IQB201 – Bioquímica Básica I

1. IQB201 – Bioquímica Básica I Vitaminas e Coenzimas Joab Trajano Silva Instituto de Química/UFRJ

2. Vitaminas Vitaminas são moléculas orgânicas necessárias ao correto funcionamento do metabolismo animal, mas que não são sintetizadas por estes organismos ou são sintetizadas em quantidades inadequadas para atender as suas funções vitais. Conseqüentemente, as vitaminas devem ser obtidas da dieta. Grande parte das vitaminas funciona como coenzimas ou cofatores enzimáticos, mas algumas funcionam como hormônios (vitamina D) ou participam diretamente de catálises sem a ação de proteínas (vitamina E). As vitaminas são classificadas como hidrossolúveis ou lipossolúveis, de acordo com a sua solubilidade em água. A carência de vitaminas provoca estados clínicos bem estabelecidos. Em muitos casos, a ingestão excessiva destes micronutrientes também pode provocar doenças.

3. Vitaminas lipossolúveis são derivadas do isopreno

4. Vitaminas Lipossolúveis • Vitamina A • Vitamina D • Vitamina E • Vitamina K Vitaminas A A vitamina A ou retinol é o precursor imediato de dois metabólitos ativos importantes: o retinal, que desempenha um papel crítico na visão; e o ácido retinóico, que funciona como um mensageiro intracelular que regula a transcrição de diversos genes. A vitamina A não é encontrada em plantas, mas muitos vegetais contêm carotenóides, como o -caroteno, que podeser convertido à vitamina A no intestino ou em outros tecidos.

5. Golden Rice

7. Diagrama ilustrando a estrutura dos pigmentos fotosensíveis dos vertebrados. • Todos os pigmentos fotossensores caracterizados de vertebrados consistem de uma proteína (opsina) acoplada a um cromóforo derivado da forma 11-cis da vitamina A (retinaldeído) - (R). • A absorção de um fóton pelo 11-cis-retinaldeído causa sua fotoisomerização a todo-trans retinaldeído . A conversão provoca uma mudança conformacional na opsina que inicia a cascata de fototransdução.

9. Os fotorreceptores dos bastonetes são sensíveis a luz que são uteis apenas a noite. Os fotorreceptores dos cones necessitam de luz brilhante para funcionar, desta forma eles são úteis apenas durante o dia. Como os cones são de três tipos, o cérebro pode comparar seus sinais para perceber cores.

10. Representation of molecular steps in photoactivation. Depicted is an outer membrane disk in a rod. Step 1: Incident photon (hv) is absorbed and activates a rhodopsin by conformational change in the disk membrane to R*. Step 2: Next, R* makes repeated contacts with transducin molecules, catalyzing its activation to G* by the release of bound GDP in exchange for cytoplasmic GTP. The α and γ subunits Step 3: G* binds inhibitory γ subunits of the phosphodiesterase (PDE) activating its α and β subunits. Step 4: Activated PDE hydrolyzes cGMP. Step 5: Guanylyl cyclase (GC) synthesizes cGMP, the second messenger in the phototransduction cascade. Reduced levels of cytosolic cGMP cause cyclic nucleotide gated channels to close preventing further influx of Na+ and Ca2+.

12. Vitamina D (colecalciferol) A vitamina D é um hormônio esteróide que tem um importante papel na regulação dos níveis corporais de cálcio, fosfato e na mineralização dos ossos. Vitamina D, ou como D3 ou D2, não tem atividade biológica. Eles devem ser primeiramente convertida na forma hormonalmente ativa. 1. No fígado, o colecalciferal é hidroxilado a 25-hidroxicolecalciferol pela enzima 25-hidroxilase. 2.No rim, a 25-vitamina D serve como substrato para a enzima 1-alfa-hidroxilase, produzindo 1,25-dihidroxicolecalciferol, a forma biologicamente ativa da vitamina D. Por ser hidrofóbica, a vitamina D é transportada no sangue ligada a uma proteína carreadora – a principal delas é chamada de proteína ligadora de vitamina D. O receptor da vitamina D forma um complexo com outro receptor intracelular, o receptor retinóide-X, sendo o heterodímero capaz de se ligar ao DNA e ativar a transcrição de vários genes que codificam proteínas transportadoras de cálcio do lúmem do intestino, através das células epiteliais, para o sangue, como a calbindina. Em alguns poucos casos este fator é também capaz de suprimir a transcrição gênica.

13. 25(OH)D = 25-hidroxivitamina D; 1,25(OH)2D = 1,25-dihidroxivitamina D Na pele a radiação UVB converte a pró-vitamina D3 em pré-vitamina D3, que sofre isomerização espontânea à vitamina D3, mais estável A vitamina D3 formada na pele e proveniente da dieta e a vitamina D2 de fontes dietéticas são hidroxiladas no fígado a 25(OH)D, a principal forma circulante de vitamina D. A 25(OH)D é hidroxilada no rim a 1,25(OH)2D, a principal forma biologicamente ativa da vitamina D. A produção de 1,25(OH)2D é regulada pelos níveis de PTH e de fosfato sérico.

