Aula 2 - Metabolismo da glicose (Farmácia 2013)

Metabolismo da Glicose

Profa. Maria Noêmia Martins de Lima

Sugestão de leitura complementar: Produção de ATP a Partir da Glicose: Glicólise (Capítulo 22)

Gliconeogênese e Manutenção dos Níveis Sanguíneos de Glicose (Capítulo 31)

In: SMITH, C.; MARKS, A.D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica Médica Básica de Marks. 2 ed. Porto Alegre: Artmed, 2007.

Figura 9. Principais rotas do metabolismo da glicose. As rotas de produção de glicose sanguínea são

apresentadas pelas linhas pontilhadas. FA= Ácidos Graxos (Fatty Acid); OAA=oxaloacetato;

TG=triacilgliceróis; PEP=fosfoenolpiruvato; DHAP=diidroxiacetona fosfato.

Fonte: SMITH, C.S.; MARKS, A.D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica médica básica de Marks: uma abordagem clínica. 2 ed. Porto Alegre: Artmed, 2007.

Glicólise

• Degradação da glicose.

• Local: citoplasma

• Estado: alimentado

• Hormônio que ativa: insulina

Gliconeogênese

• Síntese de glicose (a partir de compostos não-glicídicos).

• Locais: mitocôndria e citoplasma no fígado (90%) e rins (10%)

• Estado: jejum

• Hormônio que ativa: glucagon

X

Os níveis plasmáticos de glicose vão regular a liberação de insulina ou glugagon pelo pâncreas.

A glicose não pode se difundir diretamente para dentro das células

Transportadores de Glicose

1. Transporte por difusão facilitada (independente de Na+)

2. Sistema de co-transporte (dependente de Na+)

1. Transporte por Difusão Facilitada (independente de Na+)

Mediado por uma família de transportadores de membrana celulares (glucose transporters - GLUTs).

Os GLUTs apresentam especificidade tecidual e funcional.

GLUT2 (em tecidos insensíveis à insulina)

O = out (lado externo) I = in (lado interno)

membrana celular

Fonte: SMITH, C.S.; MARKS, A.D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica médica básica de Marks: uma abordagem clínica. 2 ed. Porto Alegre: Artmed, 2007.

GLUT 4 (em tecidos sensíveis à insulina)

Fonte: SMITH, C.S.; MARKS, A.D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica médica básica de Marks: uma abordagem clínica. 2 ed. Porto Alegre: Artmed, 2007.

Transportador Distribuição Insulina

GLUT1 Eritrócitos Barreira hematoencefálica Barreira hematorretina Barreira hematoplacentária Barreira hematotesticular

não

GLUT2 Fígado Rim Células -pancreáticas Epitélio intestinal (superfície serosa)

não

GLUT3 Neurônios não

GLUT4 Tecido adiposo Músculo esquelético Músculo cardíaco

sim

GLUT5 Epitélio intestinal Espermatozóides

não

O GLUT2 apresenta características especiais em relação aos demais GLUTs. Quais são elas?

2. Sistema de Co-transporte (dependente de Na+)

Requer energia.

Transporta a glicose contra um gradiente de concentração.

O movimento da glicose está acoplado ao gradiente de concentração de sódio.

Mediando por uma família de transportadores de sódio e glicose (sodium-glucose transporter: SGLTs)

Ocorre em:

células epiteliais do intestino

túbulos renais

plexo coróide

borda em escova

(GLUTs) (SGLTs)

GLUT5

GLUT2

GLUT2

SGLT1

Fonte: SMITH, C.S.; MARKS, A.D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica médica básica de Marks: uma abordagem clínica. 2 ed. Porto Alegre: Artmed, 2007.

GLUT2

Transportador Distribuição

SGLT1 Intestino e rim

SGLT2 Rim

Exercício: Um paciente diabético tipo I (insulino-dependente) nega-se a tomar insulina durante a semana de férias. As células de qual tecido podem ser mais afetadas durante este período?

a) Cérebro

b) Fígado

c) Músculo

d) Células sanguíneas vermelhas

e) Pâncreas

Glicólise

Produção anaeróbica de ATP

(sem oxigênio)

Produção aeróbica de ATP (com oxigênio)

Glicólise

A glicólise consiste em 10 reações subsequentes até a

formação de piruvato (produto final da via). Em seguida, o

piruvato pode ser direcionado para o Ciclo de Krebs ou ser convertido em lactato em células que não possuem

mitocôndria (como as hemácias) ou que estejam com

pouca disponibilidade de oxigênio (exercício intenso ou

acidente vascular).

