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Instituto de Química de São Carlos Instituto de Química de São Carlos –– IQSCIQSC Universidade de São PauloUniversidade de São Paulo GlicóliseGlicólise Fermentações alcoólica e láticaFermentações alcoólica e lática Disciplina: Bioquímica IIDisciplina: Bioquímica II Docente: Profa. Dra. Fernanda Docente: Profa. Dra. Fernanda CanduriCanduri Turma: 2008201 Turma: 2008201 -- Bacharelado em QuímicaBacharelado em Química 2º Semestre 2008 Conteúdo Conteúdo � Digestão de carboidratos � Visão geral da glicólise � As reações da glicólise � Fermentação: destino anaeróbico do piruvato Fermentação homolática Fermentação alcoólica Energética da fermentação � Controle da glicólise � Metabolismo de outras hexoses Frutose Galactose Manose � A via das pentoses-fosfato A digestão de carboidratos iniciaA digestão de carboidratos inicia--se na bocase na boca � Durante a mastigação, a α-amilase salivar atua brevemente sobre o amido da dieta, rompendo ligações α(1�4) � Amilopectina e glicogênio possuem ligações α(1�6), e sendo assim, o produto da digestão da α- amilase contém uma mistura de moléculas de oligossacarídeos menores e ramificados. � A digestão dos carboidratos cessa temporariamente no estômago, devido ao pH que inativa a α-amilase salivar A digestão A digestão subsequentesubsequente ocorre no intestino ocorre no intestino delgadodelgado � No intestino delgado, o conteúdo gástrico é neutralizado pelo bicarbonato secretado pelo pâncreas, e a α-amilase pancreática continua o processo digestivo � A digestão final dos carboidratos ocorre pela ação de enzimas da mucosa intestinal – dissacaridases e oligossacaridases � A absorção de monossacarídeos pelas células da mucosa intestinal – o duodeno e o jejuno superior absorvem a maior parte dos açúcares da dieta Visão geral da Visão geral da glicóliseglicólise � A glicose presente no sangue é resultado da quebra de polissacarídeos, como o glicogênio do fígado, ou o amido e o glicogênio da dieta. � Ou ainda de sua síntese a partir de precursores não glicídicos – a gliconeogênese � A glicose entra na célula por meio de transportador específico � Enzimas da glicólise estão localizadas no citosol da célula A A glicóliseglicólise pode ser dividida em dois pode ser dividida em dois estágios:estágios: � 1. Investimento de energia. A glicose é fosforilada e clivada para gerar duas moléculas de triose gliceraldeído-3-fosfato (GAP). Processo que consome 2 ATPs. � 2. Recuperação de energia. As duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato (GAP) são convertidas em 2 moléculas de piruvato com a produção de 4 ATPs, tendo um saldo líquido de 2 ATPs. 1º 1º -- Investimento de energiaInvestimento de energia 2º 2º -- Recuperação de energiaRecuperação de energia A reação totalA reação total Glicose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi ���� 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 4 H+ O NADH formado nesse processo deve ser reoxidado continuamente para manter a via abastecida com seu principal agente oxidante, o NAD+. As reações da glicólise Hexoquinase – a primeira utilização do ATP Reação 1: transferência de um grupo fosfato do ATP para a glicose, formando glicose-6-fosfato (G6P) A primeira reaçãoA primeira reação Mudança conformacional da hexoquinase na presença da glicose A hexoquinase catalisa a fosforilação de hexoses como D-glicose, D- manose e D-frutose O segundo substrato para a hexoquinase é o complexo Mg2+-ATP A segunda reação � A reação 2 é a conversão da G6P em frutose-6-fosfato (F6P) por meio da fosfoglicose-isomerase (PGI) – isomerização de uma aldose para uma cetose FosfofrutoquinaseFosfofrutoquinase: segunda utilização de ATP: segunda utilização de ATP � Na