Gliconeogênese, glicogênese e glicogenólise

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Gliconeogenese
Introdução:
Também pode ser chamada de gluconeogênese e corresponde à síntese líquida ou formação de glicose a partir de substratos não-carboidratos (aminoácidos, lactato, piruvato etc.).
Esse mecanismo permite a manutenção dos níveis sanguíneos de glicose muito tempo depois de toda a glicose da dieta ter sido absorvida e completamente oxidada e da glicose armazenada como glicogênio ter sido consumida. 
Vias resumidas da gliconeogênese:
A manutenção dos níveis de glicose no sangue é extremamente importante para suportar o metabolismo dos tecidos que usam glicose como substrato primário (cérebro, eritrócitos, medula renal, cristalino, córnea e testículos).
Glicólise e gliconeogênese:
A glicólise e a gliconeogênese são extremamente antagônicos, sendo assim, a inibição de um resulta na indução do outro.
Na gliconeogênese as enzimas da glicólise operam na direção inversa e apresenta alguns pontos de regulação. 
· Principais etapas:
Na mitocôndria o piruvato será convertido em oxaloacetato pela piruvato carboxilase, que utiliza 1 molécula de ATP por piruvato.
O oxaloacetato será convertido em fosfoenolpiruvato pela fosfoenolpiruvato carboxiquinase, utilizando 1 GTP. Esse processo pode ocorrer tanto na mitocôndria quanto no citosol por motivos que serão vistos depois.
O fosfoenolpiruvato está no citosol e sofrera uma série de reações comuns à glicólise, mas no sentido inverso, até chegar na frutose-1,6-bifosfato.
A frutose-1,6-bifosfato será convertida em frutose-6-fosfato pela frutose 1,6 bifosfatase, liberando um fosfato.
As reações continuam até chegar na glicose-6-fosfato que será convertida em glicose pela glicose 6 fosfatase, liberando um fosfato.
A glicose 6 fosfatase se encontra na membrana do RER. Sendo assim, a glicose-6-fosfato tem que ser transportada para o lúmen do RER para ser convertida em glicose e depois devolvida para o citosol.
OBS: se houver uma diminuição da ação catalítica da glicose 6 fosfatase ou do transportador da glicose do RER para o citosol, ocorrerá o acúmulo de glicose-6-fosfato e ela será utilizada para síntese de glicogênio, ocasionando também o aumento de glicogênio.
Ciclo de Cori:
O lactato presente na circulação sanguínea é captado pelos hepatócitos e convertido em piruvato pela lactato desidrogenase, utilizando um NAD+.
O piruvato será então encaminhado para o conjunto de reações descritas acima.
Esse conjunto de reações envolvendo lactato, piruvato e glicose é chamado de ciclo de cori e tem como participação o fígado e hemácias (pois produzem lactato).
Esse ciclo necessita de 6 ATP para ocorrer e gera 2 ATP pela glicose, portanto, saldo negativo de 4 ATP. No entanto, se a glicose formada for encaminhada para outras células, não só ficar dentro do ciclo, poderá gerar 32 ou 34 ATP, compensando o mecanismo do ciclo de cori.
O lactato também pode ser proveniente da respiração anaeróbica do músculo esquelético.
O Ciclo de Cori acontece o tempo todo.
· Mitocôndria:
É uma organela chave na gliconeogênese pois várias das reações tem uma etapa lá. Isso se dá pelo fato de que ela regula e direciona as moléculas de acordo com a necessidade do organismo. Ex: pode direcionar piruvato para glicólise ou gliconeogênese etc.
O piruvato formado pelo lactato é transportado para dentro da mitocôndria e transformado em oxaloacetato pela piruvato carboxilase (ela incorpora um carbono do CO2 no piruvato).
O oxaloacetato pode ser transportado da mitocôndria para o citosol por um transportador aspartato-glutamato (pelo método já visto) e seguir as reações de síntese da glicose.
Se esse transportador não estiver “funcionando” (por exemplo pela falta de NADH) o oxaloacetato é convertido dentro da mitocôndria em fosfoenolpiruvato pela fosfoenolpiruvato carboxiquinase mitocondrial e assim transportado por outro transportador para o citosol.
