Gliconeogênese: Síntese de Glicose

Prévia do material em texto

Gliconeogênese
A gliconeogênese é uma via metabólica
que converte em glicose o piruvato e os
compostos relacionados, com três e
quatro carbonos.
Os precursores importantes da glicose
em animais são compostos de três
carbonos como o lactato, o piruvato e o
glicerol, assim como certos
aminoácidos.
Em mamíferos, a gliconeogênese
ocorre principalmente no fígado, e em
menor extensão no córtex renal e nas
células epiteliais que revestem
internamente o intestino delgado,
produzindo glicose que é lançada no
sangue.
Após exercícios vigorosos, o lactato
produzido pela glicólise anaeróbia no
músculo esquelético retorna para o
fígado e é convertido a glicose, que
volta para os músculos e é convertida a
glicogênio (ciclo de Cori).
A gliconeogênese e a glicólise não são
vias idênticas correndo em direções
opostas.
Sete das 10 reações enzimáticas da
gliconeogênese são o inverso das
reações glicolítica, entretanto três
reações da glicólise são irreversíveis e
não podem ser utilizadas na
gliconeogênese: a conversão de glicose
em glicose-6-fosfato pela hexocinase, a
fosforilação da frutose-6-fosfato em
frutose-1,6-bifosfato pela
fosfofrutocinase-1 e a conversão de
fosfoenolpiruvato em piruvato pela
piruvato-cinase.
Nas células, essas três reações são
caracterizadas por uma grande
variação negativa da energia livre,
enquanto outras reações glicolíticas
têm ΔG próximo de zero.
Na gliconeogênese, as três etapas
irreversíveis são contornadas por um
grupo distinto de enzimas, catalisando
reações suficientemente exergônicas
para serem efetivamente irreversíveis
no sentido da síntese de glicose.
Em animais, as duas vias ocorrem
principalmente no citosol,
necessitando de regulação recíproca e
coordenada. A regulação separada das
duas vias é realizada por meio de
controles exercidos nas etapas
enzimáticas existentes em apenas uma
das vias.
Reações contornadas
A primeira reação de contorno da
gliconeogênese é a conversão de
piruvato em fosfoenolpiruvato (PEP).
Essa reação não pode ocorrer por uma
simples inversão da reação da
piruvato-cinase da glicólise, que tem
uma grande variação negativa da
energia livre e é, portanto, irreversível
em condições que prevalecem nas
células intactas.
Assim, a fosforilação do piruvato é
alcançada por uma sequência de
reações de desvio que, em eucariotos,
requer enzimas existentes tanto no
citosol como nas mitocôndrias.
1- O piruvato é, primeiramente,
transportado do citosol para a
mitocôndria.
2- A seguir, a piruvato-carboxilase,
uma enzima mitocondrial que requer a
coenzima biotina, converte o piruvato
a oxaloacetato.
Piruvato + HCO3 + 1 ATP =
Oxaloacetato + ADP + Pi
A piruvato-carboxilase é a primeira
enzima de regulação na via
gliconeogênica, necessitando de
acetil-CoA como efetor positivo.
3- Como a membrana mitocondrial
não tem transportador para o
oxaloacetato, antes de ser exportado
para o citosol o oxaloacetato formado a
partir do piruvato deve ser reduzido a
malato pela malato-desidrogenase
mitocondrial, com o consumo de
NADH.
Oxaloacetato + NADH + H+ =
L-malato + NAD+
4-O malato deixa a mitocôndria por
meio de um transportador específico
presente na membrana mitocondrial
interna, e no citosol ele é reoxidado ao
oxaloacetato, com a produção de
NADH citosólico.
5-O oxaloacetato é então convertido a
PEP pela fosfoenolpiruvato-
carboxicinase, a qual depende da
presença de Mg2+ e de GTP
(responsável por doar o grupo fosforil).
Malato + NAD+ = oxaloacetato +
NADH + H+
6-O CO2 adicionado ao piruvato na
etapa catalisada pela
piruvato-carboxilase é a mesma
molécula perdida na reação da
PEP-carboxicinase. Essa sequência de
carboxilação-descarboxilação
representa uma forma de “ativação” do
piruvato, em que a descarboxilação do
oxaloacetato facilita a formação de
PEP.
Oxaloacetato + GTP = PEP + CO2 +
GDP
7 - Balanço geral:
Piruvato + ATP + GTP + HCO3- = PEP
+ ADP + GDP + Pi + CO2
A segunda reação glicolítica que não
pode participar da gliconeogênese é a
fosforilação da frutose-6-fosfato pela
PFK-1.
