Glicólise - Destinos Metabólicos do Piruvato PDF

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resumo sobre destinos metabolicos do piruvato...

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GLICÓLISE: Destinos Metabólicos do Piruvato, Regulação e Balanço Energético

1. INTRODUÇÃO A rota glicolítica é empregada por todos os tecidos para a degradação de glicose para fornecimento de energia (na forma de ATP) e intermediários para outras rotas metabólicas. A glicólise está no cerne do metabolismo dos carboidratos, pois virtualmente todos os açúcares (quer originários da dieta ou de reações catabólicas no corpo) podem ser finalmente convertidos em glicose (figura 1A). O piruvato é o produto final da glicólise em células com mitocôndrias e um suprimento adequado de oxigênio. Esta série de dez reações é chamada glicólise aeróbica, pois o oxigênio é requerido para reoxidar o NADH formado durante a oxidação do G3P (figura 1B). A glicólise aeróbica determina o estágio da descarboxilação oxidativa do piruvato em acetil CoA, um importante combustível do ciclo de Krebs. Alternativamente, a glicose pode ser convertida em piruvato, o é reduzido pelo NADH para formar lactato (figura 1C). Esta conversão de glicose em lactato é denominada glicólise anaeróbica, pois não existe formação líquida de NADH, e, assim, pode ocorrer na ausência de oxigênio. A glicólise anaeróbica permite a produção continuada de ATP em tecidos que não têm mitocôndrias (por exemplo, eritrócitos) ou em células sem oxigênio suficiente.

2. DESTINOS METABÓLICOS DO PIRUVATO 2.1. Redução do piruvato a lactato O lactato formado, formado pela ação da lactato desidrogenase, é o produto final da glicólise anaeróbica em células eucarióticas (ver aula 02, figura 8). A formação do lactato é o principal destino do piruvato nas hemáceas, cristalino e córnea oculares, medula renal, testículos e leucócitos.

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Figura 1 (A) Glicólise mostrada como uma das rotas essenciais do metabolismo energético. (B) Reações da glicólise aeróbica. (C) Reações da glicólise anaeróbica. (Fonte: CHAMPE & HARVEY, 1996).

2.1.1. Formação de lactato no músculo Ao exercitar o músculo esquelético, a produção de NADH (pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase e pelas três desidrogenases ligadas ao NAD+ do ciclo de Krebs) excede a capacidade oxidativa da cadeia respiratória. Isto resulta em uma relação elevada NADH/NAD +, favorecendo a redução de piruvato para lactato. Assim, durante o exercício intenso, o lactato se acumula no músculo, causando uma queda no pH intracelular, potencialmente resultando em cãibras. Grande parte deste lactato eventualmente se difunde para a corrente sanguínea, sendo captado pelo fígado e convertido em glicose (figura 2).

2.1.2. Consumo de lactato A direção

da

reação

da

lactato

desidrogenase

depende

das

concentrações intracelulares relativas de piruvato e lactato e da relação NADH/NAD+ na célula. Por exemplo, no fígado e coração, a relação

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NADH/NAD+ é menor que no músculo em exercício. Estes tecidos oxidam lactato (obtido do sangue) em piruvato. No fígado, o piruvato é convertido em glicose pela gliconeogênese ou oxidado no ciclo de Krebs. O músculo cardíaco oxida exclusivamente o lactato até CO2 e H2O via ciclo de Krebs.

Figura 2 Ciclo de Cori

Figura 3 Fermentação alcoólica

2.2. Redução do piruvato a etanol A levedura e outros microrganismos fermentam a glicose em etanol e CO2 e não em lactato. A glicose é convertida em piruvato pela glicólise e o piruvato é convertido em etanol e CO2 em um processo de dois passos (figura 3). No primeiro passo, o piruvato sofre descarboxilação em uma reação irreversível catalisada pela piruvato descarboxilase. Esta reação é uma descarboxilação simples e não envolve a oxidação do piruvato. No segundo passo, através da ação da álcool desidrogenase, o acetaldeído é reduzido a etanol, com o NADH, derivado da atividade da gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase, fornecendo poder redutor. Portanto ao invés de lactato, os produtos finais da fermentação alcoólica são o etanol e o CO2.

