Aula de Bioquímica II. Glicólise e Fermentação

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1 Aula de Bioquímica II Tema: Glicólise e Fermentação Prof. Dr. Júlio César Borges Depto. de Química e Física Molecular DQFM Instituto de Química de São Carlos IQSC Universidade de São Paulo USP borgesjc@iqsc.usp.br

2 Metabolismo de carboidratos Mastigação: fracionamento do alimento e mistura com a saliva; Ação da amilase salivar: quebra do amido em maltoses e dextrinas. Estômago: a digestão de carboidratos cessa temporariamente no estômago devido a inativação da amilase salivar (ph); Intestino: a amilase pancreática continua o processo digestivo no intestino; A digestão final ocorre pela ação de enzimas da mucosa intestinal; Finalmente, ocorre a absorção de monossacarídeos (glicose, frutose e galactose) no intestino.

3 Metabolismo da Glicose A Glicose tem papel central no metabolismo energético e de carboidratos Fornece esqueleto de C para grande número de metabólitos

4 Metabolismo da Glicose A Glicose tem papel central no metabolismo energético e de carboidratos Principal substrato oxidável Fonte de energia universal Única fonte de energia para as hemácias e cérebro (no curto prazo)* Oxidação total da glicose ΔG 0 = kj/mol

5 Glicólise Envolve 10 reações enzimáticas Citoplasma 11 metabólitos Dividida em 2 Fases 1) Fase preparatória - Aprisionamento e desestabilização da glicose - Investimento de 2 moléculas de ATP 2) Fase de Extração - Pagamento - Produção de 2 moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH

6 Glicólise Via de degradação de 1 molécula de Glicose em 2 de Piruvato Piruvato pode seguir 3 caminhos: 1 2 1) Ser reduzido a Etanol Fermentação alcoólica 3 2) Ser reduzido a Lactato Fermentação Lática 3) Ser completamente oxidado a CO 2 e H 2 O Ciclo do ácido Cítrico

7 Glicólise: Fase 1 Aprisionamento de Glicose HEXOQUINASE (n1) no músculo e GLICOQUINASE (n1) no fígado O grupo Pi desloca o equilíbrio para sequestro celular da glicose a partir do plasma - A G-6P não se difunde pela Membrana plasmática - Não existem transportadores para G6P - O Grupo Pi aumenta a reatividade da Glicose A mudança conformacional na enzima: induced fit

8 Glicólise: Fase 1 Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose Cetose: FOSFOHEXOSE ISOMERASE (n2) - Reação próximo ao equilíbrio químico Reversível Controlada pelo concentração de substrato/produtos

9 Glicólise: Fase 1 Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose para Cetose - Envolve a abertura do ciclo hexagonal - Isomerização - Fechamento do Ciclo pentagonal

10 Glicólise: Fase 1 Formação de Frutose-1,6-Bisfosfato Fosforilação: FOSFOFRUTOQUINASE-1 (PFK-1) (n3) - A PFK-1 é uma enzima alostérica e catalisa uma reação exergônica Importante ponto de Regulação da Glicólise Controla a velocidade da Glicólise Irreversível em condições fisiológicas

11 Glicólise: Fase 1 Quebra de 1 carboidrato de 6 Carbonos em 2 de 3 Carbonos ALDOLASE (n4) Envolve a abertura do anel Reação reversível em condições fisiológicas apesar do ΔG >>> 0 - Somente o GAP entra na rota do Estágio 3 da Glicólise - O consumo do GAP desloca o equilíbrio no sentido direto da reação - O consumo de DAHP também desloca o equilíbrio no sentido direto da reação

12 Glicólise: Fase 1 ALDOLASE (n4) Classe I: animais e vegetais Mecanismo envolve uma base de Shiff Classe II: bactérias e fungos mecanismo envolve Zn 2+

13 Glicólise: Fase 1 Reaproveitamento da DAHP em GAP A TRIOSE FOSFATO ISOMERASE TIM (n5) Converte DAHP em GAP Reação Rápida e Reversível - No Equilíbrio: 96% da Triose fosfato está na forma de DHAP - A remoção da GAP pelas reações subsequentes desloca o equilíbrio no sentido direto.