A geração de frutose-6-fosfato a partir
de frutose-1,6-bifosfato é catalisada
por uma enzima diferente, dependente
de Mg2+ , a fructose-1,6-bifosfatase
(FBPase-1), que promove a hidrólise
irreversível do fosfato em C1.
Frutose-1,6-bifosfato + H2O =
Frutose-6-fosfato + Pi
O terceiro contorno é a reação final da
gliconeogênese, a desfosforilação da
glicose-6-fosfato para formar glicose.
A reação catalisada pela
glicose-6-fosfatase não requer a síntese
de ATP, sendo a hidrólise simples de
uma ligação éster fosfato.
Essa enzima ativada por Mg2+ é
encontrada no lúmen do retículo
endoplasmático de hepatócitos, de
células renais e das células epiteliais do
intestino delgado.
Glicose-6-fosfato + H2O = glicose + Pi
Balanço geral da
gliconeogênese
A síntese de glicose a partir de piruvato
é um processo que gasta muita energia,
para assegurar que seja irreversível.
Para cada molécula de glicose formada
a partir do piruvato, seis grupos fosfato
de alta energia são consumidos, quatro
na forma de ATP e dois na forma de
GTP.
Além disso, duas moléculas de NADH
são necessárias para a redução de duas
moléculas de 1,3-bifosfoglicerato.
Isso faz com que a gliconeogênese não
seja o inverso da glicólise.
Regulação
coordenada da
glicólise e
gliconeogênese
Em cada um dos três pontos onde as
reações glicolíticas são desviadas por
reações gliconeogênicas alternativas, a
operação simultânea de ambas as vias
consome ATP sem realizar nenhum
trabalho químico ou biológico
Se estas duas reações prosseguirem
simultaneamente em uma velocidade
alta na mesma célula, uma grande
quantidade de energia será dissipada
na forma de calor. Esse processo
antieconômico é denominado ciclo
fútil.
Regulação sob a hexocinase
e glicose-6-fosfatase
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, sendo a hexocinase II
predominante nos miócitos.
A hexocinase I do músculo 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 reversivelmente inibidas,
levando a velocidade da formação da
glicose-6-fosfato ao equilíbrio com a
velocidade de sua utilização e
reestabelecendo o estado estável.
A isoenzima da hexocinase
predominante no fígado é a hexocinase
IV (glicocinase), 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 saturação (10 mM) é
maior do que sua concentração normal
no sangue.
-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 hexocinases I-III.
Finalmente, a hexocinase IV está
sujeita à inibição pela interação
reversível com uma proteína
reguladora específica do fígado.
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
dissociação da proteína reguladora da
hexocinase, removendo a inibição.
A hexocinase também é regulada ao
nível de síntese proteica. As condições
que demandam uma produção maior
de energia (baixa [ATP], alta [AMP],
contração muscular vigorosa) ou maior
consumo de glicose (p. ex., glicose
sanguínea alta) causam aumento na
transcrição do gene da hexocinase IV.
A glicose-6-fosfatase, a enzima
gliconeogênica que faz o desvio da
etapa da hexocinase na glicólise, é
regulada no nível da transcrição por
fatores que demandam aumento na
produção de glicose (glicose sanguínea
baixa, sinalização por glucagon).
Regulação da
fosfofrutocinase-1e da
frutose-1,6-bifosfatase
A reação metabolicamente irreversível
catalisada pela PFK-1 é a etapa 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.
Quando a concentração 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
da enzima, o que reduz sua afinidade
pelo substrato frutose-6-fosfato. ADP e
AMP, cujas concentrações aumentam à
medida que o consumo de ATP
suplanta a produção, atuam
alostericamente para liberar a inibição
pelo ATP. Esses efeitos se combinam
para produzir atividade enzimática
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), intermediário-chave na
oxidação aeróbia do piruvato é
também um regulador alostérico da
PFK-1, uma vez que a concentração
alta de citrato aumenta o efeito
inibidor do ATP, reduzindo ainda mais
o fluxo de glicose pela glicólise.
A etapa correspondente na
gliconeogênese é a conversão da
frutose-1,6-bifosfato em
frutose-6-fosfato.
A FBPase-1, a qual catalisa essa reação,
é fortemente inibida (alostericamente)
pelo AMP. Quando o suprimento de
ATP da célula está baixo
(correspondendo a uma alta [AMP]),
diminui a síntese de glicose que requer
ATP.
Em geral, quando há concentração
suficiente de acetil-CoA ou de citrato
(produto da condensação da acetil-CoA
com oxaloacetato) 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 glicólise pela
estimulação da PFK-1.
Controle regulado pela
insulina e glucagon
Quando o nível de glicose no sangue
diminui, o hormônio glucagon sinaliza
para o fígado produzir e liberar mais
glicose e parar de consumi-la para suas
próprias necessidades.
