Aula de Bioquímica II – SQM04242015201 Glicólise

Aula de Bioquímica II – SQM04242015201
Bacharelado em Ciências Físicas e Biomoleculares
Tema:
Glicólise
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: [email protected]
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
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
 Via de degradação de 1 molécula de Glicose em 2 de Piruvato
 Piruvato pode seguir 3 caminhos:
1)
Ser reduzido a Etanol
 Fermentação alcoólica
2)
1
2
3
Ser reduzido a Lactato
 Fermentação Lática
3)
Ser completamente oxidado a CO2 e H2O
 Ciclo do ácido Cítrico
Glicólise
 Envolve 10 reações enzimáticos
 Citoplasma
 11 metabólitos
 Dividida em 3 Estágios
1) Investimento
- Aprisionamento e desestabilização
da glicose
2) Rendimento
- Conversão de DHAP em G3P
3) Extração - Pagamento
- Produção de 2 moléculas de ATP e
2 moléculas de NADH
Glicólise: Estágio 1
 Formação de Frutose-1,6-Bisfosfato
O aprisionamento de Glicose dentro da
Célula e a sua desestabilização envolve o
investimento de:
 2 moléculas de ATP
Glicólise: Estágio 1
 Aprisionamento de Glicose
 HEXOQUINASE (n1) no músculo e GLICOQUINASE (n1) no fígado
 O grupo Pi desloca o equilíbrio para seqüestro 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
Glicólise: Estágio 1
 Aprisionamento de Glicose
 HEXOQUINASE (n1) no músculo e GLICOQUINASE (n1) no fígado
 A MUDANÇA CONFORMACIONAL NA ENZIMA  INDUCED FIT
Glicólise: Estágio 1
 Formação de Frutose-1,6-Bisfosfato
2 Passos reacionais
1) Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose  Cetose: FOSFOHEXOSE ISOMERASE (n2)
- Reação próximo ao equilíbrio químico
 Reversível
 Controlada pelo concentração de substrato/produtos
Glicólise: Estágio 1
 Formação de Frutose-1,6-Bisfosfato
1º Passo:
1) Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose para Cetose
- Envolve a abertura do ciclo hexagonal
- Isomerização
- Fechamento do Ciclo pentagonal
Glicólise: Estágio 1
 Formação de Frutose-1,6-Bisfosfato
2º Passo:
Fosforilação: 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: Estágio 2
 Quebra de 1 carboidrato de 6 Carbonos em 2 de 3 Carbonos
ALDOLASE (n4)
- Reação reversível
- Somente o GAP entra na rota do Estágio 3 da Glicólise
Glicólise: Estágio 2
 Quebra de 1 carboidrato de 6 Carbonos em 2 de 3 Carbonos
ALDOLASE (n4)
 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: Estágio 2
 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: Estágio 2
 Reaproveitamento da DAHP em GAP
 A TRIOSE FOSFATO ISOMERASE – TIM (n5)  Converte DAHP em GAP
Envolve Catálise ácido-base
TIM Barrel
Glicólise: Estágio 3
 Entrou uma molécula de Glicose
-6C
Consumo de 2 ATPs para a fosforilação da
Glicose
 Saíram 2 moléculas de GAP
- 3C fosforilado
Glicólise: Estágio 3
Fase 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
- Formação do primeiro intermediário de alta energia
- Reação exergônica em condições fisiológicas  ↑ [GAP] e consumo do 1,3-BPG
Glicólise: Estágio 3
Fase 1 do PAGAMENTO
GLICERALDEÍDO 3-FOSFATO
DESIDROGENASE (n6)
 Reação ocorre em duas
etapas
1) A GAP é oxidado pelo
NAD+
2) Fosforilação
Glicólise: Estágio 3
Fase 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
Glicólise: Estágio 3
Fase 1 do PAGAMENTO
2 GAP  2 moléculas de 3-Fosfoglicerato
Aldeído  Ácido carboxílico
2 moléculas de ATP formadas
2 Moléculas de NADH formadas
Acoplamento das reações  n6 e n7
Intermediário comum  1,3-BPG
x2
Glicólise: Estágio 3
Fase 2 do PAGAMENTO
 2 Moléculas de 3-Fosfoglicerato entram nesta fase
 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
Glicólise: Estágio 3
Fase 2 do PAGAMENTO
FOSFOGLICERATO MUTASE (n8)
- Rearranjo do grupo Pi  Isomerização
Essa reação é uma preparação para a próxima etapa da via
O efetor da
hemoglobina!
