12ª aula teórica Importância metabólica da glucose Metabolismo dos glícidos: Análise comparativa da glicólise e da neoglicogénese

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1 BIOQUÍMICA I 1º ano de Medicina Ensino teórico 2010/ ª aula teórica Importância metabólica da glucose Metabolismo dos glícidos: Análise comparativa da glicólise e da neoglicogénese Metabolismo Actividade celular altamente coordenada (somatório de todas as transformações químicas) que ocorre através de reacções catalizadas por enzimas Vias metabólicas (remoção, transferência ou adição de um átomo ou grupo funcional) Objectivos: (percursor produto ou metabolito) Obter W (captura w solar ou degradando nutrientes) Converter nutrientes em percursores de macromoléculas Polimerização de percursores monoméricos Síntese e degradação de biomoléculas necessárias a funções especializadas. 1

2 Catabolismo e Anabolismo As vias catabólicas são convergentes As vias anabólicas são divergentes 2

3 Digestão Principais classes de biomoléculas Especificidades metabólicas dos diferentes tecidos Heat ATP 3

4 Especificidades metabólicas dos diferentes tecidos Heat ATP HIDRATOS DE CARBONO/GLÚCIDOS Fórmula geral: Ex: C x (H 2 O) y ou (CH 2 O) n Ex: C 6 H 12 O 6 (glucose), C 12 H 22 O 11 (sacarose) Funções: - Metabolismo energético glucose - Reservas de carbono e energia glicogénio e amido - Estruturas de suporte celulose, quitina - Reconhecimento celular glicoproteínas 4

5 HIDRATOS DE CARBONO/GLÚCIDOS Classificação com base nº oses: Monossacarídeo 1 unidade açúcar (ose) Dissacarídeo 2 unidades açúcar Oligossacarídeo 2-10 unidades açúcar Polissacarídeo > 10 unidades açúcar HIDRATOS DE CARBONO/GLÚCIDOS (classificação de acordo com a complexidade) Oses Osídos Aldoses Cetoses Holosídos Heterosídos Oligosidos Poliosidos 5

6 MONOSSACARÍDEOS (classificação de acordo com nº átomos C) Pentoses Ribose Ribulose Arabinose Xilulose Hexoses Glucose Frutose Galactose Manose D-Aldoses Ácidos nucleícos Ribose-P Via das pentoses GLICOPROTEÍNAS Glicólise; Amido; Glicogénio Lactose; glicoproteínas 6

7 Estruturas cíclicas da glucose: <1% glucose em cadeia aberta 1/3 anómero α 2/3 anómero β D-glucose Conformação em cadeira (predominante): Conformação em barco: α-d-glucose β-d-glucose Anómeros: α - OH ligado ao C 1 abaixo do plano do anel β OH ligado ao C 1 acima do plano do anel D-Cetoses Via das pentoses GLICOPROTEÍNAS Sacarose 7

8 DISSACARÍDEOS mais comuns Sacarose Glu(α1-2β)Fru Lig α1,2-glicosídica Hidrólise por invertase/sacarase Não redutor! Lactose Gal(β1-4α)Glu Lig β1,4-glicosídica Hidrólise por lactase Maltose Glu(α1-4 α)glu Lig α1,4-glicosídica Hidrólise por maltase Polissacarídeos Glicogénio Amido ANIMAIS PLANTAS 8

9 Glicogénio e Amido 1) Polímeros de glucose ramificados 2) Unidades de glicose ligadas por ligações glicosídicas α-1,4 3) Ramificações: ligações glicosídicas α-1,6 Glicogénio 10 em 10 glicoses Amido 30 em 30 glicoses Solubilidade Mobilização 9

10 Os açucares ligam-se a álcoois e aminas por ligações glicosídicas: 1) Ligações O-glicosídicas 2) Ligações N-glicosídicas Glicogénio METABOLISMO Catabolismo Anabolismo Compartimentalização das vias metabólicas: 10

11 Objectivos 1. Explicar a entrada de glucose nas células 2. Analisar a via glicolítica 3. Explicar a regulação da glicólise 4. Analisar o destino do piruvato em aerobiose e anaerobiose 5. Analisar comparativamente a neoglicogénese e a glicólise 6. Avaliar o papel destes metabolismos na manutenção da glicémia A célula sistema termodinâmico aberto Necessita de gerar e libertar energia para manter a sua autoorganização (génese entalpica compensa neg-entropia para não violar o 2º princípio) Definição de um fuel ideal: Solúvel (meios acquosos) Quimicamente estável Estrutura simples (ligações simples, i.e. fácil de queimar) Hidratos de carbono (facilmente oxidáveis, gerando CO 2 e H 2 O) Glucose (única aldose monomérica na natureza) 11