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2.3. Formação de oxaloacetato A carboxilação do piruvato em oxaloacetato (OAA) pela piruvato carboxilase é uma reação dependente de biotina. Esta reação é importante, pois repõe os intermediários do ciclo de Krebs e fornece substrato para gliconeogênese.

3. ENERGIA PRODUZIDA NA GLICÓLISE 3.1. Glicose anaeróbica Reação geral: Glicose +2 P i+2 ADP ⟶ 2 lactato +2 ATP +2 H 2 O

3.1.1. Produção de ATP Duas moléculas de ATP são geradas para cada molécula de glicose convertida em lactato. A glicólise anaeróbica, embora liberando somente uma pequena fração da energia contida na molécula de glicose, é uma valiosa fonte de energia sob várias condições, incluindo aquelas quando o suprimento de oxigênio é limitado, como no músculo durante exercício intensivo, e em tecidos com poucas ou nenhuma mitocôndria, como a medula renal, eritrócitos e leucócitos.

3.1.2. Produção de NADH Na glicólise anaeróbica não existe produção ou consumo líquidos de NADH: o NADH formado pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase é usado pela lactato desidrogenase para reduzir o piruvato em lactato. Duas moléculas de lactato são produzidas para cada molécula de glicose metabolizada.

3.2. Glicose aeróbica Reação geral:

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+¿+2 H 2 O ¿ + ¿ + 2 ADP ⟶ 2 piruvato +2 ATP +2 NADH +2 H ¿ Glicose +2 Pi +2 NAD A formação e consumo diretos de ATP são os mesmos da glicose anaeróbica – isto é, um ganho líquido de 2ATP por glicose. Duas moléculas de NADH também são produzidas por molécula de glicose. A progressão da glicólise aeróbica requer a oxidação da maior parte deste NADH pela cadeia respiratória.

4. REGULAÇÃO DA GLICÓLISE 4.1. Regulação da hexoquinase A hexoquinase, que catalisa a entrada de glicose livre na via glicolítica, é a primeira enzima reguladora da via. A hexoquinase do músculo tem uma alta afinidade pela glicose (ela está meio saturada em concentrações de 0,1mM). A glicose que entra no músculo a partir do sangue (no qual as concentrações de glicose são de 4 a 5mM) produz uma concentração intracelular de glicose suficientemente alta para saturar a hexoquinase, de tal forma que ela normalmente atua na sua velocidade máxima. A hexoquinase muscular é inibida alostericamente pelo seu produto, a glicose 6-fosfato. Sempre que a concentração de glicose 6-fosfato no interior da célula aumenta acima do seu nível normal, a hexoquinase é inibida de forma temporária e reversível, colocando a velocidade de formação de glicose 6fosfato em equilíbrio com a sua velocidade de utilização. Os mamíferos possuem várias formas de hexoquinase, todas elas catalisam a conversão de glicose em glicose 6-fosfato. Proteínas diferentes que catalisam a mesma reação são chamadas isozimas. A isoenzima da hexoquinase predominante no fígado é a hexoquinase D, também chamada glicoquinase, que difere da hexoquinase do músculo em dois importantes aspectos.

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Primeiro, a concentração de glicose na qual a glicoquinase está meio saturada é muito maior, perto de 10mM, que a concentração usual da glicose no sangue. Como a concentração de glicose no hepatócito é mantida em valores próximos daqueles existentes no sangue, graças a um eficiente sistema de transporte, esta propriedade da glicoquinase permite a sua regulação direta pelo nível de glicose sanguínea. Quando a concentração no sangue está alta, como logo após uma refeição rica em carboidratos, o excesso de glicose sanguínea é transportado para o interior dos hepatócitos, onde a glicoquinase converte-o em glicose 6-fosfato. Segundo, a glicoquinase não é inibida pela glicose 6-fosfato, mas por seu isômero a frutose 6-fosfato, que está sempre em equilíbrio com a glicose 6fosfato devido a ação da enzima fosfoglicose isomerase. A inibição parcial da glicoquinase pela frutose 6-fosfato é mediada por uma proteína adicional, a proteína reguladora. Esta proteína reguladora também tem afinidade pela frutose 1-fosfato e compete com a frutose 6-fosfato, cancelando o seu efeito inibidor sobre a glicoquinase. Como a frutose 1-fosfato está presente no fígado apenas quando há frutose no sangue, está propriedade da proteína reguladora explica a observação de que a frutose ingerida estimula a fosforilação da glicose no fígado.

