Aula de Bioquímica AvançadaTema:

Glicólise

Prof. Dr. Júlio César BorgesDepto. de Química e Física Molecular – DQFM

Instituto de Química de São Carlos – IQSCUniversidade de São Paulo – USP

E-mail: borgesjc@iqsc.usp.br

Metabolismo de carboidratos

Mastigação: fracionamento do alimento e mistura com a saliva;

Ação da amilase salivar: quebra do amido em maltoses e dextrinas.

Estômago: a digestão de carboidratos cessa temporariamente no estômago

devido a inativação da amilase salivar (pH);

Intestino: a amilase pancreática continua o processo digestivo no intestino;

A digestão final ocorre pela ação de enzimas da mucosa intestinal;

Finalmente, ocorre a absorção de monossacarídeos (glicose, frutose e galactose) no

intestino.

Metabolismo da Glicose

A Glicose tem papel central no metabolismo energético e de carboidratos

Fornece esqueleto de C para grande número de metabólitos

Metabolismo da Glicose

A Glicose tem papel central no metabolismo energético e de carboidratos

Principal substrato oxidável Fonte de energia universal

Única fonte de energia para as hemácias e cérebro (no curto prazo)*

Oxidação total da glicose ΔG0 = - 2.840 kJ/mol

Glicólise

Envolve 10 reações enzimáticas

Citoplasma

11 metabólitos

Dividida em 2 Fases

1) Fase preparatória

- Aprisionamento e desestabilização

da glicose

- Investimento de 2 moléculas de ATP

2) Fase de Extração - Pagamento

- Produção de 2 moléculas de ATP e 2

moléculas de NADH

Glicólise

Via de degradação de 1 molécula de Glicose em 2 de Piruvato

Piruvato pode seguir 3 caminhos: 1

1) Ser reduzido a Etanol

Fermentação alcoólica

2

2) Ser reduzido a Lactato

Fermentação Lática

3

3) Ser completamente oxidado a CO2 e H2O

Ciclo do ácido Cítrico

Glicólise: Fase 1

Aprisionamento de Glicose

HEXOQUINASE (n1) no músculo e GLICOQUINASE (n1) no fígado

O grupo Pi desloca o equilíbrio para sequestro celular da glicose a partir do plasma

- A G-6P não se difunde pela Membrana plasmática

- Não existem transportadores para G6P

- O Grupo Pi aumenta a reatividade da Glicose

A mudança conformacional na enzima: induced fit

Glicólise: Fase 1Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose Cetose:

FOSFOHEXOSE ISOMERASE (n2)

- Reação próximo ao equilíbrio químico

Reversível

Controlada pelo concentração de substrato/produtos

Glicólise: Fase 1

Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose para Cetose

- Envolve a abertura do ciclo hexagonal

- Isomerização

- Fechamento do Ciclo pentagonal

Glicólise: Fase 1

Formação de Frutose-1,6-BisfosfatoFosforilação: FOSFOFRUTOQUINASE-1 (PFK-1) (n3)

- A PFK-1 é uma enzima alostérica e catalisa uma reação exergônica

Importante ponto de Regulação da Glicólise

Controla a velocidade da Glicólise

Irreversível em condições fisiológicas

Glicólise: Fase 1

Quebra de 1 carboidrato de 6 Carbonos em 2 de 3 Carbonos

ALDOLASE (n4)

Envolve a abertura do anel

Reação reversível em condições fisiológicas apesar do ΔG >>> 0

- Somente o GAP entra na rota do Estágio 3 da Glicólise

- O consumo do GAP desloca o equilíbrio no sentido direto da reação

- O consumo de DAHP também desloca o equilíbrio no sentido direto da reação

Glicólise: Fase 1

ALDOLASE (n4)

Classe II: bactérias e fungos

mecanismo envolve Zn2+

Classe I: animais e vegetais

Mecanismo envolve uma

base de Shiff

Glicólise: Fase 1 Reaproveitamento da DAHP em GAP

A TRIOSE FOSFATO ISOMERASE – TIM (n5) Converte DAHP em GAP

Reação Rápida e Reversível

- No Equilíbrio: 96% da Triose fosfato está na forma de DHAP

- A remoção da GAP pelas reações subsequentes desloca o equilíbrio no sentido direto.

