Metabolismo e Endocrinologia

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1 Metabolismo e Endocrinologia Glicogénese, glicogenólise e gliconeogénese (a) glicogénese e glicogenólise sequência e regulação coordenada (b) síntese do glicuronato e derivados das oses (glicolípidos, proteoglicanos e glicoproteínas) (c) gliconeogénese sequência, regulação não hormonal e pontos comuns e diferentes com a glicólise Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica 2007/2008 Grupo 7 Tiago Robalo, Carlos Lúcio, Carlos Santiago, 58445

2 a) Glicogénese sequência e regulação Grandes quantidades de glicose 6 P dentro da célula provocam um aumento da pressão osmótica. Nessas condições a água terá tendência a entrar para dentro da célula, provocando um aumento do seu volume e eventual lise. Por isso, a glicose 6 P (G 6 P) vai ser armazenada sob a forma de um polímero: o glicogénio polissacárido pouco solúvel bastante ramificado e constituído exclusivamente por monómeros de glicose unidos entre si por ligações 1,4 e a 1,6 (nas ramificações). A glicogénese é composta por um conjunto de reacções que, a partir de G 6 P, levam à formação de glicogénio. A sequência de reacções que a caracterizam (e respectivas enzimas intervenientes) está descrita na seguinte imagem: fosfoglicomutase glicogénio sintase Glicogénio UDP-glicosil transferase A necessidade de recorrer a um composto intermédio activo (UDP glicose) advém do facto de a adição de glicose a uma molécula de glicogénio com libertação de Pi (através da glicose 1 P) não é ser termodinamicamente favorável, uma vez que o potencial de transferência de fosfato das ligações C O P normais é bastante baixo. Por isso, a glicose 1 P vai ser activada, i.e., vai ser transformada numa espécie com alto potencial de transferência de fosfato, a UDP glicose, o que lhe permite doar glicose à extremidade 4' de uma cadeia de glicogénio. No entanto, a enzima glicogénio sintase só é capaz de adicionar resíduos de glicose a uma cadeia de glicogénio já existente. A formação de uma molécula nova de glicogénio é feita através da intervenção da glicogenina (G). Esta inicia a formação de uma molécula de glicogénio com a adição de uma molécula de UDP glicose a ela mesmo, formando uma ramificação de glicogénio (a vermelho) que servirá como base (primer) para a actuação da glicogénio sintase, como é possível visualizar na imagem adjacente. Por outro lado, a formação de ligações (1 6) (ramificações) é catalisada pela glicosil (4 >6) transferase (enzima ramificadora). A sua acção passa por transferir segmentos terminais de glicogénio de cerca de 7 resíduos de glicose para o grupo OH no carbono 6 de um resíduo de glicose (que pode estar na mesma ou noutra cadeia). A regulação da glicogénese faz se ao nível da glicogénio sintase. Esta enzima possui duas formas: a desfosforilada, que activa a enzima glicogénio sintase a, e a fosforilada, menos activa glicogénio sintase b; a regulação desta enzima é, portanto, feita através da acção de outras enzimas que a fosforilam/desfosforilam. Estas enzimas são essencialmente a GSK3 (glicogénio sintase cinase 3) e a PP1 (fosfoproteína fosfatase), respectivamente. A acção PP1 é ela própria promovida pela presença de glicose, de glicose 6 P e de insulina e é inibida pela acção da glicagina (no fígado) e da epinefrina. A insulina é também responsável por inibir a GSK3, favorecendo ainda mais a desfosforilação da sintase.

