1 Metabolismo de Carboidratos: Glicólise A via glicolítica ou glicólise é a conversão de glicose a piruvato (em condições aeróbias) ou a lactato (em condições anaeróbias). A glicose possui várias funções, como, por exemplo, função energética, visto que durante sua quebra há produção de várias moléculas de ATP. A maioria das células pode usar glicose em conjunto com ácidos graxos como fonte de energia, porém há tecidos em que somente a glicose pode ser usada como fonte energética, como é o caso do tecido nervoso, por exemplo. Apesar de o tecido nervoso também ser capaz de utilizar corpos cetônicos como fonte energética, a presença de glicose é fundamental para seu bom funcionamento. Outra importante função da glicose é a de precursora de várias outras moléculas orgânicas, visto que durante sua metabolização, vários subprodutos ou até mesmo produtos podem ser utilizados na síntese de outras moléculas. Transportadores de Glicose A glicólise acontece dentro da célula eucariótica, mas devido à estrutura polar da glicose, ela não é capaz de entrar livremente na célula. Para a entrada de glicose na célula, faz-se necessária a presença de proteínas transportadoras de glicose chamadas GLUT. São vários tipos diferentes de proteínas GLUT, cada uma com Km, regulações e localização tecidual diferentes. Essa diferença entre as proteínas transportadoras de glicose acaba definindo a prioridade com que a glicose entra nos tecidos. Os transportadores GLUT podem ser: GLUT 1 – encontrado em células nervosas GLUT 2 – encontrado no fígado e em células β-pancreáticas GLUT 4 – encontrado nas células musculares e nos adipócitos GLUT 5 – encontrado em células intestinais O GLUT 4 encontra-se internalizado na célula e só é enviado para a membrana da célula para exercer sua função de transporte de glicose na presença de insulina. Dessa forma, o músculo e os adipócitos só captam glicose na presença de insulina, diferentemente dos demais tecidos, que são capazes de captá-la sem a presença de insulina. Os transportadores GLUT também possuem afinidades diferentes pela glicose. Por exemplo, se há níveis de glicose muito baixos, as células do tecido nervoso serão as primeiras a recebê-la, visto que o Km do GLUT 1 é muito menor que o Km dos demais GLUT. Assim, a ordem em que a glicose entra nos tecidos é: 1º- Tecido nervoso 2º- Tecido muscular e adipócitos 3º- Tecido hepático e células β-pancreáticas A glicose possui um papel fundamental na liberação de insulina. A glicose entra nas células β-pancreáticas, é convertida a glicose-6-fosfato e, a partir de um mecanismo que envolve Ca2+, acontece a liberação de insulina. Assim, a liberação de insulina acontece logo depois da alimentação, quando os níveis de glicose são altos e os receptores GLUT 2 são capazes de captar a glicose para as células β-pancreáticas. Na diabetes mellitus, a ausência de insulina faz com que o transportador GLUT 4 encontrado nas células musculares e adipócitos fique internalizado e a captação de glicose não aconteça. Assim, os níveis glicêmicos no sangue tornar-se-ão elevados e o indivíduo poderá ter inúmeros distúrbios fisiológicos. 2 Glicólise A glicólise é a conversão de glicose a piruvato. Em condições anaeróbias esse piruvato pode ser convertido, ainda, a lactato. São produzidas, durante a glicólise, moléculas de ATP e NADH + H+. Esse processo é uma via metabólica composta por dez reações. Dessas, sete reações são reversíveis por possuírem ΔG pequeno e positivo (perto do equilíbrio) e três reações são irreversíveis por estarem longe do equilíbrio (ΔG alto e negativo). A glicólise, por possuir reações que produzem ATP e reações que consomem ATP, foi dividida em duas fases: fase preparatória (consumo de ATP) e fase de pagamento (síntese de ATP). a) Fase Preparatória: 1) FOSFORILAÇÃO DA GLICOSE PELA HEXOQUINASE Quando a glicose