Síntese de glicose por aminoácidos:
Todos os aminoácidos, exceto leucina e lisina, podem fornecer carbono para a síntese de glicose pela gliconeogênese. Eles podem dar origem ao piruvato ou oxaloacetato.
A origem desses aminoácidos é da dieta e das proteínas musculares.
Quando estamos em estado alimentado ou em jejuns curtos os aminoácidos que compõem os músculos não são utilizados diretamente. Normalmente no nosso organismo as proteínas dos músculos são degradadas e novamente sintetizadas, os aminoácidos provenientes dessa degradação que são utilizados na gliconeogênese. 
Em jejuns prolongados irá acelerar a quebra de proteína muscular para disponibilizar os aminoácidos, ocorrendo a perda de massa magra.
· Ciclo da Alanina:
Os aminoácidos que podem ser utilizados para gliconeogênese serão convertidos em um único tipo, a alanina, responsável pela mobilização dessas cadeias carbônicas até o fígado para formação de glicose.
O NH4+ proveniente dos aminoácidos não pode ficar livre no sangue, precisa ser direcionado para o fígado O glutamato irá receber o nitrogênio (grupo amino) dos aminoácidos e transferir para o piruvato, por meio da alanina aminotransferase, formando alanina e alfa cetoglutarato. A alanina irá para a corrente sanguínea e será captada pelo fígado.
No fígado o grupo amino da alanina será transferido para o alfa cetoglutarato, pela mesma enzima, formando piruvato e glutamato. O glutamato será encaminhado para o ciclo da ureia para excretar o NH4+.
O piruvato no fígado é convertido em glicose que pode ir para o músculo e fechar o ciclo.
Energeticamente esse ciclo consome 10 ATP e gera de 5 a 7 ATP.
· Mitocôndria:
Alanina é desaminada para formar piruvato e ele será encaminhado para dentro da mitocôndria. Glutamato (Glu) e alfa cetoglutarato (α-KG) também vão para a mitocôndria.
O piruvato será convertido em oxaloacetato que pode receber um grupo amino do glutamato por uma aminotransferase e virar aspartato. O glutamato vira alfa cetoglutarato. O aspartato é então bombeado para o citosol.
Se o transportador do aspartato não estiver disponível o oxaloacetato será reduzido em malato pela malato desidrogenase, utilizando NADH, e o malato será bombeado para o citosol. No entanto, não há utilização do grupo amino do glutamato.
O grupo amino do glutamato será liberado na forma de íon amônio (NH4+). O amônio será transportado para o citosol por meio de um transportador de nitrogênio (ornitina). A ornitina recebe o NH4+ e se transforma em citrulina, que apresenta um transportador na mitocôndria para ser levada ao citosol. Lá libera o NH4+ para ser encaminhado para o ciclo da ureia e volta a ser ornitina, que entra na mitocôndria para pegar mais íon amônio.
Gliconeogênese a partir de ácido graxo:
Ácidos graxos de cadeia ímpar, quando oxidados, irão produzir propionil coa/propionato, que poderá virar oxaloacetato. 
Os triglicerídeos são formados por 3 cadeias de ácidos graxos e 1 glicerol. Esses ácidos graxos são de cadeia par e vão acabar virando acetil-Coa, não participam da gliconeogênese. 
Já o glicerol será fosforilado formando glicerol-3-fosfato e ele oxidado gerando di-hidroxiacetona fosfato, que pode ser encaminhada para fazer glicose.
Gliconeogênese a partir de frutose:
A frutose é fosforilada pela frutoquinase formando frutose-1-fosfato. 
A frutose-1-fosfato será clivada pela aldolase em di-hidroxiacetona fosfato e gliceraldeído. O gliceraldeído pode ser convertido em G3PO e ela em di-hidroxiacetona fosfato ou lactato.
Regulação da gliconeogênese:
De onde vem o ATP para a gliconeogênese se quando ela está expressa a glicólise está inibida? 
