Bioquímica II Aula Glicólise e Fermentação

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Metabolismo do Carboidrato: Glicólise e Fermentação
Começamos metabolismo e dentro do metabolismo a gente viu que ocorre atividades que são altamente coordenadas e organizadas fazendo com que ocorra uma regulação precisa entre os estados alimentados. Podemos estar em estado alimentado ou em jejum, mais a frete veremos que o jejum pode ocorrer algumas modificações, podemos estar em jejum curto, jejum de 8 ou jejum prolongado. Mas dentro de cada um desses estados metabólicos podemos distinguir vias distintas, vias catabólicas que ocorre quando o indivíduo está em estado de jejum, quando requer energia, então, no catabolismo geralmente acostuma acontecer processos oxidativos para liberar energia a partir de biomoléculas. E o anabolismo acostuma acontecer quando o indivíduo estar em estado alimentado, quando as vias de biossíntese acontecem. Vamos ver que existe uma exceção aí de uma via de síntese que acontece no jejum, mas vamos entender o porquê. E afunilando perceberemos as vias metabólicas e dentro delas vamos ter as reações enzimáticas. Considerando as vias metabólicas, estudaremos as vias relacionadas a carboidratos proteínas e lipídios.
Aqui nós começamos uma via de catabolismo de carboidrato, que é a glicólise. Nos vimos que a glicose ocorre numa sequência de 10 passos só que esses 10 passos estão associados a 2 fases. A primeira fase é chamada de “Fase de investimento ou de preparação” pois é nessa fase que se gasta ou investe energia, notamos que são investidos 2 ATP do para fosforilar intermediários da via glicolítica, que percebemos que é um passo crucial a fosforilação. Logo de cara quando a glicose entra na célula ou é clivada a partir do glicogênio ela recebe um grupamento fosfato garantindo sua permanência na célula consequentemente na via glicolítica, nós vimos que todos os intermediários são fosforilados para ter essa garantia já que o grupo fosfato possuem carga negativa e compostos ionizados não consegue atravessar a membrana interna da célula consequentemente ficam retidos nela. Existe uma fase crucial nessa fase de investimento que é a clivagem da molécula de frutose que já está na forma de frutose formando 2 trioses, é esse quarto passo que vai dá nome a via, porque vai ocorrer a lise da frutose 1,6-BF formando diidroxiacetona fosfato e gliceraldeido 3- fosfato. Logo após o 4 passo, ocorre uma Interconversão de diidroxiacetona-P em gliceraldeido-3-P, isso ocorre pela especificidade da enzima determinando a 5 reação, a sexta reação acontece pela ação da gliceraldeido 3- fosfato desidrogenase que determina como substrato especifico o gliceraldeido -3 P e assim encerra a fase preparatória. O que temos no final dessa fase é o gasto de duas moléculas de ATP e a formação de dois gliceraldeido 3-fosfato.
Agora entramos na fase de pagamento e esta é importante porque até então só houve gasto e essa via é uma via catabólica que tem como objetivo gerar energia, se parasse por aí não fazeria sentido porque só gastou energia, vem então a fase de pagamento para compensar o que foi gasto na fase preparatória e ainda sim liberar de forma líquida moléculas de ATP. Nessa fase temos a liberação em termos energéticos de 4 moléculas de ATP mais dois NADH (reduzido), além dos piruvatos que é uma molécula energética. Então em termos energéticos nós temos a formação de duas moléculas de piruvato e duas moléculas de ATP mais duas de NADH reduzido. 
Reações da via glicolítica
A molécula de glicose passa primeiro por uma fosforilação, e quem vai doar o fosfato é o ATP, entra ATP e sai ADP, e vai formar uma molécula chamada glicose 6-fosfato, que tem esse nome porque o fosfato se liga ao carbono 6 da glicose. A enzima que realiza esse processo recebe o nome de hexoquinase, hexo porque a glicose é uma hexose, e quinase porque enzima que fosforilam recebem esse nome, outro nome também dessa enzima é glicoquinase.
A segunda reação que é um perfil de uma via metabólica, em que um produto de uma reação passa a ser o substrato da enzima seguinte. Então a glicose-6-P, vai passar por uma isomerização, ela é uma aldose e vai formar uma cetose, frutose-6-P, é uma isomerase que vai isomerizar uma glicose fosforilada, a enzima, portanto se chama fosfohexose isomerase.
Na terceira reação ocorre uma fosforilação da frutose-6-fosfato, que passa a ser chama de frutose-1,6-BF, o fosfato adicionado vem do ATP que entra e sai ADP, o nome da enzima que realiza esse processo é a PFK1 (fosfofrutoquinase).