reação 3, a fosfofrutoquinase (PFK) fosforila F6P para formar frutose-1,6-bifosfato (FBP ou F1,6P) � Esta enzima catalisa o ataque nucleofílico do grupo C1- OH sobre o átomo eletrofílico γ-fósforo do complexo Mg2+-ATP � A fosfofrutoquinase desempenha um papel fundamental no controle da glicólise porque catalisa uma das reações determinantes do fluxo dessa via � Pode ter a atividade aumentada pelo AMP e inibida pelo ATP e citrato A terceira reação As três As três primeiras primeiras reações da reações da glicóliseglicólise AldolaseAldolase � A aldolase catalisa a quarta reação � Cliva a frutose-1,6-bifosfato para formar duas trioses – gliceraldeído-3-fosfato (GAP) e diidroxiacetona-fosfato (DHAP) TrioseTriose--fosfatofosfato--isomerase (TIM)isomerase (TIM) � Somente um dos produtos da reação, o gliceraldeído-3- fosfato, continua na via glicolítica � Ambos, gliceraldeído-3-fosfato (GAP) e diidroxiacetona fosfato (DHAP), são isômeros cetose-aldose, assim como a F6P e a G6P � GAP e DHAP são interconvertidos por uma reação de isomerização com um intermediário enediol Reação de isomerização pela TIM A triose-fosfato-isomerase catalisa esse processo na reação 5 da glicólise, a reação final da etapa 1. Balanço da etapa 1 da Balanço da etapa 1 da glicóliseglicólise � Uma molécula de glicose foi transformada em duas moléculas de GAP � 2 ATPs foram consumidos na geração de intermediários fosforilados � O investimento de energia ainda não foi compensado GliceraldeídoGliceraldeído--33--fosfatofosfato--desidrogenasedesidrogenase (GAPDH)(GAPDH) � Formação do primeiro intermediário de alta energia � A reação 6 é a oxidação e a fosforilação do GAP por NAD+ e Pi catalisada pela GAPDH � Reação exergônica que promove a síntese do acil- fosfato de alta energia, 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) � acil-fosfato – compostos com alto potencial de transferência de grupos fosfato Síntese do 1,3Síntese do 1,3--bifosfogliceratobifosfoglicerato Reação 6 – primeira reação da segunda etapa FosfogliceratoFosfoglicerato--quinasequinase (PGK)(PGK) � Primeira geração de ATP � A reação 7 produz ATP junto com 3-fosfoglicerato (3PG), em uma reação catalisada pela fosfoglicerato- quinase � Esta mesma quinase realiza a reação inversa, que é uma transferência de grupo fosfato do ATP para o 3PG, formando 1,3-BPG. fosfoglicerato-quinase A reação realizada pela PGKA reação realizada pela PGK Acoplamento entre as reações de GAPDH e PGKAcoplamento entre as reações de GAPDH e PGK � Uma reação levemente desfavorável pode ser acoplada a uma reação altamente favorável, de forma que ambas ocorram no sentido direto � Nas reações 6 e 7, o 1,3-BPG é o intermediário comum GAP + Pi + NAD+ ���� 1,3-BPG + NADH ∆G0 = +6,3kJ/mol 1,3-BPG + ADP ���� 3PG + ATP ∆G0 = -18,5 kJ/mol GAP + Pi + NAD+ + ADP ���� 3PG + NADH + ATP ∆G0 = -12,2 KJ/mol Exemplo de fosforilação ao nível do substrato FosfogliceratoFosfoglicerato--mutasemutase � Na reação 8, o 3-fosfoglicerato é convertido em 2-fosfoglicerato (2PG) pela fosfoglicerato-mutase (PGM). � As mutases catalisam a transferência de um grupo funcional de uma posição para outra em uma mesma molécula. � Esta reação é uma preparação para a próxima reação da via. EnolaseEnolase � Formação do segundo intermediário de alta energia � Na reação 9, o 2-fosfoglicerato é desidratado a fosfoenolpiruvato (PEP) PiruvatoPiruvato quinasequinase (PK)(PK) � Segunda geração de ATP � Na reação 10, a reação final, a PK acopla a energia livre da clivagem do fosfoenolpiruvato a síntese de ATP durante a formação do piruvato � A reação é altamente exergônica, fornecendo energia livre suficiente para promover a síntese de ATP � Outro exemplo de fosforilação ao nível do substrato � O alto potencial de transferência