Concomitantemente com a gliconeogênese há a oxidação de ácidos graxos (catecolaminas aceleram esse processo). De maneira muito simplificada, um ácido graxo é um polímero de acetil-Coa e, portanto, sua oxidação irá liberar acetil-Coa que será encaminhada para o ciclo de Krebs e irá gerar ATP. Como tem mais acetil-Coa livre não tem necessidade de converter piruvato em acetil-Coa e ele poderá ser encaminhado para gliconeogênese (isso ocorre porque os níveis aumentados de acetil-Coa inibem a piruvato desidrogenase).
Além disso, a acetil-Coa também induz a piruvato carboxilase alostericamente.A insulina na glicólise tem atuação na indução e na gliconeogênese terá de inibição e inibe a lipólise.
Enquanto na glicólise o AMP e a frutose-2,6-bifosfato induzem a fosfofrutoquinase, na gliconeogênese essas moléculas irão inibir a frutose-1,6-bifosfatase.
Se as ações do glucagon na glicólise vão inibi-la, na gliconeogênese vai ter como consequência a indução.
É importante entender que quando induz a glicólise terá como consequência a inibição da gliconeogênese e vice-versa.
· Regulação gênica:
O glucagon induz indiretamente a PKA (já foi visto) e ela irá fosforilar um fator de transcrição chamado CREB, que se liga ao DNA e aumenta a expressão de PEP carboxilase, frutose-1,6-bifosfatase e glicose-6-fosfatase. Concomitantemente, há inibição de glucoquinase, fosfofrutoquinase e piruvatoquinase.
A insulina diminui a expressão de genes gliconeogênicos que o glucagon está induzindo.
· Álcool:
Quando ingerimos etanol há sua oxidação no citoplasma em acetaldeído, utilizando um NAD+ e gerando NADH + H+. Esse NADH vai para as lançadeiras da mitocôndria.
Conforme aumenta a ingestão de etanol as concentrações de NADH também aumentam, acelerando a lactato desidrogenase e malato desidrogenase (sobrecarregando elas, diminuindo função). Com a utilização de NAD+ na oxidação do etanol não terá NAD+ disponível para a glicólise e tem a limitação do piruvato e oxaloacetato. Logo, a conversão de lactato em glicose diminui e ocorre uma acidose láctica. 
A ingestão de álcool de estômago vazio gera hipoglicemia por não converter mais glicose e intoxicação alcoólica. 
Glicogenese
O glicogênio é uma maneira do organismo armazenar glicose e disponibilizá-la quando necessário.
Introdução:
O precursor do glicogênio é a glicose-6-fosfato, sintetizada pela hexoquinase ou glucoquinase. 
A maior deposição de glicogênio se dá nos músculos (1-2% do peso; parece pouco mas temos muito músculo), que é quebrado e usado localmente para ter ATP e continuar a contração muscular, e no fígado (10% do peso), que será quebrado para disponibilizar glicose no sangue. 
Esse estoque de glicogênio dura entre 12 e 24hrs.
Na imagem acima, as setas em vermelho indicam os momentos em que a concentração de glicogênio no fígado cai, pois ele está quebrando o glicogênio para obter glicose e a fornecer para o sangue, visto que o indivíduo ainda não se alimentou. 
Já os picos de glicogênio refletem sua síntese no fígado, que ocorrem entre as refeições, pois o indivíduo se alimentou e há glicose disponível para sintetizar glicogênio.
Síntese:
A glicose-6-fosfato, obtida no início da glicólise, será convertida em glicose-1-fosfato por meio de uma reação de isomerização realizada pela enzima fosfoglucomutase. 
Em seguida, uma molécula de UTP é incorporada à glicose-1-fosfato, resultando em UDP-glicose, com a liberação de 2 fosfatos (são liberados do UTP formando UMP, mas como já tinha 1 fosfato na glicose então ele vira UDP).
A UDP-glicose é encaminhada para incorporar o glicogênio, sendo necessário a retirada do UDP pela glicogênio sintase, resultando só na molécula de glicose que poderá ser associada às outras que compõem o glicogênio.
 
A molécula de glicogênio possui diversas ramificações, o que promove vários pontos livre de deposição ou retirada de glicose caso necessário. 
Existem dois tipos de ligações entre as glicoses na molécula de glicogênio: ligações alfa-1,4 são feitas entre os carbonos 1 e 4 e formam cadeias lineares, já ligações alfa-1,6 são feitas entre os carbonos 1 e 6 e formam ramificações. 