12 Metabolização da glicose Metabolismo dos Hidratos de Carbono Glucose Glicogénio (síntese/degradação) Glicólise C. Krebs Via das Pentoses Fosforilação Oxidativa 12

13 Entrada e metabolismo da glucose fora dentro GLUT Glucose Glucose-6-P Glicémia: - Após refeição ( 30 min): mg/dl - Jejum (após 2 hr): mg/dl Glicólise Glucogénio C. Krebs Via das Pentoses Fosforilação oxidativa * Hiperglicémia perda de H 2 O das células (efeito osmótico da glucose) desidratação dos tecidos * Hipoglicémia ATP GV e cérebro são os mais atingidos porque necessitam de um aporte constante de glucose Entrada e metabolismo da glucose TRANSPORTE FACILITADO DA GLUCOSE: Transporte trans-epitelial: simporte de glucose/na + dentro Regulação pela insulina nas células musculares e adipócitos 13

14 TRANSPORTE FACILITADO DE GLUCOSE Transporte / captação: fixação da glucose na célula Regulação pela insulina nas células musculares e adipócitos Transporte trans-epitelial: simporte de glucose/na + (GLUT-4) dentro Glicólise (via metabólica ancestral) Fase I Reacções endergónicas: - Fosforilação glucose (6C) - Formação de 2 G-3-P (3C) - Utilização de 2 ATP isomerização 2º fosfato desestabilização Fase II Reacções exergónicas - 2 G-3-P 2 Piruvato - Formação de 2 NADH - Formação de 4 ATP Reacção geral: Glucose + 2Pi + 2ADP + 2NAD + 2 Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H + + 2H 2 O 2X Objectivos: Formar ATP e NADH Formar precursores de: aminoácidos, lípidos e açucares 14

15 Glicólise Hexocinase Via das pentoses Fosfofrutocinase Síntese de glicogénio Glicerol Locais de regulação e/ou controlo E catalizando reacções irreversíveis: 1. Hexocinase 2. Fosfofrutocinase (estimulada por ATP/AMP) 3. Piruvato cinase Piruvato cinase AA aromáticos Hexocinase 1ª enzima irreversível da glicólise, cataliza a fosforilação da glucose Hexocinase inibida pelo produto! * Hexocinase (cérebro, músculo e maior parte dos tecidos) K m baixo (alta afinidade) e V max baixo (fosforilação da glucose ocorre independentemente da [glucose]); inibida alostericamente pelo produto (glucose-6-p) * Glucocinase (fígado e células-β pancreáticas) isoenzima da hexocinase K m elevado (baixa afinidade, 50x inferior) e V max elevado; depende da [glucose] no sangue; inibida por frutose-6-p (não por glucose-6-p) 15

16 Fosfofrutocinase Enzima chave da glicólise; estimulada por diminuição de (ATP/AMP) A actividade de Fosfofrutocinase decresce à medida que aumenta a carga energética celular ( ATP) diminuição da velocidade da glicólise Ciclo de Krebs Citrato - - ATP + + AMP ADP Frutose-2,6-bisfosfato -Fosfofrutocinase-2 = PFK-2 -Frutose-2,6-bisfosfatase (regulada pela PKA) Regulação da actividade da Fosfofrutocinase: - Estimulação por frutose-2,6-bisfosfato Frutose-2,6-bisfosfato é um regulador alostérico da fosfofrutocinase-1 (PFK-1) e da frutose-1,6-bisfosfatase (neoglicogénese). A [Frutose-2,6-bisfosfato] celular é regulada pelas enzimas: - Fosfofrutocinase-2 = PFK-2 (fosforilação de frutose-6-p) e - Frutose-2,6-bisfosfatase = FBPase2 16

17 Regulação da actividade da Fosfofrutocinase - Papel da insulina/glucagina - Controlo da síntese e degradação de frutose 2,6-bi-fosfato pela PFK2 e FBPase2 Insulina Regulação da actividade da piruvato cinase (enzima irreversível) Glucagina PKA AMP Acetil-CoA Permite que a glicólise prossiga Activadores Inibidores 17

18 Conversão de metabolitos da glicólise noutros metabolitos: - Glucose-1-P Glicogénio - Via das pentoses Nucleótidos - Açucares aminados Glicoproteínas - Glicerol-3-P Lípidos - 2,3-BPG - Serina - Aminoácidos aromáticos - Aminoácidos (Asp, Asn, Ala) Anaerobiose - Lactato desidrogenase (LDH) é uma enzima citosólica. - Existem diferentes isoenzimas da LDH nos tecidos. - A libertação de LDH implica a ruptura da membrana celular. Então, a libertação das diferentes isoenzimas da LDH permite avaliar diferentes patologias: - Enfarte de miocárdio - Infecção hepática - Doenças musculares 18

