GLICÓLISE E O METABOLISMO DAS HEXOSES

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GLICÓLISE E O METABOLISMO DAS HEXOSES
 
1- Conceitue glicólise e descreva sucintamente sobre suas fases.
 
A glicólise é uma via central e quase universal do catabolismo da glicose. É a via através da qual, na maioria das células, ocorre o maior fluxo de carbono. Em certos tecidos e tipos celulares de mamíferos, a glicose, a partir da glicólise, é a principal ou mesmo a única fonte de energia metabólica. Alguns tecidos vegetais obtêm a maior parte de sua energia da glicólise; muitos microrganismos anaeróbicos são inteiramente dependentes desta via.
Na glicólise, uma molécula de glicose é degradada em uma série de reações catalisadas por enzimas para liberar duas moléculas de piruvato. Aliás, todas as enzimas da glicólise de muitos organismos, atualmente, já foram cuidadosamente purificadas, estudadas e tiveram suas estruturas tridimensionais determinadas a partir de estudos cristalográficos com raios-X. Durante as reações seqüenciais, parte da energia livre da glicose é conservada na forma de ATP. O processo da glicólise difere de uma espécie para outra apenas em detalhes de sua regulação e no destino subsequente do piruvato formado. Os princípios termodinâmicos e os tipos de mecanismos reguladores glicolíticos são encontrados em todas as vias do metabolismo celular.
A glicose tem seis átomos de carbono e sua divisão em duas moléculas de piruvato, cada uma com três átomos de carbono, ocorre em uma seqüência de 10 passos e os cinco primeiros constituem a fase preparatória. Nessas reações, a glicose é inicialmente fosforilada no grupo hidroxila em C-6 (carbono 6). A D-glicose-6-fosfato assim formada é convertida em frutose-6-fosfato, a qual é novamente fosforilada, desta vez em C-1, para liberar D-frutose-1,6-difosfato (Como todos os derivados dos açúcares que ocorrem na via glicolítica são isômeros D, omitiremos a designação D, exceto quando quisermos enfatizar a estereoquímica). O ATP é o doador de fosfato nas duas fosforilações. A seguir, a frutose-1,6-difosfato é quebrada para liberar duas moléculas com três carbonos cada, a diidroxiacetona-fostato e o gliceraldeído-3-fosfato. Este é o passo em que ocorre a quebra ("lisys") que dá nome ao processo. A diidroxiacetona-fosfato é isomerizada em uma segunda molécula de gliceraldeído-3-fosfato e com isso termina a primeira fase da glicólise. Note que duas moléculas de ATP precisam ser investidas para ativar, ou iniciar, a molécula de glicose para a sua quebra em duas partes com três carbonos; haverá, pois, um retorno positivo para este investimento. Resumindo: na fase preparatória da glicólise, a energia do ATP é investida, aumentando o conteúdo de energia livre dos intermediários e fazendo com que as cadeias carbônicas de todas as hexoses metabolizadas sejam convertidas em um produto comum, o gliceraldeído-3-fosfato.
O ganho energético provém da fase de pagamento da glicólise. Cada molécula de gliceraldeído-3-fosfato é oxidada e fosforilada por fosfato inorgânico (não pelo ATP) para formar 1,3-difosfoglicerato. A liberação de energia ocorre quando as duas moléculas de 1,3-difosfoglicerato são convertidas em duas moléculas de piruvato. A maior parte dessa energia é conservada pela fosforilação acoplada de quatro moléculas de ADP para ATP. O produto líquido são duas moléculas de ATP por molécula de glicose empregada, uma vez que houve investimento de 2 ATP na fase preparatória da glicose. A energia também é conservada na fase de pagamento na formação de duas moléculas de NADH por molécula de glicose.
Nas reações seqüenciais da glicólise três tipos de transformações são particularmente notáveis:
1) Degradação do esqueleto carbônico da glicose para produzir piruvato;
2) Fosforilação de ADP a ATP pelos compostos de fosfato de alta energia formados durante a glicólise; e
3) Transferência de átomos de hidrogênio ou elétrons para o NAD+, formando NADH. O destino do produto (piruvato) depende do tipo de célula e das circunstâncias metabólicas.
 