14 Glicólise: Fase 1 Reaproveitamento da DAHP em GAP A TRIOSE FOSFATO ISOMERASE TIM (n5) Converte DAHP em GAP Envolve Catálise ácido-base TIM Barrel Balanço Parcial Fase 1 Entrou uma molécula de Glicose: 6C Consumo de 2 ATPs para a fosforilação da Glicose Saíram 2 moléculas de GAP 3C fosforilado

15 Glicólise: Fase 2 Estágio 1 do PAGAMENTO 2 Moléculas de GAP entram nesta fase GLICERALDEÍDO 3-FOSFATO DESIDROGENASE (n6) Oxidação da GAP em 1,3-Bisfosfoglicerato (1,3-BPG) - Etapa de preparação da GAP baixo potencial fosforila em um produto com alto potencial fosforila Acil-fosfato - Formação do primeiro intermediário de alta energia - Reação exergônica em condições fisiológicas [GAP] e consumo do 1,3-BPG

16 Glicólise: Fase 2 GLICERALDEÍDO 3-FOSFATO DESIDROGENASE (n6) Estágio 1 do PAGAMENTO Reação ocorre em duas etapas 1) A GAP é oxidado pelo NAD+ 2) Fosforilação

17 Glicólise: Fase 2 Estágio 1 do PAGAMENTO FOSFOGLICERATO QUINASE (n7) 1,3-Bisfosfoglicerato: Anidrito misto de ácido fosfórico - Possui alto potencial doador de Pi - Fosforilação de ATP ao nível do substrato - Acoplada termodinamicamente com a reação da GAPDH guia o processo

18 Glicólise: Fase 2 Estágio 1 do PAGAMENTO Balanço parcial Fase 2 2 GAP 2 moléculas de 3-Fosfoglicerato Aldeído Ácido carboxílico 2 moléculas de ATP formadas 2 Moléculas de NADH formadas Acoplamento das reações n6 e n7 Intermediário comum 1,3-BPG x2

19 Glicólise: Fase 2 Estágio 2 do PAGAMENTO 2x 3-fosfoglicerato é convertido a Piruvato com formação de mais 2 ATP Envolve 3 reações: - Rearranjo do grupo Pi: preparação - Desidratação: preparação - Fosforilação de ADP ao nível do Substrato FOSFOGLICERATO MUTASE (n8) - Rearranjo do grupo Pi Isomerização Essa reação é uma preparação para a próxima etapa da via

20 Glicólise: Fase 2 Estágio 2 do PAGAMENTO FOSFOGLICERATO MUTASE (n8) - Rearranjo do grupo Pi Isomerização - Reação dependente de Mg 2+ - Reação reversível controlada pela [substrato/produto] - 2,3-BPG é o intermediário O efetor da hemoglobina!

21 Glicólise: Fase 2 Estágio 2 do PAGAMENTO ENOLASE (n9) - Reação de rearranjo molecular: Desidratação - A desidratação aumenta o potencial doador de fosforila Formação do 2º intermediário de alta energia: Fosfoenolpiruvato - PEP Catálise por íons metálicos Mecanismo da Enolase Participação de Mg 2+

22 Glicólise: Fase 2 Estágio 2 do PAGAMENTO PIRUVATO QUINASE (n10) - Fosforilação - PEP doa 1 Pi para o ADP: Fosforilação ao nível do substrato - Piruvato Quinase é importante ponto de regulação - Reação dependente de K + e Mg 2+ ou Mn 2+ O Piruvato é mais estável do que o PEP Apresenta Ressonância

23 Glicólise BALANÇO GERAL DA GLICÓLISE Cancelando os termos comuns ATP utilizado como moeda energética NADH em condições aeróbicas sofre oxidação pelo O 2 produção de ATP e H 2 O na mitocôndria NADH em condições anaeróbicas Glicólise cessa devido à ausência de NAD+ NADH Carreador temporário de elétrons: precisa haver a reoxidação a NAD + para ocorrer a glicólise Quantidade limitada de NAD + nas células (derivado da vitamina niacina)

24 Regeneração de NAD+ O metabolismo de Piruvato permite manter a glicólise em condições anaeróbicas O Balanço Redox no citoplasma deve ser mantido - A fermentação do piruvato permite regenerar NAD+

25 Fermentação do Piruvato - Fermentação Alcoólica - Fermentação Lática Pouca energia é extraída da Glicose pela Fermentação O 3º destino (oxidação completa no ciclo de Krebs) do piruvato permite extrair 15x mais energia do que na Glicólise

26 Fermentação do Piruvato - Fermentação Alcoólica Tiamina pirofosfato (TPP) - coenzima da enzima piruvato descarboxilase - derivada da vitamina B1 Ausente no tecido de vertebrados Presente em muitos organismos que metabolizam álcool, e em humanos (no fígado: oxidação do etanol) - levedo de cerveja: fonte de vitamina B1! - piruvato descarboxilase: em levedura (pão: bolhas de CO2, cerveja, champanhe)