Glicólise: Fase 1 Reaproveitamento da DAHP em GAP

A TRIOSE FOSFATO ISOMERASE – TIM (n5) Converte DAHP em GAPEnvolve Catálise ácido-base

TIM Barrel

Balanço Parcial Fase 1 Entrou uma molécula de Glicose: 6C

Consumo de 2 ATPs para a fosforilação da Glicose Saíram 2 moléculas de GAP 3C fosforilado

Glicólise: Fase 2Estágio 1 do PAGAMENTO

2 Moléculas de GAP entram nesta fase

GLICERALDEÍDO 3-FOSFATO DESIDROGENASE (n6)

Oxidação da GAP em 1,3-Bisfosfoglicerato (1,3-BPG)- Etapa de preparação da GAP – baixo potencial fosforila – em um produto com alto

potencial fosforila Acil-fosfato- Formação do primeiro intermediário de alta energia

- Reação exergônica em condições fisiológicas ↑ [GAP] e consumo do 1,3-BPG

Glicólise: Fase 2Estágio 1 do PAGAMENTO

Reação ocorre em

duas etapas

1) A GAP é oxidado

pelo NAD+

2) Fosforilação

GLICERALDEÍDO 3-FOSFATO

DESIDROGENASE (n6)

Glicólise: Fase 2Estágio 1 do PAGAMENTO

FOSFOGLICERATO QUINASE (n7)

1,3-Bisfosfoglicerato: Anidrito misto de ácido

fosfórico

- Possui alto potencial doador de Pi

- Fosforilação de ATP ao nível do substrato

- Acoplada termodinamicamente com a reação da

GAPDH guia o processo

Glicólise: Fase 2Estágio 1 do PAGAMENTO

Balanço parcial Fase 22 GAP 2 moléculas de 3-Fosfoglicerato

Aldeído Ácido carboxílico

2 moléculas de ATP formadas2 Moléculas de NADH formadas

Acoplamento das reações n6 e n7Intermediário comum 1,3-BPG

x2

Glicólise: Fase 2Estágio 2 do PAGAMENTO

2x 3-fosfoglicerato é convertido a Piruvato com ‘formação’ de mais 2 ATP

Envolve 3 reações:

- Rearranjo do grupo Pi: preparação

- Desidratação: preparação

- Fosforilação de ADP ao nível do Substrato

FOSFOGLICERATO MUTASE (n8)

- Rearranjo do grupo Pi Isomerização

Essa reação é uma preparação para a próxima etapa da via

Glicólise: Fase 2Estágio 2 do PAGAMENTO

FOSFOGLICERATO MUTASE (n8)

- Rearranjo do grupo Pi Isomerização

- Reação dependente de Mg2+

- Reação reversível controlada pela [substrato/produto]

- 2,3-BPG é o intermediário

O efetor da hemoglobina!

ENOLASE (n9)

- Reação de rearranjo molecular: Desidratação

- A desidratação aumenta o potencial doador de fosforila

Formação do 2º intermediário de alta energia: Fosfoenolpiruvato - PEP

Catálise por íons metálicos

Mecanismo da Enolase

Participação de Mg2+

Glicólise: Fase 2Estágio 2 do PAGAMENTO

PIRUVATO QUINASE (n10)

- Fosforilação

- PEP doa 1 Pi para o ADP: Fosforilação ao nível do substrato

- Piruvato Quinase é importante ponto de regulação

- Reação dependente de K+ e Mg2+ ou Mn2+

O Piruvato é mais estável do que o PEP

Apresenta Ressonância

Glicólise: Fase 2Estágio 2 do PAGAMENTO

GlicóliseBALANÇO GERAL DA GLICÓLISE

Cancelando os termos comuns

ATP utilizado como moeda energética

NADH em condições aeróbicas sofre oxidação pelo O2

produção de ATP e H2O na mitocôndriaNADH em condições anaeróbicas Glicólise cessa devido à ausência de NAD+

NADH Carreador temporário de elétrons: precisa haver a reoxidação a NAD+ para ocorrer a

glicóliseQuantidade limitada de NAD+ nas células (derivado da vitamina niacina)

Regeneração de NAD+O metabolismo de Piruvato permite manter a glicólise em condições anaeróbicas

O Balanço Redox no citoplasma deve ser mantido- A fermentação do piruvato permite regenerar NAD+

Fermentação do Piruvato- Fermentação Alcoólica - Fermentação Lática

Pouca energia é extraída da Glicose pela Fermentação

O 3º destino (oxidação completa no ciclo de Krebs) do piruvato permite extrair 15x mais

energia do que na Glicólise

Fermentação do Piruvato- Fermentação Alcoólica

Ausente no tecido de vertebrados

Presente em muitos

organismosque metabolizam

álcool, e em humanos

(no fígado: oxidação do etanol)

Tiamina pirofosfato (TPP)

- coenzima da enzima piruvato descarboxilase

- derivada da vitamina B1

- levedo de cerveja:fonte de vitamina B1!

