus + H tome HO) * HD Tirosina oH <— + Ht Fe E 10,5 Lisina cHo-cHo-cH-cH; Rh ct -cHo-CH-CHo-NH + Hº Ho 425 NH Arginina |cm-cH-cho-nH-c7 «>, tct-ch,-cHo-nH- 07 + H NH> NH, Figura 6.10 Dissociação das cadeias laterais dos aminoácidos. À medida que o pH se eleva, a carga da cadeia lateral vai de O para + ou de + para 0. O pk, é o pH no qual metade das moléculas de um aminoácido em solução tem cadeias laterais com cargas. Metade não tem carga. EAR Ep e RM APNR 1 segiiência de aminoácidos de uma proteína funcional normal pode variar um pouco entre os indivíduos, os tecidos do mesmo indivíduo e o estágio de desenvolvimento. Essas variações na estrutura primária de uma proteína funcional são toleradas se são g confinadas a regiões não-críticas (chamadas de regiões variantes), se são substituições conservativas (substituem um aminoácido por um de estrutura similar) ou se conferem uma vantagem. Se muitos resíduos diferentes de aminoácidos são tolerados em uma posição, a região é chamada de hipervariável. Em contraste, as regiões que formam sítios de ligação ou que são cruciais para a formação de uma estrutura tridimensional em geral são regiões não-variáveis que têm exatamente a mesma segiiência de aminoá- cidos de indivíduo a indivíduo, tecido a tecido ou espécie a espécie. A. Polimorfismo na Estrutura de Proteína Na população humana, a estrutura primária de uma proteína pode apresentar uma pequena variação entre indivíduos. As variações em gera! se originam de mutações DNA que passam para a geração seguinte. As mutações podem resultar da subs- stuição de uma base por outra na segiiência de nucleotídeos do DNA (um ponto de utação), de deleções ou inserções de bases no DNA ou de alterações maiores (ver pítulo 14). Para muitos alelos, a variação tem consegiiências fenotípicas distintas que contribuem para as características individuais, produzem uma disfunção eviden- = (uma doença de herança congênita ou genética) ou aumentam a suscetibilidade = certas doenças. Uma proteína defeituosa difere dos alelos mais comuns por tão uco quanto um único aminoácido que é uma substituição não-conservativa (subs- sisuição de um aminoácido por outro de uma polaridade diferente ou um tamanho muito diferente) em uma região variante. Tais mutações podem afetar a habilidade A substituição de um glutamato por uma valina na hemoglobina falcifor- me é uma substituição conservati- va? E a substituição de aspartato por gluta- mato? Em sua maioria, os cromossomos humanos ocorrem como pares ho- mólogos, com cada membro do par contendo a mesma informação genética. Um membro do par é herdado da mãe e o outro do pai. Os genes são dispostos linearmente ao longo de cada cromossomo. Um locus ge- nético é uma posição ou localização específi- ca em um cromossomo. Os alelos são ver- sões alternadas de um gene em um determinado locus. Para cada locus (sítio), existem dois alelos de cada gene, um da mãe e um do pai. Se ambos os alelos de um gene são idênticos, o indivíduo é homozigoto para esse gene; se os alelos são diferentes, ele é heterozigoto para esse gene. Will Sichel tem dois alelos idênticos para a variante falcifor- me do gene da globina f, o que resulta na substituição de um resíduo de glutamato por um resíduo de valina na sexta posição da ca- deia da globina B. Ele é, portanto, hogmozigo- to e tem anemia falciforme. Indivíduos com um gene normal e um alelo falciforme são heterozigotos. Eles são portadores da doença e têm traço falciforme. da proteína de realizar sua função, catalisar uma reação específica. chegar ao sítio apropriado em uma célula ou ser degradada. Para outras proteínas, as variações pa- cem não ter significância. As variantes de um alelo que ocorrem com uma frequência significativa na popula- são são referidas como polimorfismos. Até esse ponto nos estudos do genoma humano, e um terço dos loci genéticos parece ser polimórfico. Quando uma variação espe- a de um alelo, ou polimorfismo, aumenta na população geral para um fregiência A hemoglobina de Will Sichel, HDS, é composta de duas cadeias o: normais e duas cadeias de globina B com a variante de ane- mia falciforme (0,8;º). A alteração na composição de aminoácidos pela substituição de um glutamato por uma valina na cadeia B permite que a hemoglobina falciforme seja separada da hemoglobina adulta normal (HbA ou [0,8,"1) por eletroforese. Na eletroforese, uma alíquota de sangue ou outra solução contendo proteínas é aplicada a uma matriz de suporte, como papel ou gel. Quan- do um campo elétrico é aplicado, as proteínas migram em uma distância em direção ao ânodo (pólo negativo) ou cátodo (pólo positivo) que reflete pequenas diferenças em sua carga total. A eletroforese do sangue de Will Sichel mostra que ele é homozigoto para a varian- te falciforme, HbS, e tem quantidades aumentadas de hemoglobina fetal, HbF. Indivíduos com traço falciforme são heterozigotos e têm ambas HbA e HbS, mais pequenas quantidades de (0,7). Em indivíduos heterozigotos com traço falciforme, o alelo falciforme fornece alguma proteção contra malária. A malária é causada pelo parasita Plasmodium falciparum, o qual passa parte de seu ciclo vital nas células sangúíneas vermelhas. As células sangúíneas vermelhas de indivíduos com hemoglobina normal (HbA) desenvolvem protusões que se ligam ao revestimento dos capilares. Essas igações ocluem os vasos e impedem o oxigênio de cheger a células na região afetada, resultando em morte celular. Em indivíduos heterozigotos, HbS nas células infectadas se agregam em longas fibras que fazem com que a célula se torne distorcida. Essas células distorcidas contendo os parasitas são preferencialmente reconhecidas pelo baço e são destruídas de forma rápida, terminando, assim, a vida do parasita. Em Will Sichel e outros indivíduos homozigotos com anemia falciforme, as células sanguíneas vermelhas alteram sua forma de foice com mais frequência, especialmente sob condições de baixe pressão de oxigênio (ver Capítulo 7). O resultado é uma crise vaso-oclusiva na qual as células falciformes formam trombos nos capilares e impedem a chegada de oxigênio nas células (isquemia), causando, as- sim, dor. A destruição aumentada de células falciformes pelo baço resulta em anemia. Conseguentemente, o alelo falciforme é de pouca vantagem para indivíduos homozigotos. Uma vez que indivíduos heterozigotos ocorrem com mais frequência em uma população do que indivíduos homozigotos, uma vantagem seletiva do estado heterozigoto pode suplantar uma desvantagem em um estado homozigoto, tornando a mutação um poli- morfismo estável em uma população. Como consegiência, a frequência de anemia falciforme em partes da África equatorial nas quais a malária era endêmica no passado é de 1 em 25 nascimentos. A migração da África é responsável pela alta frequência de anemia falei forme entre negros nos Estados Unidos, a qual é de aproximadamente 1/400 nascimentos OS — COLLEEN SMITH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Variações na estrutura da proteína entre espécies têm sido utilizadas para se desenvolver uma árvore fi- logenética de relações ancestrais entre as es- pécies mostrando o progresso da evolução. De acordo com a teoria evolucionária, as es- pécies relacionadas evoluíram de um ances- tral comum, e todas as proteínas podem ser reunidas em agrupamentos de proteínas (chamadas de proteínas ortólogas) que evo- luíram de uma proteína ancestral comum Quanto mais similar a sequência de amino: cidos de uma proteína ortóloga de espécies diferentes, mais próxima a relação entre as espécies. Embora a insulina bovina seja idên- tica à insulina humana naqueles re- síduos de aminoácidos essenciais para atividade, os resíduos de aminoácidos que estão nas regiões variáveis podem agir como antígenos e estimular a formação de anticorpos contra insulina bovina. Conse- quentemente, técnicas de DNA recombinante têm sido utilizadas para a síntese de insulina, idêntica em estrutura à insulina nativa, como Humulin (insulina de ação intermediária) (ver Capítulo 17 ou informação sobre tecnologia de DNA recombinante). Embora Di Abietes ainda não tenha tido