12 Regulação Metabolica

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15.1 Regulação das vias metabólicas 588
15.2 Análise do controle metabólico 596
15.3 Regulação coordenada da glicólise e da gliconeogênese 601
15.4 Metabolismo do glicogênio nos animais 612
15.5 Regulação coordenada da síntese e da degradação do 
glicogênio 620
A 
regulação metabólica, tema central em bioquímica, é 
um dos aspectos mais marcantes dos organismos vivos. 
Entre os milhares de reações catalisadas por enzimas 
que ocorrem nas células, é provável que não exista uma que 
escape de alguma forma de regulação. Essa necessidade de 
regular cada aspecto do metabolismo celular se torna clara 
quando se examina a complexidade das sequências de rea-
ções metabólicas. Embora para o estudante de bioquímica 
seja conveniente dividir os processos metabólicos em “vias” 
que desempenham papéis distintos na economia celular, tal 
separação não existe na célula viva. Ao contrário, cada via 
discutida neste livro está indissociavelmente entrelaçada 
em uma rede multidimensional de reações com todas as 
outras vias celulares (Figura 15-1). Por exemplo, no Ca-
pítulo 14 foram discutidos quatro destinos possíveis para 
a glicose-6-fosfato em um hepatócito: degradação pela 
glicólise para a produção de ATP, degradação na via das 
pentoses-fosfato para a produção de NADPH e pentoses-
-fosfato, usados na síntese de polissacarídeos complexos da 
matriz extracelular, ou hidrólise em glicose e fosfato para 
repor a glicose sanguínea. Na verdade, a glicose-6-fosfato 
tem outros destinos possíveis nos hepatócitos; ela pode, por 
exemplo, ser usada para a síntese de outros açúcares, como 
glicosamina, galactose, galactosamina, fucose e ácido neu-
ramínico, para a glicosilação de proteínas, ou pode ser par-
cialmente degradada para fornecer acetil-CoA para a sín-
tese de ácidos graxos e esteróis. E a bactéria Escherichia 
coli pode usar a glicose para produzir o esqueleto carbônico 
de cada um dos seus vários milhares de tipos de moléculas. 
Quando uma célula qualquer utiliza a glicose-6-fosfato para 
um propósito, essa “decisão” afeta todas as outras vias nas 
quais esse açúcar é precursor ou intermediário: qualquer 
mudança na distribuição da glicose-6-fosfato para uma via 
afeta, direta ou indiretamente, o fluxo de metabólitos por 
todas as outras.
Tais mudanças na distribuição são comuns na vida das 
células. Louis Pasteur foi o primeiro a descrever o aumen-
to de mais de 10 vezes no consumo de glicose em uma 
cultura de leveduras quando a cultura foi transferida da 
condição aeróbia para a anaeróbia. Esse “efeito Pasteur” 
ocorre sem mudança significativa nas concentrações de 
ATP ou da maioria das centenas de intermediários meta-
bólicos e produtos derivados da glicose. Ocorre efeito se-
melhante nas células do músculo esquelético quando um 
corredor dispara na linha de largada. A capacidade da cé-
lula de executar simultaneamente todos esses processos 
metabólicos conectados – obter cada produto na quanti-
dade necessária e no tempo certo, diante de grandes per-
turbações do meio externo e sem gerar sobras – é uma 
impressionante realização.
Este capítulo utiliza o metabolismo da glicose para 
ilustrar alguns princípios gerais da regulação metabólica. 
Primeiro aborda as funções gerais da regulação na manu-
tenção da homeostasia metabólica e apresenta a análise do 
controle metabólico, um sistema de análise quantitativa de 
interações metabólicas complexas. Descreve as proprieda-
des reguladoras específicas das enzimas do metabolismo 
da glicose; no Capítulo 14 descreve as atividades catalíticas 
das enzimas da glicólise e da gliconeogênese. Também dis-
cute as propriedades catalíticas e reguladoras das enzimas 
da síntese e da degradação do glicogênio, um dos casos me-
lhor estudados de regulação metabólica. Observe que, ao 
selecionar o metabolismo de carboidratos para ilustrar os 
princípios da regulação metabólica, foi separado artificial-
mente o metabolismo das gorduras e dos carboidratos. Na 
verdade, essas duas atividades estão firmemente integra-
das, como será visto no Capítulo 23.
15
Princípios da Regulação Metabólica
588 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
15.1 Regulação das vias metabólicas
As vias do metabolismo da glicose fornecem, na direção ca-
tabólica, a energia essencial para se opor às forças de en-
tropia e, na direção anabólica, precursores biossintéticos e 
uma forma de armazenamento da energia metabólica. Essas 
reações são tão importantes para a sobrevivência que me-
canismos reguladores muito complexos evoluíram para as-
segurar que os metabólitos se desloquem ao longo de cada 
via na direção e na velocidade corretas para combinar exa-
tamente com as condições variáveis da célula ou do orga-
nismo. Quando as condições externas se alteram, são feitos 
ajustes na velocidade do fluxo metabólico ao longo de uma 
via completa por uma grande variedade de mecanismos que 
operam em escalas de tempo diferentes.
As condições mudam às vezes de forma drástica. Por 
exemplo, a demanda por ATP nos músculos de voo dos in-
setos aumenta 100 vezes em poucos segundos quando o in-
seto alça voo. Nos humanos, a disponibilidade de oxigênio 
pode ser reduzida devido à hipoxia (redução da liberação 
de oxigênio aos tecidos) ou à isquemia (redução do fluxo 
sanguíneo para os tecidos). As proporções relativas de car-
boidrato, gordura e proteína na dieta variam de acordo com 
a refeição, e o suprimento de combustíveis obtido na dieta 
é intermitente, o que exige ajustes metabólicos entre as re-
feições e durante períodos de jejum. A cicatrização exige 
Metabolismo de
outros aminoácidos
Metabolismo
dos aminoácidos
Metabolismo
dos lipídeos
Metabolismo dos
carboidratos
Metabolismo
energético
Biossíntese e
metabolismo de glicanos
Metabolismo de
cofatores e vitaminas
Metabolismo dos
nucleotídeos
VIAS METABÓLICAS
Biossíntese de
metabólitos secundários
Biodegradação de
xenobióticos
FIGURA 151 O metabolismo como malha tridimensional. Uma típica célula eucariótica tem a capacidade de produzir cerca de 30.000 proteínas dife-
rentes, que catalisam milhares de reações diferentes envolvendo muitas centenas de metabólitos, muitos deles compartilhados por mais de uma “via”. Nesta 
imagem resumida e muito simplificada das vias metabólicas, cada ponto representa um composto intermediário e cada linha de conexão representa uma 
reação enzimática. Consulte no banco de dados KEGG PATHWAY (www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01100.html) um diagrama do metabolismo 
mais realístico e muito mais complexo. Neste mapa interativo, cada ponto pode ser clicado para se obter dados adicionais sobre o composto e as enzimas das 
quais ele é substrato. A capa deste livro mostra as reações entrelaçadas que ocorrem na mitocôndria.
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 589
quantidades muito grandes de energia e de precursores 
biossintéticos.
As células e os organismos mantêm um estado 
estável dinâmico
Combustíveis como glicose entram na célula, e resíduos 
como o CO2 saem dela, mas a massa e a composição total 
de uma célula, de um órgão ou de um animal adulto não se 
alteram de modo significativo ao longo do tempo; as célu-
las e os organismos existem em um estado estável dinâmi-
co. Para cada reação metabólica em uma via, o substrato 
é fornecido pela reação precedente na mesma velocidade 
na qual é convertido em produto. Assim, apesar de a velo-
cidade (v) da vazão metabólica, ou fluxo, por essa etapa 
da via poder ser alta e variável, a concentração do subs-
trato, S, permanece constante. Assim, para a reação em 
duas etapas
quando v1 5 v2, [S] é constante. Por exemplo, alterações 
na v1 da entrada da glicose no sangue a partir de várias 
fontes é equilibrada por alterações na v2 da captação da 
glicose por vários tecidos a partir do sangue, de forma 
que a concentração do açúcar no sangue ([S]) se mantém 
quase constante em 5 mM. Isso é homeostasia no nível 
molecular. As falhasnos mecanismos homeostáticos são 
frequentemente a causa de doenças humanas. No diabe-
tes melito, por exemplo, a regulação da concentração san-
guínea da glicose é deficiente como resultado da falta ou 
da insensibilidade à insulina, com consequências clínicas 
profundas.
Quando a perturbação externa não é meramente tran-
sitória, ou quando um tipo de célula se transforma em 
outro, os ajustes na composição celular e no metabolis-
mo podem ser mais drásticos e requererem mudanças 
permanentes e significativas na alocação de energia e de 
precursores sintéticos, para alcançar um novo estado es-
tável dinâmico. Considere, por exemplo, a diferenciação 
de células-tronco em eritrócitos na medula óssea. A célu-
la precursora contém um núcleo, mitocôndrias, além de 
pouca ou nenhuma hemoglobina, enquanto o eritrócito 
totalmente diferenciado contém uma grande quantidade 
de hemoglobina, mas não tem núcleo nem mitocôndrias; a 
composição celular mudou permanentemente em respos-
ta aos sinais externos de desenvolvimento, que acompa-
nham as mudanças no metabolismo. Essa diferenciação 
celular requer uma regulação precisa dos níveis de cada 
proteína da célula.
Ao longo da evolução, os organismos adquiriram uma 
coleção admirável de mecanismos reguladores para a ma-
nutenção da homeostasia nos níveis molecular, celular e de 
organismo, o que se reflete na proporção de genes que co-
dificam a maquinaria reguladora. Nos seres humanos, cerca 
de 4.000 genes (,12% de todos os genes) codificam pro-
teínas reguladoras, incluindo uma grande variedade de re-
ceptores, de reguladores da expressão gênica e mais de 500 
proteínas-cinases diferentes! Em muitos casos, os mecanis-
mos reguladores se sobrepõem: uma enzima está sujeita à 
regulação por vários mecanismos diferentes.
A quantidade de uma enzima e sua atividade catalítica 
podem ser reguladas
O fluxo de uma reação catalisada por uma enzima pode ser 
modulado por alterações no número de moléculas da enzi-
ma ou por alterações na atividade catalítica de cada uma 
das moléculas já presentes na reação. Tais alterações ocor-
rem em uma escala de tempo de milissegundos até muitas 
horas, em resposta a sinais de dentro ou de fora da célula. 
Mudanças alostéricas muito rápidas na atividade enzimática 
em geral são desencadeadas localmente, por alterações na 
concentração local de uma molécula pequena – um subs-
trato da via na qual essa reação é uma das etapas (p. ex., 
glicose na glicólise), um produto da via (ATP da glicólise) 
ou um metabólito-chave ou cofator (como o NADH) que in-
dica o estado metabólico da célula. Segundos mensageiros 
(como AMP cíclico e Ca21) gerados intracelularmente em 
resposta a sinais extracelulares (hormônios, citocinas e as-
sim por diante) também controlam a regulação alostérica, 
em uma escala de tempo levemente mais lenta determina-
da pela velocidade dos mecanismos de transdução de sinal 
(ver Capítulo 12).