entra na célula, acontece a primeira reação da glicólise, a fosforilação da glicose pela hexoquinase. Apesar de ser a primeira reação da glicólise, essa reação pode ser utilizada, também, por outras vias metabólicas, como a via das pentoses fosfato ou a síntese do glicogênio, que também partem do produto glicose-6fosfato. A conversão de glicose a glicose-6-fosfato é importante porque a glicose fosforilada não é mais capaz de sair da célula, como aconteceria se esta estivesse em seu estado natural, visto que os transportadores GLUT mandam glicose tanto para dentro quanto para fora da célula. Então, sabe-se que os transportadores GLUT não são capazes de transportar a glicose fosforilada. Dessa forma, a reação catalisada pela hexoquinase funciona como uma “armadilha” para a glicose: uma vez que ela foi fosforilada, não é mais possível que ela saia da célula. A hexoquinase é uma enzima que precisa de Mg2+. Nessa reação é utilizada, também, uma molécula de ATP, de onde sai o fosfato que será fosforilado na glicose. Trata-se de uma reação IRREVERSÍVEL. 2) TRANSFORMAÇÃO DA GLICOSE-6-FOSFATO FOSFATO PELA FOSFOGLICOSE-ISOMERASE EM FRUTOSE-6- Trata-se de uma reação REVERSÍVEL, que vai transformar uma aldose (glicose) em uma cetose (frutose). 3) FOSFORILAÇÃO DA FRUTOSE-6-FOSFATO FOSFOFRUTOQUINASE-1 PELA ENZIMA O produto da fosforilação da frutose-6-fosfato é a frutose-1,6-bifosfato. É uma reação que vai consumir ATP (de onde sairá o fosfato a ser fosforilado) e é uma reação IRREVERSÍVEL. 4) CONVERSÃO DA FRUTOSE-1,6-BIFOSFATO EM DI-HIDRÓXI-CETONAFOSFATO E GLICERALDEÍDO-3-FOSFATO PELA ENZIMA ALDOLASE Trata-se de uma reação reversível, em que uma molécula de seis carbonos (frutose-1,6-bifosfato) será convertida em duas moléculas de três carbonos (di-hidróxicetona-fosfato e gliceraldeído-3-fosfato). Não é possível que a glicólise prossiga com esses dois intermediários, visto que a próxima enzima tem como substrato SOMENTE o gliceraldeído-3-fosfato. Dessa forma, a di-hidróxi-cetona-fosfato deve ser convertida em gliceraldeído-3-fosfato. 3 5) CONVERSÃO DA DI-HIDRÓXI-CETONA-FOSFATO EM GLICERALDEÍDO-3-FOSFATO PELA ENZIMA TRIOSE-FOSFATOISOMERASE A enzima triose-fosfato-isomerase vai converter a di-hidróxi-cetona-fosfato em gliceraldeído-3-fosfato em uma reação reversível. Assim, na segunda fase da glicólise (pagamento), haverá a entrada de duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato a cada uma molécula de glicose quebrada na fase preparatória. b) Fase de Pagamento: 6) OXIDAÇÃO DO GLICERALDEÍDO-3-FOSFATO A 1,3-BIFOSFOGLICERATO PELA ENZIMA GLICERALDEÍDO-3-FOSFATODESIDROGENASE Ocorre a redução de um NAD+ a NADH + H+ para que ocorra a oxidação do gliceraldeído-3-fosfato. O fosfato adicionado à molécula de gliceraldeído-3-fosfato para formação do 1,3-bifosfo-glicerato não é proveniente de uma molécula de ATP, mas sim de um fosfato inorgânico. Assim, a gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase não é uma proteína quinase, apesar de incorporar um fosfato a seu substrato. Assim, tratase de uma reação reversível em que não ocorre o consumo de ATP. 7) CONVERSÃO DO 1,3-BIFOSFOGLICERATO A 3-FOSFOGLICERATO PELA ENZIMA FOSFOGLICERATO-QUINASE Trata-se de uma reação reversível em que há a fosforilação de uma molécula de ADP, formando-se ATP. O fosfato necessário para a fosforilação do ADP é proveniente do 1,3-bifosfoglicerato, que perde seu fosfato para a enzima que, então, liga o fosfato (quinase) ao ADP. Formam-se, assim, como produtos da reação o ATP e o 3-fosfoglicerato. É uma reação reversível. 8) CONVERSÃO DO 3-FOSFOGLICERATO A 2-FOSFOGLICERATO PELA ENZIMA FOSFOGLICERATO-MUTASE É uma reação reversível catalisada pela fosfoglicerato-mutase. Basicamente, há a troca de posição do fosfato do carbono 3 para o carbono 2. Essa troca de posições é necessária porque a enolase, enzima que vai catalisar a próxima reação da via, só é capaz de reconhecer o 2-fosfoglicerato como substrato. 