Vitaminas e cofatores enzimáticos: deficiências clinicamente relevantes
Cada vitamina vira cofator de enzimas específicas, e o sintoma da deficiência segue a enzima que para: a tiamina (TPP) nos complexos da piruvato e da α-cetoglutarato desidrogenase e na transcetolase, a cobalamina na metionina sintase e na metilmalonil-CoA mutase (com o folato preso como 5-metil-THF na anemia megaloblástica), a vitamina C nas hidroxilases do colágeno, a vitamina K na γ-glutamil carboxilase, a niacina no NAD(P) e a B6 no PLP. Ficam de fora dose, tratamento, riboflavina, pantotenato, biotina, as vitaminas lipossolúveis A, D e E, a deficiência de folato propriamente dita, a hiper-homocisteinemia como fator de risco, os defeitos de neurotubo, a ligação B6-niacina, a MTHFR como tema próprio (ela só aparece como a enzima que prende o folato), o acúmulo de piruvato e lactato na deficiência de tiamina, a ligação B6-GABA, a neuropatologia da deficiência de B12, a anemia perniciosa, a doença hemorrágica do recém-nascido e os erros inatos do metabolismo da cobalamina.
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Essential
- O pirofosfato de tiamina (TPP) é cofator do complexo da piruvato desidrogenase (piruvato → acetil-CoA) e do complexo da α-cetoglutarato desidrogenase (α-cetoglutarato → succinil-CoA), que seguem a glicólise em vias oxidativas.
- O TPP é cofator também do complexo da desidrogenase dos α-cetoácidos de cadeia ramificada (leucina, isoleucina e valina) e da transcetolase, na via anabólica das pentoses-fosfato.
- Pelo papel na síntese oxidativa de ATP, a tiamina é essencial para a função da maioria dos tecidos e órgãos.
- A deficiência afeta de modo mais dramático os sistemas nervoso e cardiovascular, e pode levar rapidamente à morte se não for corrigida.
- Encefalopatia de Wernicke: confusão e delírio, ataxia e achados oculares (distúrbios visuais, nistagmo, fraqueza dos músculos oculomotores).
- Beribéri seco: manifestações neurológicas periféricas (parestesia, fraqueza, paralisia). Beribéri úmido: efeitos cardíacos, como insuficiência cardíaca sistólica descompensada com edema.
- Os humanos têm duas enzimas dependentes de cobalamina (B12): a metionina sintase (MS), citosólica, e a metilmalonil-CoA mutase (MCM), mitocondrial.
- A MS usa metilcobalamina como cofator e o N5-metiltetraidrofolato como substrato para metilar a homocisteína em metionina, o que liga as vias da metionina e do folato.
- A MCM usa adenosilcobalamina como cofator e isomeriza o L-metilmalonil-CoA em succinil-CoA.
- A deficiência de cobalamina prejudica a MS e a MCM e eleva a homocisteína (substrato da MS) e o ácido metilmalônico (derivado do metilmalonil-CoA, substrato da MCM).
- Com a atividade da metionina sintase (MTR, sigla usada na obra de Palmer) reduzida, o folato celular fica preso como 5-metil-THF, porque a conversão de 5,10-metileno-THF em 5-metil-THF, catalisada pela MTHFR, é irreversível in vivo.
- O folato preso nessa forma deixa de estar disponível para a síntese de novo de timidilato (dTMP), que fica inibida e, com ela, a síntese de DNA: os precursores eritroides ficam com núcleo imaturo e replicação incompleta, a anemia megaloblástica.
- É conhecido que uma ingestão alta de folato pode mascarar a anemia megaloblástica.
Metionina sintase (cofator metilcobalamina; substrato N5-metiltetraidrofolato) e metilmalonil-CoA mutase (cofator adenosilcobalamina).
A metionina sintase é citosólica; a metilmalonil-CoA mutase é mitocondrial.
