Exercícios de regulação do metabolismo de carboidratos - bioquímica II

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Exercícios
Feito por: Jéssica Cristina da Silva
1. Quais as enzimas que são alvo de regulação nas vias glicolítica e gliconeogênica?
Na via glicolítica as enzimas alvo de regulação são: hexocinase, fosfofrutocinase (PFK1) e piruvato cinase.
Na via gliconeogenica as enzimas alvo de regulação são: glicose-6-fosfatase, frutose-1,6-bifosfatase, fosfoenolpiruvato carboxicinase e piruvato carboxilase.
2. Como as isoformas da hexocinase muscular e hepática são afetadas pela glicose-6-fosfato, seu produto? 
As hexocinases I, II e III (isoformas musculares) são inibidas pela glicose-6-fosfato enquanto a hexocinase IV (isoforma hepática) não é. Dessa forma, os músculos podem utilizar da molécula na via glicolítica quando houver necessidade de geração de energia, para a contração muscular e quando a energia gerada estiver em níveis satisfatórios, a glicose-6-fosfato se acumulará, levando a uma inibição das isoformas de hexocinase I, II e III que consequentemente diminuirá suas atividades de fosforilação de glicose, permitindo assim sua possível utilização em outros órgãos que necessitem dela. O fígado, entretanto, não tem sua enzima responsável pela fosforilação da glicose, a glicocinase ou hexocinase IV, inibida pela glicose-6-fosfato. Após atingir níveis satisfatórios de produção de energia para suas células, o excesso de glicose-6-fosfato formado será utilizado em diferentes vias de síntese nesse órgão, como a síntese de glicogênio e a via das pentoses fosfato.
3. Descreva o mecanismo de regulação da hexocinase hepática (glicocinase) por sequestro no núcleo.
O sequestro no núcleo que acontece com a glicocinase é feito através de uma proteína reguladora que é específica do fígado.
A frutose-6-fosfato é efetor alosterico da proteína reguladora e durante o jejum, se liga a ela, o que muda sua conformação para uma forma com alta afinidade pela glicocinase, fazendo com que a proteína se ligue à enzima e transporte-a para o núcleo, fazendo assim o "sequestro" dela.  
Isso permite que durante o jejum, quando a glicemia está baixa, o fígado não utilize a glicose e deixe-a para órgãos dependentes exclusivamente dela. Além disso, esse mecanismo evita também que toda glicose produzida pelo fígado, durante o jejum, através da gliconeogênese e da glicogenolise seja fosforilada em glicose-6-fosfato, permitindo que ela seja, portanto, mantida como glicose para ser exportada para a corrente sanguínea e consequentemente para outros órgãos.
Após uma refeição, o nível da glicose no sangue sobe, e é a própria molécula que é responsável por ativar o transporte da glicocinase de volta para o citosol, ao competir com a frutose-6-fosfato.
4. Explique o mecanismo de regulação recíproca das enzimas fosfofrutocinase-1 e frutose-1,6-bisfosfastase.
As enzimas PFK1 e frutose-1,6-bifosfatase compartilham 2 moduladores alostericos que farão sua regulação recíproca. São eles o AMP e a frutose-2,6-bifosfato que são efetores positivos para a PFK1 e negativos para a frutose-2,6-bifosfato. Sendo assim, essas enzimas são reguladas de forma coordenada, quando uma está sendo estimulada, a outra estará sendo inibida e vice versa.
5. Qual o papel do modulador alostérico frutose-2,6-bisfosfato na regulação da glicólise e da gliconeogênese?
O modulador alosterico frutose-2,6-bifosfato é positivo para a fosfofrutocinase-1 e negativo para a frutose-1,6-bifosfato. Quando se apresenta em altas concentrações, esse efetor atuará aumentando a afinidade de PFK1 pelo seu substrato (frutose-6-fosfato), o Km da enzima estará baixo, levando a um aumento na formação de seu produto (frutose-1,6-bifosfato), portanto, estimulando a glicólise. Ao mesmo tempo, o modulador irá diminuir a afinidade de frutose-1,6-bifosfatase, por seu substrato (frutose-1,6-bifosfato), a enzima apresentará Km alto, reduzindo, assim, a formação de seu produto (frutose-6-fosfato), portanto, inibindo a gliconeogenese. Quando tal efetor alosterico comum às duas enzimas se apresenta em baixa concentração, o contrário ocorre, a gliconeogênese se acelera, pois deixa de ser inibida por ele e a glicólise desacelera pois deixa de ser estimulada pelo mesmo.
