Metabolismo de Glicose e Glicólise

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Glicólise
Liz Schettini e Nathália Oliveira
Bioquímica
 Para cada molécula de glicose que entra na célula, no final temos duas moléculas de piruvato. Essa via bioquímica é chamada de via central do metabolismo de glicose, e acontece no citosol de todas as células. Ela consiste em 10 reações, hoje vamos estudar 3, que são as reguladas, permite que através da regulação hormonal a via aconteça ou não aconteça através da regulação hormonal que aquele organismo está sendo submetido. 
 Nosso organismo armazena glicose em grânulos de glicogênio (vesículas de glicogênio nos hepatócitos). Uma pessoa em jejum, na imagem: jejum de 24h, há a redução desses grânulos. Armazenamos em forma de glicogênio porque a glicose em sua forma pura (a glicose livre) tem uma osmolaridade muito grande e isso pode danificar os tecidos em ambiente intra e extracelular, principalmente intra. Ao armazenar precisamos armazenar em forma de glicogênio justamente para prevenir essa alteração de osmolaridade – dentro da célula a glicose é capaz de se ligar a proteínas e fazer com que elas percam sua funcionalidade bioquímica – as ligações que ligam as glicoses para formar o glicogênio faz com que a osmolaridade diminua infinitamente. 
 Nós ingerimos o carboidrato da dieta, que será degradado por enzimas específicas nos enterócitos, e só absorvemos monossacarídeos: glicose, frutose e galactose. Temos transportadores diferenciados nas membranas apical e basolateral, que podem ser GLUTs OU SGLT1 nos enterócitos e SGLT2 nos túbulos renais. 
 Após a absorção, esses monossacarídeos serão encaminhados para o fígado, porque precisam ser convertidos em glicose para serem usados como energia. O excesso de glicose pode ser estocado como glicogênio ou como triglicerídeos, que se necessário, estará envolvido na gliconeogênese (produção de glicogênio endógeno). Alguns transportadores importantes que ela citou:
· GLUT5: galactose, frutose
· SGLT1: glicose apenas. Funciona através do acoplamento com a bomba Na+/ATPase, ou seja, na parte basolateral da célula.
· GLUT2: glicose, frutose e galactose (não-seletivo). 
 OBS.: o SGLT1 é seletivo apenas para glicose, e faz o transporte de glicose acoplado ao sódio, esse transporte é bastante significativo. Esses transportadores, SGLT1 e SGLT2 (que está localizado na membrana dos túbulos renais), são alvos de medicamentos anti-diabéticos), somente os espermatozoides conseguem utilizar frutose como fonte de energia – as outras precisam ter apenas glicose, então a frutose e a galactose devem ser transformados em glicose. 
 Os destinos da glicose, além da via glicolítica, temos a via alternativa (via pentose-fosfato; produz intermediários significativos + pentose, ribose e desoxiribose). Todo o conteúdo de glicose ingerido sofre regulação: uma parte será usada na via glicolítica (dependente da regulação insulina-glucagon), uma parte vai para a via das pentoses-fosfato (independente da célula estar em um processo de divisão celular, os intermediários dessa via serão importantes para a célula, mesmo que ela esteja em G0 – e uma outra parte vai ser estocada) e outra parte será estocada como glicogênio, ou seja, a glicose pode seguir 3 caminhos diferentes. 
 Como resultado da via glicolítica, teremos a formação de 2 piruvatos, que podem ser utilizados em várias formas (dependendo do organismo), sendo a principal o ciclo de Krebs, onde o piruvato será transformado em acetil, para dar início a parte de respiração celular na mitocôndria. Em condições de anaerobiose (que não é nosso caso, obviamente) o piruvato é transformado em ETANOL (é o princípio de transformar uva em vinho). Já em anaerobiose parcial (deficiência de O2 em alguns tecidos), o piruvato é convertido em lactato (que também pode ser utilizado como fonte de energia). 
 A via glicolítica:
 São 10 reações, que são divididas em duas fases, uma preparatória e outra paradora OU reparadora (não consegui ouvir). Temos uma molécula de 6 carbonos, clivada em duas moléculas com 3 carbonos. Essa clivagem precisa dar origem a duas moléculas iguais, então essa fase inicial prepara para a glicólise da molécula. Não pode quebrar no meio de qualquer forma para que a energia não se dissipe, as vias bioquímicas são necessárias por conta disso, para que não haja desperdício sem utilização energética. 