resposta alérgica a sua insulina bovina, o custo de Humulin atual- mente é tão baixo que a maioria dos pacien- tes está trocando a insulina bovina para as formas de insulina humana sintética. Os 20 aminoácidos codificados por DNA formam a sequência linear de aminoácidos, conhecida como es- trutura primária das proteínas, e determinam o padrão de dobra para a conformação tridi- mensional da proteína. Modificações pós- transcricionais em geral ocorrem quando a proteína já se dobrou em seu padrão caracte- rístico. Elas são como acessórios (jóias, gra- vatas, etc.) que fornecem variações adicio- nais para o vestuário básico. Lado extracelular [saia | pise vi Lado intracelular Figura 6.12 Regiões invariáveis nas isoformas da adenil-ciclase. As regiões invariáveis estão no lado citosólico da membrana nas alças C1 e C2 mostradas em azul. Esses resi- duos de aminoácidos participam da função catalítica da enzima, a síntese de 3',5'-AMP acíclico. A proteína também tem várias regiões helicoidais que tensionam a membrana (hélices M1 e hélices M2), representadas como tubos. Uma cadeia de oligossacarídeo está ligada a um domínio extracelular. N é a extremidade amino terminal. (Impressa com a permissão de Taussig R, Gilman AG. J Biol Chem Mammalian membrane-bound adenilyl cyclases 1995;270:1-4.) D. Variações entre Espécies na Estrutura Primária da Insulina As variações entre espécies na estrutura primária também são importantes em medi- cina, como ilustrado pela comparação entre as insulinas humana, bovina e porcina. A insulina é um dos hormônios altamente conservados entre espécies, com poucas substituições de aminoácidos e nenhuma nas regiões que afetam atividade. A in- sulina é um hormônio polipeptídico de 51 aminoácidos que é composto por duas cadeias polipeptídicas (Figura 6.13). Ela é sintetizada como cadeia polipeptídica única, mas é quebrada em três locais antes da secreção para formar o peptídeo C e a molécula ativa de insulina contendo as cadeias A e B. O dobramento das cadeias A e B na estrutura tridimensional correta é promovido pela presença de uma ponte dissulfeto intracadeia e duas pontes dissulfeto intercadeia formadas por resíduos de cisteína. Os resíduos invariáveis são compostos por resíduos de cisteína envolvidos em pontes dissulfeto e por resíduos que formam a superfície da molécula de insulina que se liga ao receptor de insulina. As substituições de aminoácidos nas insulinas bovina e porcina (mostradas em azul na Figura 6.13) não ocorrem em aminoácidos que afetam sua atividade. Conseguientemente, as insulinas bovina e porcina foram utilizadas por muitos anos para o tratamento de diabetes melito. Contudo, mesmo com poucos aminoácidos diferentes, alguns pacientes desenvolviam uma resposta imune a essas insulinas. IV. AMINOÁCIDOS MODIFICADOS Após a síntese de uma proteína ter sido completada, alguns poucos resíduos de ami- noácidos na segiiência primária podem ser modificados por reações catalisadas por enzimas que adicionam grupos químicos, oxidam ou modificam de outra forma ami- noácidos específicos na proteína. Devido ao fato de a síntese de proteína ocorrer por um processo conhecido como tradução, essas alterações são chamadas de modificações pós-tradução. Mais de 100 resíduos de aminoácidos modificados pós-tradução foram encontrados em proteínas humanas. Essas modificações alteram a estrutura de um ou mais aminoácidos específicos em uma proteína de modo que podem ter uma função re- gulatória, dirisir ou ancorar a proteína nas membranas, aumentar a associação de uma proteína com outras, ou marcá-la para sua degradação (Figura 6.14). Peptídeo C Dovoddg” "i-POSOCOÉ Estrutura da insulina humana Ccoo” Cadeia A Bioquímica Mépica BÁsica DE MARkS 85 Figura 6.13 A estrutura primária da insulina humana. Os aminoácidos substituídos nas insulinas bovina e porcina são mostrados em azul. A treonina 30 na extremidade carboxilterminal da cadeia B é substituída por alanina tanto na insulina bovina como na porcina. Na insulina bovina, a treonina 8 na cadeia A também está susbiituída