A glicose liberada pela glicogênio sintase formará ligações do tipo alfa-1,4 com as outras moléculas do glicogênio.
OBS: quando um ramo formado atinge pelo menos 11 moléculas de glicose, uma enzima ramificadora vem e rompe um trecho com pelo menos 7 moléculas de glicose e o desloca para realizar uma ligação alfa-1,6, com o objetivo de formar um novo ramo na molécula de glicogênio.
Glicogênio sintase:
É a enzima encaminhadora da glicose para a molécula de glicogênio. Atua mais rapidamente/lentamente dependendo do tamanho da molécula de glicogênio. 
· Variação do Km:
A glicogênio sintase apresenta um Km baixo (alta velocidade e afinidade) quando a molécula de glicogênio está grande, pois o indivíduo está em estado alimentado e precisa depositar a glicose que está sendo fornecida ao organismo. 
O Km da glicogênio sintase é alto (baixa velocidade e afinidade) para pequenas moléculas de glicogênio, pois o indivíduo está no estado de jejum e precisa diminuir ao máximo a deposição de glicose na molécula de glicogênio, visto que a glicose precisa estar livre no sangue para manter estáveis os níveis glicêmicos. 
Glicogenina:
É uma molécula iniciadora para a síntese de glicogênio, pois a glicogênio sintase não pode iniciar a síntese de glicogênio com uma única molécula de glicose como aceptora de uma UDP-glicose. 
A glicogenina é uma molécula que se autoglicosila e que usa UDP-glicose para ligar glicose a um de seus próprios resíduos de tirosina. 
Portanto, a glicogenina glicosilada serve de iniciador para a síntese de glicogênio pela glicogênio sintase, uma vez que essa enzima precisa perceber uma molécula de glicogênio com um tamanho relativo para poder diminuir seu Km e consequentemente aumentar a velocidade e afinidade pela glicose.
 
Regulação:
A regulação da glicogênese ocorre a nível da glicogênio sintase. Essa enzima é regulada alostericamente e covalentemente e possui diversos sítios de fosforilação.
A glicogênio sintase quando fosforilada está inativa e sem fosfato está ativa.
· Covalente:
Glucagon: ele estimula a PKA, que ativa a fosforilase quinase e ela adiciona fosfato na glicogênio sintase, inativando-a. 
Insulina: estimula a fosfoproteína fosfatase, que retira o fosfato da glicogênio sintase, ativando-a.
· Alostérica:
Cálcio: estimula a proteína quinase dependente de calmodulina, além da fosforilase quinase e PKC. Essas enzimas, quando estimuladas, adicionam fosfato à enzima glicogênio sintase, inativando-a.
Diacilglicerol: estimula a PKC a adicionar fosfato na glicogênio sintase, inativando-a.
Glicogenolise
É a degradação de glicogênio realizada através da retirada sucessiva de moléculas de glicose. 
· Sequência de acontecimentos:
- A molécula de glicogênio sofre ação da enzima glicogênio fosforilase, que utiliza fosfato inorgânico para clivar ligações glicosídicas alfa-1,4, gerando glicose-1-fosfato.
- Pela ação da enzima fosfoglucomutase a glicose-1-fosfato é convertida em glicose-6-fosfato, que tem dois possíveis destinos, dependendo de sua localização:
No fígado a glicose-6-fosfato entra no RER e sofre ação da enzima glucose-6-fosfatase, transformando-se em glicose, e cai na corrente sanguínea por meio de um transportador na membrana do RER e na membrana do hepatócito. 
Nos músculos a glicose-6-fosfato já é encaminhada para a glicólise, a fim de gerar energia para os músculos.
· Glicogênio fosforilase:
Enzima responsável por retirar moléculas de glicose da estrutura do glicogênio (rompe as ligações alfa-1,4).
Essa enzima para de quebrar ligações quando o ramo sobre o qual está atuando atinge 4 moléculas de glicose.
 
· Enzima cortadora de ramos (transferase):
Essa enzima é ativada quando a glicogênio fosforilase para de atuar, deixando um ramo com 4 moléculas de glicose.