6. Como os hormônios glucagon e insulina regulam a glicólise e a gliconeogênese através do modulador alostérico frutose-2,6-bisfosfato?
A produção do modulador frutose-2,6-bifosfato é dependente das enzimas PFK2 que catalisa sua síntese a partir de glicose-6-fosfato e a frutose-2,6-bifosfatase que catalisa sua degradação, formando novamente glicose-6-fosfato. Na realidade, essas enzimas, de síntese e degradação de frutose-2,6-bifosfato não são duas e sim uma proteína bifuncional, com dois sítios ativos.
Sob o estímulo do glucagon há alta na concentração de AMPc que aumenta a atividade de uma proteína chamada proteina-cinase dependente de AMPc (PKA), essa proteina fosforila a proteína bifuncional, ativando o sítio da frutose-2,6-bifosfatase e inativando o sítio da PFK2, o que leva a degradação da frutose-2,6-bifosfato e consequentemente, a inibição da glicólise e estímulo da gliconeogênese.
Por sua vez, a insulina, faz o processo contrário, ela atua retirando o grupo fosfato adicionado na enzima bifuncional pela PKA, ativando novamente o sítio PFK2 e inativando o sítio FBPase-2, o que estimula a glicólise e inibe a gliconeogênese porque a PFK2 estimulará a síntese de frutose-2,6-bifosfato que atuará estimulando a PFK1 na via glicolítica e inibindo a frutose-1,6-bifosfatase na via gliconeogenica.
7. Como a enzima piruvato cinase é regulada através do sinal hormonal desencadeado pelo glucagon? 
A piruvato cinase é estimulada por frutose-1,6-bifosfato, entretanto, ela também sofre regulação hormonal, ela é substrato da proteína cinase dependente de AMPc (PKA) e se apresenta inativa quando fosforilada, logo, em condições de baixa concentração de glicose no sangue, o glucagon agirá estimulando sua fosforilação e consequentemente inativando-a. Essa inativação da piruvato cinase provocada pelo glucagon irá causar o acúmulo de fosfoenolpiruvato que irá levar à inativação de PFK2 (que sintetiza frutose-2,6-bifosfato) e a ativação de frutose-2,6-bifosfatase (que degrada frutose-2,6-bifosfato), isso faz com que seja haja uma queda na concentração de frutose-2,6-bifosfato que, por sua vez, deixa de estimular PFK1 que é a enzima da via glicolítica que catalisa a formação de frutose-1,6-bifosfato. Dessa forma, a piruvato cinase é inibida através da ação do hormônio glucagon.
8. De que maneira o Acetil-CoA determina o destino do piruvato (se ciclo de Krebs ou gliconeogênese)? 
A acetil-CoA será formada através de piruvato e do complexo piruvato desidrogenase. Porém, esse complexo pode passar por uma modificação covalente através da fosforilação independente de AMPc, fosforilação essa que é catalisada pela piruvato desidrogenase cinase que é uma cinase que se associa especificamente ao complexo, assim ele se torna inativo e o piruvato não pode mais ser usado para formar acetil-CoA. A ação dessa piruvato desidrogenase cinase é ativada alostericamente pelos produtos da reação catalisada pelo complexo da piruvato desidrogenase, ou seja, acetil-CoA, NADH e ATP. Dessa forma, os níveis de acetil-CoA definirão se o piruvato irá seguir o ciclo de krebs (complexo piruvato desidrogenase ativado) ou a via gliconeogenica (complexo piruvato desidrogenase inativado).