4.2. Regulação da fosfofrutoquinase 1 (PFK-1) A reação da irreversível de fosforilação catalisada pela fosfofrutoquinase 1 (PFK-1) é o ponto de controle mais importante (figura 4). A reação da PFK-1 é controlada pelas concentrações dos substratos ATP e frutose 6-fosfato e por substâncias regulatórias (efetores ou moduladores), descritas abaixo:

4.2.1. Regulação por níveis de energia dentro da célula A PFK-1 é inibida alostericamente por níveis elevados de ATP, o qual age como um sinal “rico em energia”, indicando uma abundância de compostos ricos em energia. Os níveis elevados de citrato também inibem a PFK-1. Inversamente, a PFK-1 é ativada alostericamente por concentrações elevadas

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de AMP, o qual sinaliza que os depósitos de energia da célula estão depletados.

4.2.2. Regulação pela frutose 2,6-difosfato A frutose 2,6-difosfato é o mais potente ativador da PFK-1. Este composto incomum também atua como inibidor da frutose 1,6-difosfatase . As ações recíprocas da frutose 2,6-difosfato na glicólise e na gliconeogênese asseguram que ambas as rotas não estejam completamente ativas ao mesmo tempo. A frutose 2,6-difosfato é convertida em frutose 6-fosfato pela frutose difosfatase-2.

Figura 4 Modulação da fosfofrutoquinase 1 (PFK-1)

Figura 5 Efeitos da insulina e glucagon na síntese das enzimas-chave da glicólise no fígado

4.2.2.1. Durante o estado pós-prandial Níveis diminuídos de glucagon e níveis elevados de insulina como ocorrem após uma refeição rica em carboidratos, produzem um aumento na

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frutose 2,6-difosfato e na velocidade da glicólise. Assim, a frutose 2,6-difosfato age como um sinal intracelular, indicando que a glicose é abundante. Níveis elevados de glucagon e baixos de insulina, como ocorrem durante o jejum diminuem a concentração intracelular de frutose 2,6-difosfato hepática. Isto resulta em uma redução na velocidade global da glicólise e um aumento na gliconeogênese.

4.3. Regulação da piruvatoquinase Nos vertebrados existem ao menos três formas isozimáticas da piruvato quinase; elas apresentam entre si pequenas diferenças na distribuição dos tecidos e na resposta aos moduladores alostéricos. Altas concentrações de ATP inibem piruvato quinase alostericamente, diminuindo a afinidade pelo seu substrato, o fosfoenolpiruvato (PEP). O nível de PEP normalmente encontrado nas células é alto o suficiente para saturar a enzima e a velocidade da reação será correspondentemente baixa dentro das condições normais de PEP. A piruvato quinase também é inibida pelo acetil CoA e por ácidos graxos de cadeia longa, ambos são importantes combustíveis para o ciclo do ácido cítrico. Como este ciclo é a maior fonte de energia para a produção de ATP, a disponibilidade desses outros combustíveis reduz a dependência da síntese de ATP pela glicólise. Assim, sempre que a célula tem alta concentração de ATP, ou sempre que haja ampla quantidade de combustíveis disponíveis para a liberação de energia através da respiração celular, a glicólise é inibida pelo rebaixamento da atividade da piruvato quinase. Quando a concentração de ATP cai, a afinidade da piruvato quinase por PEP aumenta, possibilitando à enzima catalisar a síntese do ATP, mesmo que a concentração de PEP seja relativamente baixa.

4.4. Regulação hormonal da glicólise

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A regulação da glicólise por ativação ou inibição alostérica, ou a fosforilação/defosforilação das enzimas limitantes da velocidade é de curta duração – isto é, influencia o consumo de glicose por um período de minutos a horas. Superimpostas a estes efeitos momento a momento existem influências hormonais mais lentas, frequentemente mais profundas, sobre a quantidade de enzimas sintetizadas. Estes efeitos podem resultar em um aumento de 10 a 20 vezes na atividade enzimática, o qual tipicamente ocorre ao longo de horas e dias. Embora o foco nesta aula seja a glicólise, ocorrem alterações recíprocas nas enzimas limitantes da velocidade da gliconeogênese, amplamente discutida nas aulas 04 e 05.