Os sinais extracelulares (Figura 15-2, Ê) podem ser 
hormonais (p. ex., insulina ou adrenalina) ou neuronais 
(acetilcolina), ou podem ser fatores de crescimento ou ci-
tocinas. O número de moléculas de determinada enzima em 
uma célula é função das taxas relativas de síntese e degra-
dação desta enzima. A taxa de síntese pode ser ajustada 
pela ativação (em resposta a alguns sinais externos) de um 
fator de transcrição (Figura 15-2, Ë; descrito em mais deta-
lhes no Capítulo 28). Os fatores de transcrição são pro-
teínas nucleares que, quando ativadas, se ligam a regiões 
específicas do DNA (elementos de resposta) próximas 
a um promotor gênico (ponto de início de transcrição do 
gene) e ativam ou reprimem a transcrição do gene, levando 
ao aumento ou à redução da síntese da proteína codificada. 
A ativação de um fator de transcrição às vezes resulta de 
sua interação com um ligante específico ou de sua fosfo-
rilação ou desfosforilação. Cada gene é controlado por um 
ou mais elementos de resposta reconhecidos por fatores de 
transcrição específicos. Os genes que têm vários elementos 
de resposta são controlados por vários fatores de transcri-
ção diferentes, respondendo a vários sinais diferentes. Gru-
pos de genes que codificam proteínas que atuam em con-
junto, como as enzimas da glicólise ou da gliconeogênese, 
frequentemente compartilham sequências de elementos 
de resposta comuns, de modo que um único sinal, agindo 
por meio de um determinado fator de transcrição, ativa ou 
reprime todos esses genes em conjunto. A regulação do me-
tabolismo de carboidratos por fatores de transcrição espe-
cíficos está descrita na Seção 15.3.
A estabilidade dos RNA mensageiros (mRNA) sua resis-
tência à degradação por ribonucleases celulares (Figura 15-
2, Ì) – varia, e a quantidade de um dado mRNA na célula é 
função de sua taxa de síntese e degradação (Capítulo 26). A 
taxa na qual um mRNA é traduzido em proteína pelos ribos-
somos (Figura 15-2, Í) também é regulada e depende de 
vários fatores descritos em detalhe no Capítulo 27. Observe 
que um aumento de n vezes em um mRNA nem sempre 
significa um aumento n de vezes no seu produto proteico.
590 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
As moléculas proteicas, uma vez sintetizadas, têm um 
tempo de vida finito, que pode variar de alguns minutos 
até muitos dias (Tabela 15-1). A taxa de degradação pro-
teica (Figura 15-2, ) difere de uma enzima para outra e 
depende das condições da célula. Algumas proteínas são 
marcadas pela ligação covalente de ubiquitina para serem 
degradadas nos proteassomos, conforme será discutido no 
Capítulo 27 (p. ex., o caso da ciclina, na Figura 12-47). A 
reciclagem rápida (síntese seguida de degradação) é ener-
geticamente dispendiosa, mas proteínas com meia-vida 
curta podem alcançar novos níveis de estado estável muito 
mais rapidamente do que aquelas com meia-vida longa, e 
os benefícios dessa capacidade de resposta rápida devem 
equilibrar ou exceder o custo para a célula.
Outra maneira de alterar a atividade efetiva de uma en-
zima é sequestrá-la e a seu substrato em compartimentos 
diferentes (Figura 15-2, Ï). No músculo, por exemplo, a 
hexocinase só pode agir sobre a glicose quando esta entra 
no miócito vinda do sangue, e a taxa de entrada depende 
da atividade dos transportadores de glicose (ver Tabela 11-
3) na membrana plasmática. Dentro da célula, os compar-
timentos envoltos por membranas segregam determinadas 
enzimas e sistemas enzimáticos, e o fator limitante da ação 
enzimática será o transporte do substrato através dessas 
membranas intracelulares.
Por esses vários mecanismos de regulação do nível en-
zimático, as células podem alterar drasticamente a quan-
tidade total de suas enzimas em resposta a mudanças nas 
condições metabólicas. Nos vertebrados, o fígado é o tecido 
mais adaptável; por exemplo, a mudança de uma dieta rica 
em carboidratos para uma rica em lipídeos afeta a transcri-
ção de centenas de genes e consequentemente os níveis de 
centenas de proteínas. Essas alterações totais na expressão 
gênica podem ser quantificadas pelo uso de microarranjos 
de DNA (ver Figura 9-23), que revelam a quantidade to-
tal de mRNA presentes em certo tipo celular ou órgão (o 
transcriptoma), ou por eletroforese bidimensional (ver 
Figura 3-21), que mostra a totalidade de proteínas de um 
tipo celular ou de um órgão (seu proteoma). Ambas as 
técnicas proporcionam grande compreensão da regulação 
metabólica. O efeito das alterações no proteoma é com fre-
Cinase Fosfatase
Ê
Í
!
Ñ
Ð
Ï
 
Ì
Ë
Ó
Receptor
Sinais extracelulares
Transcrição de
gene(s) específico(s)
Núcleo
mRNA
mRNA
Enzima
DNA
Fator de
transcrição
Tradução do mRNA no ribossomo
Degradação proteica
(ubiquitina; proteassomo)
Degradação do mRNA
P
Enzima sequestrada em
uma organela subcelular
Retículo endoplasmático
A enzima se associa
com a proteína reguladora
Proteína
reguladora
A enzima sofre
fosforilação/desfosforilação
S
L
L
L
Produto
S
A enzima
interage com
o ligante L
(efetor alostérico)
A enzima se liga
ao substratoS
FIGURA 152 Fatores que afetam a atividade das enzimas. A ativida-
de total de uma enzima pode ser mudada pela alteração do número de mo-
léculas na célula, ou sua atividade efetiva em um compartimento subcelular 
(Ê a Ï), ou pela modulação da atividade de moléculas já existentes (Ð a Ó), 
conforme está detalhado no texto. Uma enzima pode ser influenciada por 
uma combinação destes fatores.
TABELA 151 Meia-vida média das proteínas nos tecidos de mamíferos
Tecido Meia-vida (dias)
Fígado 0,9
Rim 1,7
Coração 4,1
Cérebro 4,6
Músculo 10,7
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 591
quência uma mudança no conjunto de metabólitos de baixa 
massa molecular, o metaboloma (Figura 15-3). O meta-
boloma de E. coli crescendo com glicose é dominado por 
poucas classes de metabólitos: glutamato (49%); nucleotí-
deos (principalmente ribonucleosídeos trifosfato) (15%); 
intermediários da glicólise, do ciclo do ácido cítrico e da via 
das pentoses-fosfato (vias centrais do metabolismo do car-
bono) (15%); e glutationas e fatores redox (9%).
Logo que os mecanismos reguladores que envolvem a 
síntese e a degradação de proteínas produzem um deter-
minado número de moléculas de cada enzima na célula, a 
atividade dessas enzimas pode ser regulada ainda de várias 
outras maneiras: pela concentração do substrato, pela pre-
sença de efetores alostéricos, por modificações covalentes 
ou por ligação de proteínas reguladoras – por todas essas 
maneiras, a atividade de uma molécula de enzima pode ser 
alterada (Figura 15-2, Ð a Ó).
Todas as enzimas são sensíveis à concentração de 
seu(s) substrato(s) (Figura 15-2, Ð). Recorde que, no caso 
mais simples (enzima que segue a cinética de Michaelis-
-Menten), a velocidade inicial da reação é a metade da ve-
locidade máxima quando o substrato está presente em uma 
concentração igual ao Km (i.e., quando metade da enzima 
está saturada com o substrato). A atividade é reduzida com 
[S] mais baixa, e quando [S] ,, Km a velocidade da reação 
é linearmente dependente da [S]. 
Essa relação entre [S] e Km é importante porque as con-
centrações intracelulares do substrato estão frequentemen-
te na mesma faixa do Km ou mais baixas. Por exemplo, a 
atividade de hexocinase se altera com a [glicose], e a con-
centração intracelular de glicose varia com sua concentra-
ção no sangue. Conforme será visto, as diferentes formas 
(isoenzimas) da hexocinase têm diferentes valores de Km, 
sendo por isso afetadas de modo diferente por mudanças 
na concentração intracelular [de glicose], que fisiologica-
mente fazem sentido. Para muitas transferências de grupos 
fosforil do ATP e para as reações redox que usam NADPH 
ou NAD1, a concentração do metabólito está bem acima do 
Km (Figura 15-4); esses cofatores não parecem ser o fator 
limitante em tais reações. 
PROBLEMA RESOLVIDO 151 Atividade de um transportador 
de glicose
Se Kt (o equivalente ao Km) para o transportador da glicose 
no fígado (GLUT2) for 40 mM, calcule o efeito do aumento 
da concentração da glicose sanguínea de 3 mM para 10 mM 
na velocidade do seu fluxo para o hepatócito.
Solução: Utiliza-se a Equação 11-1 (p. 406) para calcular a 
velocidade inicial (fluxo) da captação da glicose.
Em 3 mM de glicose
Em 10 mM de glicose
Assim, uma elevação da glicose sanguínea de 3 mM para 
10 mM aumenta a taxa de influxo do açúcar em um hepató-
cito por um fator de 0,20/0,07 < 3.
Outros
UDP-glicose
UDP-N-acetilglicosamina
Outro carbono central
6-fosfogliconato
Hexoses-fosfato
Frutose-1,6-bifosfato
Dissulfeto de glutationa
Glutationa
Outro redox
NAD
Aspartato
Glutamato
Valina
Glutamina
ATP
UTP
GTP
dTTP
CTP
Outros nucleotídeos
Alanina
Outros aminoácidosAminoácido
Nucleotídeos
NAD(P)(H)
Glutationas
Vias centrais do metabolismo do carbono
Outros intermediários das vias centrais
do metabolismo do carbono
FIGURA 153 O metaboloma da E.coli crescendo em glicose. Resumo 
das quantidades dos 103 metabólitos medidas por uma combinaçãp de cro-
matografia líquida e espectrometria de massas em tandem (LC-MS/MS).
100
NAD+
ATP
NADPH Reações de degradação
Vias centrais do metabolismo do carbonoOutro
10–2
10–4
C
o
n
ce
n
tr
aç
ão
 d
o
 m
et
ab
ó
lit
o
 (M
)
10–6
10–8
10–610–8 10–4
Km (M) 
10–2 100
FIGURA 154 Comparação entre o Km e a concentração do substrato 
de algumas enzimas metabólicas. As concentrações dos metabólitos 
medidas na E.coli crescendo em glicose estão colocados no gráfico contra os 
Km conhecidos das enzimas que consomem estes metabólitos. A linha sólida 
é a da unidade (na qual a concentração do metabólito 5 Km) e as linhas tra-
cejadas correspondem a um desvio de dez vezes da linha da unidade.