9. Explique o mecanismo de regulação alostérico e hormonal da enzima glicogênio fosforilase hepática e muscular.
A glicogênio fosforilase é a enzima responsável pela glicogenólise e ela existe na forma inativa (forma b) e na forma ativa (forma a). 
A forma a é insensível a regulação alosterica, já a forma b é ativada alostericamente por AMP, que tem seus níveis aumentados na célula quando ocorre a contração muscular, intensificando assim, a degradação do glicogenio. A ativação da glicogenio fosforilase pode também ser feita a partir de modificação covalente, fosforilando um resíduo de serina da forma b (inativa) para a forma a (ativa).
A fosforilação da glicogenio fosforilase é catalisadapela enzima glicogenio fosforilase cinase que existe também, na forma ativa e na forma inativa. Essa enzima que fosforila a glicogenio fosforilase pode ser ativada por estímulo hormonal ou nervoso. O estímulo hormonal funciona da seguinte forma: o AMPc é produzido por estímulo de adrenalina, ele se liga a proteína cinase ativada por AMPc, a proteína cinase fosforila a glicogenio fosforilase cinase, ativando-a, após isso, a glicogenio fosforilase cinase ativa a glicogenio fosforilase ao fosforilar ela, que, finalmente degrada o glicogenio. No caso da glicogênio fosforilase hepática, as cascatas de reações que a ativam serão as mesmas que as do músculo, com a única exceção do hormônio que iniciará a degradação, que no músculo é a adrenalina, enquanto no fígado será o glucagon.
10. Explique o mecanismo de regulação alostérico e hormonal da enzima glicogênio sintase no músculo e no fígado.
A glicogênio sintase, enzima responsável pela síntese do glicogênio se apresenta em seu estado ativo quando desfosforilada e em seu estado inativo quando está fosforilada, e sua fosforilação pode ser catalisada por várias cinases, sendo as mais importantes a PKA (proteína cinase dependente de AMPc), a fosforilase cinase e uma proteína cinase dependente de Ca+ . Dessa forma, a adrenalina ao mesmo tempo em que estimula a degradação do glicogênio, promove a inibição da cascata de reações da síntese do glicogênio através da inativação da enzima que sintetiza o mesmo. Tais efeitos também ocorrem em resposta a liberação de íons Ca+ promovida por estímulos nervosos. 
A insulina promove a síntese do glicogênio muscular ao promover a desfosforilação de proteínas através da redução dos níveis de AMPc, tal diminuição leva a inativação da PKA que consequentemente não conseguirá mais inativar a fosfoproteina fosfatase 1 através da fosforilação da mesma e da fosforilação de sua proteína inibidora. Logo, as enzimas, fosforiladas e ativas, tem seus grupos fosfato removidos por hidrólise, catalisada pela fosfoproteína fosfatase 1. Assim, as enzimas responsáveis pela degradação do glicogênio ficam desfosforilada e inativas, enquanto a glicogênio sintase fica desfosforilada e ativa.
Além de ser responsável pela regulação das enzimas, a insulina também é responsável pela disponibilidade do substrato, a glicose já que o transportador de glicose do músculo (GLUT4) é insulino dependente.
No fígado, a síntese do glicogênio é promovida por insulina da mesma forma que no músculo e apesar dos transportadores de glicose dos hepatócitos serem independentes de insulina, o hormônio influencia sua captação indiretamente ao estimular a síntese de glicocinase que é a enzima responsável pela fosforilação da glicose no fígado quando a molécula entra na célula.
Nesse órgão a própria glicose, inclusive, exerce um papel na inibição da degradação do glicogênio. Em situação de glicemia alta, a concentração celular da glicose aumentará e a molécula se ligará à glicogênio fosforilase a, tornando-a sensível à ação da fosfoproteína fosfatase 1 que atuará desfosforilando-a e consequentemente a inativando. A glicogênio fosforilase hepática age, assim, como seu próprio sensor de glicose e a glicose atuará como um modulador alostérico negativo da enzima.
Fonte das imagens:  LEHNINGER, T. M., NELSON, D. L. & COX, M. M. Princípios de Bioquímica. 6ª Edição, 2014. Ed. Artmed.
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