Para a quarta reação a frutose1,6-BP passa a ser substrato da enzima aldolase, que promove uma clivagem da frutose1,6-BF em duas trioses, Gliceraldeido 3-fosfato e Diidroxiacetona-P. Mas para que a via continue tem que haver uma conversão da diidroxicetona-P em gliceraldeiido3-P, pois a enzima seguinte só consegue utilizar o gliceraldeido-3P.
Então a quinta reação começa com a Diidroxicetona-P que vai ser isomerizada e convertido em Gliceraldeido pela Triose fosfato isomerase. Assim encerra a fase de investimento com o gasto de duas moléculas de ATP. As reações 2,4,5 são todas reversíveis, já a 1 e a 3 são irreversíveis devido ao gasto de ATP. 
A sexta reação começa com dois gliceraldeidos, essas moléculas vão ser desidrogenadas e fosforiladas, os fosfatos parti do meio, são fosfatos inorgânicos diferente do que ocorre na 1ª e na terceira reação, além disso como está acontecendo desidrogenação ou liberação de elétrons, quem os recepciona é o NAD, portanto o NAD entra oxidado e sai reduzido (NADH), formando um composto chamado de 1,3 bifosfoglicerato, a enzima que catalisa essa reação é a gliceraldeido-3P desidrogenado.
 Na sétima reação o 1,3 bifosfoglicerato é convertido em 3-fosfoglicerato, nessa reação ocorre uma fosforilação a nível de substrato no ADP, é doado um fosfato o 1,3bifosfoglicerato para o ADP e este é convertido em ATP, a enzima que realiza esse processo é a fosfoglicerato quinase.
Na oitava reação o 3-fosfoglicerato é convertido em 2-fosfoglicerato, ocorre, portanto, uma isomerização que só muda a posição do fosfato realizada pela fosfoglicerato mutase. Percebemos que tem um intermediário na reação e ela não é simples pois a enzima tem que estar fosforilada para que ela fosforile o 3-fosfoglicerato transformando ele em 2,3 bifosfoglicerato, depois ela tira o fosfato do 3 e fica para ela formando o 2-fosfoglicerato.
A nona reação ocorre a partir de 2 moléculas 2-fosfoglicerato que formam duas moléculas de fosfoenolpiruvato, e sai 2 moléculas de agua, realizada pela enolase 
Na decima reação ocorre a conversão de fosfoenolpiruvato em piruvato, aqui novamente ocorre uma fosforilação a nível de substrato, vão entrar duas moléculas de ADP e vão sair duas moléculas de ATP e a enzima é chamada de piruvato quinase.
Temos, portanto, a liberação de 4 moléculas de ATP na fase de pagamento considerando os 2 gastos na fase de investimento, temos um saldo de 2 moléculas. As reações que são irreversíveis na 2º fase é só a decima, todas as outras ocorrem em sentido contrário. 
Um evento importante que vai acontecer em várias vias metabólicas é a canalização dos substratos, esse processo é importante por que vai favorecer as reações, fazendo com que as reações ocorram de maneira mais rápida e a via com o todo, impedido que o produto formado se perca no meio já que o citoplasma é uma solução aquosa. Aqui temos uma comparação da reação catalisada pela gliceraldeido-3P desidrogenase e da fosfoglicerato quinase, então o que acontece se tiver a canalização e se não tiver a canalização. Aqui nós observamos que as enzimas estão bem distantes uma da outra a gliceraldeido-3P desidrogenase e a fosfoglicerato quinase, nesse processo quando o gliceraldeido-3P passa por uma fosforilação ou desidrogenação formando 1,3-bifosfoglicerato, ele sai do sitio ativo da enzima e é lançado para o meio, o citosol uma solução aquosa e fica lá até encontrar a fosfoglicerato quinase, isso pode demandar um certo tempo, pois a enzima pode não estar próxima e ele pode se perder no meio até encontrar a enzima, então o processo ocorre maislentamente, ai encontrou ele converte o 1,3-bifosfoglicerato em 3-fosfoglicerato libera ADP e realizou o processo. Agora quando tem canalização as enzimas estão bem juntinhas não estão ligadas covalentemente, mas estão bem próximas, e isso permite que o produto gerado pela primeira enzima, gliceraldeido-3P desidrogenase, caía imediatamente no sitio ativo da fosfoglicerato quinase.