14. A luz solar converte 7-dehidrocolesterol (7-DHC) na pele a vitamina D3, que é transformada sucessivamente em 25-hidroxi-D3 (25-D3) e a 1,25-dihidroxi-D3 (1,25-D3) nos queratinócitos. A luz solar também induz a expressão do receptor da vitamina D (VDR). 1,25-D3 e o VDR juntos induzem a expresssão de gene que codificam o peptídeo antimicrobiano LL-37. A vitamina D3 entra o sistema circulatório e é convertido a 25-D3 pelo fígado. Monócitos circulantes são ativados pelo agonista TLR2/1 presente em alguns microrganismos. Os genes que codificam VDR e CYP 27B1 são induzidos. CYP27B1 transforma 25-D3 em 1,25-D3, que junto com VDR ativam o gene que codifica LL-37, aumentando a atividade antimicrobiana.

15. Vitamina E Vitamina E é uma mistura de diversos compostos conhecidos como tocoferóis, sendo o -tocopherol o mais potente entre eles. A principal função da vitamina E é atuar como antioxidante por garimpar radicais livres de oxigênio. Ela previne a peroxidação de ácidos graxos polinsaturados de membrana. Atua em conjunto com a vitamina C sendo regenerado para sua forma ativa O principal sintoma da vitamina E em humanos é a fragilidade das hemácias e degeneração dos neurônios.

16. Vitamina E Vitamina E O radical livre, ao reagir com a cadeia lipídica, produz um dipolo que leva a exposição da cadeia de ácido graxo na superfície da membrana. A vitamina E remove o radical peroxil; o ascorbato recicla a vitamina E; várias enzimas, então, participam da remoção da cadeia de ácido graxo danificas e inserem uma nova, reparando o fosfolipídeo.

18. Vitamina K • A vitamina K funciona como um cofator essencial para uma carboxilase que catalisa a carboxilação de resíduos de ácido glutâmico. Esta proteínas são: • Fatores de coagulação: fator II (protrombina), VII, IX and X • Proteínas anti-coagulantes: proteinas C, S e Z • Outras: proteínas do osso osteocalcina e proteína Gla da matriz; e certas proteínas ribossomais. • Estas proteínas têm em comum o requerimento de serem pos-traducionalmente modificadas por carboxilação de resíduos de ácido glutâmico, formando ácido -carboxílico, para se tornarem biologicamente ativas.

19. Vitamina K • Como um cofator da carboxilase que gera os radicais de ácido -carboxiglutâmico, a vitamina K sofre um ciclo de oxidação e redução que permite o seu reuso: • A vitamina K (usualmente K1) é reduzida a vitamina KH2. • A oxigenação da vitamina KH2 fornece a energia necessária para direcionar a reação de carboxilação, levando a formação do ácido -carboxiglutâmico e o óxido de vitamina K. • A forma oxidada da vitamina K é reduzida por outra redutase novamente a vitamina K, pronta para catalisar outro ciclo de reação. Anticoagulantes como a Warfarina e o dicumarol bloqueiam a redução do óxido de vitamina K. • Muitos raticidas são compostos que interferem com a ação da vitamina K e matam pela indução de hemorragias letais.

20. Vitamina K Warfarin Dicumarol

21. Vitaminas Hidrossolúveis como Cofatores Enzimáticos a) Doença sem nome específico. Casos de deficiência desta vitamina em humano são raros.

22. Tiamina Pirofosfato (vitamina B1) TPP é um cofator essencial das enzimas piruvate e -cetoglutarato desidrogenase e também das reações catalisadas pelas transcetolase da via das pentoses.  A deficiência de tiamina leva a uma severa redução da capacidade celular de produzir energia. O requerimento dietético para tiamina é proporcional a ingestão calórica e varia de 1,0 a 1,5 mg/dia para adultos normais.  Se a quantidade de carboidratos na dieta é excessiva, uma maior ingestão de tiamina é requerida.

23. Enzimas que Utilizam a Tiamina como Cofator

24. Mecanismo de Catálise das Transcetolases A xilulose 5-fosfato se liga ao grupamento TPP no centro ativo da enzima. O gliceraldeído 3-fosfato é liberado, deixando o intermediário hidroxietil ligado a TPP. A ribose 5-fosfato se liga ao intermediário e a enzima catalisa a formação e liberação de sedoheptulose 7-fosfato, regenerando o complexo enzyme-TPP.

25. Riboflavina (vitamina B2) Riboflavina A riboflavina é precursora das coenzimas flavina mononucleotídeo (FMN) e flavina dinucleotídeo (FAD). Enzimas que utilizam estas coenzimas são chamadas flavoproteínas Diversas flavoproteínas também contêm íons metálicos e são chamadas metaloflavoproteínas. Estas enzimas são envolvidas em reações de oxido-redução, e.g. succinato desidrogenase e xantina oxidase.  A ingestão recomendada para adultos normais é de 1,2 a 1,7 mg/dia para adultos normais.