Uma das fontes de glicose é o
glicogênio armazenado no fígado;
outra fonte é via gliconeogênese,
usando piruvato, lactato, glicerol ou
determinados aminoácidos como
material de partida.
Quando a glicose sanguínea está alta, a
insulina sinaliza para o fígado usar o
açúcar como combustível e como
precursor na síntese e no
armazenamento de glicogênio e
triacilglicerol.
A regulação hormonal rápida da
glicólise e da gliconeogênese é
mediada pela frutose-2,6-bifosfato,
efetor alostérico das enzimas PFK-1 e
FBPase-1.
Quando a frutose-2,6-bifosfato se liga
ao seu sítio alostérico na PFK-1, ela
aumenta a afinidade dessa enzima pelo
seu substrato, frutose-6-fosfato, e
reduz a afinidade pelos inibidores
alostéricos ATP e citrato.
Em concentrações fisiológicas de seus
substratos, ATP e frutose-6-fosfato, e
de seus efetores positivos ou negativos
(ATP, AMP, citrato), a PFK-1 está
praticamente inativa na ausência da
frutose-2,6-bifosfato, que tem efeito
oposto sobre a FBPase-1: ela reduz a
afinidade pelo seu substrato,
reduzindo a gliconeogênese.
A concentração celular do regulador
alostérico frutose-2,6-bifosfato é
ajustada pelas taxas relativas de sua
formação e degradação. Ela se forma
pela fosforilação da frutose-6-fosfato,
catalisada pela fosfofrutocinase-2
(PFK-2) e é degradada pela
frutose-2,6-bifosfatase (FBPase-2).
Obs: PFK-2 e FBPase-2 são duas
atividades enzimáticas separadas de
uma única proteína bifuncional.
O glucagon estimula a adenilil-ciclase
do fígado a sintetizar 39,59-AMP
cíclico (cAMP) a partir de ATP. O AMP
cíclico ativa a proteína-cinase
dependente de cAMP, a qual transfere
um grupo fosforil do ATP para a
proteína bifuncional PFK-2/FBPase-2.
A fosforilação desta proteína aumenta
sua atividade de FBPase-2 e inibe a
atividade de PFK-2.
Dessa forma, o glucagon reduz o nível
celular de frutose-2,6-bifosfato,
inibindo a glicólise e estimulando a
gliconeogênese. A produção de mais
glicose permite ao fígado repor a
glicose sanguínea em resposta ao
glucagon.
A insulina tem o efeito oposto,
estimulando a atividade de uma
fosfoproteína-fosfatase que catalisa a
remoção do grupo fosforil da proteína
bifuncional PFK-2/FBPase-2, ativando
sua atividade de PFK-2, aumentando o
nível de frutose-2,6-bifosfato,
estimulando a glicólise e inibindo a
gliconeogênese.
Regulação sob a
piruvato-cinase e
piruvato-carboxilase
Altas concentrações de ATP, acetil-CoA
e ácidos graxos de cadeia longa (sinais
de suprimento abundante de energia)
inibem alostericamente todas as
isoenzimas da piruvato-cinase.
A isoenzima do fígado (forma L), mas
não a do músculo (forma M), está
sujeita à regulação adicional por
fosforilação. Quando a redução da
glicose sanguínea causa a liberação de
glucagon, a proteína-cinase
dependente de cAMP fosforila a
isoenzima L, inativando-a. Isso causa
uma redução no uso da glicose como
combustível no fígado, poupando-a
para exportá-la para o cérebro e outros
órgãos.
No músculo, o efeito do aumento da
[cAMP] é bem diferente. Em resposta à
adrenalina, o cAMP ativa a degradação
do glicogênio e a glicólise e fornece o
combustível necessário para a resposta
de luta ou fuga.
A acetil-CoA é um modulador
alostérico positivo da
piruvato-carboxilase e negativo da
piruvato-desidrogenase, por meio de
uma proteína-cinase que inativa a
desidrogenase. Quando as
necessidades energéticas da célula
estão satisfeitas, a fosforilação
oxidativa é reduzida, a concentração de
NADH aumenta em relação à de NAD+
e inibe o ciclo do ácido cítrico, e a
acetil-CoA se acumula.
A concentração aumentada da
acetil-CoA inibe o complexo da
piruvato-desidrogenase, diminuindo a
formação de acetil-CoA a partir de
piruvato, e estimula a gliconeogênese
pela ativação da piruvato-carboxilase,
permitindo a conversão do excesso de
piruvato em oxaloacetato (e no final,
em glicose).
O oxaloacetato assim formado é
convertido em fosfoenolpiruvato (PEP)
na reação catalisada pela
PEP-carboxicinase.