2- Quais são as três rotas catabólicas alternativas que o piruvato formado pela glicólise pode seguir?
 
Nos organismos aeróbicos ou tecidos sob condições aeróbicas, a glicólise constitui apenas um primeiro estágio da degradação completa da glicose. O piruvato é oxidado com perda de seu grupo carboxila como CO2 para liberar o grupo acetila da Acetil-coenzima A (Acetil-CoA), a qual é então totalmente oxidada a CO2 pelo ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs). Os elétrons originados dessas oxidações são passados para o O2 através de uma cadeia de transportadores na mitocôndria, formando H2O. A energia liberada nas reações de transferência de elétrons permite a síntese de ATP nas mitocôndrias.
A segunda rota para o metabolismo do piruvato é a sua redução a lactato através da chamada via da fermentação do ácido lático. Quando um tecido precisa funcionar anaerobicamente, como o tecido muscular esquelético em contração vigorosa, o piruvato não pode ser oxidado por falta de O2. Nestas condições, o piruvato é reduzido a lactato. Certos tecidos e tipos celulares (retina, cérebro, eritrócitos) convertem a glicose a lactato mesmo em condições aeróbicas. O lactado é também o produto da glicólise sob condições anaeróbicas nos microrganismos que realizam a fermentação láctica.
A terceira rota principal do metabolismo do piruvato leva ao etanol. Em alguns tecidos vegetais e em certos invertebrados e microrganismos como a levedura da fabricação de cerveja, o piruvato é convertido anaerobicamente em etanol e CO2, no processo chamado fermentação alcoólica, ou do etanol ou do álcool.
 
3- Sabendo-se que todos os intermediários da glicólise compreendidos entre a glicose e o piruvato são fosforilados, cite a importância dos grupos fosfatos.
 
Os grupos fosfatos são ionizados em pH 7, dando, assim, a cada um dos intermediários, uma carga negativa. Como a membrana plasmática é impermeável às moléculas carregadas, os intermediários fosforilados não podem se difundir para fora da célula. Depois da fosforilação inicial, a célula não precisa mais gastar energia para reter tais intermediários, a despeito da grande diferença entre as concentrações intra e extra-celulares desses compostos.
Além disso, os grupos fosfato são componentes essenciais na conservação enzimática da energia metabólica. A energia liberada na quebra de ligações anidras do ácido fosfórico (como aquelas no ATP) é parcialmente conservada na formação de ésteres de fosfato, tais como a glicose-6-fosfato. Os compostos fosforilados de alta energia formados na glicólise (1,3-difosfoglicerato e fosfoenolpiruvato) doam grupos fosfato ao ADP para formar ATP.
A ligação dos grupos fosfato são aos sítios ativos das enzimas fornece energia de ligação que contribui para baixar a energia de ativação e aumentar a especificidade das reações catalisadas enzimaticamente. Os grupos fosfatos do ADP, ATP e dos intermediários glicolíticos formam complexos com Mg2+ e os sítios de ligação dos substratos de muitas enzimas glicolíticas são específicos para estes complexos de Mg2+. Praticamente todas as enzimas glicolíticas requerem Mg2+ para terem atividade.
 
