Gliconeogénese e Metabolismo do Glicogénio

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1 Página 1 de 5 Aulas de grupo ; Rui Fontes Gliconeogénese e Metabolismo do Glicogénio 1- Gliconeogénese 1- A gliconeogénese é um termo usado para incluir o conjunto de processos pelos quais o organismo pode converter substâncias não glicídicas (como aminoácidos, lactato, piruvato, glicerol e propionato) em glicose ou glicogénio. 2- Durante o jejum aumenta a actividade lipolítica (hidrólise dos triacilgliceróis em glicerol e ácidos gordos) no tecido adiposo e a maioria dos órgãos do organismo (nomeadamente os músculos e o fígado) começam a usar como combustível preferencial os ácidos gordos. Contudo, os eritrócitos e, em grande medida, os neurónios dependem do catabolismo da glicose para a síntese de ATP. Embora a glicogenólise hepática (formação de glicose a partir do glicogénio armazenado no fígado) seja, durante as primeiras horas de jejum, a principal fonte da glicose que é vertido no sangue, à medida que o tempo de jejum aumenta a gliconeogénese vai sendo cada vez mais importante. 3- Quer na glicogenólise quer na gliconeogénese forma-se glicose-6-p e a formação de glicose só pode ocorrer por hidrólise da glicose-6-p. Porque a enzima responsável por este processo (glicose-6- fosfátase) só existe no fígado e no rim são estes os órgãos responsáveis pela manutenção de níveis de glicemia compatíveis com a actividade dos neurónios e dos eritrócitos durante o jejum. O fígado tem, neste contexto, um papel mais importante que o rim. 4- Três das enzimas da glicólise [(1) cínase da glicose: ATP + glicose glicose-6-p + ADP; (2) cínase 1 da frutose-6-p: ATP + frutose-6-p ADP + frutose-1,6-bisfosfato; (3) cínase do piruvato: ADP + fosfoenolpiruvato ATP + piruvato] catalisam reacções fisiologicamente irreversíveis. Na gliconeogénese, também são fisiologicamente irreversíveis as reacções catalisadas pelas enzimas que permitem as conversão de piruvato em fosfoenolpiruvato [(3a) carboxílase do piruvato: ATP + H 2 O + piruvato + CO 2 ADP + Pi + oxalacetato; (3b) carboxicínase do fosfoenolpiruvato: GTP + oxalacetato GDP + fosfoenolpiruvato + CO 2 ], da frutose-1,6-bisfosfato em frutose-6-p [(2) frutose- 1,6-bisfosfátase: frutose-1,6-bisfosfato + H 2 O frutose-6-p + Pi] e da glicose-6-p em glicose [(1) glicose-6-fosfátase: glicose-6-p + H 2 O glicose + Pi]. A actividade relativa das enzimas envolvidas nas transformações referidas determina a velocidade e o sentido (anabólico ou catabólico) no metabolismo da glicose. 5- Muitas das enzimas envolvidas na gliconeogénese também participam na glicólise: catalisam reacções fisiologicamente reversíveis e o seu papel (anabólico ou catabólico) depende das concentrações dos compostos (reagentes e produtos) envolvidos nessas reacções. De notar que a reacção catalisada pela cínase do 3-fosfoglicerato (ATP + 3-fosfoglicerato 1,3-bisfosfoglicerato + ADP) funciona no sentido da conversão de ATP em ADP durante a gliconeogénese mostrando claramente que, em jejum, não existe no fígado déficit de ATP. A oxidação hepática dos ácidos gordos libertados no tecido adiposo fornece ao fígado a energia necessária para a síntese de ATP. 6- A lipólise no tecido adiposo também liberta glicerol para o sangue. Ao contrário do que acontece em muitos tecidos (nomeadamente no tecido adiposo) no fígado (e rim) existe uma enzima que é capaz de catalisar a transformação do glicerol em glicerol-3-p (cínase do glicerol: glicerol + ATP glicerol-3- P + ADP) iniciando o processo de conversão do glicerol em glicose. A transformação do glicerol-3-p (3C) em glicose (6C) envolve a actividade das seguintes enzimas: desidrogénase do glicerol-3-p (glicerol-3-p + NAD + dihidroxiacetona-p + NADH), isomérase das trioses-p (dihidroxiacetona-p gliceraldeído-3-p), aldólase (dihidroxiacetona-p + gliceraldeído-3-p frutose-1,6-bisfosfato), frutose-1,6-bisfosfátase (frutose-1,6-bisfosfato + H 2 O frutose-6-p + Pi), isomérase das hexoses-p (frutose-6-p glicose-6-p) e glicose-6-fosfátase (glicose-6-p + H 2 O glicose + Pi). A equação soma relativa à transformação que ocorre no fígado (e rim) pode ser escrita: 2 glicerol + 2 NAD ATP + 2 H 2 O glicose + 2 NADH + 2 ADP + 2 Pi 7- Os eritrócitos produzem continuamente lactato e os músculos, mesmo em jejum, dependem da glicólise anaeróbia para realizarem esforços que consomem ATP a uma velocidade maior que a velocidade de formação de ATP na fosforilação oxidativa. O lactato vertido no sangue pode, no fígado e no rim, ser convertido em glicose e por isso se diz que o lactato é um composto glicogénico. As