 Tem primeiro o preparo para que a molécula seja clivada em duas moléculas semelhantes. Na segunda fase, começamos com duas moléculas iguais que vão “devolvendo” a energia utilizada na primeira fase. A primeira, terceira e décima reação são as reações mais importantes para determinar o destino da glicose (se a glicólise realmente aconteceu naquela célula, se a célula terminou com 2 moléculas iguais ou se a célula destinou alguma molécula para ser reservada). Os seja, são sinais controle dessas enzimas para determinar se o processo está todo ok.Figura 1Payoff phase
Figura 2Fase preparatória
 A glicose é absorvida por diferentes GLUTS (Transportador bidirecional, coloca para dentro ou também pode tira-la para fora da célula. O GLUT4 é o único dependente de insulina e tem sua biderecionalidade questionada na literatura. As GLUT 1, 2,3 e 5 são bidirecionais, sempre atuando a favor do gradiente de concentração). Nos eritrócitos, uma grande quantidade de GLUT1 permite a intensa captação de glicose quando há um excesso de glicose no sangue. Os eritrócitos são capazes de fazer tanto a via glicolítica quanto a alternativa até a formação do piruvato ou transformar piruvato em lactato, eles 
não são capazes de fazer o ciclo de Krebs porque não têm mitocôndria.
 O tecido nervoso tem GLUT3 nas membranas – a maior parte da energia do tecido nervoso vem da captação da glicose plasmática (já que ele não tem reserva de glicogênio e não usa ácido graxo), além dos corpos cetônicos. Pode fazer tanto o ciclo de Krebs, quanto as vias das pentoses para produzir NADP (um dos intermediários citados acima). No tecido adiposo e muscular temos GLUT4, dependente de insulina, no TA temos a relação de conversão de piruvato em 2 moléculas de acetil (que serão pouco utilizados no ciclo de Krebs já que não é um tecido com gasto energético), que vão ser utilizado para ser transformados em colesterol e triglicerídeos, também faz via das pentoses para produzir o intermediário. No musculo tem muito ciclo de Krebs (tem gasto energético significativo), uma parte de piruvato às vezes é desviado para a formação de lactato, para suprir a necessidade energética, além das vias das pentoses e ciclo de Krebs (principalmente). No pâncreas, temos vários tipos de células, que vão produzir tanto insulina quanto glucagon que contrarregulam as enzimas das vias da glicólise. No pâncreas temos GLUT2, que vai ser o sensor para a produção de insulina, as células beta ficam no centro e depois as células alfa, chegou glicose captada pelo GLUT2, se inicia o estímulo para síntese e exocitose de grânulos já formados de insulina e, simultaneamente, a insulina é armazenada em grânulos/vesículas secretórias dentro da célula. 
Figura 6: Metabolismo da Glicose no Tecido Adiposo
Figura 3: Metabolismo da Glicose nos EritrócitosFigura 5: Metabolismo da Glicose no Neurônio
 A insulina é um hormônio que tem duas subunidades: alfa e beta, quando é sintetizada tem o peptídeo C que une as cadeias alfa e beta, ele não tem função biológica, mas é exocitado junto com a insulina, então para saber se o paciente é DM 1 ou 2, nós dosamos o peptídeo C – meia vida bem mais alta, 24H. Se ele não tiver peptídeo C, ele é DM1. Nunca um paciente do tipo 2 vira tipo 1, mesmo com a falência pancreática, a DM1 é a depleção completa de células pancreáticas de uma vez só, reação imunológica (ou seja, a meia-vida do peptídeo C é utilizada como um biomarcador -> se ele é detectado o paciente tem DM2, se não é detectado podemos caracterizar como DM1) 
 Temos as duas subunidades de insulina (que perde o peptídeo C quando a molécula de insulina é liberada na corrente sanguínea). Esse hormônio age no seu receptor específico, que também tem duas subunidades,alfa e beta, a beta é transmembrana e intracelular – a insulina não entra na célula, se liga ao receptor para ativação de segundo mensageiros. Quando ela se liga, a tirosina quinase é fosforilada, essas múltiplas fosforilações de tirosina ativam os substratos do receptor de insulina – IRSS – que faz o transporte de GLUT para a membrana (GLUT4). A insulina tem regulação indireta ou direta das enzimas da via glicolítica, nas outras GLUTS que NÃO são dependentes de insulina – promovendo a ativação ou desativação de algumas enzimas e regula a quantidade dos receptores na membrana. A insulina também é mitogênica, fazendo a ativação nuclear sobre fatores nucleares de transcrição gênica e promove atividade mitogênica. Ela é quase um fator de crescimento. A insulina: 
1. Fusiona a GLUT4 a membrana 
2. Ativa e desativa enzimas 
3. Promover fatores nucleares de transcrição genica e diferenciação celular – atividade mitogenica.
 Obs.: A Glicólise é via metabólica onde a glicose é convertida em piruvato. 