O que é canalizar substrato? Isso aconteceu evolutivamente, onde as enzimas ficaram bem próximas umas das outras. Estando bem próximas, o produto intermediário vai sendo produzido e imediatamente vai entrando no sítio ativo da outra enzima, o que torna o processo mais rápido. Se elas tivessem distantes, o que iria acontecer? O produto seria liberado, iria para o meio (citoplasma) e ficaria lá, porque o produto ao é flagelado, ou seja, não tem como se movimentar em direção a um ponto específico. Desse modo, ficaria lá até, por meio dos movimentos da água e do citoplasma, se encontrar com a sua enzima, o que demandaria mais tempo. Nem todas as enzimas estão canalizadas, ou seja, nem todas as enzimas estão juntinhas, mas a maioria das enzimas da glicólise está,fazendo com que ela aconteça mais rápido, disponibilizando ATP de uma maneira mais rápido.
Outro ponto importante é com relação à hexoquinase, que tem uma característica bem peculiar. Qual é o substrato da hexoquinase? A glicose e o ATP. Onde é a fonte de ATP dentro da célula? Na mitocôndria. E o que a hexoquinase faz? Fica na parede da mitocôndria externa da mitocôndria, esperando sair o ATP pra se ligar a ele, porque é lá que ocorre o bombeamento de ATP para o citoplasma. Depois de se ligar ao ATP, ela fosforila a glicose. 
Então a gente observou como a glicose é convertida em 2 moléculas de piruvato por meio dessas 10 reações seqüenciais. Uma vez que é formado esse piruvato, ele pode ter diferentes destinos dentro da célula. Se o indivíduo estiver conduzindo um processo de respiração, a glicólise é apenas a primeira etapa da respiração celular. Uma vez que esse piruvato é formado, será destinado ao Ciclo de Krebs, sendo transformado em acetil-CoA. Durante o Ciclo de Krebs ocorre a liberação de coenzimas reduzidas (NADH e FADH2), que vão para a cadeia transportadora de elétrons para reduzir o oxigênio e liberar água. Durante o Ciclo de Krebs ocorre a liberação de gás carbônico. Na respiração, nós consumimos O2 (consumido durante a cadeia transportadora de elétrons) e liberamos CO2 (liberado durante o Ciclo de Krebs). 
Mas acontece que, alguns organismos, no nosso caso, por exemplo, existem algumas condições em que o O2 não está presente: atividade celular intensa ou células que não conseguem utilizar O2 por não ter mitocôndrias (glóbulos vermelhos). Nesse caso, nós partimos para uma via paralela, a fermentação lática. Existem algumas bactérias e fungos que podem conduzir outro tipo de fermentação, que é alcoólica, onde se libera etanol e CO2. 
A fermentação é uma via de degradação anaeróbica da glicose. Mas o que ela é? A via glicolítica mais um passo adicional (fermentação lática) ou dois passos (fermentação alcoólica). No nosso caso, nós conduzimos a fermentação no caso de hipóxia, isto é, na ausência de O2. Isso acontece muito na musculatura que está em atividade intensa e a velocidade de consumo de ATP é maior do que a velocidade com que o sangue chega pra liberar o O2 nos tecidos. Desse modo, a musculatura poderia ficar sem energia, e não fica porque segue na via paralela. 
Tem alguma coisa a ver com câimbra? Sim, porque ocorre a formação de ácido lático, a forma ionizada do lactato. Quando ele se acumula por muito tempo, ocorre dores características desse acúmulo do ácido. Só que nosso corpo recupera isso, algumas pessoas sentem, outras não. 
Além de nós, parte de plantas submersas fazem a fermentação pelo fato de estarem muito no interior do solo e de lá não haver O2 presente. Bactérias (algumas são estritamente anaeróbicas e outras facultativas) e leveduras também. E é importante por conta do NAD. O NAD e o FAD são coenzimas com concentração baixa dentro da célula, pois não conseguimos ter uma quantidade muito grande dessas coenzimas. Consequentemente o que acontece? Na 6ª reação da via glicolítica, o NAD é utilizado na forma oxidada e liberado na forma reduzida. Se ficar muito NAD reduzido na célula, o que pode acontecer com a via glicolítica? É inibida porque não tem como acontece a 6ª reação (que é onde o gliceraldeído-3-P doa um par de elétrons ao NAD oxidado – NAD+). Se não tiver como regenerar esse NAD, que acontece em condições aeróbicas lá na cadeia transportadora de elétrons ou em condições anaeróbicas na fermentação, nós não teríamos como conduzir mais a via, ou seja, ela pararia. 