592 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
A atividade enzimática pode ser tanto aumentada como 
reduzida por um efetor alostérico (Figura 15-2, Ñ; ver Figura 
6-34). Os efetores alostéricos convertem cinéticas hiperbóli-
cas em sigmoides, ou vice-versa (p. ex., ver Figura 15-16b). 
Na parte mais íngreme da curva sigmoide, uma pequena alte-
ração na concentração do substrato, ou do efetor alostérico, 
pode ter um grande impacto na velocidade da reação. Re-
corde do Capítulo 5 (p. 167) que a cooperatividade de uma 
enzima alostérica pode ser expressa como um coeficiente de 
Hill, com coeficientes mais altos significando maior coopera-
tividade. Para uma enzima alostérica com coeficiente de Hill 
de 4, a atividade aumenta de 10% para 90% da Vmáx com ape-
nas 3 vezes de aumento da [S], comparado com o aumento de 
81 vezes na [S] necessário para uma enzima sem os efeitos 
cooperativos (coeficiente de Hill de 1; Tabela 15-2).
As modificações covalentes das enzimas ou de outras 
proteínas (Figura 15-2, !) ocorrem em segundos ou minu-
tos após um sinal regulador extracelular. As modificações 
mais comuns são fosforilação e desfosforilação (Figura 
15-5); a metade das proteínas de uma célula eucariótica 
é fosforilada em alguma situação. A fosforilação por uma 
proteína-cinase específica pode afetar as características 
eletrostáticas do sítio ativo da enzima, provocando o des-
locamento de uma região inibidora da enzima para fora 
do sítio ativo, alterando a interação da enzima com outras 
proteínas, ou forçar mudanças conformacionais que se tra-
duzem em alterações na Vmáx ou no Km. Para que as modi-
ficações covalentes sejam úteis na regulação, a célula deve 
ser capaz de fazer a enzima alterada retornar ao seu estado 
original de atividade. A família das fosfoproteína-fosfatases, 
que estão, pelo menos algumas delas, sob regulação, catali-
sa a desfosforilação das proteínas.
Finalmente, muitas enzimas são reguladas pela asso-
ciação e dissociação de outra proteína reguladora (Figura 
15-2, Ó). Por exemplo, a proteína-cinase A dependente de 
AMP cíclico (PKA; ver Figura 12-6) é inativa até que a liga-
ção com o cAMP separe a subunidade reguladora (inibido-
ra) da catalítica da enzima.
Esses vários mecanismos que alteram o fluxo por uma 
etapa de uma via metabólica não são mutuamente exclusi-
vos. É muito comum que uma enzima isolada seja regulada 
no nível de transcrição e também por mecanismos alostéri-
cos e covalentes. As combinações proporcionam regulação 
rápida, fácil e eficaz em resposta a uma ampla gama de per-
turbações e sinais.
Nas discussões que seguem, é útil pensar em mudanças 
na atividade enzimática servindo a dois papéis distintos, mas 
complementares. Usa-se o termo regulação metabólica 
para abranger processos que servem para manter a home-
ostasia no nível molecular – para manter algum parâmetro 
celular (p. ex., concentração de um metabólito) em estado 
de equilíbrio ao longo do tempo, mesmo que o fluxo dos me-
tabólitos se altere ao longo da via. O termo controle meta-
bólico se refere a um processo que conduz a uma alteração 
no resultado de uma via metabólica ao longo do tempo, em 
resposta a um sinal externo ou uma mudança nas condições. 
A distinção, embora útil, nem sempre é fácil de ser feita.
As reaçõeslonge do equilíbrio são pontos de regulação 
usuais nas células
Para algumas etapas de uma via metabólica, a reação está 
próxima do equilíbrio, com a célula no seu estado estável 
dinâmico (Figura 15-6). O fluxo líquido de metabólitos 
TABELA 152 Relação entre o coeficiente de Hill e o efeito da concentração 
do substrato sobre a velocidade da reação de enzimas 
alostéricas
Coeficiente de Hill
(nH)
Mudança requerida na [S]
para aumentar a V0 de
10% para 99% da Vmáx
0,5 3 6.600
1,0 3 81
2,0 3 9
3,0 3 4,3
4,0 3 3
Ser/Thr/Tyr
Ser/Thr/Tyr
ATP
ADP
OH
Substrato
proteico
Pi
Fosfoproteína-
-fosfatase
H2O
O
PO O–
O–
Proteína-cinase
FIGURA 155 Fosforilação e desfosforilação de proteínas. As prote-
ína-cinases transferem um grupo fosforil do ATP para resíduos de Ser, Thr 
ou Tyr em uma enzima ou outro substrato proteico. As proteína-fosfatases 
removem o grupo fosforil como Pi.
V 5 10,01 V 5 200 V 5 500
Ê Ë Ì
V 5 0,01 V 5 190 V 5 490
10Velocidade
líquida:
10 10
A B C D
FIGURA 156 Etapas fora do equilíbrio e próximas do equilíbrio em 
uma via metabólica. As etapas Ë e Ì desta via estão próximas do equi-
líbrio na célula; para cada etapa, a velocidade (V) da reação para a frente é 
levemente maior do que a velocidade da reação reversa, de modo que a velo-
cidade líquida para a frente (10) é relativamente baixa e a variação de energia 
livre, DG, é próxima de zero. Um aumento na [C] ou na [D] pode reverter a 
direção destas etapas. A etapa Ê é mantida longe do equilíbrio na célula; sua 
velocidade para a frente é muito maior do que a da reação reversa. A veloci-
dade líquida da etapa Ê (10) é muito maior do que a da reação reversa (0,01) 
e é idêntica à velocidade líquida das etapas Ë e Ì quando a via está operan-
do no estado de equilíbrio dinâmico. A etapa Ê tem um DG negativo grande.
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 593
nessas etapas é a pequena diferença entre a velocidade da 
reação direta e da reação inversa, velocidades muito simila-
res quando a reação está próxima do equilíbrio. Pequenas 
alterações nas concentrações do substrato ou do produto 
podem produzir grande alteração na taxa líquida, podendo 
mesmo mudar a direção do fluxo líquido. É possível iden-
tificar essas reações próximas do equilíbrio em uma célu-
la comparando a razão da ação das massas, Q, com a 
constante de equilíbrio para a reação, K9eq. Recorde que, na 
reação A 1 B S C 1 D, Q 5 [C][D]/[A][B]. Quando Q e K9eq 
estiverem dentro de 1 a 2 ordens de grandeza entre si, a 
reação está próxima do equilíbrio. Esse é o caso em 6 das 10 
etapas da via glicolítica (Tabela 15-3).
Outras reações na célula estão longe do equilíbrio. 
Por exemplo, K9eq para a reação da fosfofrutocinase-1 
(PFK-1) é de cerca de 1.000, mas Q ([frutose-1,6-bifos-
fato][ADP]/[frutose-6-fosfato][ATP]) em um hepatócito 
no estado estável é de cerca de 0,1 (Tabela 15-3). Isto 
é, a reação está tão longe do equilíbrio que o processo é 
exergônico sob condições celulares e tende a ir adiante. 
A reação é mantida longe do equilíbrio porque, sob condi-
ções correntes de concentrações de substrato, de produ-
to e de efetor, a taxa de conversão da frutose-6-fosfato a 
frutose-1,6-bifosfato está limitada pela atividade da PFK-
1, ela própria limitada pelo número de moléculas de PFK-
1 presentes e pela ação dos efetores alostéricos. Assim, 
a taxa líquida da reação direta catalisada pela enzima é 
igual ao fluxo líquido dos intermediários glicolíticos por 
outras etapas da via, e o fluxo inverso pela PFK-1 perma-
nece próximo de zero.
A célula não pode permitir reações com grandes cons-
tantes de equilíbrio para alcançar o equilíbrio. Se [frutose-6-
-fosfato], [ATP] e [ADP] na célula forem mantidas em níveis 
típicos (concentrações milimolares baixas) e for permitido 
à reação da PFK-1 alcançar o equilíbrio por uma elevação 
na [frutose-1,6-bifosfato], a concentração desse produto se 
elevará para a faixa molar causando destruição osmótica da 
célula. Considere outro caso: se fosse permitido à reação 
ATP S ADP 1 Pi
 se aproximar do equilíbrio, a variação real 
de energia livre (DG9) para essa reação (DGp, ver Problema 
Resolvido 13-2, p. 519) se aproximaria de zero, e o ATP per-
deria o potencial de transferência do grupo fosforil de alta 
energia, que é valioso para a célula. Por isso é essencial que 
as enzimas que catalisam a degradação do ATP e outras rea-
ções altamente exergônicas sejam sensíveis à regulação, de 
forma que, quando as mudanças metabólicas forem forçadas 
por condições externas, o fluxo por essas enzimas seja ajus-
tado para assegurar que a [ATP] permaneça muito acima do 
seu nível de equilíbrio. Quando tais mudanças metabólicas 
ocorrem, as atividades das enzimas em todas as vias interco-
nectadas se ajustam para manter as etapas críticas longe do 
equilíbrio. Assim, não é surpreendente que muitas enzimas 
(como a PFK-1) que catalisam reações altamente exergôni-
cas estejam sujeitas a uma grande variedade de mecanismos 
reguladores refinados. A multiplicidade desses ajustes é tão 
grande que é impossível prever só pelo exame das proprie-
dades de uma enzima qualquer em uma via se essa enzima 
tem uma grande influência no fluxo líquido por toda a via. 
Esse problema complexo pode ser abordado pela análise do 
controle metabólico, conforme descrito na Seção 15.2.
TABELA 153 Constantes de equilíbrio, coeficientes de ação das massas e variações da energia livre das enzimas do metabolismo de carboidratos
Enzima K9eq
Razão da ação das massas, Q
Reação próxima do
equilíbrio in vivo?* DG9° (kJ/mol)
DG9 (kJ/mol)
no coraçãoFígado Coração
Hexocinase 1 3 103 2 3 1022 8 3 1022 Não 217 227
PFK-1 1,0 3 103 9 3 1022 3 3 1022 Não 214 223
Aldolase 1,0 3 1024 1,2 3 1026 9 3 1026 Sim 124 26,0
Triose-fosfato-isomerase 4 3 1022 —
†
2,4 3 1021 Sim 17,5 13,8
Gliceraldeído-3-fosfato-
-desidrogenase 1
fosfoglicerato-cinase
2 3 103 6 3 102 9,0 Sim 213 13,5
Fosfoglicerato-mutase 1 3 1021 1 3 1021 1,2 3 1021 Sim 14,4 10,6
Enolase 3 2,9 1,4 Sim 23,2 20,5
Piruvato-cinase 2 3 104 7 3 1021 40 Não 231 217
Fosfoglicose-isomerase 4 3 1021 3,1 3 1021 2,4 3 1021 Sim 12,2 21,4
Piruvato-carboxilase
1 PEP-carboxicinase
7 1 3 1023 —
† Não 25,0 223
Glicose-6-fosfatase 8,5 3 102 1,2 3 102 —
† Sim 217 25,0
Fonte: K9eq e Q de Newsholme, E.A. e Start, C. (1973) Regulation in Metabolism, Wiley Press, New York, p. 97, 263. DG e DG9° foram calculados a partir destes dados.
