Via glicolítica aeróbica e anaeróbica

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Via glicolítica aeróbica e anaeróbica
	A glicose ocupa posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos microrganismos, uma vez que ela é rica em energia potencial e pode ser utilizada tanto na presença quanto na ausência de oxigênio. Além disso, alguns tecidos como o neural, os eritrócitos e os testículos dependem quase que unicamente a glicose como fonte de energia. Este texto tem como objetivo descrever como a glicose entra nas células, as reações individuais da glicólise bem como da fermentação, destacando-se o significado funcional de cada via. Além disso, será apresentado como outros carboidratos entram na via glicolítica e quais os principais pontos de regulação da via glicolítica. 
1. Entrada de glicose na célula 
	A glicose entra na célula por difusão facilitada por meio de um transportador uniporte específico de glicose, denominado GLUT. Doze transportadores de glicose são codificados, cada um com suas propriedades cinéticas únicas, padrões de distribuição no tecido e função. Os principais GLUTs são: o GLUT1 tem distribuição ubíqua, Kt = 3 mM e atua na captação basal de glicose, assim como o GLUT3 presente no cérebro e esperma, com Kt = 1mM. No fígado, o GLUT2 tem um grande Kt (17 mM) e pode responder a níveis aumentados de glicose intracelular. Os músculos esquelético e cardíaco e o tecido adiposo têm o GLUT4 (Kt = 5 mM), que é diferente em relação à sua resposta à insulina: sua atividade aumenta quando a insulina sinaliza uma alta concentração de glicose sanguínea, aumentando a captação de glicose. O GLUT5 do intestino transporte principalmente frutose. 
2. Glicólise aeróbica
a) Características gerais
	A glicólise é a quebra de uma molécula de glicose através de uma série de reações enzimáticas e gera duas moléculas de piruvato, conservando parte da energia livre na forma de 2ATP e 2NADH. Como será descrito, o piruvato ainda contêm a maior parte da energia potencial existente na glicose e portanto, a glicólise promove a liberação parcial da energia livre. A glicólise ocorre no citoplasma na ausência de oxigênio, ou seja, as reações não precisam de oxigênio para ocorrer. A disponibilidade de oxigênio determina o destino catabólico do piruvato. Assim sendo, na presença de oxigênio o piruvato entra na mitocôndria e é oxidado a acetil-CoA; o acetil-CoA é oxidado no ciclo do ácido cítrico, produzindo ATP e elétrons que são transferidos para o oxigênio pela cadeia transportadora; tal transporte de elétrons impulsiona a síntese de ATP. Na ausência de oxigênio ou em hipoxia, o piruvato permanece no citoplasma e segue uma das duas rotas de fermentação, láctica ou etanólica, dependendo do tecido e organismo. O piruvato pode também ser utilizado em vias anabólicas, fornecendo o esqueleto carbônico para síntese do aminoácido alanina e ácidos graxos. 
	A glicólise é um processo irreversível do ponto de vista termodinâmico e consiste em 10 reações que são agrupadas em duas fases: a fase preparatória, que consiste na fosforilação da glicose, com gasto de duas moléculas de ATP e sua conversão a um açúcar de três átomo de carbono, o gliceraldeído-3-fosfato; e a fase de investimento, na qual ocorre a conversão oxidativa do gliceraldeído-3-fosfato em piruvato e a formação acoplada de ATP e NADH.
	Outra característica da via glicolítica que merece atenção é que cada um dos nove intermediários glicolíticos entre a glicose e o piruvato são fosforilados. Três razões podem explicar a importância da presença destes grupos fosforil: primeiro, a fosforilação garante que os intermediários permaneçam na célula, uma vez que a membrana não dispõe de transportadores para açúcares fosforilados; grupos fosforil são importantes para a conservação enzimática da energia metabólica; a ligação resultante do acoplamento de grupos fosfatos ao sítio ativo de enzimas, reduzindo a energia de ativação e aumentando a especificidade das reações enzimáticas. 
b) Reações da glicólise
b.1. Fase preparatória: Fosforilação da glicose nos carbonos 1 e 6 e clivagem em duas moléculas de triose.