Ela age sore esses ramos, retirando 3 moléculas de glicose e deixando apenas uma. Essas 3 que ela retirou são transferidas para algum outro ramo, a fim de aumentá-lo, para que a enzima glicogênio fosforilase possa atuar nele. 
· Enzima cortadora de ramos (glucosidade):
Essa enzima atua sobre a última molécula de glicose restante. Ela cliva a ligação alfa-1,6 entre os carbonos, dando finalmente fim a um ramo do glicogênio (molécula de glicose liberada).
· Considerações:
- Porque a energia não é estocada diretamente na forma de triacilglicerol (gordura) e sim glicogênio?
Pela facilidade e rapidez de deposição de glicose em glicogênio (apenas 4 enzimas). A glicose pode ser utilizada em estados de anaerobiose (glicose sem O2 consegue sintetizarlactato para gerar energia através de sua degradação).
- Por que não se armazena glicose diretamente nas células em vez de no fígado e músculos? 
Devido ao problema de transporte (precisaria ser contra o gradiente de concentração, logo gastaria energia). Também porque na forma de glicogênio gasta-se apenas 1ATP para deposição.
Regulação:
A regulação da glicogenólise ocorre a nível da enzima glicogênio fosforilase (que retira moléculas de glicose por meio da quebra da ligação alfa-1,4). Essa enzima é regulada alostericamente e covalentemente, apesar da regulação alostérica se sobrepor à covalente.
· Covalente:
Glucagon: ele ativa a PKA e ela fosforila a enzima fosforilase quinase, ativando-a. Esse processo consome uma molécula de ATP.
A fosforilase quinase, quando ativa, adiciona um fosfato à enzima glicogênio fosforilase, que, por sua vez, fica ativa. Com a glicogênio fosforilase ativa o processo de glicogenólise é estimulado. 
OBS: a epinefrina desencadeia as mesmas reações que o glucagon, ou seja, estimula a glicogenólise.
Insulina: ela ativa, por transdução de sinal, a fosfoproteína fosfatase, que atua sobre dois alvos:
- Fosforilase quinase: a fosfoproteína fosfatase retira um fosfato da molécula da fosforilase quinase, inativando-a. Como ela é responsável pela ativação da glicogênio sintase, não cumpre sua função, inibindo a glicogenólise. 
- Glicogênio fosforilase: nesse caso, a fosfoproteína fosfatase também retira um fosfato da enzima glicogênio fosforilase, a qual fica inativa e não retira glicose da molécula de glicogênio. Logo, a glicogenólise é inibida. 
OBS: como a epinefrina tem efeito similar ao glucagon, logo antagônico à insulina, ela inibe a defosforilação da fosforilase quinase, permitindo que ela fique ativa para adicionar fosfato na glicogênio fosforilase, ficando ativa também.
· Alostérica: 
É mais rápida que a regulação covalente, por isso pode se sobrepor. 
Dessa forma, observa-se que as palavras ativa e inativa estão em aspas, indicando que, se considerando somente a regulação covalente, as enzimas estariam nesse estado. Porém, como a alostérica se sobrepõe, elas podem apresentar atividade, mesmo estando covalentemente inativas (e vice-versa).
Cálcio: esse íon consegue estimular a ação da fosforilase quinase (que ativa a glicogênio fosforilase), mesmo ela estando “inativa”. Caso a fosforilase quinase já esteja ativa covalentemente, o cálcio irá aumentar sua atividade catalítica.
AMP: altas concentrações de AMP indicam que as concentrações de ATP estão baixas, logo, há necessidade de síntese de ATP e uma fonte para isso é a glicose. Dessa forma, a glicogenólise é interessante, uma vez que disponibiliza glicose para sintetizar ATP (glicólise).
O AMP se liga a glicogênio fosforilase, mudando sua conformação e assim ativando-a, mesmo que esteja inativa covalentemente,
Glicose e ATP: essas duas moléculas, presentes em concentrações consideráveis, indicam que o organismo possui energia e fonte de energia disponíveis. Dessa forma, não é necessário disponibilizar glicose por meio da glicogenólise. 
A glicose e o ATP conseguem inibir a glicogênio fosforilase, mesmo ela estando “ativa”.