3 Glicogenólise sequência e regulação A glicogenólise é a sequência de reacções que permite a degradação do glicogénio em glicose pela acção conjunta de três enzimas, como se pode ver na imagem à direita: A glicogénio fosforilase só consegue actuar em resíduos de glicose que estejam a mais de 4 resíduos de distância de uma ramificação. Nesse caso, a enzima desramificadora entra em acção e, como o nome indica, desramifica a cadeia de glicogénio, transferindo três resíduos de glicose de um ramo limite para outro ramo; o último resíduo da ramificação (com uma ligação (1 6)) é eliminado por hidrólise, dando como resultado glicose livre e glicogénio desramificado, possibilitando, assim, que a fosforilase continue a glicogenólise. A fosfoglicomutase cataliza a isomerização de G 1 P a G 6 P; esta pode ser utilizada na glicólise (com fim à obtenção de energia). A enzima glicose 6 fosfatase, presente nos hepatócitos (e 10% no córtex renal), é capaz de formar glicose a partir da glicose 6 P, permitindo que seja enviada para os tecidos onde é necessária. A regulação da glicogenólise dá se ao nível da glicogénio fosforilase. Esta possui também uma forma fosforilada, activa glicogénio fosforilase a, e uma desfosforilada, menos activa. A fosforilase b é fosforilada pela fosforilase cinase b, que, por sua vez, é regulada pela PKA (proteína cinase A). Os intervenientes nesta regulação e a sua acção são descritos no esquema à esquerda. b) A síntese do glicuronato ocorre no fígado e trata se de uma via alternativa à oxidação da glicose, mas que não leva à formação de ATP. O UDP glicuronato é sintetizado a partir da glicose. No primeiro passo a glicose é fosforilada formando se G 6 P por acção da enzima hexocinase; depois a G 6 P sofre isomerização originando glicose 1 P por acção da enzima fosfoglicomutase; a G 1 P, por acção da UDPglicose pirofosforilase, converte se em UDP glicose, sendo a reacção feita com UTP; a conversão da UDP glicose em UDP glicuronato envolve uma desidrogenase dependente do NAD + ; em seguida, forma se Glicuronato por acção da cinase dos nucleósidos difosfatos, formando se aqui o UTP, utilizado já anteriormente; concluindo, a reacção final que se obtém será: Glicose + ATP + UTP + 2 NAD+ UDP glicurónico + ADP + PPi + 2 NADH Os glícidos conjugados são oligossacarídeos ligados covalentemente a outras biomoléculas (proteínas e lípidos) dando origem a uma biomolécula activa. Existem 3 tipos (são produtos derivados de aminoaçúcares): Proteoglicanos, Glicoproteínas e Glicolípidos.

4 Glicosaminoglicanos (GAG) são glícidos complexos de elevado peso molecular, constituídos por aminoaçúcares e uronatos, em sequências repetitivas de dissacarídeos. Na maioria dos GAG, um ou mais grupos hidroxilo do aminoaçúcar estão esterificados com sulfato (GAG sulfatado), com excepção do hialuronato. Este é também excepção porque não se liga covalentemente a proteínas. Alguns exemplos de glicoseaminoglicanos são o já referido hialuronato, sulfato de condroitina, sulfato de queratano e heparina. Proteoglicanos são proteínas unidas por ligação covalente a uma ou mais cadeias de glicosaminoglicanos; existem associados aos elementos estruturais dos tecidos (ósseo e conjuntivo) e fazem parte macromoléculas da superfície celular ou da matriz extracelular. Formam se através de uma ligação covalente indirecta através de uma ponte de trissacáridos entre o glicosaminoglicano e a cadeia peptídica. Esta ligação ocorre no retículo endoplasmático e pode ser de 3 tipos: Ligação O glicosídica entre xilose (Xyl) e serina (Ser) transfere se uma Xyl da UDP Xyl para a serina e adicionam se mais 2 galactose (Gal) Gal Gal Xyl Ser; Ligação O glicosídica entre GalNAc (N acetilgalactosamina) e Ser (ou treonina (Thr)) (presente no sulfato de queratano II) transfere se uma GalNAc da UDP GalNAc para a Ser (ou Thr) Ligação N acetilglicosamina entre GlcNAc e o grupo amina da asparagina (Asn) (síntese usa oligossacárido PP dolicol) O posterior alongamento da cadeia dá se no aparelho de Golgi e a terminação ocorre por sulfatação. Glicoproteínas são proteinas unidas por ligações covalentes a quantidade variável de oligossacáridos (com menos de 15 resíduos glicídicos cada) isolados ou dispersos ao longo da molécula proteica. Existem em quase todos os seres vivos nos meios intracelulares (complexo de golgi, retículo endoplasmático (onde são formadas), lisossomas e glândulas secretórias) e extracelulares (na folha externa da membrana, no sangue e na matriz extracelular). A classificação de glicoproteínas é feita de acordo com as ligações entre os péptidos e os