Reação 1: Fosforilação da glicose
	A glicose é ativada para as reações subsequentes pela fosforilação no carbono-6 formando glicose-6-fosfato, com ATP como doador de grupo fosforil. Esta reação é irreversível (∆G'° = - 16,7 kJ/mol) e catalisada pela hexoquinase. A hexoquinase pode fosforilar também a manose e a frutose, e requer Mg2+ para sua atividade, uma vez que o Mg2+ protege as cargas negativas do grupo fosforil do ATP, tornando o átomo de fósforo terminal um alvo mais fácil para o ataque nucleofílico por um grupo -OH da glicose. A hexoquinase existe na forma de 4 isoformas, sendo que a isoforma IV presente nos hepatócitos é denominada glicoquinase pois difere das outras isoformas com relação à cinética e às propriedades regulatórias. 
Reação 2: Coversão da glicose-6-fosfato a frutose-6-fostato
	A glicose-6-fostato é convertida em frutose-6-fosfato em uma reação de isomerização reversível (∆G'° = 1,7 kJ/mol) pela enzima fosfoglicose-isomerase, que catalisa a reação em ambos os sentidos, devido a baixa variação de energia livre. Nesta etapa, o grupo carbonil é transferido para o carbono-2 e o carbono-1 apresenta um grupo hidroxila que pode ser fosforilado, tornando possível as próximas reações. 
Reação 3: Fosforilação da frutose-6-fosfato a frutose-1,6-bifosfato
	A frutose-6-fosfato é fosforilada pelo ATP a frutose-1,6-bifosfato pela fosfofrutoquinase-1numa reação irreversível (∆G'° = - 14,2 kJ/mol). A fosforilação do carbono-1 garante que os dois produtos da clivagem que ocorrerá sejam fosforilados e interconversíveis. A fosfofrutoquinase-1 está sujeita a regulação alostérica como será discutido posteriormente. 
Reação 4: Clivagem da frutose-1,6-bifosfato
	A enzima aldolase catalisa a clivagem reversível (∆G'° = 23,8 kJ/mol) da frutose-1,6-bifosfato em duas trioses diferentes, a aldose gliceraldeído-3-fosfato e a cetose di-hidroxicetona-fosfato. A aldolase recebe esse nome porque na reação inversa, catalisa a condensação aldólica. A reação de clivagem é facilitada pela presença do grupo carbonil no carbono C-2. Embora o valor da energia livre padrão seja alto e positivo no sentido da clivagem, as baixas concentrações de reagentes na célula, fazem a variação da energia livre real ser próxima de zero e assim reversível.
Reação 5: Conversão da di-hidroxicetona-fosfato a gliceraldeído-3-fosfato
	A di-hidroxicetona-fosfato é reversivelmente (∆G'° = 7,5 kJ/mol) convertida a gliceraldeído-3-fosfato pela triose-fosfato-isomerase. A interconversão dos dois produtos da reação 4 é necessária pois converge os dois produtos em uma única via. 
b.2. Fase de pagamento: Formação de quatro moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH. 
Reação 6: Oxidação do gliceraldeído-3-fosfato a 1,3-bifosfoglicerato
	Esta etapa de oxidação reversível (∆G'° = 6,3 kJ/mol) do gliceraldeído-3-fosfato é catalisada pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase, que se liga covalentemente ao substrato durante a reação, através do resíduo de cisteína. Esta fosforilação oxidativa (aldeído é oxidado a um anidrido de ácido carboxílico com ácido fosfórico) do gliceraldeído-3-fosfato com a produção de um NADH é uma etapa de conservação da energia, e é também um pré-requisito para a produção de ATP na próxima etapa. A reciclagem de NAD+ é um ponto crítico para o prosseguimento da glicólise. 
Reação 7: Transferência do grupo fosforil do 1,3-bifosfoglicerato para o ADP
	Nesta etapa, o grupo fosforil de alta energia do grupo carboxil do 1,3-bifosfoglicerato é transferido para o ADP, formando ATP e 3-fosfoglicerato. A reação é catalisada pela fosfoglicerato-quinase e ocorre nos dois sentidos, embora o ∆G'° seja -18,5 kJ/mol. Isso é possível, uma vez que no citosl, a razão [NADH]/[NAD+] é pequena, contribuindo para um baixo valor de Q (lei da ação das massas). A etapa 7 consume o produto da etapa 6, mantendo a concentração de 1,3-bifosfoglicerato baixa no equilíbrio e assim mantém Q pequeno para o processo global de acoplamento de energia. Quando Q é pequeno,a contribuição de ln Q pode torna ∆G'° negativo. A energia liberada pela oxidação de um aldeído a um grupo carboxilato é conservada pela formação acoplada de ATP a partir de ADP e Pi. Essa formação de ATP pela transferência do grupo fosforil do 1,3-bifosfoglicerato é chamada de fosforilação a nível de substrato. 