Reações da Glicólise (a conversão de glicose em piruvato ocorre em duas fases)

com consumo de energia

com produção de energia

Por que é importante investir 2 ATPs nas etapas iniciais da glicólise?

A formação de glicose-6-fosfato destina a glicose a ficar dentro da célula, pois a glicose fosforilada

não é capaz de atravessar a membrana plasmática. Entretanto, observe que a glicose-6-fosfato pode

ser utilizada por diferentes rotas metabólicas (veja a Fig. 22.4).

A formação de frutose-1,6-bisfosfato destina a glicose para a via glicolítica

de forma irreversível!

1 Passo: fosforilação da glicose em glicose-6-fosfato

(reação irreversível)

A glicose-6-fosfato não pode ser transportada para fora da célula através da membrana plasmática!

A glicoquinase nas células do pâncreas, em conjunto com o GLUT2, funciona como uma espécie de “sensor” de glicose que regula a liberação de insulina.

Hexoquinase (músculo)

e Glicoquinase

(fígado e pâncreas)

glicose glicose-6-fosfato

6

Regulação da hexoquinase 1 (músculo):

glicose (substrato)

glicose-6-fosfato (produto)

Regulação da glicoquinase (fígado):

glicose (substrato)

não é inibida pela glicose-6-fosfato (produto), mas sim por uma proteína reguladora;

músculo

fígado e

pâncreas

2 Passo: isomerização da glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato

(reação reversível)

glicose-6-fosfato frutose-6-fosfato

6 6

fosfoglicose

isomerase

C6H13O9P C6H13O9P

3 Passo: fosforilação da frutose-6-fosfato em frutose-1,6-bisfosfato

(reação irreversível)

É o mais importante ponto de controle e o passo limitante da velocidade da rota!

A fosfofrutoquinase-1 é controlada alostericamente.

fosfofrutoquinase-1

1

6

6

Controle da Atividade da Fosfofrutoquinase-1

Ativadores:

Frutose-2,6-bisfosfato

ADP

AMP

Fosfato

K+

+

Inibidores:

ATP

NADH

Citrato

Ácidos graxos de cadeia longa

H+

Ca+

-

Essas substâncias vão indicar o estado energético da célula!

Papel da frutose-2,6-bisfosfato na regulação da glicólise e da gliconeogênese

As ações recíprocas da frutose-2,6-bisfosfato sobre a glicólise e a gliconeogênese asseguram que estas vias não estejam completamente ativas ao mesmo tempo.

Estado alimentado:

glucagon

insulina

frutose-2,6-bisfosfato

glicólise no fígado

gliconeogênese no fígado

Estado de jejum:

glucagon

insulina

frutose-2,6-bisfosfato

glicólise no fígado

gliconeogênese no fígado

() = aumento dos níveis ou estímulo da rota metabólica () = diminuição dos níveis ou inibição da rota metabólica

Papel da frutose-2,6-bisfosfato na regulação da glicólise e da gliconeogênese

fosfofrutoquinase-2 (PFK-2)

sintetiza

frutose-2,6-bisfosfato

frutose-2,6-bisfosfatase-2 (FBPase-2)

degrada

frutose-2,6-bisfosfato

4 e 5 Passo: conversão de frutose-1,6-bisfosfato em gliceraldeído-3-fosfato

e/ou diidroxiacetonafosfato em gliceraldeído-3-fosfato (reações reversíveis)

Substrato da

próxima reação.

6 Passo: oxidação de gliceraldeído-3-fosfato em

1,3-bisfosfoglicerato (reação reversível)

7 Passo: conversão de 1,3-bisfosfoglicerato em 3-fosfoglicerato

(reação reversível)

1,3-bisfosfoglicerato

fosfoglicerato-quinase

3-fosfoglicerato

Síntese de 2,3-Bisfosfoglicerato nos Eritrócitos (desvio de reação)

2,3-bisfosfoglicerato

mutase

fosfatase

2

3

1 1,3-bisfosfoglicerato

fosfoglicerato-cinase

3-fosfoglicerato

O 2,3-bisfosfoglicerato influencia a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio.