E o meio ácido também pode influenciar nessa paralisação? Poderia na questão da atividade enzimática. Se você tem uma acidez no citoplasma, por exemplo, pelo acúmulo de ácido lático, as enzimas podem ser inibidas, já que elas atuam em pH 7. 
O NAD, ao liberar H+, poderia deixar o meio ácido? Poderia, só que aí tem um balanço, porque a gente tem uma bomba de prótons, juntamente com o fosfato, aí isso é mais difícil de acontecer. 
A fermentação, então, é importante nesse sentido, porque regenera o NAD e produz lactato, que é um precursor gliconeogênico. A gente pode utilizar esse lactato para formar novas moléculas de glicose. Bom, então nós e outros organismos fazemos a a fermentação lática. 
O piruvato formado na glicólise vai passar por uma redução. o NAD reduzido na 6ª reação vai agora devolver os prótons para o piruvato. Então a lactato desidrogenase vai catalisar a desidrogenção do NAD reduzido para o piruvato, que vai receber esses hidrogênios, sendo convertido em lactato. E essa é a fermentação lática. 10 passos da glicólise + 1 passo adicional para a formação do lactato. Então percebam que é extremamente importante, além da formação de lactato, esse processo de regeneração do NAD. Então, na via glicolítica nós consumimos NAD oxidado e liberamos o NAD reduzido e o piruvato. Durante a fermentação, nós utilizamos o NAD reduzido e liberamos o NAD oxidado e o lactato e isso acontece continuamente, possibilitanto que a via glicolítica não pare e continue produzindo os dois ATPs durante a fermentação. É pouco, mas é o que temos para aquele momento de ausência de O2. 
Como o NAD vai ser regenerado a respiração? O NADH é produzido no citoplasma e encaminhado para a cadeia transportadora de elétrons que ocorre na mitocôndria. Ele vai passar por meio de uma lançadeira, que nós vamos ver depois, que é um transportador que fica na membrana da mitocôdria, porque ele não tem como passar diretamente pela membrana. Ele vai ser lançado para dentro da mitocôndria. Lá na cadeia, esse NAD vai doar os elétrons para um complexo da cadeia e os prótons são, consequentemente, liberados e ele é oxidado. Ai ele volta para o citoplasma para participar da glicólise novamente. Só que isso é tão contínuo que, a célula quando está fazendo glicólise, embora o NAD esteja em baixas concentrações, ela vai ter sempre uma quantidade pequena para ser usada enquanto os outros estão sendo regenerados. 
O lactato está sendo produzido principalmente na musculatura e nos glóbulos vermelhos. O que acontece? O músculo não recupera lactato. aí esse lactato é lançado na corrente sanguínea, vai para o fígado e lá, por meio da gliconeogênese, é convertido em glicose. É o chamado Ciclo de Core (não sei como se escreve, portanto escrevi assim). Depois, o fígado lança a glicose na corrente sanguínea, que a encaminha para o músculo, que faz novamente a fermentação lática, libera o lactato, que vai para o sangue e do sangue para o fígado... e por aí vai. A gente percebe que não se perde e nem se ganha NAD, apenas acontece uma reciclagem. 
A fermentação alcoólica não acontece em nosso organismo. Na fermentação alcoólica, vamos perceber 2 passos adicionais depois da formação do piruvato. Então no primeiro passo, o piruvato sofre uma descarboxilação. A enzima que faz isso é a piruvato descarboxilase. Elafaz isso utilizando TPP que é uma coenzima derivada da vitamina B1 (tiamina). Aí ela (tiamina) vai sofrer uma pirofosforilação, sendo convertida em tiamina pirofosfato (TPP). A TPP vai aparecer em outras etapas do metabolismo. 
A TPP é muito importante para a piruvato descarboxilase. Quando o piruvato sofre essa descarboxilação, é convertido em acetaldeído e libera CO2. Depois, ocorre uma redução, onde o acetaldeído é reduzido a etanol, utilizando aquele NADH produzido durante a 6ª reação. A enzima que catalisa essa reação é a álcool desidrogenase. Então, tanto na fermentação lática quanto na alcoólica ocorre a regeneração dos NADs e libera a mesma quantidade de ATP. 
O que nós percebemos na relação entre H e C comparando hexoses e as trioses que são formadas durante os processos fermentativos? Na glicose (C6H12O6), a relação de H e C é 12:6, ou seja, 2:1. No lactato (C3H6O3), a relação é também 2:1. Já no etanol (C2H6O), a relação é 3:1, ou seja, não bate com a mesma relação da glicose. Mas se considerarmos todos os produtos finais da fermentação, temos, além do etanol, o CO2 e ao somarmos, a relação vai ser a mesma.