Reação 8: Conversão do 3-fosfoglicetato a 2-fosfoglicerato
	Nesta reação, ocorre o deslocamento reversível do grupo fosforil entre o carbono-3 e o carbono-2 do glicerato. A reação reversível (∆G'° = 4,4 kJ/mol) é catalisada pela fosfoglicerato-mutase e ocorre em duas etapas. 
Reação 9: Hidratação do 2-fosfoglicerato a fosfoenolpiruvato
	A reação reversível (∆G'° = 7,5 kJ/mol) catalisada pela enolase promove a remoção de uma molécula de água do 2-fosfoglicerato gerando o fosfoenolpiruvato. Esta desidratação ativa o grupo fosforil para a transferência para o ADP na etapa 10, pois o fosfoenolpiruvato apresenta um alto valor de energia livre padrão, indicando um alto potencial de transferência do grupo fosforil.
Reação 10: Transferência de um grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para ADP
	Ocorre transferência do grupo fosforil do fosfoenolpiruvato ao ADP, numa reação irreversível (∆G'° = -31,4 kJ/mol) catalisada pela piruvato-desidrogenase, promovendo a fosforilação no nível de substrato, produzindo ATP e piruvato. A conversão da forma enólica do piruvato na forma cetônica, torna a reação ainda mais exergônica. 
	O esquema da glicólise é mostrado a seguir. 
c) Balanço geral da glicólise
	A equação global para a glicólise é: 
	Esta reação indica o ganho líquido de duas moléculas de ATP. As duas moléculas de NADH formadas pela glicólise no citosol são, em codições aeróbicas, reoxidadas a NAD+ pela transferência de seus elétrons para a cadeia de transporte de elétrons, localizada nas mitocôndrias dos eucariotos. Assim, no processo glicolítico uma molécula de glicose é convertida a duas moléculas de piruvato. Duas moléculas de ADP e duas de Pi são convertidas a duas moléculas de ATP. Quatro életrons, na forma de íons hidreto, são transferidos de duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato para duas de NAD+. 
d) Regulação da glicólise
	A glicólise é regulada de forma coordenada com outras vias geradoras de energia para garantir um suprimento constante de ATP. O ajuste necessário na velocidade da glicólise é alcançado pela interação complexa entre o consumo de ATP, a regeneração de NADH e a regulação alostérica de algumas enzimas glicolíticas, incluindo a hexoquinase, a fosfofrutoquinase-1 e a piruvato quinase. 
	Como mencionado anteriormente, os humanos tem quatro isoformas de hexoquinase. As isoformas I, II e III tem alta afinidade pela glicose, próximo a 0,1mM. Estas isoformas são inibidas alostericamente por seu produto, a glicose-6-fosfato e assim, sempre que a concentração intracelular de glicose se eleva acima do seu nível normal, essa enzimas são temporária e reversivelmente inibidas. A hexoquinase IV é a isoforma predominante no fígado e apresenta uma afinidade pela glicose próximo a 10 mM, assim quando a concentração de glicose sanguínea se eleva acima de 5mM, a atividade da hexoquinase IV aumenta, o que não ocorre com as demais isoformas. Enquanto a hexoquinase IV apresenta comportamento sigmoidal, as demais hexoquinases apresentam comportamento de hipérbole. Além disso, a hexoquinase IV não é inibida pela glicose-6-fosfato. Por sua vez, a hexoquinase IV está sujeita à inibição pela interação reversível com uma proteína reguladora específica do fígado. O inibidor proteico da hexoquinase IV é uma proteína de ligação nuclear que carrega a enzima para dentro do núcleo quando a concentração da frutose-6-fostato está alta no fígado e a libera para o citosol quando a concentração da glicose está alta. Por fim, a hexoquinase também é regulada ao nível de síntese proteica. As condições que demandam uma produção de energia maior (baixa [ATP], alta [AMP]) ou maior consumo de glicose causam aumento na transcrição do gene da hexoquinase IV. 