4. Quais as enzimas que participam da glicólise?
 
A reação irreversível que transforma a glicose em glicose-6-fosfato é catalisada pela hexoquinase. Para ser ativada, ela requer Mg2+, porque o verdadeiro substrato da enzima não é o ATP-4, mas sim o complexo MgATP-2.
A enzima fosfoexoisomerase catalisa a isomerização reversível de uma aldose, a glicose-6-fosfato, em uma cetose, a frutose-6-fosfato. Tal enzima também requer Mg2+ e é específica para as duas hexoses.
A enzima fosfofrutoquinase-1 catalisa a transferência de um grupo fosfato do ATP para a frutose-6-fosfato, convertendo-a em frutose-1,6-difosfato. A reação é essencialmente irreversível nas condições celulares. A atividade da PFK-1 é aumentada sempre que o suprimento de ATP da célula torna-se baixo ou quando existe um excesso de produtos da hidrólise do ATP, ADP e AMP, particularmente este último. Esta enzima é inibida sempre que a célula tem amplo suprimento de ATP e quando ela estábem suprida de outros combustíveis como os ácidos graxos. O citrato, um intermediário chave na oxidação aeróbica do piruvato também age como regulador alostérico da PFK-1. Concentrações altas de citrato aumentam o efeito inibidor do ATP, induzindo ainda mais o fluxo da glicose através da glicólise. O regulador alostérico mais significativo da PFK-1 é a frutose-2,6-difosfato, que ativa fortemente a enzima.
A enzima frutose-1,6-difosfato aldolase catalisa a condensação reversível de grupos aldol. A frutose-1,6-difosfato é quebrada para liberar duas trioses fosfato diferentes, o gliceraldeído-3-fosfato (aldose) e a diidroxiacetona-fosfato (cetose). Embora a reação da aldolase tenha uma variação da energia livre padrão fortemente positiva na direção da divisão da hexose, na célula, ela pode ocorrer nas duas direções.
A diidroxiacetona-fosfato é rápida e reversivelmente convertida em gliceraldeído-3-fosfato pela enzima triose fosfato isomerase.
O primeiro passo da fase de pagamento da glicólise é a conversão do gliceraldeído-3-fosfato em 1,3-difosfoglicerato, catalisada pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase. Nessa fase, os compostos sofrem oxidação e a coenzima NAD+ é que recebe o íon hidreto (:H-) transformando-se em sua forma reduzida NADH.
A enzima fosfogliceroquinase transfere o grupo fosfato de alta energia do grupo carboxila do 1,3-difosfoglicerato para o ADP, formando ATP e 3-fosfoglicerato.
A enzima fosfogliceromutase catalisa a transferência reversível do grupo fosfato entre C-3 e C-2 do glicerato, levando ao 2-fosfoglicerato. O íon Mg2+ é essencial nessa reação.
A enolase promove a remoção reversível de uma molécula de H2O do 2-fosfoglicerato para liberar fosfoenolpiruvato, sendo este um composto muito energético.
O último passo da glicólise é a transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP, catalisada pela piruvato quinase. Altas concentrações de ATP a inibem alostericamente, diminuindo sua afinidade pelo substrato, o fosfoenolpiruvato (PEP).
 
5- O que é o processo de canalização e como ele ocorre na via glicolítica?
 
Neste processo, complexos multienzimáticos garantem uma passagem eficiente do produto de uma enzima para a próxima enzima na via, para a qual este produto funciona como substrato. A conversão do gliceraldeído-3-fosfato na via glicolítica envolve duas enzimas combinadas, a gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase com a 3-fosfogliceroquinase, que catalisam a conversão em dois passos. A combinação das enzimas permite que o intermediário (1,3-difosfoglicerato) seja transmitido da superfície da desidrogenase para a da quinase de maneira mais rápida do que o ambiente aquoso (o que ocorre na ausência da quinase).
 
6- Explique como o glicogênio e o amido são degradados na fosforólise.
 