oligossacáridos: uma ligação O glicosídica, entre o OH de um resíduo de serina ou treonina e um açúcar, ou uma ligação N glicosídica, entre o NH 2 de um resíduo de asparagina (Asn) e um açúcar. Na biossíntese de glicoproteínas com ligações O glicosídicas há transferência de açúcares provenientes de açúcares nucleótidos apropriados, envolvendo um conjunto de glicosiltransferases de glicoproteína ligadas à membrana actuando de forma sequencial; cada transferase é geralmente específica para um tipo particular de ligação. Estas enzimas estão localizadas em vários subcompartimentos do aparelho de Golgi sendo a O glicosilação feita após a tradução, em determinados resíduos de Ser ou Thr. Nas glicoproteínas com ligações N glicosídicas temos de ter em conta três principais classes: complexas, híbridas e ricas em manose. Estas classes possuem em comum um pentassacárido Man 3 GlcNAc 2, mas diferem nas restantes ramificações. A primeira fase da síntese deste tipo de glicoproteínas é a síntese e transferência do oligossacárido PP dolicol, em que o Dolicol(um composto poliisoprenóide constituído por unidades isoprenóides repetidas) deve ser fosforilado pela dolicol cinase, usando ATP como doador de fosfato.

5 Nos seguintes passos da cadeia, as reacções evoluem no sentido de formar o oligossacarídeo Glc 3 Man 9 GlcNAc 2 PP dolicol que é transferido em bloco para o resíduo Asn da proteína do lúmen do RE rugoso pela transferase (enzima presente na membrana do RER), formando a glicoproteína. Os glicolípidos encontram se na folha exterior da membrana celular, principalmente em células do tecido nervoso, têm um importante papel no reconhecimento e contacto entre as células sendo resultantes da ligação covalente entre a cabeça polar de um fosfolípido e um oligossacáridos. Existem dois tipos: Gliceroglicolípidos e Esfingoglicolípidos. Os gangliósidos são um exemplo de esfingoglicolípidos, que são glicolípidos. Os gangliósidos são sintetizados a partir de ceramida (sintetizada no RE, importante na sinalização molecular) à qual se adiciona açúcares activados e ácido siálico. A maioria das enzimas que transferem açúcares para esta via dos açúcares dos nucleótidos, glicosiltransferases, são encontradas no aparelho de Golgi, sendo este o local da síntese dos gangliósidos. c) Gliconeogénese sequência e regulação A gliconeogénese e glicólise não são exactamente idênticas: apesar de ocorrerem em grande parte no citosol, a primeira ocorre também na mitocôndria; sete das dez reacções da glicólise são reversíveis ( G 0) e inversas às da gliconeogénese, mas as restantes três são irreversíveis ( G << 0 muito exergónicas) e não se podem dar na gliconeogénese, sendo necessário a acção de enzimas diferentes. Como ambos os processos possuem reacções irreversível, globalmente, são irreversíveis na célula. As três reacções irreversíveis que distinguem a gliconeogénese da glicólise são: Conversão do piruvato em fosfoenolpiruvato (PEP): A reacção que ocorre não é a inversa da catalisada pela piruvato cinase (da glicólise) uma vez que a variação energia de Gibbs ( G) é muito negativa, o que a torna irreversível. Em vez disso, a obtenção de PEP a partir do piruvato (fosforilação do piruvato) é efectuada numa sequência de reacções que requer enzimas do citosol e da mitocôndria, podendo ocorrer a partir de duas vias: uma principal e predominante, em que o precursor é o piruvato ou alanina; e uma alternativa, que utiliza piruvato proveniente do lactato. Via principal O piruvato presente na mitocôndria da conversão da alanina em piruvato por transaminação dentro desta ou provém do citosol. A piruvato carboxilase, uma enzima da mitocôndria que requer a biotina como coenzima (transportador de HCO 3 activado), converte esse pirutavo em oxaloacetato: Como o oxaloacetato não atravessa a membrana da mitocôndria, antes de ser enviado para o citosol tem de ser reduzido a malato pela malato desidrogenase mitocondrial, desprotonando NADH mitocondrial: No citosol, o malato é reoxidado a oxaloacetato, recuperando o NADH esta reacção é catalisada pela malato desidrogenase citosólica: O oxaloacetato é então convertido a PEP pela fosfoenolcarboxinase citosólica, que requer Mg 2+ e GTP como dador do grupo fosfato: A reacção global da conversão do piruvato em fosfoenolpiruvato pode ser descrita pela seguinte equação: Como G = 16,7 kj/mol, nas condições celulares a reacção é irreversível. Esta via permite também que haja um balanço entre a produção e consumo de NADH no citosol durante a gliconeogénese, pois permite que NADH seja transportado da mitocôndria para o citosol.