*Para simplificar, qualquer reação na qual o valor absoluto do DG calculado seja menor do que 6 é considerada próxima do equilíbrio.
†Dados não disponíveis.
594 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
Os nucleotídeos de adenina têm papéis especiais na 
regulação metabólica
Talvez nada seja mais importante para uma célula, após a 
proteção de seu DNA contra danos, do que a manutenção 
de um suprimento e de uma concentração de ATP cons-
tantes. Muitas enzimas que utilizam ATP têm valores de Km 
entre 0,1 e 1 mM, sendo que a concentração de ATP em uma 
célula típica é de 5 a 10 mM (Figura 15-4). Se a [ATP] di-
minuir significativamente, essas enzimas não estarão total-
mente saturadas pelo seu substrato (ATP), e a velocidade 
de centenas de reações que envolvem ATP seria reduzida 
(Figura 15-7); a célula provavelmente não sobreviveria a 
esse efeito cinético sobre tantas reações.
Existe também um efeito termodinâmico importante 
na redução da [ATP]. Uma vez que o ATP é convertido em 
ADP ou AMP quando é “gasto” para realizar trabalho ce-
lular, a relação [ATP]/[ADP] afeta profundamente todas as 
reações que utilizam estes cofatores. (O mesmo é verdadei-
ro para outros cofatores importantes como NADH/NAD1 e 
NADPH/NADP1.) Considere, por exemplo, a reação catali-
sada pela hexocinase:
Observe que esta expressão somente é verdadeira quando 
os reagentes e os produtos estiverem nas suas concentra-
ções de equilíbrio quando DG9 5 0. Em qualquer outra 
combinação de concentrações, DG9 não é zero. Recorde(do 
Capítulo 13) que a razão dos produtos e substratos (a razão 
da ação das massas, Q) determina a magnitude e o sinal de 
DG9 e por isso a força motriz, DG9, da reação:
Uma vez que uma alteração nessa força motriz influen-
cia profundamente cada reação que envolve ATP, os orga-
nismos evoluíram sob intensa pressão para desenvolver me-
canismos reguladores que respondam à razão [ATP]/[ADP].
A concentração de AMP é um indicador ainda mais sen-
sível do estado energético da célula do que a [ATP]. As cé-
lulas normalmente têm uma concentração muito mais alta 
de ATP (5 a 10 mM) do que de AMP (, 0,1 mM). Quando 
alguns processos (p. ex., contração muscular) consomem 
ATP, o AMP é produzido em duas etapas. Primeiro a hidró-
lise do ATP produz ADP, e depois a reação catalisada pela 
adenilato-cinase produz AMP:
2ADP ¡ AMP 1 ATP
Se o ATP for consumido de forma que sua concentração di-
minua 10%, o aumento relativo na [AMP] é muito maior do 
que na [ADP] (Tabela 15-4). Por isso não é surpreendente 
que muitos processos reguladores sejam comandados por 
alterações na [AMP]. O mediador mais importante da regu-
lação por AMP provavelmente seja a proteína-cinase ati-
vada por AMP (AMPK), que responde a um aumento na 
[AMP] pela fosforilação de enzimas-chave, regulando assim 
suas atividades. A elevação da [AMP] pode ser causada por 
um suprimento reduzido de nutrientes ou pelo aumento do 
exercício. A ação da AMPK (não confundir com a proteína-
-cinase dependente de AMP cíclico; ver Seção 15.5) au-
menta o transporte de glicose e ativa a glicólise e a oxidação 
dos ácidos graxos, enquanto suprime os processos que re-
querem energia, como a síntese de ácidos graxos, colesterol 
e proteínas (Figura 15-8). A AMPK é discutida adiante, 
e os mecanismos detalhados pelos quais ela realiza essas 
mudanças serão analisados no Capítulo 23.
Centenas de intermediários metabólicos, além do ATP, de-
vem estar presentes na célula em concentrações apropriadas. 
Para tomar somente um exemplo: os intermediários glicolíti-
cos di-hidroxiacetona-fosfato e 3-fosfoglicerato são, respec-
tivamente, precursores de triacilgliceróis e serina. Quando 
esses produtos são necessários, a taxa de glicólise deve se 
V
el
o
ci
d
ad
e 
in
ic
ia
l, 
V
 (u
n
id
ad
es
 a
rb
it
rá
ri
as
)
Concentração de ATP [mM]
5 10 15 20 25 30 35 40
Vmáx
1
2
Vmáx
FIGURA 157 Efeito da concentração de ATP na velocidade inicial da 
reação de uma enzima dependente de ATP típica. Estes dados experi-
mentais produzem um Km de 5 mM para o ATP. A concentração de ATP nos 
tecidos animais é de aproximadamente 5 mM.
TABELA 154 Variações relativas na [ATP] e na [AMP] quando o ATP é consumido
Nucleotídeo
de adenina
Concentração antes
da depleção de ATP
(mM)
Concentração após a 
depleção de ATP
(mM) Variação relativa
ATP 5,0 4,5 10%
ADP 1,0 1,0 0
AMP 0,1 0,6 600%
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 595
ajustar para fornecê-los sem reduzir a produção glicolítica de 
ATP. Isso também ocorre na manutenção dos níveis de outros 
cofatores importantes, como NADH e NADPH: mudanças na 
sua razão da ação das massas (isto é, na relação entre cofator 
reduzido e oxidado) têm efeitos sobre o metabolismo.
As prioridades no nível do organismo, é claro, também 
impulsionaram a evolução dos mecanismos reguladores. O 
cérebro dos animais quase não possui estoques de fontes de 
energia, dependendo de um suprimento constante de glico-
se do sangue. Se a glicose sanguínea diminuir da sua con-
centração normal de 4 a 5 mM para a metade desse nível, o 
resultado é confusão mental, e uma redução de cinco vezes 
pode levar ao coma e à morte. Para proteger contra mu-
danças na concentração sanguínea de glicose, a liberação 
dos hormônios insulina e glucagon, provocada pela glicose 
sanguínea alta ou baixa, respectivamente, causa mudanças 
metabólicas que tendem a fazer a concentração sanguínea 
da glicose voltar ao normal.
Outras pressões seletivas devem ter agido ao longo da 
evolução, selecionando mecanismos reguladores que cum-
prem o que segue:
 1. Maximizar a eficiência da utilização dos combustíveis 
por impedir o funcionamento simultâneo de vias em 
direções opostas (como glicólise e gliconeogênese).
 2. Separar os metabólitos apropriadamente em vias 
alternativas (como a glicólise e a via das pento-
ses-fosfato).
 3. Mobilizar o combustível mais adequado para as ne-
cessidades imediatas do organismo (glicose, ácidos 
graxos, glicogênio ou aminoácidos).
 4. Reduzir vias biossintéticas quando seus produtos se 
acumulam.
Os capítulos remanescentes deste livro apresentam muitos 
exemplos de cada um dos tipos de mecanismos reguladores.
RESUMO 15.1 Regulação das vias metabólicas
 c Em uma célula metabolicamente ativa no estado está-
vel, os intermediários são formados e utilizados em ta-
xas iguais. Quando uma perturbação transitória altera 
a taxa de formação ou de utilização de um metabólito, 
alterações compensatórias nas atividades das enzimas 
reconduzem o sistema ao estado estável.
 c As células regulam seu metabolismo por meio de uma 
grande variedade de mecanismos em uma escala de 
tempo que varia de menos de um milissegundo até dias, 
tanto pela mudança na atividade de moléculas enzimá-
ticas preexistentes quanto pela mudança no número de 
moléculas de uma enzima específica.
 c Vários sinais ativam ou inativam fatores de transcri-
ção, que atuam no núcleo e regulam a expressão gêni-
ca. Mudanças no transcriptoma levam a mudanças no 
proteoma e, por fim, no metaboloma de uma célula ou 
tecido.
Célula b pancreática
Cérebro
(hipotálamo)
[AMP]
[ATP]
Exercício
Leptina,
adiponectina
Secreção
de insulina
Captação de ácidos graxos, oxidação
Captação de glicose
Biogênese mitocondrial
Síntese de ácidos graxos
Síntese de colesterolSíntese de ácidos graxos
Lipólise
Oxidação de ácidos graxos
Captação de glicose
Glicólise
Ingestão de alimento
SNS
Coração
Tecido adiposo
Músculo esquelético
Fígado
AMPK
FIGURA 158 Papel da proteína-cinase ativada por AMP (AMPK) no 
metabolismo de carboidratos e de gorduras. A AMPK é ativada por 
[AMP] elevada ou por [ATP] reduzida, pelo exercício, pelo sistema nervoso 
simpático (SNS), ou por hormônios peptídicos produzidos no tecido adiposo 
(leptina e adiponectina, descritos em mais detalhe no Capítulo 23). A AMPK, 
quando ativada, fosforila proteínas-alvo e altera o metabolismo de uma 
grande variedade de tecidos, distanciando-o dos processos que consomem 
energia como a síntese de glicogênio, de ácidos graxos e de colesterol; alte-
ra o metabolismo nos tecidos extra-hepáticos para o uso de ácidos graxos 
como combustível; e desencadeia a gliconeogênese no fígado para fornecer 
glicose para o cérebro. No hipotálamo, a AMPK estimula o comportamento 
de alimentação para fornecer mais combustível com a dieta.
596 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
 c Nos processos com múltiplas etapas como a glicólise, 
determinadas reações estão em equilíbrio no estado es-
tável; as velocidades dessas reações aumentam e dimi-
nuem com a concentração do substrato. Outras reações 
estão fora do equilíbrio; essas etapas são os pontos de 
regulação global da via.
 c Os mecanismos reguladores mantêm níveis praticamen-
te constantes de metabólitos-chave como ATP e NADH 
nas células e de glicose no sangue, enquanto adaptam o 
uso ou a produção de glicose às necessidades variáveis 
do organismo.
 c Os níveis de ATP e de AMP são um reflexo sensível do 
estado energético da célula, e quando a razão [ATP]/
[AMP] diminui, a proteína-cinase ativada por AMP 
(AMPK) desencadeia uma grande variedade de respos-
tas celulares para elevar a [ATP] e reduzir a [AMP].