9) CONVERSÃO DO 2-FOSFOGLICERATO EM FOSFOENOLPIRUVATO PELA ENZIMA ENOLASE A enolase é uma enzima que depende da presença de Mg2+ para catalisar sua reação. Trata-se de uma reação reversível. Além da formação do fosfoenolpiruvato, forma-se, também, água. 10) SÍNTESE DO PIRUVATO A PARTIR DO FOSFOENOLPIRUVATO PELA ENZIMA PIRUVATO-QUINASE Para a síntese do piruvato, que não possui fosfato, a partir do fosfoenolpiruvato, que possui fosfato, faz-se necessária a remoção deste fosfato e adição deste à uma molécula de ADP, formando-se um ATP. Essa reação, catalisada pela piruvato-quinase, é uma reação IRREVERSÍVEL. 4 O balanço geral da glicólise seria: GLICOSE + 4 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 PIRUVATO + 4 ATP + 2 (NADH + H+) Esse balanço é feito a partir da análise das reações resumidamente, tendo-se que: 1) Hexoquinase - consumo de 1 molécula de ATP 3) Fosfofruto-quinase-1 – consumo de 1 molécula de ATP 6) Gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase – produção de 2 NADH + H+ e produção de 2 ATP (através da incorporação de 2 Pi) 7) Fosfoglicerato-quinase – produção de 2 ATP 10) Piruvato-quinase – produção de 2 ATP Além da glicose, outros açúcares podem entrar na glicólise. É o caso do glicogênio, que é degradado a glicose-6-fosfato quando há necessidade metabólica de energia e que, a partir de então, entra na glicólise. A galactose é convertida em glicose-6-fosfato e entra na glicólise. A frutose e a manose podem ser convertidas em frutose-6-fosfato e entram, a partir de então, na glicólise. A frutose pode, ainda, ser convertida a gliceraldeído-3-fosfato e entrar na glicólise a partir daí. Inibição da Glicólise A glicólise pode ser inibida por vários agentes. A hexoquinase, por exemplo, é inibida pela xilose, pentose capaz de se ligar no sítio ativo da hexoquinase, porém incapaz de ser fosforilada. A glicólise pode, ainda, ser inibida pela deoxiglicose. Essa, ao se ligar no sítio ativo da hexoquinase, é convertida em deoxiglicose-fosfato. Apesar de não inibir a hexoquinase, a deoxiglicose inibe a glicólise como um todo porque a deoxiglicose-fosfato não é substrato para a próxima enzima da via glicolítica. O fluoreto é capaz de inibir a glicólise como um todo através de sua ligação ao Mg2+. Essa ligação pode inibir várias enzimas dependentes de Mg 2+ como, por exemplo, a hexoquinase e a enolase. Outro composto capaz de inibir a glicólise é o arsenato. O arsenato mimetiza o papel do fosfato inorgânico, inibindo a ação da gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase. Exames laboratoriais cuja função é determinar os níveis de glicose no sangue precisam inibir a glicólise que acontece logo após a coleta por células que ainda estejam vivas no material. Essa inibição é importante para que os níveis obtidos laboratorialmente sejam os níveis de glicose reais da amostra. Um dos agentes inibidores da glicólise, neste caso, é o iodo-acetato. Ele é capaz de inibir a glicólise através da inibição, assim como o arsenato, da gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase. A gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase catalisa sua reação através da formação de um intermediário ligado covalentemente a ela. Esse intermediário liga-se através de um sulfeto do aminoácido cisteína do sítio ativo da enzima em questão. O iodo-acetato liga-se a este sulfeto, impedindo a ligação do intermediário e inativando, assim, a enzima. Por se tratar de uma via metabólica, a inibição da gliceraldeído-3-fosfatodesidrogenase pelo iodo-acetato vai acabar afetando a glicólise como um todo, fazendo com que ela pare. Glicólise Anaeróbia A degradação de ácidos graxos pode ser feita para obtenção de energia. Porém, a formação de