Fonte: CAMPBELL, M.K.; FARRELL, S.O. Biochemistry. 6 ed. Belmont: Thomson Brooks/Cole, 2009.

8 Passo: conversão de 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato

(reação reversível)

1

2

3

1

2

3

2-fosfoglicerato 3-fosfoglicerato

fosfoglicerato-mutase

Mg2+

9 Passo: desidratação de 2-fosfoglicerato em fosfoenolpiruvato

(reação reversível)

10 Passo: conversão de fosfoenolpiruvato em piruvato

(reação irreversível)

Modulação da atividade da piruvato quinase no fígado:

frutose-1,6-bisfosfato = atividade ou

AMPc ativa uma enzima que fosforila a piruvato quinase = atividade

neste caso, o fosfoenolpiruvato vai para a gliconeogênese!

Qual é o hormônio que promove o AMPc? Em que situação ele é liberado?

Resumo: Regulação da Glicólise ativação/inibição alostérica e fosforilação/desfosforilação = curto prazo

Reação irreversível 1:

glicose glicose-6-fosfato

Enzima = hexoquinase 1 (músculo)

Ativada por: glicose / Inibida por: glicose-6-fosfato

Reação irreversível 3:

frutose-6-fosfato frutose-1,6-bisfosfato

Enzima = fosfofrutoquinase-1

Ativada por: F-2,6-P e AMP / Inibida por: ATP, citrato

Reação irreversível 10:

fosfoenolpiruvato piruvato

Enzima = piruvato quinase

Ativada por: F-1,6-P / Inibida por: ATP, glucagon e adrenalina

Regulação Hormonal da Glicólise hormonal (síntese protéica) = longo prazo

Estado Alimentado:

Insulina

Glicoquinase

Fosfofrutoquinase-1

Piruvato-quinase

O aumento dos níveis destas

enzimas favorece a glicólise.

Estado de Jejum (ou diabetes):

Glucagon

Glicoquinase

Fosfofrutoquinase-1

Piruvato-quinase

A diminuição dos níveis destas

enzimas favorece a

gliconeogênese.

( ) = indução da síntese da enzima.

A glicólise consiste em 10 reações que convertem a glicose em piruvato. O

piruvato pode ter 2 destinos principais:

1. Glicólise Aeróbica

2. Glicólise Anaeróbica

Obs.: O piruvato pode ter destinos alternativos em

microorganismos (por exemplo, fermentação alcoólica).

1. Glicólise Aeróbica

Estágio 3

fosforilação oxidativa (formação de ATP) na cadeia de transporte de elétrons (cadeia respiratória) já estudado no semestre passado

Estágio 2

Oxidação da Acetil-CoA no Ciclo de Krebs já estudado no semestre passado

Estágio 1

Geração de Acetil-CoA

1. Glicólise Aeróbica

a conversão de piruvato em Acetil-CoA é a reação que liga a Glicólise ao Ciclo de Krebs

Resumo dos 3 Estágios

2. Glicólise Anaeróbica

A razão NADH/NAD+ regula a produção de lactato:

razão = reduz piruvato a lactato (músculo em exercício)

razão = oxida lactato a piruvato (coração e fígado)

Ciclo de Krebs ou Gliconeogênese

Acúmulo de Lactato (os músculos em exercício produzem ácido

lático que é rapidamente convertido a lactato)

Qual é a consequência do acúmulo de íons H+ no músculo? E no sangue?

Glicólise Aeróbica X Anaeróbica

Glicólise

Anaeróbica

(parcial)

Aeróbica

(completa)

ocorre no citossol

produz: 2 piruvato, 2 NADH, 2 ATP

ocorre no citosol

produz: 2 lactato, 2 ATP

ocorre na mitocôndria

conversão de piruvato em Acetil-CoA (produz 1 NADH)

Ciclo de Krebs

(produz: 12 ATP)

Total = 38 ATPs ou 32 ATPs

Lembre-se de que: 1 NADH = 3 ATPs ou 2,5 ATPs 1 FADH2 = 2 ATPs ou 1,5 ATPs

A quebra de 1 molécula de glicose em piruvato gera:

2 piruvato

2 NADH X 3 ou X 2,5 6 / 5

2 ATP 2

A conversão do piruvato em acetil-CoA gera:

1 NADH X 3 ou X 2,5 3 / 2,5

Como temos 2 piruvatos para cada molécula de glicose, temos que multiplicar por 2:

1 NADH X 3 ou X 2,5 3 / 2,5

A oxidação de cada acetil-CoA no Ciclo de Krebs gera:

3 NADH X 3 ou X 2,5 9 / 7,5

1 FADH2 X 2 ou X 1,5 2 / 1,5

1 GTP (ATP) 1

Como temos 2 acetil-CoA para cada molécula de glicose, temos que multiplicar por 2:

3 NADH X 3 ou X 2,5 9 / 7,5

1 FADH2 X 2 ou X 1,5 2 / 1,5

1 GTP (ATP) 1

Total = 38 ou 32 ATPs

Outras Funções da Glicólise: além de produzir ATP, produz precursores para outras

rotas biossintéticas.

Gliconeogênese

O objetivo da gliconeogênese é manter a glicemia!

Quando ocorre:

Jejum prolongado

Exercício físico Diabetes

descompensado

Alimentado

Jejum

Jejum prolongado Quando o estoque de

glicogênio se esgota, a gliconeogênese passa a

ser a única fonte de glicose para a corrente

sanguínea.

Jejum breve

Jejum prolongado

Alimentado

Substratos para a Gliconeogênese

As 3 maiores fontes de carbono para a gliconeogênese em humanos são:

Lactato Aminoácidos (principalmente alanina)

Glicerol

Produzido a partir da glicólise

anaeróbica.

Liberados a partir da degradação de

proteínas que formam o tecido

muscular.

Degradação dos triacilgliceróis do tecido adiposo.

“Quem” diz para o músculo que é necessário degradar as proteínas para liberar aminoácidos para a gliconeogênese é o cortisol, pois os músculos não possuem

receptores para o glucagon!

As setas em negrito indicam as reações que diferem da glicólise.

Os quadros pontilhados indicam os precursores da gliconeogênese.

Ciclo de Cori circulação de lactato e glicose entre os tecidos

periféricos e o fígado

RBC = red blood cell (hemácia)

Observe que na gliconeogênese as reações

apresentam um sentido oposto às reações da

glicólise, exceto pelas 3 reações irreversíveis (1, 3

e 10) que regulam a velocidade da glicólise. Essas reações precisam ser “contornadas” pela

gliconeogênese.

O “contorno” da reação irreversível n. 10 da glicólise ocorre em 2

etapas.

Contorno da Reação 10 da Glicólise: conversão de piruvato em oxaloacetato

conversão de oxaloacetato em fosfoenolpiruvato

Não existe uma enzima que converta o piruvato diretamente

em fosfoenolpiruvato no citoplasma.

O oxaloacetato produzido na mitocôndria deve chegar ao citoplasma onde as outras

enzimas da gliconeogênese estão localizadas.

O oxaloacetato não pode atravessar a membrana

mitocondrial, mas o malato e o aspartato podem!

OAA = oxaloacetato PEP = fosfoenolpiruvato

glicoquinase (fígado)

hexoquinase (músculo)

glicose-6-fosfatase

frutose-1,6-bisfosfatase fosfofrutoquinase-1

fosfoenolpiruvato carboxiquinase

piruvato

carboxilase

piruvato

quinase

Regulação da Gliconeogênese (curto e longo prazo)

A frutose-2,6-bisfosfato impede que a glicólise e a gliconeogênese estejam

ativas ao mesmo tempo.

( ) = enzima induzida (+) = ativação ( - ) = inibição

Resumo: Regulação da Gliconeogênese Reação irreversível 1 (ocorre em duas etapas)

(em oposição à reação 10 da glicólise)

piruvato oxaloacatato fosfoenolpiruvato

Enzima = piruvato-carboxilase

Ativada por: acetil-CoA

Enzima = fosfoenolpiruvato-carboxiquinase

Ativada por: Glucagon, Adrenalina e Cortisol / Inibida por: Insulina

Reação irreversível 8

(em oposição à reação 3 da glicólise)

frutose-1,6-bisfosfato frutose-6-fosfato

Enzima = frutose-1,6-bisfosfatase

Ativada por: jejum / Inibida por: frutose-2,6-bisfosfato e AMP

Reação irreversível 10

(em oposição à reação 1 da glicólise)

glicose-6-fosfato glicose (livre)

Enzima = glicose-6-fosfatase

Ativada por: jejum