15.2 Análise do controle metabólico
Estudos detalhados da regula-
ção metabólica só se tornaram 
possíveis depois da elucidação 
das etapas químicas básicas das 
vias e da caracterização das en-
zimas responsáveis. Tendo como 
ponto de partida a descoberta 
de Eduard Buchner (por volta 
de 1900) de que um extratode 
células de levedura poderia con-
verter glicose em etanol e CO2, 
o impulso principal da pesquisa 
bioquímica foi decifrar as etapas 
pelas quais essa transformação 
ocorria e purificar e caracteri-
zar as enzimas que catalisavam 
cada etapa. Na metade do século XX, todas as 10 enzimas 
da via glicolítica estavam purificadas e caracterizadas. Nos 
50 anos seguintes se aprendeu muito sobre a regulação des-
tas enzimas, por sinais extra e intracelulares, por meio dos 
mecanismos covalentes e alostéricos descritos neste ca-
pítulo. O critério convencional era que, em uma via linear 
como a glicólise, a catálise por uma das enzimas deveria 
ser a mais lenta, determinando, desse modo, a velocidade 
do fluxo metabólico por toda a via. No caso da glicólise, a 
PFK-1 foi considerada a enzima de velocidade limitante, 
porque se sabe que é regulada pela frutose-1,6-bifosfatase e 
outros efetores alostéricos.
Com o advento da tecnologia da engenharia genética, se 
tornou possível testar essa hipótese da “única etapa deter-
minante da velocidade” pelo aumento da concentração da 
enzima que catalisa a “etapa limitante da velocidade” em 
uma via e pela determinação do aumento proporcional do 
fluxo ao longo da via. Com frequência não aumenta; a solu-
ção simples (uma única etapa determinante da velocidade) 
está errada. Atualmente está claro que, na maioria das vias, 
o controle do fluxo é distribuído entre várias enzimas, e o 
grau com que cada uma contribui para o controle varia com 
as condições metabólicas – o suprimento do material de 
partida (p. ex., glicose), o suprimento de oxigênio, a neces-
sidade de outros produtos derivados de intermediários da 
via (como a glicose-6-fosfato para a via das pentoses-fosfato 
em células que sintetizam grande quantidade de nucleotí-
deos), os efeitos dos metabólitos com funções reguladoras, 
e o estado hormonal do organismo (os níveis de insulina e 
glucagon), entre outros fatores.
Por que o interesse nos fatores que limitam o fluxo por 
uma via? Para entender a ação dos hormônios ou de fárma-
cos, ou a patologia que resulta de uma falha na regulação 
metabólica, é preciso saber onde é exercido o controle. Se 
os pesquisadores desejam desenvolver um fármaco que es-
timule ou iniba uma via, o alvo lógico é a enzima que tenha 
o maior impacto no fluxo por esta via. A bioengenharia de 
um microrganismo para produzir uma grande quantidade 
de um produto de valor comercial (p. 321) requer um co-
nhecimento do que limita o fluxo de metabólitos para este 
produto.
A contribuição de cada enzima para o fluxo através de 
uma via é determinada experimentalmente
Existem várias maneiras de determinar experimental-
mente como uma variação na atividade de uma enzima em 
uma via afeta o fluxo metabólico por essa via. Considere 
os resultados experimentais mostrados na Figura 15-9. 
Quando uma amostra de fígado de rato foi homogeneizada 
para liberar todas as enzimas solúveis, o extrato realizou 
a conversão glicolítica da glicose em frutose-1,6-bifosfato 
a uma velocidade mensurável. (Para simplificar, esse ex-
perimento está focado somente na primeira parte da via 
glicolítica.) Quando foram adicionadas ao extrato quanti-
Eduard Buchner,
1860–1917
Fl
u
xo
 g
lic
o
lít
ic
o
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0 0,5 1,0 1,5
Enzima adicionada (unidades arbitrárias)
2,0 2,5 3,0
Hexocinase IV
Fosfofrutocinase-1
Fosfo-hexose-isomerase
FIGURA 159 Dependência do fluxo glicolítico sobre enzimas adicio-
nadas, em um homogeneizado de fígado de rato. Enzimas purificadas, 
nas quantidades mostradas no eixo do x, foram adicionadas a um extrato de 
fígado realizando glicólise. O aumento no fluxo ao longo da via é mostrado 
no eixo do y.
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 597
dades crescentes de hexocinase IV (glicocinase) purifica-
da, a velocidade da glicólise aumentou gradualmente. A 
adição de PFK-1 purificada também aumentou a velocida-
de da glicólise, mas não tão dramaticamente quanto a he-
xocinase. A adição de fosfo-hexose-isomerase purificada 
não teve efeito. Esses resultados sugerem que ambas, a 
hexocinase e a PFK-1, contribuem para determinar o fluxo 
pela via (hexocinase mais do que PFK-1), e que a fosfo-
-hexose-isomerase não.
Experimentos semelhantes podem ser feitos em célu-
las intactas ou em organismos, usando inibidores ou ativa-
dores específicos para alterar a atividade de uma enzima e 
observar ao mesmo tempo o efeito sobre o fluxo pela via. 
A quantidade de uma enzima também pode ser alterada 
geneticamente; a bioengenharia pode produzir uma célula 
que faça cópias extras da enzima em estudo ou ter uma 
versão da enzima menos ativa do que a enzima normal. 
O aumento genético da concentração de uma enzima às 
vezes causa efeitos significativos no fluxo e às vezes não 
tem efeito.
Três parâmetros críticos, que juntos descrevem a capa-
cidade de resposta de uma via a mudanças nas condições 
metabólicas, estão no centro da análise do controle me-
tabólico. Agora será feita uma descrição qualitativa desses 
parâmetros e de seu significado no contexto de uma célu-
la viva. O Quadro 15-1 fornece uma descrição quantitativa 
mais rigorosa.
O coeficiente de controle de fluxo quantifica o efeito de 
uma alteração na atividade enzimática sobre o fluxo 
metabólico por uma via
Dados quantitativos sobre fluxo metabólico, obtidos con-
forme a descrição da Figura 15-9, podem ser usados para 
calcular um coeficiente de controle de fluxo, C, para 
cada uma das enzimas de uma via. Esse coeficiente ex-
pressa a contribuição relativa de cada enzima na deter-
minação da velocidade na qual os metabólitos fluem pela 
via – isto é, o fluxo, J. C pode ter qualquer valor de 0,0 
(para enzimas sem impacto sobre o fluxo) a 1,0 (para en-
zimas que determinam totalmente o fluxo). Uma enzima 
também pode ter um coeficiente negativo de controle de 
fluxo. Em uma via ramificada, uma enzima em um ramo, 
pelo fato de remover intermediários de outro ramo, pode 
ter um impacto negativo sobre o fluxo por esse outro ramo 
(Figura 15-10). C não é uma constante, não sendo intrín-
seco a uma única enzima; é uma função de todo o siste-
ma de enzimas, e seu valor depende da concentração dos 
substratos e dos efetores.
Quando dados reais de experimentos de glicólise em 
extratos de fígado de rato (Figura 15-9) foram submetidos 
a esse tipo de análise, os pesquisadores constataram coefi-
cientes de controle de fluxo (para as enzimas nas concen-
trações encontradas no extrato) de 0,79 para a hexocinase, 
0,21 para a PFK-1, e 0,0 para a fosfo-hexose-isomerase. Não 
é por acaso que esses valores somam 1,0; é possível mostrar 
que, para qualquer via completa, a soma dos coeficientes de 
controle de fluxo deve ser igual à unidade.
O coeficiente de elasticidade está relacionado com 
a capacidade de resposta da enzima a alterações na 
concentração do metabólito ou do regulador
Um segundo parâmetro, o coeficiente de elasticidade, 
«, expressa quantitativamente a capacidade de resposta 
de uma única enzima a alterações na concentração de um 
metabólito ou de um regulador; é função das propriedades 
cinéticas intrínsecas da enzima. Por exemplo, uma enzima 
com típica cinética de Michaelis-Menten mostra uma res-
posta hiperbólica ao aumento da concentração do substrato 
(Figura 15-11). Em baixas concentrações do substrato (p. 
ex., Km 0,1), cada incremento na concentração do substrato 
resulta em um aumento comparável na atividade enzimá-
tica, produzindo um « próximo de 1,0. Em concentrações 
de substrato relativamente altas (p. ex., Km 10), o aumento 
da concentração do substrato tem efeito pequeno sobre a 
velocidade da reação, porque a enzima já está saturada com 
o substrato. A elasticidade nesse caso se aproxima de zero. 
Para enzimas alostéricas que apresentam cooperatividade 
positiva, « pode exceder 1,0, mas não excede o coeficiente 
de Hill, que está entre 1,0 e 4,0.
A B C D
E
C4 5 20,2
C1 5 0,3 C2 5 0,0 C3 5 0,9
FIGURA 1510 O coeficiente decontrole de fluxo, C, em uma via me-
tabólica ramificada. Nesta via simples, o intermediário B tem dois des-
tinos alternativos. À medida que a reação B S E remove B da via A S D, 
ela controla esta via, o que resulta em um coeficiente de controle de fluxo 
para a enzima que catalisa a etapa B S E. Observe que a soma dos quatro 
coeficientes é igual a 1,0, como deve ser para qualquer sistema de enzimas 
definido.
Vmáx
V
Km [S]
« < 0,0
« < 1,0
FIGURA 1511 Coeficiente de elasticidade, «, de uma enzima com 
a cinética de Michaelis-Menten. Em concentrações do substrato bem 
abaixo do Km, cada aumento na [S] produz um grande aumento correspon-
dente na velocidade da reação, V. Nesta região da curva, a enzima tem um « 
de 1,0. Em [S] .. Km, o aumento da [S] tem pequeno efeito sobre a V; neste 
caso, « está próximo de zero.
598 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
O coeficiente de resposta expressa o efeito de um 
controlador externo sobre o fluxo de uma via
Também é possível derivar uma expressão quantitativa para 
o impacto relativo de um fator externo (hormônio ou fator 
de crescimento), que não é nem metabólito nem uma en-
zima da via, sobre o fluxo pela via. O experimento mede 
o fluxo pela via (nesse caso, glicólise) em vários níveis do 
parâmetro P (p. ex., concentração de insulina) para obter o 
coeficiente de resposta, R, que expressa a alteração no 
fluxo quando P ([insulina]) se altera.
Esses três coeficientes, C, « e R, estão relacionados de 
uma maneira simples: a capacidade de resposta (R) de uma 
via a um fator externo que afeta uma determinada enzima 
é uma função de (1) quão sensível é a via a mudanças na 
atividade desta enzima (o coeficiente de controle de fluxo, 
C) e (2) quão sensível é a enzima específica a mudanças no 
fator controlador externo (a elasticidade, «):
R 5 C · «
Cada enzima da via pode ser examinada desta forma, e os 
efeitos de qualquer um de vários fatores externos sobre o 
fluxo na via podem ser determinados separadamente. As-
Os fatores que influenciam a circulação dos intermediá-
rios (fluxo) ao longo de uma via podem ser determinados 
quantitativamente de modo experimental, sendo expres-
sos em termos úteis para a predição da alteração no flu-
xo quando ocorrer alteração de algum fator envolvido na 
via. Considere a sequência de reações simples na Figura 
Q-1, na qual um substrato X (p. ex., glicose) é converti-
do, em várias etapas, em um produto Z (talvez piruvato, 
formado na glicólise). Uma das enzimas tardias na rota é 
uma desidrogenase (ydh) que atua sobre o substrato Y. 