 A Regulação da glicólise: 
Primeira reação -> (hexoquinase ou glicoquinase 4)
 A glicoquinase 1,2 e 3 são inespecíficas, agem em qualquer molécula de monossacarídeo, a 4 é específica para glicose, é a que tem o maior KM. Ela está no fígado. Outra propriedade 60% da insulina secretada pelo pâncreas é retida pelo fígado, se tem muita insulina no fígado e toda a glicose passa primeiro por lá, não conseguiríamos levar glicose para o resto do corpo, por isso é importante ter o KM alto na hexoquinase do fígado. O fígado não usa glicose como fonte de energia primário, usa a glicose para armazenamento. A hexoquinase fosforila a glicose, coloca um fosfato na molécula. A GLUT só é bidirecional para a glicose livre e não para a glicose com fosfato, por isso a G-6P (glicose 6 fosfato) é mantida dentro da célula. O objetivo dessa primeira reação é manter a glicose dentro da célula. Ela é uma reação de manutenção, a partir daí que a célula “engana” o GLUT e mantém a glicose. 
 OBS.: o fosfato é um produto nobre entre as células, ele é o único produto que não é trocado por elas, por isso a ligação da glicose com ele engana o transportador.
Terceira reação: (bifosfatação)
 Após a segunda reação, a isomeria, a terceira reação acontece por conta de uma enzima FFQ1 (Fosfofrutoquinase 1) que é alostérica (regulada por outros produtos que não são semelhantes ao seu sítio catalítico), então ela vai agir nas células, tendo uma regulação positiva pela deficiência de energia, e negativa pela presença de energia. AMP e ADP são os reguladores positivos (já que mostram que tem pouca energia na célula) e o ATP e Citrato são os reguladores NEGATIVOS dessa enzima. Mesmo a glicose sendo mantida na célula eu ainda vou regular, porque a glicose pode ser encaminhada para a pentose-fosfato, pode ser armazenada como glicogênio, mas não vamos produzir ATP desnecessariamente porque não conseguimos armazenar o ATP. 
 Obs.: toda vez que tivermos uma molécula quinase numa reação ela estará doando fosfato para a molécula, ela fosforila a substância. 
 A baixa de ATP aumenta a atividade catalítica da exoquinase, enquanto que a alta de ATP diminui a atividade catalítica. Toda quinase (nesse caso é a exoquinase) doa fosfato para outra molécula, o produto dessa reação é FRUTOSE 1,6 BIFOSFATO. Então duas moléculas de fosfato vão ser acopladas ao produto dessa reação, a frutose surge porque na segunda reação a glicose é transformada em frutose, então houve a transformação de GLICOSE 6 FOSFATO em FRUTOSE 6 FOSFATO. Esse fosfato vem do ATP. Então eu já gastei 1 ATP na primeira reação e agora vou usar outro ATP para fazer a ação de da FFQ1, acrescentando mais um fosfato gerando a FRUTOSE 1,6 BIFOSFATO. Gastando o segundo ATP temos uma relação de comprometimento (uma vez que bifosfatou, você tem o compromisso de devolver esse ATP para a célula) dessa molécula de glicose/frutose com a via glicolítica. 
 Tem outra regulação adicional para a FFQ1 (já não podemos regular a enzima somente pela presença ou ausência de ATP) onde a insulina e o glucagon estão envolvidos. Até aqui (até a formação da FRUTOSE 1,6 BIFOSFATO) é bidirecional, algumas células têm a fosfofrutoquinase para reverter essas reações. O que vai acontecer com essa enzima agora? A FFQ1 não tá comprometendo a formação da FRUTOSE 1,6 BIFOSFATO? Ela precisa ser regulada por outra enzima: a FOSFOFRUTOQUINASE 2 FFQ2. Ela não está na via glicolítica, ela produz a FRUTOSE 2,6 BIFOSFATO (um regulador alostérico positivo da FFQ1, estimulando a ação da FFQ1). 
 A FFQ2 tem DUAS! subunidades catalíticas, um é quinase o outro é fosfatase (consegue dar fosfato e tirar fosfato) Como ela é regulada? Pela insulina e pelo glucagon. A insulina vai ativar a sua subunidade FOSFATASE e vai fazer DESFOSFORILAÇÃO. A atividade da FOSFATASE tem um fosfato inativando a enzima, a insulina vem e quebra esse fosfato, e o coloca na parte QUINASE e aumenta a atividade quinase, disponibilizando o fosfato para a segunda fosforilação da FRUTOSE 6 FOSFATO (resumindo: a insulina tira o fosfato de uma subunidade e manda para a outra, para que essa outra possa doar pra o produto da reação). Que faz um aumento do seu produto – bifosfatação da frutose. 