27 Fermentação do Piruvato Catalisa a oxidação do NADH e redução do piruvato a lactato - Fermentação Lática - eritrócitos - músculo em contração vigorosa - microrganismos: Lactobacilos (abaixamento de ph: iogurte) Esta reação é reversível O lactato pode ser exportado da célula ou convertido (novamente) a piruvato Grande parte do lactato é transportado pelo sangue até o fígado, onde é usado na síntese de glicose Ciclo de Cori

28 Outras Hexoses na Glicose A glicose não é a única Hexose que entra na Glicólise - Dissacarídeos Lactose, Trealose e Sacarose Frutose, Manose e Galactose são substratos para a Glicólise

29 Outras Hexoses na Glicose Galactose é convertida em Glicose por 4 passos enzimáticos

30 Outras Hexoses na Glicose Galactosemia Doença metabólica devido à incapacidade de metabolizar galactose Deficiência da Galactose 1-Fosfato Uridil Transferase mais comum - Provoca retardo mental, hepatomegalia, icterícia, cirrose, atraso no crescimento e catarata formação do Galctitol - Tratamento evitar produtos lácteos Intolerância à Lactose - Alguns adultos não produzem a Lactase Lactose Metabolizada lactato liberando a CH 4 e H 2 por bactérias intestinais anaeróbicas Flatulência Lactato provoca diarréia por questão osmótica Câimbras abdominais

31 Regulação da Glicólise A via glicolítica tem papel duplo no metabolismo Degradar Glicose para gerar ATP Fornecer blocos de construção para nucleotídeos e ácidos graxos A via glicolítica é rigidamente controlada Metabolismo energético primário Três reações da glicólise são virtualmente irreversíveis - Fosfofrutoquinase-1 n3 - Hexoquinase e Glicoquinase (isoenzimas muscular e hepática respectivamente) n1 - Piruvato Quinase n10 Pontos potenciais de controle: 1) Alostérica milissegundos 2) Modificação covalente (hormonal) minutos 3) Controle da expressão de proteínas Horas Regulação diferencial para o Músculo e Fígado

32 Regulação da Glicólise: Músculo FOSFOFRUTOQUINASE principal Ponto de regulação - Enzima comprometida com a via glicolítica - HEXOQUINASE e PIRUVATO QUINASE atuam sobre metabólitos de outras vias FOSFOFRUTUQUINASE-1: Sensível à Carga Energética Alta [ATP] Inibida alto teor energético Alta [AMP]/[ADP] Ativada baixo teor energético Alta [H+] Inibida sinaliza presença de Lactato

33 Regulação da Glicólise: Músculo [Alanina] - Sintetizada a partir do Piruvato

34 Regulação da Glicólise: Músculo Carga energética baixa Estimulação Anterógrada = Retroalimentação positiva

35 Regulação da Glicólise: Fígado Função de tamponar glicose para o Cérebro e Rins Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos FOSFOFRUTOQUINASE-1 Regulada por [ATP] e [AMP]/[ADP] de maneira similar à enzima muscular [H+] não tem efeito fígado não produz lactato [Citrato] indica a presença de blocos de construção inibe

36 Regulação da Glicólise: Fígado Função de tamponar glicose para o Cérebro e Rins Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos FOSFOFRUTOQUINASE-1 Frutose 2,6-Bisfosfato ATIVADOR formada pela FOSFOFRUTOQUINASE-2 Se existe alta [F6P], a síntese de Frutose 2,6-Bisfosfato será favorecida

37 Regulação da Glicólise: Fígado Função de tamponar glicose para o Cérebro e Rins Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos GLICOQUINASE (Hexoquinase IV) Isoenzima hepática Menos ativa sobre a glicose - Km ~50 x menor do que a Hexoquinase - Fosforila glicose somente quando esta é farta no fígado - Fornece G6P para síntese de glicogênio. - Não é inibida pela G6P Sem retroalimentação negativa Regulação pela disponibilidade de glicose Inibição mediada por F6P ativa sequestro nuclear sinaliza baixa concentração de glicose [Glicose] mobiliza Glicoquinase para o citoplasma

38 Regulação da Glicólise: Fígado Função de tamponar glicose para o Cérebro e Rins Também fornece blocos para construção diversos a partir de Carboidratos PIRUVATO QUINASE Também sofre regulação alostérica anterógrada por F1,6-BP e inibição por ATP e Alanina Isoenzima L é sujeita a regulação hormonal via modificação covalente reversível via glucagon e insulina.