Uma vez que a atividade da desidrogenase é facilmente 
medida (ver Figura 13-24), é possível usar o fluxo (J) 
por essa etapa (Jydh) para medir o fluxo ao longo de toda 
a via. Manipula-se experimentalmente o nível de uma en-
zima inicial na via (xase, que atua sobre o substrato X) e 
mede-se o fluxo ao longo da via (Jydh) para vários níveis 
da enzima xase.
X
xase ydh
Jxase
Jydh
S1 S6
multietapa
Y Z
multietapa
FIGURA Q1 Fluxo ao longo de uma via multienzimática hipotética.
A relação entre o fluxo pela via de X a Z na célula 
intacta e a concentração de cada enzima da via deve ser 
hiperbólica, sem fluxo quando a atividade enzimática 
for infinitamente baixa e com fluxo próximo ao máximo 
quando a atividade enzimática for muito alta. Em uma 
curva de Jydh contra a concentração da xase, Exase, a mu-
dança no fluxo com uma pequena alteração no nível da 
enzima é ∂Jydh/∂Exase, que é simplesmente a inclinação 
da tangente da curva em qualquer concentração da en-
zima Exase, e que tende a zero na Exase saturante. Em baixa 
Exase, a inclinação é íngreme; o fluxo aumenta com cada 
incremento na atividade enzimática. Em Exase muito alta, 
a inclinação é muito menor; o sistema é menos responsi-
vo à adição de xase porque ela já está presente em exces-
so em relação às outras enzimas da via.
Usa-se a relação ∂Jydh/∂Exase para mostrar quantita-
tivamente a dependência do fluxo ao longo da via, Jydh, 
sobre Exase. No entanto, sua utilidade é limitada porque 
o seu valor depende das unidades usadas para expres-
sar fluxo e atividade enzimática. Pela expressão das mu-
danças fracionais no fluxo e na atividade enzimática, 
∂Jydh/Jydh e ∂Exase/ Exase, se obtém uma equação unificado-
ra para o coeficiente de controle de fluxo, C, neste 
caso 
 
(1)
Isto pode ser rearranjado para:
que é matematicamente idêntico a
Esta equação sugere um meio gráfico simples de deter-
minar o coeficiente de controle de fluxo: é a inclina-
ção da tangente da curva de Jydh versus ln de Exase, que 
pode ser obtido pela utilização dos dados experimentais 
da Figura Q-2a em outro gráfico para se obter a Figura 
Q-2b. Observe que não é uma constante; ele depen-
de da Exase inicial a partir da qual acontece a alteração 
no nível enzimático. Para os casos mostrados na Figura 
Q-2, é de 1,0 na Exase mais baixa, mas somente cerca 
de 0,2 em alta Exase. Um valor próximo de 1,0 para 
significa que a concentração da enzima determina total-
mente o fluxo pela via; um valor próximo de 0,0 significa 
que a concentração da enzima não limita o fluxo pela via. 
Alterações na atividade da enzima não terão forte efeito 
sobre o fluxo, a menos que o coeficiente de controle de 
fluxo seja maior do que 0,5.
A elasticidade («) de uma enzima é uma medida de 
como a atividade catalítica dessa enzima se altera com 
a alteração da concentração do metabólito – substrato, 
produto ou efetor. A medida é obtida a partir de uma cur-
va experimental da velocidade da reação catalisada pela 
enzima versus a concentração do metabólito, nas con-
centrações prevalentes na célula. Usando argumentos 
análogos aos utilizados para deduzir C, é possível mostrar 
que « é a inclinação da tangente da curva de ln V versus 
ln [substrato, produto ou efetor]:
QUADRO 151 MÉTODOS Análise do controle metabólico: aspectos quantitativos
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 599
sim, em princípio, é possível predizer de que maneira será 
alterado o fluxo do substrato por uma série de etapas enzi-
máticas quando existe uma alteração em um ou mais fatores 
controladores externos à via. O Quadro 15-1 mostra como 
esses conceitos qualitativos são tratados quantitativamente.
A análise do controle metabólico foi aplicada ao 
metabolismo de carboidratos, com resultados 
surpreendentes
A análise do controle metabólico proporciona uma estrutu-
ra que permite pensar quantitativamente sobre regulação, 
interpretar o significado das propriedades reguladoras de 
cada enzima em uma via, identificar as etapas que mais 
afetam o fluxo pela via, e distinguir entre os mecanismos 
reguladores que atuam na manutenção das concentrações 
dos metabólitos e os mecanismos de controle que alteram 
efetivamente o fluxo da via. A análise da via glicolítica em 
leveduras, por exemplo, revelou um coeficiente de contro-
le de fluxo para a PFK-1 inesperadamente baixo, o qual, 
como se percebe, foi determinado como o ponto principal 
do controle do fluxo – a “etapa determinante da velocidade” 
– na glicólise. A elevação experimental do nível da PFK-1 
em cinco vezes leva a uma alteração no fluxo pela glicólise 
Para uma enzima com a cinética de Michaelis-Menten 
típica, o valor de « varia de 1 desde concentrações de 
substrato muito abaixo do Km a próximo de 0 quando se 
aproxima da Vmáx. As enzimas alostéricas podem ter elas-
ticidade maior que 1,0, mas não maior que seu coeficien-
te de Hill (p. 167).
Finalmente, o efeito dos controladores externos à 
própria via (isto é, não metabólitos) pode ser medido e 
expresso como o coeficiente de resposta, R. A alte-
ração no fluxo ao longo da via é medida por mudanças 
na concentração do parâmetro controlador, P, e R é de-
finido de forma análoga à da Equação 1, produzindo a 
expressão
Usando a mesma lógica e os métodos gráficos descritos 
anteriormente para determinar C, obtém-se R como a in-
clinação da tangente da curva de ln J versus ln P.
Os três coeficientes descritosestão relacionados des-
ta maneira simples:
Assim, a capacidade de resposta de cada enzima em 
uma via a uma alteração em um fator controlador exter-
no é uma função simples de duas coisas: o coeficiente 
de controle, variável que expressa o quanto essa enzima 
influencia o fluxo sob um dado conjunto de condições, 
e a elasticidade, propriedade intrínseca da enzima que 
reflete a sua sensibilidade à concentração do substrato 
e do efetor.
Fl
u
xo
, J
yd
h
e
j
∂Jydh
∂Exase
ln
 J
yd
h
ln e
ln j
∂ ln Jydh
∂ ln Exase
5 C
Jydh
xase
(a) (b)
Concentração da enzima, Exase ln Exase
FIGURA Q2 Coeficiente de controle de fluxo. (a) Variação típica do trajeto do fluxo, Jydh, medido na etapa catalisada pela enzima 
ydh, como uma função da quantidade da enzima xase, Exase, que catalisa uma etapa mais inicial na via. O coeficiente de controle de 
fluxo em (e,j ) é a inclinação do produto da tangente da curva, ∂ Jydh /∂ Exase, e a relação (fator de inclinação) e/j. (b) Em um gráfico de 
duplo logaritmo da mesma curva, o coeficiente de controle de fluxo é a inclinação da tangente da curva.
600 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
de menos de 10%, sugerindo que o papel real da regulação 
pela PFK-1 não é controlar o fluxo pela glicólise, mas me-
diar a homeostasia de metabólitos – para prevenir grandes 
mudanças na concentração dos metabólitos quando o fluxo 
pela glicólise aumenta em resposta à glicose sanguínea alta 
ou à insulina. Relembre que o estudo da glicólise em extrato 
de fígado (Figura 15-9) também produziu um coeficiente 
de controle de fluxo que discordou do conhecimento con-
vencional; mostrou que a hexocinase, e não a PFK-1, é mais 
influente no ajuste do fluxo ao longo da glicólise. Deve-se 
observar aqui que o extrato de fígado não é equivalente a 
um hepatócito; a maneira ideal de estudar o controle do flu-
xo é manipulando uma enzima de cada vez na célula viva. 
Isso já é possível em muitos casos.
Os pesquisadores usaram ressonância magnética nu-
clear (RMN) como uma maneira não invasiva de deter-
minar a concentração de glicogênio e de metabólitos nas 
cinco etapas da via desde a glicose no sangue até o glico-
gênio nos miócitos (Figura 15-12) de músculo de rato e 
de humanos. Descobriram que o coeficiente de controle 
de fluxo pela glicogênio-sintase foi menor do que para o 
transportador de glicose (GLUT4) ou para a hexocinase. 
(Discutem-se a glicogênio-sintase e outras enzimas do 
metabolismo do glicogênio nas Seções 15.4 e 15.5.) Esse 
achado contradiz o conhecimento convencional de que a 
glicogênio-sintase é o local do controle do fluxo e suge-
re que a importância da fosforilação/desfosforilação dessa 
enzima esteja relacionada com a manutenção da homeos-
tasia de metabólitos – isto é, regulação, e não controle. 
Dois metabólitos dessa via, glicose e glicose-6-fosfato, são 
intermediários-chave em outras vias, incluindo a glicólise, 
a via das pentoses-fosfato e a síntese da glicosamina. A 
análise do controle metabólico sugere que, quando o nível 
da glicose sanguínea se eleva, a insulina atua no músculo 
para (1) aumentar o transporte da glicose para as células 
levando GLUT4 para a membrana plasmática, (2) induzir a 
síntese de hexocinase, e (3) ativar a glicogênio-sintase por 
modificação covalente (ver Figura 15-41). Os dois primei-
ros efeitos da insulina aumentam o fluxo de glicose pela 
via (controle), e o terceiro serve para adaptar a atividade 
da glicogênio-sintase de modo que os níveis de metabóli-
tos (p. ex., glicose-6-fosfato) não aumentem drasticamen-
te com o fluxo aumentado (regulação).
A análise do controle metabólico sugere um método 
geral para o aumento do fluxo por uma via
Como um pesquisador pode manipular uma célula para 
aumentar o fluxo sem alterar as concentrações dos outros 
metabólitos ou os fluxos ao longo de outras vias? Mais de 
três décadas atrás, Henrik Kacser previu, com base na aná-
lise do controle metabólico, que isso seria possível pelo au-
mento da concentração de cada enzima da via. A predição 
foi confirmada em vários testes experimentais, e também 
concorda com a maneira pela qual as células normalmente 
controlam os fluxos ao longo das vias. Por exemplo, ratos 
alimentados com dieta rica em proteína eliminam o excesso 
de grupos amino convertendo-os em ureia no ciclo da ureia 
(Capítulo 18). Com essa mudança da dieta, a produção de 
ureia aumenta quatro vezes, e as enzimas do ciclo da ureia 
aumentam de duas a três vezes. De modo similar, quando 
o aumento da oxidação dos ácidos graxos é desencadeado 
pela ativação do receptor g ativado por proliferador de pe-
roxissomo (PPARg, fator de transcrição ativado por ligante; 
ver Figura 21-22), aumenta a síntese de toda a série de 
enzimas de oxidação dos ácidos graxos. Com o crescimento 
do uso de microarranjos de DNA no estudo da expressão 
de grupos completos de genes em resposta a várias pertur-
bações, logo se saberia se esse é um mecanismo geral pelo 
qual as células realizam ajustes de longo prazo no fluxo ao 
longo de vias específicas.