 A insulina ativa a capacidade da enzima de produzir o seu produto (frutose 2,5 bifosfato). A quinase em atividade, produz o produto, então é positivo para a via glicolítica. O glucagon faz o contrário, deixa o fosfato na subunidade FOSFATASE, ele vai fosforilação da subunidade FOSFATASE, mantendo o fosfato. A ação da FFQ1 e FFQ2 agem de forma concomitante sob a ação da insulina. A FFQ1 tem duas regulações: presença/ausência de ATP, e a FRUTOSE 2,6 BIFOSFATO (regulação positiva) – que vem em consequência da presença de insulina, que promove o aumento da ação quinase da FFQ2.
Décima reação: (ação da enzima piruvato-quinase). 
 É a reação que converte o PEP (fosfoenolpiruvato) em PIRUVATO, através da PIRUVATO-QUINASE. Essa enzima será ativada pelo produto da terceira reação (no caso, a FRUTOSE 1,6 BIFOSFATO) e o glucagon que tem atividade fosfatase pelo segundo mensageiro (PKA), vai inativar a proteína quinase, vai inativar a PIRUVATO-QUINASE, deixando na célula muito PEP na célula, impedindo a conversão. Se eu parar em PEP, a partir de PEP eu posso voltar para o início das reações, conseguimos voltar de PEP para GLICOSE 6 FOSFATO (gliconeogênese). Quando sobra carboidratos e temos muito ATP na célula, ficamos em PEP. O piruvato pode formar acetil, lactato ou álcool. A partir de acetil eu posso voltar para a GLICOSE, mas isso aumenta TRÊS reações, e uma entrada na mitocôndria. Quem inativa a ação da PIRUVATO QUINASE é o GLUCAGON (ativador negativo). O glucagon vai quer GLICOSE e não PIRUVATO. Voltando da PEP tudo o que foi feito por uma quinase, será agora feito por uma fosfatase. 
 Então é melhor parar na nona reação do que produzir ATP desnecessário na célula, a décima só acontece se a célula precisa de mais energia. OBS.: das 10 reações somente essas 3, que são reguladas, são irreversíveis, as outras 7 todas são reversíveis.
A primeira, terceira e décima são irreversíveis, quando voltamos do PEP para a GLICOSE, na terceira reação e na primeira reação (que são irreversíveis) vai ocorrer a reação de forma diferente, não é uma reação simplesmente de retirada do que colocou. Todo estágio pré-diabético é hiperinsulinêmico e ao mesmo tempo produz muito glucagon em resposta.
PRODUTOS DAS REAÇÕES: 
-> 1ª REAÇÃO – G6P
-> 2ª REAÇÃO – FRUTOSE 6 FOSFATO (PRODUTO DE ISOMERIA) – acontece de forma espontânea através da frutose-isomerase – NÃO PRECISA SABER, MAS AJUDA A ENTENDER O RACIOCÍNIO.
-> 3ª REAÇÃO – FRUTOSE 1,6 BIFOSFATO (coloco mais um fosfato para que a ela tenha EQUILIBRIO entre os lados da molécula)
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-> 9ª REAÇÃO – FOSFOENOLPIRUVATO (PEP) – a presença de FRUTOSE 1,6 BIFOSFATO promove uma aceleração das reações que darão origem ao piruvato. Há uma regulação da nona para a décima reação.
-> 10ª REAÇÃO – PIRUVATO.
 Falhas da via glicolítica: 
 É a via mais aplicada em tratamentoscontra o câncer, algumas falhas que podem ser usadas na proliferação das células neoplásticas.
1. Deficiências enzimáticas: como na DM, pela ação da insulina que está indiretamente ligada a via glicolítica (age na FFQ2 e seus substratos estão relacionados à ativação/inativação da exoquinase.
2. Acidose Lática: diminuição da glicólise e aumento do lactato sanguíneo, que vem de uma resposta de aumento energético muscular muito grande.
3. Cárie dentária: metabolismo anaeróbico, vai gerar lactato, vai destruir o esmalte e expor a dentina. Tá havendo muita produção de piruvato, que será convertido em ácido lático.
4. IAM: Falta de O2, promove intensa produção de lactato.
OTTO WARBURG – Nobel de 1930 – Tumores sólidos captadores de glicose. Propôs que tumores sólidos possuíam metabolismo predominantemente fermentativo. Se o tumor retém glicose, vou bloquear a via glicolítica das células neoplásicas – isoformas diferentes das enzimas dos tumores, toda glicose vai ser convertida em ATP nesse caso, o que é ruim, então bloqueiam-se a sua isoforma sem o comprometimento da via glicolítica normal. Nas nossas células normais a maior parte do piruvato vai para o ciclo de Krebs, e a menor parte para o lactato. Enquanto que no tumor é o contrário, alta produção de lactato.