ATP nessa reação não é feita durante a degradação dos ácidos graxos, mas sim através da fosforilação oxidativa dos NADH + H+ e FADH2 formados durante essa degradação. A degradação de ácidos graxos forma uma quantidade muito maior de ATP que a degradação da glicose, mas essa degradação é dependente da presença de O2, visto que a formação de NADH + H+ e FADH2 só culmina na produção de ATP durante 5 a cadeia respiratória, que é dependente de O2 como aceptor final de elétrons. Assim, a degradação de ácidos graxos é um processo que não pode acontecer anaerobicamente. Porém, ao contrário da degradação de ácidos graxos, a glicólise pode acontecer de maneira anaeróbia, visto que ela forma ATP diretamente. Dessa forma, uma célula em anaerobiose é mantida pela glicose degradada anaerobicamente: os ácidos graxos, em anaerobiose, não servirão, enfim, para nada. Para a degradação da glicose em condições de falta de O2, acontece uma via metabólica especial, chamada de glicólise anaeróbia. A glicólise anaeróbia não termina na formação do piruvato. Ela vai de glicose a lactato. A conversão do piruvato a lactato é catalisada por uma enzima chamada de lactato-desidrogenase. Essa enzima vai reduzir o piruvato a lactato, consumindo NADH + H+. Apesar de não formar ATP ou energia, a conversão do piruvato a lactato em anaerobiose é importantíssima para o consumo do NADH + H+ formado durante a glicólise, visto que ele não será capaz de ser consumido na cadeia respiratória sem a presença de O2. Além da acidose excessiva gerada pela elevada presença de NADH + H+, faz-se necessária a reciclagem constante do NADH + H+ a NAD+ para que este NAD+ possa continuar co-catalisando as reações da glicólise. Se o ambiente não possui O2, esse NADH + H+ não será reciclado na cadeia respiratória dentro da mitocôndria. Assim, a conversão de lactato a piruvato é importante para reciclagem do NAD+, que vai continuar a co-catalisar a sexta reação da glicólise, dependente dele. (Vale lembrar que, em meio aeróbico, o transporte de NADH + H+ extra-mitocondrial para dentro da mitocôndria é feito a partir da chamada “lançadeira-malato-aspartato”, que transporta apenas os elétrons do meio extra-mitocondrial para o meio intramitocondrial). Esquematicamente: GLICOSE + 2 NAD+ → 2 PIRUVATO + 2 (NADH + H+) → 2 LACTATO + 2 NAD+ Esse processo anaeróbico não é importante apenas em anaerobiose. Algumas células, como as hemácias, por exemplo, não possuem mitocôndrias e conseqüentemente não fazem cadeia respiratória. Assim, a única forma de sintetizarem ATP para seu metabolismo é através da glicólise anaeróbia. O processo anaeróbio, em alguns organismos fermentadores, converte o piruvato a acetaldeído que, será então, convertido em etanol. Esse é, por exemplo, o processo utilizado na produção de bebidas alcoólicas. Nesse processo, a enzima utilizada é a álcool-desidrogenase. Foram feitos estudos que demonstraram que o aumento no consumo de O2 diminui as taxas de glicólise. Isso demonstra que, em presença de O 2, outros “combustíveis” podem ser utilizados para obtenção de energia, fazendo com que o consumo de glicose seja mais baixo, preservando-a para situações de anaerobiose. Por outro lado, na falta de O2 a única via metabólica possível para obtenção de energia é a glicólise anaeróbia, em que a presença de glicose faz-se essencial. Dessa forma, o consumo de glicose é aumentado. Regulação da Glicólise A via glicolítica é regulada, assim como todas as vias do metabolismo humano. Essa regulação pode ser feita tanto através do controle da expressão gênica das enzimas que participam da glicólise quanto através do controle da atividade dessas enzimas. As enzimas reguladas da glicólise são aquelas que catalisam as reações irreversíveis. Isso acontece porque as enzimas que catalisam reações reversíveis podem catalisar reações em