de grupo fosfato do PEP reflete a alta liberação de energia livre ao converter o produto enolpiruvato em piruvato. PiruvatoPiruvato quinasequinase(PK)(PK) Avaliação da etapa 2 da Avaliação da etapa 2 da glicóliseglicólise � O investimento da primeira etapa é pago em dobro na segunda etapa � Duas unidades C3 fosforiladas são transformadas em dois piruvatos, com a síntese acoplada de 4 ATPs GLICOSE + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi ���� 2 PIRUVATO + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 4H+ Os três destinos metabólicos comuns do Os três destinos metabólicos comuns do piruvatopiruvato Fermentação: o destino anaeróbico do Fermentação: o destino anaeróbico do piruvatopiruvato � O piruvato deve ser convertido em um produto final reduzido para reoxidar o NADH oxidado pela reação de GAPDH � Em leveduras, o piruvato é descarboxilado para produzir CO2 e acetaldeído, o qual é reduzido na presença de NADH, produzindo NAD+ e etanol – fermentação alcoólica � A fermentação ocorre em vários microrganismos � Nos músculos, em condições anaeróbicas, o piruvato é reduzido a lactato para gerar novamente NAD+ em um processo conhecido como fermentação homolática Na glicólise anaeróbica, a energia livre de oxidação é dissipada sob a forma de calor. Tipos de fermentação Alcoólica - produção de etanol Lática - homolática: produção de ácido lático, e heterolática: produção de ácido lático, etanol e CO2 Propiônica - produção ácido propiônico Fórmica - vários ácidos Butírica - ácido butírico, butanol, acetona, isopropanol Acética - ácido acético Fermentação Fermentação homoláticahomolática � Nos músculos, durante atividade física vigorosa, a demanda de ATP é alta e o suprimento de O2 é baixo � A lactato desidrogenase catalisa a oxidação de NADH e a redução do piruvato produzindo NAD+ e lactato � Esta reação é reversível, de forma que as concentrações de piruvato e lactato são prontamente equilibradas Fermentação Fermentação homoláticahomolática O processo geral pode ser representado como: GLICOSE + 2 ADP + 2 Pi ���� 2 LACTATO + 2 ATP + 2 H2O + H+ Fermentação Fermentação homoláticahomolática � O lactato pode ser exportado da célula como convertido novamente a piruvato � Grande parte do lactato é transportado pelo sangue até o fígado, onde é usado para sintetizar glicose Fermentação alcoólicaFermentação alcoólica � Nas leveduras, o piruvato é convertido em etanol e em CO2 � O etanol é o ingrediente ativo dos vinhos e destilados de bebidas � O CO2 produzido faz crescer o pão As duas reações As duas reações consecutivasconsecutivas A descarboxilação de piruvato a acetaldeído e CO2 pela piruvato- descarboxilase A redução de acetaldeído a etanol pelo álcool- desidrogenase, na presença de NADH Energética da fermentaçãoEnergética da fermentação � Para a fermentação homolática GLICOSE � 2 LACTATO + 2 H+ ∆G0 = -196 kJ/mol � Para a fermentação alcoólica GLICOSE � 2 CO2 + 2 etanol ∆G0 = -235 kJ/mol � A fermentação resulta na produção de 2 ATPs por glicose, ao passo que a fosforilação oxidativa produz até 38 ATPs por glicose � A velocidade de produção de ATP pela glicólise anaeróbica pode ser até 100 vezes mais rápida que a da fosforilação oxidativa � Quando o músculo consome ATP, ele volta a gerá-lo quase completamente pela glicólise anaeróbica � Não há desperdício de glicose, pois o lactato é aerobicamente reconvertido em glicose pelo fígado Energética da fermentaçãoEnergética da fermentação O ciclo de Cori - o lactato é aerobicamente reconvertido em glicose pelo fígado Controle da Controle da glicóliseglicólise � Enzimas que operam longe das condições de equilíbrio são potenciais pontos de controle � Identificação dos modificadores alostéricos das enzimas que catalisam as reações