Nós não conseguimos produzir o álcool por não termos a piruvato descarboxilase. Mas nós conseguimos metabolizar o álcool. Então, ao ingerirmos o álcool, ele é metabolizado em quantidades razoáveis. Para o álcool ser metabolizado, nós vamos perceber uma reação contrária da que acontece na fermentação alcoólica e semelhante ao que acontece na fermentação lática. O etanol passa por uma reação catalisada pela álcool desidrogenase, mas o sentido é contrário. Utilizando NAD oxidado, liberando NAD reduzido e acetaldeído. O acetaldeído vai passar novamente por uma desidrogenação, em que o NAD vai liberar o NAD reduzido e a acetaldeído desidrogenase catalisa essa reação, formando o acetato. O acetato é convertido em acetil, que entra no Ciclo de Krebs, produz as enzimas reduzidas e aí tudo bem. 
Se a ingestão de álcool for intensa, ocorre a utilização de muito NAD oxidado. Muito NAD oxidado vai inibir qual via? Glicólise. Então, o álcool afeta o metabolismo em diversas reações, inclusive a glicólise no sentido do metabolismo de coenzimas reduzidas. Para reverter essa situação, o organismo teria que, por exemplo, fazer gliconeogênese. E justamente por isso que se ingere glicose.
Outro tipo de fermentação que pode acontecer é a fermentação do amido com a liberação de glutanol, acetona, metanol, ácido fórmico... Então outros produtos podem ser formados a partir de fermentação alcoólica a depender do organismo que está fermentando e do substrato a ser usado. A fermentação é extremamente importante na indústria para a produção de bebidas, iogurte, o queijo, a cerveja, o vinho, entre outros. 
Por que uma via “ineficiente” na produção e ATP é tão amplamente usada em nosso organismo? Porque ela é uma via alternativa a ser usada na ausência de O2. Em condições aeróbicas, o piruvato vai para a mitocôndria e é convertido em acetil-CoA, que entra no Ciclo de Krebs, contribuindo para a formação de coenzimas reduzidas e liberando CO2. Essas coenzimas reduzidas vão para a cadeia transportadora de elétrons e lá vão contribuir para a liberação desses elétrons e vão contribuir para a força eletromotriz, que é aquele bombeamento de prótons do espaço da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, fazendo com que o retorno dos prótons para dentro da matriz promova a síntese de ATP, que é o final. Na verdade, é a chegada dos elétrons até o O2, que vai ser reduzido a H2O e a promoção da síntese de ATP.
Aí a gente faz um comparativo entre o que nós consumimos em termo de glicose e o que nós liberamos em termos de ATP nas condições anaeróbicas e nas condições aeróbicas. No processo anaeróbico, a velocidade e a quantidade de glicose consumida é muito maior do que nas condições aeróbicas. Como produz menos energia, a gente tem que usar mais glicose. Se a quantidade de glicose utilizada para a produção de ATP, se a gente comparar que a produção de ATP, em condições aeróbicas, são 32 molóculas e em condições anaeróbicas são 2, eu tenho que consumir muito mais glicose para chegar nas 32 moléculas que são produzidas nas condições aeróbicas. E consequentemente, a velocidade com que a glicólise anaeróbica acontece é muito mais rápida do que a aeróbica. Porque nós vimos que para a glicólise anaeróbica acontecer são 11 passos e para a aeróbica acontecer são 10 passos da via glicolítica, 1 passo da conversão de piruvato em acetil-CoA, esse acetil entra no ciclo de Krebs, dá uma volta em 8 reações; depois as coenzimas reduzidas vão para a cadeia transportadora de elétrons pelo menos com 4 passos adicionais até a formação de ATP. Percebam, são 3 vias para que a gente consiga produzir 32 ATP. Em condições anaeróbicas não, é só uma via mais um passo adicional. Para chegar na mesma quantidade de moléculas de ATP produzidas na respiração, são necessárias 15 a 16 moléculas de glicose. 
A gente considera essas quantidade por causa das lançadeiras que transferem o NAD. A gente vai perceber que isso vai gerar a quantidade diferente porque as lançadeiras utilizam mecanismos diferentes de transporte. Mas o rendimento padrão é 32 ATP, podendo ser 30 ou 33. Se a gente considerar que a molécula de glicose foi liberada a partir do glicogênio, a gente tem uma molécula de ATP adicional porque a molécula de glicose quando é clivada, a partir do glicogênio, é liberada a glicose fosforilada e não tem gasto de ATP. É como se tivesse economia de ATP, considerando a 1ª reação da via glicolítica.