- Resíduos de prolina e de lisina do colágeno precisam ser hidroxilados por enzimas para formar o colágeno da pele, dos vasos e dos tecidos moles.
- A prolil hidroxilase e a lisil hidroxilase geram hidroxiprolina e hidroxilisina; a reação usa o ácido ascórbico como doador de elétrons.
- A vitamina C é cofator dessas duas enzimas: a prolil hidroxilase estabiliza a molécula de colágeno, e a lisil hidroxilase dá resistência estrutural por ligações cruzadas.
- Sem concluir esse passo, a síntese incompleta de colágeno prejudica a função do osso e dos fibroblastos, o desenvolvimento dos dentes e a cicatrização.
- No escorbuto, as manifestações comuns são sangramento gengival, artralgias, alteração da cor da pele, má cicatrização, hemorragia perifolicular e equimoses; a hemorragia se relaciona com a perda da integridade dos vasos.
- A γ-glutamil carboxilase converte resíduos de glutamato em Gla (γ-carboxiglutamato) usando vitamina K reduzida, que se torna oxigenada, o epóxido de vitamina K.
- A vitamina K reduzida é regenerada pela vitamina K oxidorredutase (VKORC1); essa interconversão é o ciclo da vitamina K.
- A geração de Gla é necessária para a ativação das proteínas dependentes de vitamina K e ocorre no retículo endoplasmático, durante a secreção delas.
- Grupos de resíduos de Gla formam um módulo de ligação de cálcio importante para a atividade dessas proteínas.
- Entre elas há fatores da coagulação pró-coagulantes e outros com papel anticoagulante; a ruptura da carboxilação leva a sangramento e a calcificação aberrante.
- A VKORC1 é o alvo de anticoagulantes como a varfarina, que suprime a hemostasia ao inibir a VKORC1.
In the clinic
O fosfato de piridoxal (PLP), forma bioativa da vitamina B6, é um cofator versátil de vias metabólicas com substratos aminoácidos, oxoácidos ou aminas.
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Vitaminas — cada uma vira cofator de enzimas diferentes, e a deficiência atinge as reações dessas enzimas
Tiamina → pirofosfato de tiamina (TPP) → complexos da piruvato desidrogenase, da α-cetoglutarato desidrogenase e da desidrogenase dos α-cetoácidos de cadeia ramificada, e transcetolase; Cobalamina (B12) → metilcobalamina na metionina sintase e adenosilcobalamina na metilmalonil-CoA mutase; Vitamina C → cofator das enzimas prolil hidroxilase e lisil hidroxilase, que geram hidroxiprolina e hidroxilisina no colágeno; Vitamina K → vitamina K reduzida, usada pela γ-glutamil carboxilase para gerar resíduos de Gla nas proteínas dependentes de vitamina K; Niacina → NAD+, que pode ser fosforilado a NAD(P)+, com seletividade por enzima; Vitamina B6 → fosfato de piridoxal (PLP), cofator versátil de vias com substratos aminoácidos, oxoácidos ou aminas
A deficiência grave de niacina se apresenta como pelagra, com dermatite, demência, diarreia e morte (os quatro D). A dermatite é peculiar porque resulta da exposição ao sol; pensa-se que o defeito seja a síntese prejudicada de poli(ADP-ribose) em resposta ao dano de DNA pela radiação ultravioleta. Pensa-se que os sintomas neuropsiquiátricos decorram da formação prejudicada de cADP-ribose, com sinalização de cálcio neural alterada.
O triptofano pode ser convertido em NAD, com baixa eficiência, e entra na conta dos equivalentes de niacina. O milho tem pouco triptofano e sua niacina é ligada de modo firme, o que exige processamento alcalino para torná-la biodisponível: por isso as epidemias de pelagra em populações que comem milho.