RESUMO 15.2 Análise do controle metabólico
 c A análise do controle metabólico mostra que a veloci-
dade do fluxo metabólico por uma via se distribui entre 
várias enzimas na via.
 c O coeficiente de controle de fluxo, C, é uma medida de-
terminada experimentalmente do efeito da concentra-
ção de uma enzima sobre o fluxo por uma via multienzi-
mática. Não é uma característica intrínseca da enzima, 
mas do sistema como um todo.
 c O coeficiente de elasticidade, «, de uma enzima é uma 
medida determinada experimentalmente de sua capa-
cidade de resposta a alterações na concentração de um 
metabólito ou de uma molécula reguladora.
 c O coeficiente de resposta, R, é uma medida determina-
da experimentalmente da alteração no fluxo por uma via 
Membrana
plasmática
Capilar
Glicose
Insulina UDP-glicose
Glicose-1-fosfato
Glicose-6-fosfato
Miócito
GLUT4
Glicose
Glicogênio
Glicogênio-sintase
Hexocinase
FIGURA 1512 Controle da síntese de glicogênio no músculo, a partir 
da glicose sanguínea. A insulina afeta três das cinco etapas desta via, mas 
é o efeito sobre o transporte e sobre a atividade da hexocinase que aumen-
ta o fluxo para o glicogênio e não a mudança na atividade da glicogênio-
-sintase.
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 601
em resposta a um hormônio regulador ou a um segundo 
mensageiro. É uma função de C e de «: R 5 C · «.
 c Algumas enzimas reguladas controlam o fluxo ao longo 
de uma via, enquanto outras reequilibram o nível dos 
metabólitos em resposta a alterações no fluxo. A pri-
meira atividade é controle; a segunda, de reequilíbrio, 
é regulação.
 c A análise do controle metabólico prevê, e os experimen-
tos confirmam, que o fluxo na direção de um produto 
específico é aumentado de maneira mais eficiente pela 
elevação da concentração de todas as enzimas da via.
15.3 Regulação coordenada da glicólise e 
da gliconeogênese
Nos mamíferos, a gliconeogênese acontece principal-
mente no fígado, onde tem o papel de fornecer glicose 
para exportar para outros tecidos quando se exaurem os 
estoques de glicogênio e quando não há disponibilidade de 
glicose na dieta. Conforme discutido no Capítulo 14, a gli-
coneogênese utiliza várias das enzimas que atuam na glicó-
lise, mas não é simplesmente o seu reverso. Sete reações 
glicolíticas são livremente reversíveis, e as enzimas que 
catalisam estas reações também atuam na gliconeogênese 
(Figura 15-13). Três reações da glicólise, de tão exergô-
nicas, são essencialmente irreversíveis: as catalisadas por 
hexocinase, PFK-1 e piruvato-cinase. As três reações têm 
um DG9 grande e negativo (a Tabela 15-3 mostra os valo-
res no músculo cardíaco). A gliconeogênese usa desvios 
em cada uma dessas etapas irreversíveis; por exemplo, a 
conversão da frutose-1,6-bifosfato em frutose-6-fosfato é 
catalisada pela frutose-1,6-bifosfatase (FBPase-1). Cada 
uma dessas reações de desvio também tem um DG9 grande 
e negativo.Em cada um dos três pontos onde as reações glicolí-
ticas são desviadas por reações gliconeogênicas alterna-
tivas, a operação simultânea de ambas as vias consome 
ATP sem realizar nenhum trabalho químico ou biológico. 
Por exemplo, a PFK-1 e a FBPase-1 catalisam reações 
opostas:
A soma destas duas reações é
ATP 1 H2O ¡ ADP 1 Pi 1 calor
isto é, hidrólise de ATP sem realizar nenhuma atividade 
metabólica útil. Se estas duas reações prosseguirem si-
multaneamente em uma velocidade alta na mesma célula, 
uma grande quantidade de energia será dissipada na for-
ma de calor. Esse processo antieconômico é denominado 
ciclo fútil. No entanto, como será visto mais tarde, tais 
ciclos podem proporcionar vantagens em vias de controle, 
e o termo ciclo de substrato é uma denominação melhor. 
Ciclos de substrato semelhantes também ocorrem com os 
outros dois grupos de reações de desvio na gliconeogênese 
(Figura 15-13).
Agora serão analisados com mais detalhe os mecanis-
mos que regulam a glicólise e a gliconeogênese nos três 
pontos nos quais essas vias divergem.
Hexocinase Glicose-6-
-fosfatase
Fosfofrutocinase-1
Frutose-1,6-
-bifosfatase-1
Piruvato-
-carboxilase
PEP-
-carboxicinase
Piruvato-
-cinase
Fosfo-hexose-
-isomerase
Aldolase
Triose-fosfato-
-isomerase
Triose-fosfato-
-isomerase
Gliceraldeído-3-
-fosfato-
-desidrogenase
Fosfoglicerato-
-cinase
Fosfoglicerato-
-mutase
Enolase
Fosfo-hexose-
-isomerase
Aldolase
Gliceraldeído-3-
-fosfato-
-desidrogenase
Fosfoglicerato-
-cinase
Fosfoglicerato-
-mutase
Enolase
Glicose
Glicose-
-6-fosfato
Frutose-6-
-fosfato
Frutose-1,6-
-bifosfato
(2) Gliceraldeído-3-
-fosfato
(2) 1,3-Bifosfoglicerato
(2) 3-Fosfoglicerato
(2) 2-Fosfoglicerato
(2) Fosfoenolpiruvato
(2) Oxaloacetato
Di-hidroxiacetona-
-fosfato
Di-hidroxiacetona-
-fosfato
GliconeogêneseGlicólise
(2) Piruvato
FIGURA 1513 Glicólise e gliconeogênese. Vias opostas da glicólise (em 
cor-de-rosa) e da gliconeogênese (em azul) no fígado de rato. Três etapas 
são catalisadas por enzimas diferentes na gliconeogênese (as “reações de 
desvio”) e na glicólise; sete etapas são catalisadas pelas mesmas enzimas nas 
duas vias. Para simplificar, os cofatores foram omitidos.
602 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
As isoenzimas da hexocinase do músculo e do fígado 
são afetadas diferentemente por seu produto, 
glicose-6-fosfato
A hexocinase, que catalisa a entrada da glicose na via 
glicolítica, é uma enzima reguladora. Os humanos têm 
quatro isoenzimas (designadas de I a IV), codificadas por 
quatro diferentes genes. As isoenzimas são proteínas 
diferentes que catalisam a mesma reação (Quadro 15-
2). A isoenzima da hexocinase predominante dos mióci-
tos (hexocinase II) tem alta afinidade pela glicose – ela 
atinge a metade da saturação em 0,1 mM. Uma vez que a 
glicose que entra nos miócitos a partir do sangue (onde 
sua concentração é de 4 a 5 mM) gera uma concentração 
intracelular de glicose suficientemente alta para saturar a 
hexocinase I, a enzima normalmente age na sua velocida-
de máxima ou próxima dela. A hexocinase I do múscu-
lo e a hexocinase II são inibidas alostericamente por seu 
produto, a glicose-6-fosfato, de forma que, sempre que 
a concentração intracelular de glicose se eleva acima do 
seu nível normal, essas enzimas são temporária e reversi-
velmente inibidas, levando a velocidade da formação da 
glicose-6-fosfato ao equilíbrio com a velocidade de sua 
utilização e reestabelecendo o estado estável.
QUADRO 152 Isoenzimas: proteínas diferentes que catalisam a mesma reação
 As quatro formas de hexocinase encontradas nos teci-
dos de mamíferos são apenas um exemplo de uma situa-
ção biológica comum: a mesma reação sendo catalisada 
por duas ou mais formas moleculares diferentes da mes-
ma enzima. Essas múltiplas formas, chamadas de isozi-
mas ou isoenzimas, podem ocorrer na mesma espécie, 
no mesmo tecido, até na mesma célula. As diferentes 
formas (isoformas) da enzima geralmente diferem nas 
propriedades cinéticas ou reguladoras, no cofator utili-
zado (p. ex., NADH ou NADPH no caso das isoenzimas 
desidrogenases), ou na sua distribuição subcelular (so-
lúvel ou ligada à membrana). As isoenzimas podem ter 
sequências de aminoácidos similares, mas não idênticas, 
e em muitos casos elas compartilham claramente uma 
origem evolutiva comum.
Uma das primeiras enzimas para a qual se encontrou 
isoenzimas foi a lactato-desidrogenase (LDH; p. 563), 
que existe nos tecidos dos vertebrados em pelo menos 
cinco formas diferentes separáveis por eletroforese. To-
das as isoenzimas de LDH têm quatro cadeias polipep-
tídicas (cada uma com Mr de 33.500), e cada tipo tem 
uma proporção diferente de dois tipos de polipeptídeos. 
A cadeia M (de músculo) e a cadeia H (de coração) são 
codificadas por dois genes diferentes.
A isoenzima predominante no músculo esquelético 
possui quatro cadeias M, e no coração a isoenzima pre-
dominante possui quatro cadeias H. Outros tecidos têm 
combinações dos cinco tipos possíveis de LDH:
Tipo Composição Localização
LDH1 HHHH Coração e eritrócito
LDH2 HHHM Coração e eritrócito
LDH3 HHMM Cérebro e rim
LDH4 HMMM Músculo esquelético e fígado
LDH5 MMMM Músculo esquelético e fígado
As diferenças no conteúdo das isoenzimas entre os 
tecidos podem ser usadas para avaliar o tempo e a 
extensão do dano cardíaco em consequência de um infar-
to do miocárdio (ataque cardíaco). O dano ao tecido car-
díaco resulta na liberação de LDH para o sangue. Logo 
após um ataque cardíaco, o nível sanguíneo total de LDH 
aumenta, e existe mais LDH2 do que LDH1. Após 12 ho-
ras, as quantidades de LDH1 e de LDH2 são muito seme-
lhantes, e após 24 horas existe mais LDH1 do que LDH2. 
Essa mudança na relação [LDH1]/[LDH2], combinada com 
o aumento da concentração sanguínea de outra enzima 
cardíaca, a creatina-cinase, é evidência muito forte de um 
infarto do miocárdio recente. n
As diferentes isoenzimas de LDH apresentam valores 
de Vmáx e de Km significativamente diferentes, em especial 
para o piruvato. As propriedades da LDH4 favorecem a 
redução rápida de concentrações muito baixas de piruva-
to a lactato no músculo esquelético, enquanto as proprie-
dades da isoenzima LDH1 favorecem a oxidação rápida do 
lactato a piruvato no coração.