	A fosfofrutoquinase-1 (PKF-1) é regulada de forma alostérica por diferentes reguladores. Quando a concentração celular de ATP é alta, o mesmo inibe a PFK-1 por se ligar a um sítio alostérico na enzima, o que reduz sua afinidade pelo substrato frutose-6-fosfato. Quando ocorre o acúmulo de AMP e ADP, estes atuam alostericamente para liberar a inibição pelo ATP. A alta concentração de citrato aumenta o efeito inibidor do ATP, ligando-se a PKF-1 e reduzindo o fluxo de glicose pela glicólise. A PKF-1 também é regulada pela frutose-2,6-bifosfato. Quando a frutose-2,6-bifosfato se liga ao seu sítio alostérico na PKF-1, ela aumenta a afinidade dessa enzima pelo seu substrato, frutose-6-fosfato, e reduz a afinidade pelos inibidores alostéricos ATP e citrato. A concentração celular do regulador alostérico frutose-2,6-bifosfato é ajustada pelas taxas relativas de sua formação e degradação. Ela se forma pela fosforilação da frutose-6-fosfato, catalisada pela fosfofrutoquinase-2 e é degradada pela frutose-2,6-bifosfatase-2. O equilíbrio destas duas atividades no fígado é regulado pelo glucagon e pela insulina, sendo que o glucagon reduz o nível celular de frutose-2,6-bifosfato, inibindo a glicólise enquanto a insulina tem efeito oposto, estimulando a atividade de uma fosfoproteína-fosfatase que catalisa a remoção do grupo fosforil da PKF-2, ativando sua atividade de PFK-2, aumentando o nível de frutose-2,6-fosfato, estimulando a glicólise. A concentração de frutose-2,6-bifosfato também é regulada pela xilulose-5-fosfato que ativa a fosfoproteína-fosfatase, a qual desfosforila PKF-2, ativando a PKF-2, que aumenta a concentração de frutose-2,6-bifosfato, estimulando a glicólise.
	Os vertebrados possuem três isoenzimas da piruvato-quinase. Altas concentrações de ATP, acetil-CoA e ácidos graxos de cadeia longa inibem alostericamente todas as isoenzimas da piruvato-quinase. A isoenzima do fígado, mas não a do músculo, está sujeita à regulação adicional por fosforilação. Quando a redução de glicose sanguínea causa a liberação de glucagon, a proteína quinase dependente de AMPc fosforila a isoforma do fígado, inativando-a. 
	A glicólise também é regulada a nível transcricional pela insulina, alterando o número de moléculas de enzimas. A insulina estimula a transcrição dos genes que codificam as hexoquinases II e IV, a fosfofrutoquinase-1, piruvato quinase e PFK-2, estimulando assim a via glicolítica. 
3. Glicólise anaeróbica
	O NADH formado na glicólise deve ser reciclado para regenerar NAD+, necessário como receptor de elétrons na reação 6. Em condições aeróbicas, os elétrons passam do NADH para o O2 na respiração mitocondrial. Entretanto, em condições anaeróbicas ou de hipoxia, muitos organismos regeneram NAD+ pelo transporte de elétrons do NADH para o piruvato, formando lactato. Outros organismos, como as leveduras, regeneram NAD+ pela redução do piruvato em etanol e CO2. Nesses processos anaeróbicos, ou fermentações, não ocorre oxidação ou redução líquida dos carbonos da glicose. 
a. Fermentação láctica
	Os eritrócitos, que não possuem mitocôndrias, o músculo esquelético ativo, os tecidos vegetais submersos, os tumores sólidos e algumas bactérias estão em condições de hipoxia ou ausência de oxigênio e por isso produzem lactato a partir do piruvato, numa reação catalisada pela lactato desidrogenase concomitante com a produção de NAD+ a partir de NADH. Embora a conversão da glicose em lactato compreenda duas etapas de oxidação-redução, não ocorre variação líquida no estado de oxidação do carbono. Entretanto, parte da energia da molécula da glicose é extraída pela sua coversão em lactato, o suficiente para dar um rendimento líquido de duas moléculas de ATP para cada molécula de glicose consumida. Em vertebrados, o lactato produzido pelos músculos esqueléticos em atividade ou pelos eritrócitos, pode ser reciclado, sendo transportado até o fígado pelo sangue e é convertido em glicose pela gliconeogênese. 