4.3.1. Enzimas glicolíticas O consumo de uma refeição rica em carboidratos ou a administração de insulina inicia um aumento na quantidade de glicoquinase, fosfofrutoquinase e piruvatoquinase no fígado. Estas alterações refletem um aumento na transcrição genética, resultando em síntese enzimática aumentada. A atividade elevada destas enzimas favorece a conversão de glicose em piruvato, uma característica do estado alimentado. Inversamente, a transcrição genética e síntese da glicoquinase, fosfofrutoquinase e piruvatoquinase estão diminuídas quando o glucagon plasmático está elevado e a insulina baixa, por exemplo, como observado no jejum e no diabetes mellitus.

4.3.2. Enzimas gliconeogênicas A síntese das enzimas limitantes da velocidade da gliconeogênese também está sujeita à regulação hormonal. Níveis elevados de glucagon, uma característica do jejum ou diabetes mellitus, ativam a transcrição de genes que codificam a atividade da PEP carboxiquinase, frutose 6-fosfatase e glicose 6fosfatase.

5. LEITURA “As fermentações fornecem energia utilizável na ausência de oxigênio”

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As fermentações originam somente uma fração da energia disponível da degradação completa de glicose. Por que uma via relativamente ineficiente é tão amplamente utilizada? A razão fundamental é que não é necessário oxigênio. A capacidade de sobreviver sem oxigênio proporciona uma profusão de acomodações da vida, tais como: solo, águas profundas e poros da pele. Alguns organismos, denominados anaeróbios obrigatórios, não podem sobreviver na presença de

O 2 , um composto muito reativo. A bactéria

Clostridium perfringens, a causa da gangrena, é um exemplo de anaeróbio obrigatório. Outros anaeróbios obrigatórios patogênicos estão listados no quadro 1.

Quadro 1. Exemplos de anaeróbios obrigatórios patogênicos Bactéria Resultado da infecção Clostridium tetani Tétano Clostridium botulinum Botulismo (um tipo especialmente grave de Clostridium perfringens

envenenamento alimentar) Gangrena gasossa (é produzido gás como um ponto final da fermentação, deformação e

Bartonella hensela

destruindo o tecido) “Febre por arranhadura de gato” (sintomas

Bacteróides fragilis

semelhantes ao da gripe) Infecções abdominal, pélvica, pulmonar e sanguínea

Os músculos esqueléticos na maioria dos animais podem funcionar de modo anaeróbico por curtos períodos. Por exemplo, quando os animais exercitam explosões de exercício intenso, suas necessidades de ATP sobem mais rápido do que a capacidade de o organismo fornecer oxigênio ao músculo. O músculo funciona de modo anaeróbio até que apareça a fadiga, que é causada, em parte, pelo acúmulo de lactato. Apesar de termos considerado apenas a fermentação lática e a alcoólica, os microrganismos são capazes de gerar uma ampla série de moléculas como ponto final de fermentação (quadro 2). De fato, muitos alimentares, incluindo coalhada, iorgute, vários queijos, cerveja, vinho e chucrute, resultam de fermentação.

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(Fonte: BERG et al., 2008)

Quadro 2. Ponto de início e término de várias fermentações → Glicose Lactato → Acetato Lactato → Glicose Etanol → Acetato Etanol → Arginina Dióxido de carbono → Dióxido de carbono Pirimidinas → Purinas Formato → Acetato Etileno glicol → Treonina Propionato → 2-alquil acetato Leucina → Fenilalanina Propionato

6. BIBLIOGRAFIA

BERG, J.M., TYMOCZKO, J.L., STRYER, L. Bioquímica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008, 1114p. CHAMPE, P.C., HARVEY, R. A. Bioquímica Ilustrada. Porto Alegre: Artes Médicas, 1996, 446p. HELPERN, M. J. Bioquímica. Lisboa: LIDEL. 1997, 619p.

LEHNINGER, A. L. Princípios de bioquímica. São Paulo: Sarvier, 1985. 725p.

LEHNINGER, A. L., NELSON, D. L., COX, M. M. Princípios de bioquímica. São Paulo: SARVIER. 1995, 839p.

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MARZZOCO, A., TORRES, B,B. Bioquímica Básica. São Paulo: Guanabara Koogan, 2007. 386p. NELSON, D.L., COX, M.M. Princípios de bioquímica. São Paulo: Sarvier, 2002. 975p. PRATT, C. W., CORNELY, K. Bioquímica essencial. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006, 716p....