26. Niacina (vitamina B3) Nicotinamida Ácido nicotínico

27. Ácido Pantotênico (vitamina B5) Ácido pantotênico O grupamento β-mercaptoetil amina é derivado da cisteína

28. Piridoxal fosfato (vitamina B6) Piridoxal fosfato é um cofator das enzimas envolvidas nas reações de transaminação requeridas para a síntese e catabolismo dos aminoácidos bem como na glicogenólise como um cofator para a enzima glicogênio fosforilase.  O requerimento de vitamina B6 na dieta é proporcional ao nível de consumo de proteína e varia de 1,4 a 2,0 mg/dia nos adultos normais. Alanina Transaminase

29. Versatilidade catalítica das enzimas dependentes de piridoxal fosfato. The Enzyme Commission (EC) identifies an enzyme activity using a four-digit number, where the first digit indicates the general class of the catalysed reaction (1, oxidoreductases; 2, transferases; 3, hydrolases; 4, lyases; 5, isomerases; 6, synthetases). Of six general classes, five include pyridoxal-phosphate (PLP)-dependent enzymes. The catalytic diversity within enzyme families and superfamilies can be illustrated by a set of concentric pie charts (Thornton et al., 2000). Here, we show the distribution of the 145 PLP-dependent activities that have been classified so far. Sectors are coloured according to EC classes. The circles, from inner to outer, represent the first, second, third and fourth levels in the EC hierarchy. The angle subtended by any segment is proportional to the number of activities it contains, making it clear that aminotransferases (EC 2.6.1) constitute the largest group of PLP-dependent enzymes. A list of the EC-classified PLP-dependent activities is provided in the supplementary information online. The structure of PLP is shown in the centre of the graph.

30. Bitina (vitamina B7) A biotina é necessária para a síntese de ácidos graxos e para o catabolismo de lipídeos e aminoácidos e participa como cofator de algumas reações do Ciclo de Krebs. A biotina participa de reações de carboxilação e participa de reações de carboxilação.

31. Folato (vitamina B9) Folic AcidFolate, also called vitamin B-9, is involved in maturation of red blood cells and the synthesis of purines and pyrimidines which are required for development of the fetal nervous system. Adequate folic acid intake before conception and throughout the first trimester of pregnancy helps prevent certain brain and spinal cord defects such as spina bifida. Folate is absorbed in the duodenum and upper jejunum. The US recommended daily dose for folate is 400 μg and the upper limit is 1000 μg. Folate is essentially nontoxic. Deficiency produces megaloblastic anemia indistinguishable from that due to vitamin B12 deficiency. A deficiency of folate in old age significantly increases the risk of developing dementia. Folic acid is found in dried peas, dried beans, yeast, and leafy green vegetables such as spinach, endive, lettuce, and mustard greens.

33. Fomepizol

34. Cobalamina (vitamina B12) A vitamina B12 é composta de um anel tetrapirrol (anel corinóide) com um íon cobalto no centro.  A vitamina B12 é sintetizada exclusivamente por microorganismos e é encontrado no fígado de animiais ligada a uma proteína como metilcobalamina or 5'-desoxiadenosilcobalamina. A vitamina deve ser hidrolisada da proteína para se tornar ativa.  A hidrólise ocorre no estômago ou intestino e é ligada pelo fator intrínseco, uma proteína secretada pelaa células parietais do estômago e absorvida no ileum.  Após a absorção, é transportada para o fígado ligada à transcobalamina II.

35. Cobalamina (vitamina B12) Há apenas duas reações que requerem a vitamina B12 como cofator. No catabolismo de ácidos graxos de cadeia ímpar e dos aminoácidos valina, isoleucina e treonina é gerado propionil-CoA, que é convertido a succinil-CoA para oxidação no ciclo de Krebs.  Esta conversão é realizada pela metilmalonil-CoA mutase, que requer B12. A segunda reação que requer vitamina B12 cataliza a conversão de homocisteína a metionina e é catalisada pela metionina sintase.

36. Vitamina C O ácido ascorbico participa como cofator enzimático nos processos de formação do colágeno, carnitina, hormônios e formação de aminoácidos. Participa também como antioxidante e facilitador da absorção de ferro. Os níveis plasmáticos de vitamina C são inversamente proporcionais a adiposidade e a circunferência da cintura em adultos saudávies [Journal of Nutrition 2007, In Press]. Esta relação provavelmente se deve ao papel da vitamina C como cofator para a síntese de carnitina (necessária para a oxidação de ácidos graxos.

37. http://www.nature.com/nrc/journal/v7/n9/fig_tab/nrc2196_F1.htmlhttp://www.nature.com/nrc/journal/v7/n9/fig_tab/nrc2196_F1.html