b. Fermentação alcoólica
	Leveduras e outros microorganismosfermentam a glicose em etanol e CO2, em vez de lactato. A glicose é convertida a piruvato pela glicólise, e o piruvato é convertido a etanol e CO2 em um processo de duas etapas, denominado fermentação alcoólica. Na primeira etapa, o piruvato é descarboxilado em uma reação irreversível catalisada pela piruvato-descarboxilase, que requer Mg2+ e contém uma coenzima fortemente ligada, a tiaminapirofosfato. Está coenzima é derivada da vitamina B1 e exerce um papel importante na clivagem de ligações adjacentes ao grupo carboxila. Na segunda etapa, o acetaldeído é reduzido a etanol pela ação da álcool-desidrogenase, com o poder redutor fornecido pelo NADH derivado da desidrogenação do gliceraldeído-3-fosfato. Etanol e CO2 são os produtos finais da fermentação alcoólica, e a equação geral é:
	O CO2 liberado pela reação da piruvato carboxilase é responsável pela efervescência do champanhe e a faz a massa de pão crescer. A álcool-desidrogenase está presente em muitos organismos capazes de metabolizar o etanol, incluindo o homem. No fígado, ela catalisa a oxidação do etanol ingerido ou produzido por microrganismos intestinais, reduzindo o NAD+ a NADH. Portanto, a reação segue no sentido oposto àquele envolvido na produção de etanol pela fermentação. 
4. Entrada de outro carboidratos na glicólise
	Não apenas a glicose é degradada na via glicolítica, mas sim vários outros monossacarídeos, dissacarídeos e polissacarídeos. O glicogênio exógeno e o amido são degradados enzimaticamente até glicose por enzimas denominadas α-amilases, que atuam sobre as ligações α1 4 e α1 6, sendo a água e não o Pi a espécie atacante. Por outro lado, o glicogênio endógeno é degradado pela glicogênio-fosforilase, que catalisam o ataque do Pi sobre a ligação α1 4, gerando glicose-1-fosfato. A glicogênio-fosforilase não é capaz de atuar sobre as ligações α1 6, que são clivadas pela enzima de desramificação, conhecida como oligo (α1 6) a (α1 4) glican-transferase, liberando glicose livre. A glicose-1-fosfato é convertida pela fosfoglicomutase em glicose-6-fosfato e prossegue na via glicolítica. Os dissacarídeos são hidrolisados por enzimas intestinais a monossacarídeos. 
	A manose é fosforilada pela hexoquinase a manose-6-fosfato e esta é transformada em frutose-6-fosfato pela fosfomanose-isomerase. A frutose pode entrar na via glicolítica por dois caminhos: ser fosforilada pela hexoquinase a frutose-6-fosfato; no fígado, a frutose é fosforilada a frutose-1-fosfato pela frutose quinase, e depois é clivada em gliceraldeído e dihidroxiacetona-fosfato pela frutose-1-fosfato-aldolase. A conversão do gliceraldeído a gliceraldeído-3-fosfato é catalisada pela triose-quinase. A entrada da galactose na via glicolítica é a mais complexa dos mossacarídeos. A galactose é fosforilada pela galactoquinase a galactose-1-fosfato. A conversão de galactose-1-fosfato a glicose-1-fosfato, envolve um conjunto de reações. A glicose-1-fosfato é então convertida a glicose-6-fosfato pela fosfoglicomutase. 
Conclusão
	A glicólise é a via catabólica pela qual uma molécula de glicose é quebrada em duas moléculas de piruvato, produzindo duas moléculas de ATP e de NADH. Ocorre no citosol e pode ser aeróbica ou anaeróbica. Quando o piruvato é metabolizado na ausência de oxigênio, pode produzir lactato ou álcool etílico. Outros monossacarídeos como a frutose, manose e galactose também são oxidados via glicólise. A glicólise é regulada principalmente pela regulação alostérica das enzimas das etapas irreversíveis, garantindo assim o suprimento adequado de ATP, uma vez que a glicose é o principal combustível e para algumas células e tecidos, o único combustível.