6 Via alternativa Utiliza lactato como precursor do piruvato. Este é convertido em piruvato pela lactato desidrogenase com formação de NADH. O piruvato entra na mitocôndria, onde é convertido a oxaloacetato pela piruvato carboxilase. O oxaloacetato é convertido directamente em PEP pela PEP carboxicinase mitocondrial e transportado para o citosol, prosseguindo para os restantes passos da gliconeogénese. Nesta via, o oxaloacetato é convertido directamente em PEP pois não é necessário formar NADH no citosol, uma vez que este já se formou durante a conversão de lactato em piruvato. Conversão da frutose 1,6 bisfosfato em frutose 6 fosfato: A reacção é catalisada pela frutose 1,6 bisfosfatase, Mg 2+ dependente, que promove a hidrólise do C 1 fosfatado (e não a transferência do grupo fosfato para ADP): G= 22,2KJ/mol Conversão da glicose 6 fosfato em glicose É a reacção final da gliconeogénese. Ocorre a desfosforilação da glicose 6 fosfato pela acção da glucose 6 fosfatase, activada por Mg 2+, hidrolisando o carbono fosfatado sem formação de ATP. G= 33,4KJ/mol Esta enzima só se encontra nas células hepáticas e renais. É por este motivo que não ocorre gliconeogénese nos músculos, cérebro e restantes tecidos. Existem dois ciclos pelos quais a glicose consumida nestes tecidos é regenerada: ciclo da glicose lactato (Cori) e da glicose alanina. O lactato resulta da degradação de glicose em meio anaeróbio, enquanto a alanina pode ser obtida por aminação do piruvato. O lactato/alanina presente nos tecidos é transportado pelo sangue até ao fígado onde se dá a gliconeogénese e a glicose resultante é transportada de volta. Comparando as reacções globais da glicólise e da gliconeogénese: Gliconeogénese Glicólise podemos constatar que são diferentes. A gliconeogénese é dispendiosa em termos energéticos, dado que por cada molécula de glicose formada é necessário consumir seis grupos fosfato de alta energia (4 ATP e 2 GTP) e ainda duas moléculas de NADH. Regulação da gliconeogénese: A piruvato carboxilase é promovida pela acetil CoA (que inibe o complexo piruvato desidrogenase) é um modelador alostérico positivo da gliconeogénese. A concentração de acetil CoA pode aumentar devido, por exemplo, à degradação de ácidos gordos em grande quantidade ou quando as necessidades energéticas da célula estão satisfeitas (a fosforilação oxidativa diminui, assim como o consumo de NADH, inibindo o ciclo do citrato). É inibida por ADP, também por modelação alostérica, que se encontra em maiores concentrações quando houve um gasto energético elevado e a concentração de ATP está diminuida. Na reacção de conversão da frutose 1,6 bisfosfato em frutose 6 fosfato, a enzima frutose 1,6 bisfosfatase que a catalisa é inibida por AMP, que sinaliza carência energética (carência de ATP), e também inibida pela frutose 2,6 bisfosfato, que favorece a fosfofruto cinase 1 (reacção da glicólise). A frutose 2,6 bisfosfato mantém um controlo alostérico recíproco, o que garante que apenas umas das vias esteja activa e que, portanto, não haja gasto desnecessário de energia.