determinantes da velocidade da via – efeito sobre a cinética da enzima � Variação da concentração dos metabólitos Variações fisiológicas reais de energia livre Variações fisiológicas reais de energia livre associadas a cada reação da viaassociadas a cada reação da via Reação Enzima ∆G (kJ/mol) 1 Hexoquinase -20,9 -27,2 2 PGI +2,2 -1,4 3 PFK -17,2 -25,9 4 Aldolase +22,8 -5,9 5 TIM +7,9 +4,4 6 + 7 GAPDH + PGK -16,7 -1,1 8 PGM +4,7 -0,6 9 Enolase -3,2 -2,4 10 PK -23,0 -13,9 Apenas três reações funcionam com grandes variações Apenas três reações funcionam com grandes variações negativas de energia livre no músculo cardíaconegativas de energia livre no músculo cardíaco � Hexoquinase � Fosfofrutoquinase � Piruvato quinase � São pontos de controle da via � As outras reações funcionam próximo ao equilíbrio, sendo sensível às mudanças na concentração dos intermediários da via, e acomodando-se às mudanças no fluxo geradas pelas etapas determinantes da velocidade Hexoquinase (HK), Fosfofrutoquinase (PFK) e Piruvato quinase (PK) são pontos de controle da via Alguns efetores das enzimas que agem longe do equilíbrio A A fosfofrutoquinasefosfofrutoquinase é o principal ponto de controle da via é o principal ponto de controle da via glicolíticaglicolítica Regulação pela frutose 2,6- difosfato (F2,6P): • a PFK é uma enzima bifuncional (quinase-fosfatase) •F2,6P é o ativador mais potente da PFK • consequentemente, é inibidor da frutose 1,6-bifosfatase • as ações recíprocas asseguram que ambas as rotas não estejam completamente ativas ao mesmo tempo Metabolismo de outras hexosesMetabolismo de outras hexoses � As hexoses frutose, galactose e manose são combustíveis metabólicos importantes � Estes são convertidos em intermediários glicolíticos, os quais são metabolizados pela via glicolítica Metabolismo da frutoseMetabolismo da frutose Metabolismo da galactoseMetabolismo da galactose Metabolismo da Metabolismo da manosemanose A manose é o epímero C2 da glicose A hexoquinase reconhece a manose e a converte em manose-6- fosfato A fosfomanose isomerase a converte em F6P Visão geral do metabolismo de outras hexosesVisão geral do metabolismo de outras hexoses A via das pentosesA via das pentoses--fosfatofosfato Também denominada desvio hexose-monofosfato O NADP é gerado pela oxidação de G6P por meio de uma via alternativa a glicólise - a via das pentoses-fosfato Presente nos tecidos mais envolvidos na biossíntese de lipídeos, como fígado, glândulas mamárias, tecido adiposo e córtex adrenal Presente em microrganismos fermentativos A viaA via dasdas PentosesPentoses-- FosfatoFosfato Via das pentosesVia das pentoses--fosfatofosfato Compreende três estágios: 1. reações oxidativas que produzem NADPH e ribulose-5-fosfato (Ru5P) 2. Reações de isomerização e epimerização que transformam Ru5P em ribose-5-fosfato ou xilulose-5-fosfato 3. Reações de clivagem e de formação de ligações carbono-carbono Via das pentosesVia das pentoses--fosfatofosfato Reações não-oxidativas 1 2 3 Reações oxidativas Reações de isomerização e Reações de isomerização e epimerizaçãoepimerização da da ribuloseribulose--55--fosfatofosfato isomerização epimerização Reações de clivagem e de formação de ligações Reações de clivagem e de formação de ligações carbonocarbono--carbonocarbono + R5P Diferentes modos de ação da via das pentosesDiferentes modos de ação da via das pentoses--fosfatofosfato 1. R5P e NADPH são necessários: toda Ru5P são convertidas a R5P. Via oxidativa 2. R5P é o mais requerido: R5P é sintetizado pelas vias oxidativa, e não oxidativa 3. A célula precisa de NADPH e ATP: G6P é convertido a Ru5P (via oxidativa), e este é convertido a F6P e GAP, e usado na via glicolítica
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