- piruvato descarboxilase:em levedura (pão:

bolhas de CO2, cerveja,champanhe)

Fermentação do Piruvato- Fermentação Lática

Catalisa a oxidação do

NADH e redução do piruvato a

lactato

Esta reação é reversível

- eritrócitos - músculo em contração

vigorosa- microrganismos:

Lactobacilos(abaixamento de pH:

iogurte)

O lactato pode ser exportado da célula ou convertido (novamente) a piruvato

Grande parte do lactato é transportado pelo sangue até o fígado, onde é usado na síntese

de glicose Ciclo de Cori

Outras Hexoses na Glicose

- Dissacarídeos

Lactose, Trealose e

Sacarose

Frutose, Manose e

Galactose são

substratos para a

Glicólise

A glicose não é a

única Hexose que

entra na Glicólise

Outras Hexoses na GlicoseGalactose é convertida em Glicose por 4 passos enzimáticos

Outras Hexoses na Glicose

Lactose Metabolizada lactato liberando a CH4 e H2 por bactérias intestinais

anaeróbicas Flatulência

Lactato provoca diarréia por questão osmótica

Câimbras abdominais

Intolerância à Lactose- Alguns adultos não produzem a Lactase

Deficiência da Galactose 1-Fosfato UridilTransferase mais comum

- Provoca retardo mental, hepatomegalia, icterícia, cirrose, atraso no crescimento e

catarata formação do Galctitol

- Tratamento evitar produtos lácteos

Galactosemia

Doença metabólica devido à incapacidade de metabolizar galactose

Regulação da Glicólise A via glicolítica tem papel duplo no metabolismo

Degradar Glicose para gerar ATP

Fornecer blocos de construção para nucleotídeos e ácidos graxos

A via glicolítica é rigidamente controlada Metabolismo energético primário

Três reações da glicólise são virtualmente irreversíveis

- Fosfofrutoquinase-1 n3

- Hexoquinase e Glicoquinase (isoenzimas muscular e hepática respectivamente) n1

- Piruvato Quinase n10

Pontos potenciais de controle:

1) Alostérica milissegundos

2) Modificação covalente (hormonal) minutos

3) Controle da expressão de proteínas Horas

Regulação diferencial para o Músculo e Fígado

Regulação da Glicólise: Músculo FOSFOFRUTOQUINASE principal Ponto de regulação

- Enzima comprometida com a via glicolítica- HEXOQUINASE e PIRUVATO QUINASE atuam sobre metabólitos de outras vias

FOSFOFRUTUQUINASE-1: Sensível à Carga Energética

Alta [ATP] Inibida alto teor energéticoAlta [AMP]/[ADP] Ativada baixo teor energéticoAlta [H+] Inibida sinaliza presença de Lactato

Regulação da Glicólise: Músculo

[Alanina]- Sintetizada a

partir do Piruvato

Regulação da Glicólise: Músculo

Carga energética

baixa

Estimulação Anterógrada

=Retroalimentação

positiva

Regulação da Glicólise: Fígado Função de “tamponar” glicose para o Cérebro e Rins

Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos

FOSFOFRUTOQUINASE-1 Regulada por [ATP] e [AMP]/[ADP] de maneira similar à enzima muscular

[H+] não tem efeito fígado não produz lactato [Citrato] indica a presença de blocos de construção inibe

Regulação da Glicólise: Fígado Função de “tamponar” glicose para o Cérebro e Rins

Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos

FOSFOFRUTOQUINASE-1 Frutose 2,6-Bisfosfato ATIVADOR formada pela FOSFOFRUTOQUINASE-2

Se existe alta [F6P], a síntese de Frutose 2,6-Bisfosfato será

favorecida

Regulação da Glicólise: Fígado Função de “tamponar” glicose para o Cérebro e Rins

Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos

GLICOQUINASE (Hexoquinase IV) Isoenzima hepática

Menos ativa sobre a glicose - Km ~50 x menor do que a

Hexoquinase- Fosforila glicose somente quando esta

é farta no fígado - Fornece G6P para síntese de

glicogênio.- Não é inibida pela G6P – Sem

retroalimentação negativa Regulação pela disponibilidade de

glicose Inibição mediada por F6P ativa

sequestro nuclear – sinaliza baixa concentração de glicose

↑[Glicose] mobiliza Glicoquinase para o citoplasma

Regulação da Glicólise: Fígado Função de “tamponar” glicose para o Cérebro e Rins

Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos

PIRUVATO QUINASE

Também sofre regulação alostérica anterógrada por F1,6-BP e inibição por ATP e Alanina

Isoenzima L é sujeita a regulação

hormonal via modificação covalente

reversível via glucagon e insulina.