As unidades de glicose dos ramos externos da molécula de glicogênio e do amido ganham entrada na via glicolítica através da ação seqüencial de duas enzimas: a fosforilase do glicogênio e a fosfoglicomutase. A primeira catalisa a reação em que uma ligação glicosídica ( 1 4), que une dois resíduos de glicose no glicogênio, sofre ataque por fosfato inorgânico, removendo o resíduo terminal da glicose como  -D-glicose-1-fosfato. Esta reação de fosforólise, que ocorre durante a mobilização intracelular do glicogênio armazenado, é diferente da hidrólise das ligações glicosídicas pela amilase, que ocorre durante a degradação intestinal do amido ou do glicogênio; na fosforólise, parte da energia da ligação glicosídica é preservada na formação do éster fosfórico, glicose-1-fosfato.
O piridoxal fosfato é um cofator essencial da reação da fosforilase do glicogênio; o seu grupo fosfato age como um catalisador ácido geral, promovendo o ataque pelo Pi da ligação glicosídica.
A fosforilase do glicogênio (ou fosforilase do amido) age repetidamente nas extremidades não redutoras das ramificações do glicogênio (ou da amilopectina), até que seja atingido um ponto distante quatro resíduos de uma ramificação ( 1 6). Aqui cessa a ação da fosforilase do glicogênio (ou do amido). A continuação da degradação pode ocorrer apenas depois da ação de uma "enzima de desramificação" ou  (1 6) para ( 1 4) glicanotransferase, que catalisa as duas reações sucessivas que removem as ramificações.
A glicose-1-fosfato, o produto final das reações da fosforilase do glicogênio e do amido, é convertida em glicose-6-fosfato pela fosfoglicoisomerase, que entra, então, na glicólise.
 
7- Explique como a D-frutose pode entrar na via glicolítica.
 
A D-frutose, presente em muitas frutas na forma livre e formada pela hidrólise da sacarose no intestino delgado, pode ser fosforilada pela hexoquinase originando frutose-6-fosfato. Esta é uma via importante nos músculos e rins dos vertebrados. No fígado, a frutose entra na glicólise por uma via diferente. A enzima hepática frutoquinase catalisa a fosforilação da frutose não em C-6, mas em C-1, dando frutose-1-fosfato. Esta é quebrada dando gliceraldeído e diidroxiacetona-fosfato. A última é convertida em gliceraldeído-3-fosfato pela triose fosfato isomerase, e o gliceraldeído é fosforilado pelo ATP a gliceraldeído-3-fosfato. Assim, os dois produtos da hidrólise da frutose entram na via glicolítica.
Várias outras hexoses, como a D-frutose, também entram na glicólise após serem fosforiladas; como exemplo, temos a D-galactose e a D-manose.
 
8- Como é feita a regulação do metabolismo no músculo e no fígado pela fosforilase do glicogênio?
 
No músculo, a finalidade da glicólise é a produção de ATP, e a velocidade dela aumenta quando o músculo demanda mais ATP por contrair-se mais vigorosamente ou mais freqüentemente. Nos miócitos, a mobilização do glicogênio armazenado para fornecer energia para a glicólise é realizada pela fosforilase do glicogênio, que degrada o glicogênio em glicose-1-fosfato. No músculo esquelético, a fosforilase do glicogênio ocorre em duas formas: uma forma catabolicamente ativa, a fosforilase a, e uma forma quase sempre inativa, a fosforilase b, que predomina no músculo em repouso. A velocidade da quebra do glicogênio no músculo depende parcialmente do valor da relação entre fosforilase a e fosforilase b, que é ajustada pela ação de alguns hormônios como a epinefrina. Esta é um sinal para o músculo esquelético acionar o processo que produz ATP, o qual é necessário à contração muscular. A fosforilase do glicogênio é ativada para produzir glicose-1-fosfato que será lançada na via glicolítica. Superposta ao controle hormonal está a regulação alostérica, muito mais rápida, da fosforilase b do glicogênio pelo ATP e AMP. A fosforilase b é ativada pelo seu efetor alostérico AMP, o qual aumenta em concentração no músculo durante a quebra do ATP na contração. A estimulação da fosforilase b pelo AMP pode ser impedida por altas concentrações de ATP, que bloqueia o sítio de ligação do AMP e, às vezes, referido como forma AMP independente, e a fosforilase b como a forma dependente do AMP. A fosforilase do glicogênio no músculo esquelético é também controlada pelo cálcio, o sinalizador intracelular da concentração da contração muscular, que é um ativador alostérico da fosforilase b quinase. Quando um aumento transitório do Ca2+ intracelular dispara a contração muscular, ele também acelera a conversão da fosforilase b para fosforilase a, mais ativa.
No fígado, serve para manter um nível constante de glicose no sangue, produzindo e exportando glicose quando outros tecidos precisam dela, e importando e armazenando glicose quando é fornecida em excesso pelos alimentos ingeridos na dieta. A fosforilase do fígado é semelhante à do músculo, entretanto, suas propriedades reguladoras são ligeiramente diferentes. O glicogênio hepático serve como reservatório e libera glicose no sangue quando a glicose sangüínea tem seus níveis abaixo do normal. A glicose-1-fosfato formada pela fosforilase do fígado é convertida em glicose-6-fosfato pela ação da fosfoglicomutase. Então, a glicose-6-fosfatase, uma enzima presente no fígado, porém não no músculo, remove o fosfato da hexose. Quandoo nível de glicose esta baixo no sangue, a glicose livre produzida do glicogênio do fígado é liberada na corrente sangüínea e transportada aos tecidos que a requerem como combustível. A fosforilase do glicogênio do fígado esta sobre controle hormonal, como o glucagon, que é produzido pelo pâncreas quando a glicose sangüínea tem sua concentração rebaixada para nível menores que o normal. Esse hormônio desencadeia uma serie de eventos que resulta na conversão da fosforilase b em fosforilase a , aumentando a velocidade de quebra de glicogênio e acelerando a velocidade de liberação da glicose no sangue. 
A fosforilase do glicogênio esta sujeita a regulação alostérica não pelo AMP, mas pela glicose. Quando a concentração de glicose no sangue aumenta, a glicose entra nos hepatócitos e liga-se ao sitio regulador da fosforilase a do glicogênio que leva a desfosforilação provocada pela fosforilase fosfatase. Desta maneira a fosforilase do glicogênio age como sensor do fígado, diminuindo a quebra do glicogênio sempre que o nível de glicose no sangue esta alto.
 