direções opostas, servindo, também a outras vias 6 metabólicas. Assim, as enzimas reguladas da glicólise são: hexoquinase, fosfofrutoquinase-1 e a piruvato-quinase. a) Hexoquinase A hexoquinase catalisa a conversão da glicose a glicose-6-fosfato. Ela apresenta algumas isoformas, como por exemplo, a hexoquinase (presente nos músculos) e a glicoquinase (presente no fígado). Essas isoenzimas catalisam a mesma reação, porém possuem afinidades, Km e regulações diferentes. O Km da hexoquinase pela glicose é menor que o Km da glicoquinase pela glicose. Isso significa que a hexoquinase tem uma afinidade maior pela glicose que a glicoquinase. O fígado regula a homeostase da glicose. É ele que controla os níveis de glicose no sangue. Se há muita glicose no sangue, esta entra no fígado. Se há pouca glicose no sangue, o fígado envia glicose para o sangue, através de uma via chamada gliconeogênese. Dessa forma, prioriza-se a conversão da glicose a glicose-6-fosfato (apreensão) pelas células musculares em detrimento das células hepáticas. A diferença de Km representa a funcionalidade dos tecidos: o fígado possui funções de armazenamento e envio de glicose para a homeostase do organismo. O Km da glicoquinase é, portanto, alto, pois quantidades pequenas de glicose no fígado podem significar necessidade de envio de glicose para o sangue. O Km da hexoquinase, por outro lado, é baixo, pois a presença de glicose nos músculos é importante para a realização da sua função, que possui alta demanda energética. Outra diferença importante entre a glicoquinase e a hexoquinase é a inibição. A hexoquinase é inibida pela glicose-6-fosfato (produto). Isso acontece para que não haja desperdício de moléculas de ATP fosforilando a glicose sem que haja demanda energética por piruvato e mais ATP. Assim, quando os níveis de glicose-6-fosfato sobem demais, a hexoquinase é inibida e os níveis de glicose-6-fosfato ficam estagnados. A glicoquinase, por outro lado, não é inibida pelo seu produto (glicose-6fosfato). Ela é inibida por uma proteína chamada de “proteína inibitória”. Essa proteína inibitória é estimulada pela frutose-6-fosfato e inibida pela frutose-1-fosfato. Na presença de frutose-1-fosfato, a proteína inibitória não se liga na glicoquinase. Portanto, a glicoquinase está ativa. Na presença de frutose-6-fosfato, a proteína inibitória liga-se na glicoquinase, deixando-a inativa. Além disso, o nível de expressão do gene que codifica para a glicoquinase é controlado por uma cascata desencadeada pela insulina. A insulina estimula a síntese de glicoquinase, favorecendo a conversão de glicose a glicose-6-fosfato, indicando altos níveis de glicose no sangue e necessidade de “prender” essa glicose nas células iniciando a síntese de glicogênio. b) Fosfofruto-quinase-1 A regulação da enzima fosfofruto-quinase-1 é um dos principais pontos de regulação da glicólise. Ela pode ser regulada de quatro formas. Ela pode responder ao status energético da célula via moléculas como ATP e AMP. Ela pode responder ao ambiente interno da célula, percebido graças à presença de H+. Ainda pode ser controlada pela disponibilidade de nutrientes alternativos, como o citrato, por exemplo. Ou ainda pode ser regulada pela relação glucagon x insulina, respondendo à molécula de frutose-2,6-bifosfato. Assim, a fosfofruto-quinase-1 é inibida pelo ATP, pelo citrato, por H+ e pela cascata desencadeada pelo glucagon. De maneira contrária, será estimulada pelo AMP, pela frutose-2,6-bifosfato e pela insulina. Todos os reguladores citados são reguladores alostéricos da atividade desta enzima. Mesmo sendo reguladores alostéricos, os hormônios insulina e glucagon não se ligam à fosfofrutoquinase-1. Eles regulam essa enzima através das suas cascatas de reações características. 