19 Neoglicogénese ou gluconeogénese Síntese de novo de glucose Através da neoglicogénese, a glucose pode ser sintetizada a partir de precursores que não são hidratos de carbono: Glycerol-3-P Glycerol Lactato ---- músculo esquelético Glicerol ---- hidrólise de triglicerídeos Aminoácidos -- proteínas da dieta -- proteínas do músculo (jejum) A neoglicogénese é essencial no jejum (4-18 horas após a refeição) Lactate Finalidades da neoglicogénese Manter os níveis de glucose sanguínea para suportar o metabolismo de tecidos que usam a glucose como primeiro substrato: cérebro, glóbulo vermelho, retina, músculo, rim, córnea, testículo Num indivíduo normal os níveis de glicémia são mantidos. A neoglicogénese é essencial no jejum, 4-18 h após a refeição. Ingestão glucose (700 g/dia) Jejum, 12 hr Fome, 3 dias Fome, 5 dias Glucose (mg/dl) Músculo em exercício Glóbulo vermelho Tecido adiposo Lactato Aminoácidos Glicerol Neoglicogénese FÍGADO Neoglicogénese Glicogenólise Glucose para o sangue 19

20 Precursores da Neoglicogénese TCA cycle Neoglucogénese ou Gluconeogénese Glucose- 6-phosphatase (RE) Diferenças enzimáticas entre: GLICÓLISE NEOGLICOGÉNESE (Phosphoglucose isomerase) Hexocinase Glucose-6-fosfatase* Fosfofrutocinase Piruvato cinase Frutose-1,6- bisfosfatase Piruvato carboxilase e Fosfoenolpiruvato (PEP) carboxicinase (Fructose-bisphosphate aldolase) (Triose-P isomerase) (Glyceraldehyde-3-P dehydrogenase) (Phosphoglicerate kinase) (Phosphoglicerate mutase) * Sobretudo hepática, não existe no cérebro ou no músculo (Enolase) Locais de regulação e/ou controlo E catalizando reacções irreversíveis: A neoglicogénese é estimulada ~4 horas após a refeição (ex. alanina) 20

21 Piruvato carboxilase (Pir Oxa) (Enzima importante na neoglicogénese e ciclo de Krebs) Trocador piruvato/oh - Enzima estimulada por acetil-coa (acetil-coa é modulador alostérico): Piruvato carboxilase Malato desidrogenase Piruvato + HCO ATP Oxaloacetato + ADP + P i Piruvato carboxilase Se ATP Oxaloacetato é consumido na Neoglicogénese Se ATP Oxaloacetato entra no Ciclo de Krebs Transportador malato/α-cetoglutarato Malato desidrogenase Permite a saída de oxaloacetato da mitocôndria Ocorre regeneração da [NADH] no citosol! Shunt Malato-Aspartato AA AA α-cetoácido α-cetoácido Necessário à Neoglicogénese Aspartato citosol Aspartato Mitocôndria 21

22 Posfoenolpiruvato carboxicinase (PEP) Oxaloacetato + GTP - insulina + AMPc Glucagina PEP + CO 2 + GDP mitochondrial malate dehydrogenase Em acidose prolongada, a PEPCK é regulada (upregulated) no túbulo renal proximal, permitindo o aumentod a secreção de NH 3 e a produção de HCO 3-. Regulação das enzimas da Glicólise e da Neoglicogénese 22

23 Glucagina e Insulina Glucagina ( AMPc PKA): Estimula a fosforilação de PFK-2 (inactiva) e FBPase-2 (activa) [frutose-2,6-bisfosfato] Inibe glicólise Estimula neoglicogénese Insulina + (após refeição) Glucagina (em jejum) CICLO de CORI cooperação metabólica entre o músculo e o fígado - exercício físico - Músculos activos usam glicogénio lactato (glicólise) O lactato é usado pelo fígado para formar glucose A glucose regressa ao músculo glicogénio glucose lactato glucose (Ciclo de Cori) 23

24 Metabolização da glicose Formação de NADH e ATP Lactato desidrogenase Piruvato desidrogenase TPP Mg 2+ Piruvato descarboxilase Álcool desidrogenase Requer O 2! Leveduras 24

25 Formação de Coenzimas reduzidos, NADH e FADH 2 Glicogénio Triglicerídeos Proteínas Glicogenólise Glucose Lipólise Ácidos gordos Proteólise Aminoácidos NADH NADH Glicólise Piruvato Oxidação NADH, FADH 2 β-oxidação Acetil-CoA Ciclo de Krebs Desaminação e Oxidação 25