9- O que é gliconeogênese e como esta, juntamente com a glicólise, são reguladas de forma coordenada?
 
Gliconeogênese é um processo no qual muitos organismos podem sintetizar glicose a partir de precursores simples como o piruvato e o lactato. Este processo ocorre primariamente no fígado e seu papel é fornecer glicose para ser exportada para outros tecidos quando as outras fontes de glicose são exauridas. A gliconeogênese emprega a maior parte das mesmas enzimas que agem na glicólise, mas ela não é simplesmente o reverso desta via. Sete das reações glicolíticas são livremente reversíveis e as enzimas que catalisam cada uma das reações também funcionam na gliconeogênese. Três reações da glicólise são tão exergônicas que são essencialmente irreversíveis: são aquelas catalisadas hexoquinase, fosfotrutoquinase-1 e piruvato quinase. A gliconeogênese emprega desvios ao redor de cada uma dessas reações irreversíveis. Por exemplo, na gliconeogênese, a conversão da frutose-1,6-difosfato para frutose-6-fosfato é catalisada pela frutose-1,6-difosfatase (FDP-1).
Para prevenir o aparecimento de ciclos fúteis nos quais a glicose é simultaneamente degradada pela glicólise e ressintetizada pela gliconeogênese, as enzimas que são exclusivas para cada uma das vias são reguladas de maneira recíproca por efetores alostéricos comuns. A frutose-2,6-difosfato, um ativador potente da PFK-1 do fígado e, portanto, da glicólise, também inibe a FDPase-1, e assim diminui a gliconeogênese. O glucagon, hormônio que sinaliza baixo nível de açúcar, diminui o nível de frutose-2,6-difosfato no fígado, baixando o consumo de glicose pela glicólise e estimulando a produção de glicose para exportação pela gliconeogênese.
 
10- Quais a vias que a glicose pode seguir, além da glicólise?
 
A glicose tem outros destinos catabólicos, como a via das pentoses-fosfato, que resulta na oxidação e descorboxilação na posição C-1 da glicose, produzindo NADPH e pentoses-fosfato; o NADPH fornece poder redutor para as reações de biossíntese e as pentoses-fosfato são componentes essenciais dos nucleotídeos e ácidos nucléicos.
Outras vias oxidativas transformam a glicose em ácido glicurônico e ácido ascórbico. A glicuromização converte certas toxinas não polares em derivados polares que podem ser excretados pelos rins.