por alanina, e a isoleucina 10, por valina. Os resíduos de cisteína, os quais formam as pontes dissulfeto que unem as cadeias, são invariáveis. Na insulina Humalog criada por bioengenharia (lispro insulin), as posições de prolina em B28 e lisina em B29 estão trocades. A insulina é sintetizada como uma molécula precursora mais longa, pró- insulina, a qual é uma cadeia polipeptídica. A pró-insulina é convertida em insulina pela quebra proteolítica de certas ligações peptídicas linhas onduladas na figura). A quebra remove uns poucos aminoácidos e o peptídeo C de 31 aminoácidos que conecta as cadeias A e B. A molécula de insulina ativa, então, tem duas cadeias não-icênticas. B. Glicosilação Os oligossacarídeos (pequenas cadeias de carboidratos) são ligados a proteínas por li- es com N ou O (ver Figura 6.14). Os oligossacarídeos ligados a N são encontrados dos a proteínas da superfície celular, onde protegem as células de proteólise ou de ataques imunes. Em contraste, uma ligação O-glicosídica é uma maneira comum de ligar oligossacarídeos a grupos hidroxila de serina ou treonina em proteínas secretadas O polissacarídeo intracelular glicogênio é ligado a uma proteína por uma ligação O- glicosídica a uma tirosina. C. Acilação ou Prenilação de Lipídeos Muitas proteínas de membrana contêm um grupo lipídico covalentemente ligado que interage hidrofobicamente com lipídeos na membrana. Os grupos palmitoil (C16) com frequência são ligados a proteínas da membrana plasmática, e o grupo miristil (C14) com fregiiência é ligado a proteínas nas membranas lipídicas das vesículas intracelula- res (ver Figura 1.14). Os grupos farnesil (C15) ou geranil-geranil (C20) são sintetiz: dos a partir da unidade isopreno de cinco carbonos (isopentenil pirofosfato, ver Figura 5.1A) e são, assim, chamados de isoprenóides. Eles são unidos por ligação éster a um resíduo específico de cisteína de certas proteínas de membrana, particularmente proteí- nas envolvidas em regulação. D. Modificações Regulatórias Fosforilação, acetilação e (ADP)-ribosilação com difosfato de adenosina de resíduos de aminoácidos específicos em uma cadeia polipeptídica podem alterar a ligação na- quele resíduo e alterar a atividade da proteína (ver Figura 6.14). A fosforilação de um grupo OH de serina, treonina ou tirosina por uma proteína-quinase (uma enzima que transfere um grupo fosfato do ATP para uma proteína) introduz um grupo grande, pesado e negativamente carregado que pode alterar a atividade de uma proteína. A acetilação reversível ocorrendo em resíduos de lisina das proteínas histonas no cromos- A adenilil-ciclase é modificada pós- tradução (ver Figura 6.12). Ela tem uma cadeia oligossacarídica ligada na porção externa da proteina. Algumas das isoenzimas contêm resíduos de serina na porção intracelular da cadeia que podem ser fosforiladas por um proteina-quinase. 86 CoLLEEN SMrrH, ALLAN D. MARKS, MICHAEL LIEBERMAN Adição de carboidrato O-glicosilação: OH de ser, thr, tyr 00H E ser N 1 AC Adição de lipídeo Palmitoilação: SH interno de cys l HaC—(CH,)4—C—S—CH, LE cys Prenilação: SH de cys N-glicosilação: NH, de asn o N-6 He R-0 TT O asn N 1 AC Miristilação: NH do N-terminal da gly o Cam " Hs0=(CHa)jo-C=N=CHo— ni, giy Regulação Fosforilação: OH de ser, thr, tyr Acetilação: NH, de Iys, terminal " " CH-0-P-O -C-N-CHa- CHo—CHo CH e H Sm DO ser Ea ADP-ribosilação: N de arg, gn; S de cys No Adenina cH;=0-P-0- B- o-cm N-6-cH-cH- Cro s É RS RE re Ha mo Ho OH HO OH Aminoácidos modificados Oxidação: pro, Iys pro 4-Hidroxiprolina Carboxilação: glu Resíduo “carboxiglutamato Figura 6.14 Modificações pós-tradução de aminoácidos em proteínas. Algumas dessas modificações de aminoácidos comuns e os sítios de ligação estão ilustrados. O grupo adicionado é mostrado em azul. Devido ao fato de essas modificações serem catalisadas por enzimas, apenas uma sequência específica de aminoácidos na estrutura primária está alterada. O hexágono R-O se refere a um oligossacarídeo. Na N-glicosilação, o glicídeo ligado é usualmente N-acetilglicosamina (N-Ac).