Em geral, a distribuição das diferentes isoenzimas de 
uma dada enzima reflete pelo menos quatro fatores:
 1. Padrões metabólicos diferentes em órgãos 
diferentes. Para a glicogênio-fosforilase, as iso-
enzimas no músculo esquelético e no fígado têm 
propriedades reguladoras diferentes, refletindo 
os diferentes papéis da degradação do glicogênio 
nesses dois tecidos.
 2. Localizações e papéis metabólicos diferentes 
para isoenzimas na mesma célula. As isoen-
zimas da isocitrato-desidrogenase do citosol e da 
mitocôndria são um exemplo (Capítulo 16).
 3. Estágios de desenvolvimento diferentes em 
tecidos fetais ou embrionários e em tecidos 
adultos. Por exemplo, o fígado fetal tem uma 
distribuição característica da isoenzima LDH, 
que se altera à medida que o órgão se desenvolve 
na sua forma adulta. Algumas enzimas do cata-
bolismo da glicose em células malignas (cance-
rígenas) ocorrem como suas isoenzimas fetais e 
não adultas.
 4. Respostas diferentes de isoenzimas aos mo-
duladores alostéricos. Esta diferença é útil na 
regulação mais fina das taxas metabólicas. A 
hexocinase IV (glicocinase) do fígado e as suas 
isoenzimas de outros tecidos diferem na sua sen-
sibilidade à inibição pela glicose-6-fosfato.
P R I N C Í P I O S D E B I O Q U Í M I C A D E L E H N I N G E R 603
As diferentes isoenzimas de hexocinase do fígado e do 
músculo refletem os diferentes papéis desses órgãos no 
metabolismo de carboidratos: o músculo consome glico-
se, usando-a para produção de energia, enquanto o fígado 
mantém a homeostasia da glicose sanguínea produzindo 
ou consumindo o açúcar, dependendo da sua concen-
tração sanguínea prevalente. A isoenzima da hexocinase 
predominante no fígado é a hexocinaseIV (glicocina-
se), que difere das hexocinases I-III de músculo em três 
importantes aspectos. Em primeiro lugar, a concentração 
de glicose na qual a hexocinase IV atinge a metade da sa-
turação (10 mM) é maior do que sua concentração normal 
no sangue. Uma vez que um transportador de glicose efi-
ciente nos hepatócitos (GLUT2) equilibra rapidamente 
a concentração de glicose no citosol e no sangue (ver, na 
Figura 11-30, a cinética do mesmo transportador, GLUT2, 
em eritrócitos), o alto Km da hexocinase IV permite sua 
regulação direta pelo nível de glicose sanguínea (Figura 
15-14). Quando a glicose sanguínea é alta, como aconte-
ce após uma refeição rica em carboidratos, o excesso de 
glicose é transportado para os hepatócitos, onde a hexoci-
nase IV o converte a glicose-6-fosfato. Como a hexocinase 
não está saturada em 10 mM de glicose, sua atividade con-
tinua aumentando à medida que a concentração da glico-
se se eleva para 10 mM ou mais. Sob condições de glicose 
sanguínea baixa, a concentração do açúcar no hepatócito 
é baixa em relação ao Km da hexocinase IV, e a glicose 
gerada pela gliconeogênese deixa a célula antes de ficar 
retida pela fosforilação.
Em segundo lugar, a hexocinase IV não é inibida pela 
glicose-6-fosfato e, por isso, pode continuar agindo quando 
o acúmulo do substrato inibe completamente as hexocina-
ses I-III. Finalmente, a hexocinase IV está sujeita à inibição 
pela interação reversível com uma proteína reguladora es-
pecífica do fígado (Figura 15-15). A ligação é muito mais 
forte na presença do efetor alostérico frutose-6-fosfato. A 
glicose compete com a frutose-6-fosfato e causa a disso-
ciação da proteína reguladora da hexocinase, removendo a 
inibição. Imediatamente após uma refeição rica em carboi-
dratos, quando a glicose sanguínea estiver alta, ela entra 
nos hepatócitos via GLUT2 e ativa a hexocinase por esse 
mecanismo. Durante o jejum, quando os níveis de glicose 
no sangue diminuem para menos de 5 mM, a frutose-6-
-fosfato provoca a inibição da hexocinase IV pela proteína 
reguladora, de forma que o fígado não compete com outros 
órgãos pela glicose escassa. O mecanismo de inibição pela 
proteína reguladora é interessante: a proteína ancora a en-
zima dentro do núcleo, onde ela fica segregada das outras 
enzimas da glicólise no citosol (Figura 15-15). Quando a 
concentração da glicose no citosol se eleva, ela equilibra 
com a glicose no núcleo pelo transporte por meio dos poros 
nucleares. A glicose causa a dissociação da proteína regu-
ladora, e a hexocinase passa para o citosol e inicia a fosfo-
rilação da glicose.
A hexocinase IV (glicocinase) e a glicose-6-fosfatase são 
reguladas na transcrição
A hexocinase também é regulada ao nível de síntese pro-
teica. As condições que demandam uma produção maior 
de energia (baixa [ATP], alta [AMP], contração muscular 
vigorosa) ou maior consumo de glicose (p. ex., glicose san-
guínea alta) causam aumento na transcrição do gene da 
hexocinase IV. A glicose-6-fosfatase, a enzima gliconeogê-
nica que faz o desvio da etapa da hexocinase na glicólise, é 
1,0
0 5 10
Concentração de glicose (mM)
15 20
A
ti
vi
d
ad
e 
en
zi
m
át
ic
a 
re
la
ti
va
Hexocinase IV
(glicocinase)
Hexocinase I
FIGURA 1514 Comparação entre as propriedades cinéticas da he-
xocinase IV (glicocinase) e da hexocinase I. Observe a característica 
sigmoide para a curva da hexocinase IV e o Km muito mais baixo para a he-
xocinase I. Quando a glicose sanguínea se eleva acima de 5 mM, a atividade 
da hexocinase IV aumenta, mas a hexocinase I já está agindo próximo de 
sua Vmáx e não pode responder ao aumento da concentração da glicose. As 
hexocinases I, II e III têm propriedades cinéticas semelhantes.
Glicose-6-fosfato
Frutose-6-fosfato
Hexocinase IV Hexocinase IV
Glicose
GLUT2
Membrana
plasmática
Citosol Núcleo
Proteína
reguladora
Glicose
Capilar
FIGURA 1515 Regulação da hexocina-
se IV (glicocinase) por sequestro no nú-
cleo. O inibidor proteico da hexocinase IV é 
uma proteína de ligação nuclear que carrega 
a enzima para dentro do núcleo quando a 
concentração da frutose-6-fosfato está alta no 
fígado e a libera para o citosol quando a con-
centração da glicose está alta.
604 DAV I D L . N E L S O N & M I C H A E L M . COX
regulada no nível da transcrição por fatores que demandam 
aumento na produção de glicose (glicose sanguínea baixa, 
sinalização por glucagon). A regulação da transcrição des-
tas duas enzimas (juntamente com outras enzimas da glicó-
lise e da gliconeogênese) está descrita a seguir.
A regulação da fosfofrutocinase-1 e da 
frutose-1,6-bifosfatase é recíproca
Conforme observado, a glicose-6-fosfato pode circular na 
glicólise ou por várias outras vias, incluindo na via de sín-
tese do glicogênio ou na via das pentoses-fosfato. A reação 
metabolicamente irreversível catalisada pela PFK-1 é a eta-
pa que compromete a glicose com a glicólise. Essa enzima 
complexa tem, além dos seus sítios de ligação ao substrato, 
vários sítios reguladores aos quais se ligam os ativadores ou 
os inibidores alostéricos.
O ATP não é somente um substrato para a PFK-1, sendo 
também um produto final da via glicolítica. Quando a con-
centração celular alta de ATP sinaliza que ele está sendo 
produzido mais rapidamente do está sendo consumido, 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 (Figura 15-16). ADP e AMP, cujas concentrações 
aumentam à medida que o consumo de ATP suplanta a pro-
dução, atuam alostericamente para liberar a inibição pelo 
ATP. Esses efeitos se combinam para produzir atividade en-
zimática mais elevada quando o ADP e o AMP se acumulam 
e mais baixa quando o ATP se acumula.
O citrato (a forma ionizada do ácido cítrico), interme-
diário-chave na oxidação aeróbia do piruvato, dos ácidos 
graxos e dos aminoácidos, é também um regulador alos-
térico da PFK-1; concentração alta de citrato aumenta o 
efeito inibidor do ATP, reduzindo ainda mais o fluxo de 
glicose pela glicólise. Nesse caso, assim como em vários 
outros encontrados adiante, o citrato serve como sinal in-
tracelular de que a célula está satisfazendo suas necessi-
dades de energia metabólica pela oxidação de ácidos gra-
xos e proteínas.
A etapa correspondente na gliconeogênese é a conver-
são da frutose-1,6-bifosfato em frutose-6-fosfato (Figura 
15-17). A enzima que catalisa essa reação, FBPase-1, é 
fortemente inibida (alostericamente) pelo AMP; quando 
o suprimento de ATP da célula está baixo (corresponden-
do a uma alta [AMP]), diminui a síntese de glicose que 
requer ATP.
Assim, essas etapas opostas nas vias glicolítica e glico-
neogênica – catalisadas por PFK-1 e FBPase-1 – são re-
guladas de uma forma coordenada e recíproca. Em geral, 
quando há concentração suficiente de acetil-CoA ou de 
citrato (produto da condensação da acetil-CoA com oxa-
loacetato) ou quando uma alta proporção do adenilato da 
célula está na forma de ATP, a gliconeogênese é favorecida. 
Quando o nível de AMP aumenta, isso promove a glicóli-
se pela estimulação da PFK-1 (e, como será visto na Seção 
15.5, promove a degradação do glicogênio pela ativação da 
glicogênio-fosforilase).
(a)
Frutose-6-
-fosfato
1 ATP Frutose-1,6-
-bifosfato
citrato
ATP AMP, ADP
frutose-2,6-
-bifosfato
1 ADP
(c)
A
ti
vi
d
ad
e 
d
a 
P
FK
-1
[Frutose-6-fosfato]
(b)
Alta [ATP]
Baixa [ATP]
ADP
ADP
Frutose-1,6-
-bifosfato
Subunidade 3
Reguladores
alostéricos
(ATP)
Reguladores
alostéricos
(ATP)
Subunidade 1
Subunidade 2
Subunidade 4
FIGURA 1516 A fosfofrutocinase-1 (PFK-1) e sua regulação. (a) Ima-
gem de contorno de superfície da PFK-1 de E. coli, mostrando suas quatro 
subunidades idênticas (PDB ID 1PFK). Cada subunidade tem seu próprio sítio 
catalítico, no qual os produtos ADP e frutose 1,6-bifosfato (modelos de esfera 
e bastão, respectivamente em vermelho e amarelo) quase entram em con-
tato, e seus próprios sítios de ligação ao regulador