Glicólise: Estágio 3
Fase 2 do PAGAMENTO
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: Estágio 3
Fase 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
O Piruvato é mais estável do que o PEP
Apresenta Ressonância
Glicólise
BALANÇO 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 mitocôndria
NADH  em condições anaeróbicas  Glicólise cessa devido à ausência de NAD+
NADH
 Carreador temporário de elétrons: precisa haver a reoxidação a NAD+ para ocorrer a
glicólise
 Quantidade 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 do piruvato permite extrair 20 x mais energia do que na Glicólise
Fermentação do Piruvato
- Fermentação Alcoólica
Tiamina pirofosfato (TPP)
- coenzima da enzima
piruvato descarboxilase
Ausente
no tecido de
vertebrados
Presente em muitos
organismos
que metabolizam
álcool,
e em humanos
(no fígado: oxidação do
etanol)
- derivada da vitamina B1
- levedo de cerveja:
fonte de vitamina B1!
- piruvato descarboxilase:
em levedura (pão:
bolhas de CO2, cerveja,
champagne)
Fermentação do Piruvato
- Fermentação Lática
- eritrócitos
- músculo em contração
vigorosa
- microrganismos:
Catalisa a
oxidação do
NADH e
redução do
piruvato a
lactato
Lactobacilos
(abaixamento de pH:
iogurte)
Esta reação é
reversível
 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
Outras Hexoses na Glicose
 A glicose não é a única Hexose que entra na Glicólise
- Frutose e Galactose são substrato para a Glicólise
Outras Hexoses na Glicose
Galactose é convertida em Glicose por 4 passos enzimáticos
Outras Hexoses na Glicose
Intolerância à Lactose
- Alguns adultos não produzem a Lactase
Lactose
 Metabolizada lactato liberando a
CH4 e H2 por bactérias intestinais
anaeróbicas  Flatulência
 Lactato provoca diarréia por
questão osmótica
Galactosemia
Doença metabólica devido à incapacidade de metabolizar galactose
Deficiência da Galactose 1-Fosfato Uridil
Transferase  mais comum
- Provoca retardo mental, hepatomegalia,
icterícia, cirrose, atraso no crescimento e
catarata  formação do Galctitol
- Tratamento  evitar produtos lácteos
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 ou Glicoquinase  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 Controle
- 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 energético
Alta [AMP]  Ativada  baixo teor energético
Alta [H+]  Inibida  presença de Lactato  proteção
Regulação da Glicólise: Músculo
[Alanina]
- Sintetizada a
partir do Piruvato
Regulação da Glicólise: Músculo
Carga
energética
baixa
Estimulação
Anterógrada
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] de maneira similar à enzima muscular
 [H+] não tem efeito  fígado não produz lactato
 [Citrato] indica a presença de blocos de construção  inibe
 Frutose 2,6-Bisfosfato  ATIVADOR  formada pela FOSFOFRUTOQUINASE-2
Se existe alta [Frutose 6fosfato], 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
 Isoenzima da hexoquinase hepática
 Menos ativa sobre a glicose  Afinidade 50 x menor do que a Hexoquinase
- Fosforila glicose somente quando esta é farta no fígado
- Não é inibida pela Glicose 6-fosfato – Sem retroalimentação negativa
- Fornece Glicose 6-fosfato para síntese de glicogênio.
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
 Sujeita à regulação hormonal via modificação covalente.
 Também sofre regulação alostérica anterógrada por F1,6-BP e inibição por ATP