7 O glucagon inibe a fosfofruto-quinase-1 a partir de sua ligação em um receptor de membrana que está associado a uma proteína G. A subunidade α da proteína G estimula a adenilato-ciclase, que vai produzir AMPc, que vai se ligar na PKA, ativandoa. A PKA ativa encontra uma enzima chamada de fosfofruto-quinase-2. A fosfofrutoquinase-2 tem duas atividades: quinase (fosfofruto-quinase-2) e fosfatase (frutosebifosfato-fosfatase-2). A fosfofruto-quinase-1, como visto, é estimulada pelo efetor alostérico frutose-2,6-bifosfato. A fosfofruto-quinase-2 pode sintetizar a frutose-2,6bifosfato a partir de frutose-6-fosfato, estimulando a fosfofruto-quinase-1. Porém, essa mesma enzima pode degradar a frutose-2,6-bifosfato, inibindo a fosfofruto-quinase-1. A atividade de fosforilação ou de fosfatação vai depender da presença ou não da PKA. A PKA vai fosforilar a fosfofruto-quinase-2. A fosfofruto-quinase-2 fosforilada possui ação de fosfatase. Sendo assim, a fosfofruto-quinase-2 vai degradar a frutose-2,6bifosfato, causando a inibição da fosfofruto-quinase-1. A insulina é capaz de desencadear uma cascata capaz de retirar os fosfatos da fosfofruto-quinase-2 fosforilada. Desfosforilando essa enzima, ela obterá função de quinase. Com a função quinase ativada, a fosfofruto-quinase-2 vai fosforilar a frutose6-fosfato transformando-a em frutose-2,6-bifosfato, que vai estimular a ação da fosfofruto-quinase-1, aumentando as taxas de glicólise. A inibição da fosfofruto-quinase-1 (e conseqüente inibição da glicólise) por ATP acontece para preservação da glicose, visto que já há quantidade suficiente de ATP vindo de outras vias metabólicas (como, por exemplo, a fosforilação oxidativa). Dessa forma, a glicose ficará armazenada para situações em que não haja O 2, impedindo as outras vias metabólicas de produzir ATP, tornando a glicólise essencial. Esse aumento do consumo de O2 inibindo a glicólise é chamado de Efeito Pasteur. O citrato mostra que há disponibilidade de combustíveis alternativos a serem utilizados para obtenção de energia (através do Ciclo de Krebs, por exemplo). Isso faz com que haja inibição da fosfofruto-quinase-1 e conseqüente inibição da glicólise. Os prótons H+ mostram para a fosfofruto-quinase-1 como se encontra o ambiente celular. Os prótons encontrar-se-ão em grandes concentrações quando houver baixa disponibilidade de NAD+ e muita disponibilidade de NADH + H+, demonstrando que há falta de substrato para geração de ATP. Isso geralmente acontece em anaerobiose. É por causa da excessiva presença de H+ que as câimbras acontecem. Estas sinalizam a falta de substrato para formação de ATP no músculo e excesso da lactato, sinalizando a necessidade de relaxamento e descanso muscular. A fosfofruto-quinase-1 pode ser regulada de forma diferente em alguns órgãos, como por exemplo, o coração. No tecido cardíaco, a presença do glucagon estimula a atividade de quinase da fosfofruto-quinase-2 e conseqüentemente a atividade geral da fosfofruto-quinase-1. Isso acontece para que o coração possa utilizar toda a glicose que for necessária, sem excessivas regulações negativas. c) Piruvato-quinase Trata-se da última enzima da via glicolítica. É inibida pela alanina e pelo ATP e estimulada pela glicose-2,6-bifosfato e pela cascata estimulada pela insulina, que pode acarretar em uma maior expressão de seu gene. Existem duas isoformas dessa enzima: a isoforma do fígado é inibida por fosforilação e a isoforma do músculo é ativa estando fosforilada ou não. No fígado, a fosforilação da piruvato-quinase acontece com o objetivo de parar a glicólise e iniciar a gliconeogênese. Assim, o glucagon vai causar a fosforilação da piruvato-quinase pela PKA. No músculo essa regulação é desnecessária, visto que não há gliconeogênese no tecido muscular. No músculo, a glicólise só é inibida quando a glicose é utilizada para formação de glicogênio ou para outras vias metabólicas.