Test yourself before moving on
O ascorbato (vitamina C) não faz parte da estrutura do colágeno pronto, mas a síntese de colágeno funcional depende dele. Que dois aminoácidos do colágeno são modificados por enzimas que usam o ascorbato, que modificação é essa, e que tipos de função tecidual sofrem quando o passo não se completa?
The answer stays in Assessment, with no spoiler here.
Answer in AssessmentSources (9)
- Kerns JC, Gutierrez JL. Thiamin. Adv Nutr. 2017;8:395-397.
Specifically, thiamin pyrophosphate (TPP) is a cofactor for 2 enzymes in oxidative pathways after glycolysis: the pyruvate dehydrogenase complex, used to convert pyruvate to acetyl-CoA, and the α-ketoglutarate dehydrogenase complex, used to convert α-ketoglutarate to succinyl-CoA.
- Mayr JA, Freisinger P, Schlachter K, et al. Thiamine pyrophosphokinase deficiency in encephalopathic children with defects in the pyruvate oxidation pathway. Am J Hum Genet. 2011;89:806-812.
Thiamine pyrophosphate (TPP) is an essential cofactor of the cytosolic transketolase and of three mitochondrial enzymes involved in the oxidative decarboxylation of either pyruvate, α-ketoglutarate or branched chain amino acids.
- Esser AJ, Mukherjee S, Dereven'kov IA, et al. Versatile enzymology and heterogeneous phenotypes in cobalamin complementation type C disease. iScience. 2022;25:104981.
Pathogenic mutations in MMACHC disrupt enzymatic processing of B 12 , an indispensable step before micronutrient utilization by the two B 12 -dependent enzymes methionine synthase (MS) and methylmalonyl-CoA mutase (MUT).
- Takahashi-Iñiguez T, García-Hernandez E, Arreguín-Espinosa R, Flores ME. Role of vitamin B12 on methylmalonyl-CoA mutase activity. J Zhejiang Univ Sci B. 2012;13:423-437.
This enzyme catalyzes the reversible isomerization of L -methylmalonyl-CoA to succinyl-CoA using adenosylcobalamin (AdoCbl) as a cofactor participating in the generation of radicals that allow isomerization of the substrate.
- Palmer AM, Kamynina E, Field MS, et al. Folate rescues vitamin B12 depletion-induced inhibition of nuclear thymidylate biosynthesis and genome instability. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114:E4095-E4102.
Clinical vitamin B 12 deficiency can result in megaloblastic anemia, which results from the inhibition of DNA synthesis by trapping folate cofactors in the form of 5-methyltetrahydrofolate (5-methylTHF) and subsequent inhibition of de novo thymidylate (dTMP) biosynthesis.
- Gandhi M, Elfeky O, Ertugrul H, et al. Scurvy: Rediscovering a Forgotten Disease. Diseases. 2023;11(2):78.
Vitamin C is the cofactor for prolyl hydroxylase, which functions to stabilize the collagen molecule, and lysyl hydroxylase, which provides structural strength by cross-linking to the molecule
- Berkner KL, Runge KW. Vitamin K-Dependent Protein Activation: Normal Gamma-Glutamyl Carboxylation and Disruption in Disease. Int J Mol Sci. 2022;23(10):5759.
The gamma-glutamyl carboxylase produces Gla using reduced vitamin K, which becomes oxygenated to vitamin K epoxide.
- Meyer-Ficca M, Kirkland JB. Niacin. Adv Nutr. 2016;7:556-558.
To fulfill its metabolic roles, niacin is initially incorporated into NAD + , which may be subsequently phosphorylated to form NAD(P) + , allowing enzyme selectivity
- Hadtstein F, Vrolijk M. Vitamin B-6-Induced Neuropathy: Exploring the Mechanisms of Pyridoxine Toxicity. Adv Nutr. 2021;12:1911-1929.
PLP, the bioactive form of vitamin B-6, is a remarkably versatile cofactor that participates widely in metabolic pathways involving amino acid, oxoacid, or amine substrates.
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