2 enzimas envolvidas na transformação do lactato em glicose são a desidrogénase do lactato, a carboxílase do piruvato, a carboxicínase do fosfoenolpiruvato, a enólase, a mútase do fosfoglicerato, a cínase do 3-fosfoglicerato, a desidrogénase do gliceraldeído-3-p, a isomérase das trioses-p, a aldólase, a frutose-1,6-bisfosfátase, a isomérase das hexoses-p e a glicose-6-fosfátase. O conjunto de reacções pode ser resumido na seguinte equação soma 2 lactato (C 3 H 6 O 3 ) + 2 GTP + 4 ATP + 6 H 2 O glicose (C 6 H 12 O 6 ) + 2 GDP +4 ADP + 6 Pi A formação da glicose a partir de lactato (processo endergónico) só é possível porque está acoplada com a hidrólise de ATP e do GTP (processo exergónico). 8- Mais importantes que o lactato como fonte de carbono para a gliconeogénese são os aminoácidos. Em jejum aumenta a hidrólise das proteínas e o esqueleto carbonado da maioria dos aminoácidos libertados no processo hidrolítico pode gerar glicose no fígado. Neste contexto são particularmente importantes a alanina e o glutamato. A alanina pode por transaminação gerar piruvato (alanina + α- cetoácido-x piruvato + α-aminoácido-x) e o piruvato pode, através da acção da carboxílase do piruvato, gerar um intermediário do ciclo de Krebs, concretamente o oxalacetato. O glutamato também pode, por transaminação (glutamato + α-cetoácido-x α-cetoglutarato + α-aminoácido-x), gerar um intermediário do ciclo de Krebs, concretamente o α-cetoglutarato que pode gerar oxalacetato. 9- No homem, a maioria dos ácidos gordos têm um número par de carbonos (cadeia par) e geram no seu catabolismo acetil-coa que reage com o oxalacetato por acção catalítica da síntase do citrato. Nesta reacção não há formação de intermediários do ciclo de Krebs e os ácidos gordos de cadeia par não são glicogénicos. Pelo contrário, os ácidos gordos de cadeia ímpar podem dar origem (para além de acetil-coa) a propionil-coa (o grupo propionil contém 3 carbonos). O propionil-coa pode por acção de uma sintétase (carboxílase do propionil-coa: propionil-coa + CO 2 + ATP + H 2 O D-metilmalonil-CoA + ADP + Pi) e de duas isomérases gerar succinil-coa que é um intermediário do ciclo de Krebs. Para além do glicerol, do lactato, do piruvato, da alanina e do glutamato também os ácidos gordos de cadeia ímpar são glicogénicos. 10- Sendo parte importante nos processos homeostáticos as enzimas que catalisam as reacções fisiologicamente irreversíveis na glicólise e na gliconeogénese são, no fígado e rim, reguladas de tal forma que quando a glicemia está elevada as primeiras estão activadas e as segundas inibidas. O contrário acontece quando a glicemia está diminuída. A regulação da actividade destas enzimas pode envolver a (i) indução ou a repressão dos genes codificadores dessas enzimas, (ii) variação na concentração intracelular de substratos ou (iii) reguladores alostéricos assim como (iv) activação ou inibição por fosforilação reversível. 11- Os mecanismos que condicionam a regulação da actividade das enzimas que catalisam os passos irreversíveis da glicólise e da gliconeogénese hepáticas e renais são complexos envolvendo também a acção de hormonas que se libertam noutros tecidos. Assim, são parte importante nos processos homeostáticos a insulina (que aumenta no sangue em resposta a aumentos na glicemia e tem acção hipoglicemiante) e a glicagina (que aumenta no caso inverso e tem acção hiperglicemiante). Estas hormonas pancreáticas exercem os seus efeitos regulando a actividade de enzimas e de transportadores. 12- Em jejum a hipoglicemia estimula as células α dos ilhéus pancreáticos a produzir glicagina. A glicagina liga-se ao seu receptor na face externa da membrana dos hepatócitos estimulando a cíclase do adenilato (ATP AMPc + PPi) que tem como consequência a acumulação de AMP cíclico (AMPc) no citosol. O AMPc é um estimulador alostérico da cínase de proteídos dependente do AMPc (PKA). A PKA é uma cínase que tem como substrato aceitador de fosfato múltiplas enzimas (ATP + proteído ADP + proteído-p) que, dependendo da enzima concreta, podem ser activadas ou inibidas por essa fosforilação. A glicagina induz os processos que levam à formação de glicose porque os processos de fosforilação catalisados pela PKA activam as enzimas chave das vias metabólicas envolvidas na formação de glicose. A glicagina prejudica o consumo de glicose porque os processos de fosforilação catalisados pela PKA inibem as enzimas chave das vias metabólicas envolvidas no seu consumo. Pelo contrário, a insulina, que está diminuída durante o jejum, prejudica os processos de fosforilação estimulados pela glicagina. Página 2 de 5

3 13- Dois dos substratos da PKA são a cínase do piruvato hepática e uma enzima bifuncional envolvida na regulação do par fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato/cínase 1 da frutose-6-p. Em concordância com o papel da cínase do piruvato na glicólise a forma fosforilada desta enzima é menos activa. Também em concordância com o papel da fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato na gliconeogénese e da cínase 1 da frutose-6-p na glicólise a fosforilação da enzima bifuncional vai implicar a activação da fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato e a inibição da cínase 1 da frutose-6-p. A enzima bifuncional regula a concentração intracelular de um composto a frutose-2,6-bisfosfato que é, simultaneamente, activador da cínase 1 da frutose-6-p e um inibidor da fosfátase da frutose-1,6- bisfosfato. A enzima bifuncional tem duas actividades: cínase 2 da frutose-6-p (ATP + frutose-6-p ADP + frutose-2,6-bisfosfato) e fosfátase da frutose-2,6-bisfosfato (frutose-2,6-bisfosfato + H 2 O frutose-6-p + Pi). Via frutose-2,6-bisfosfato a activação da cínase 2 da frutose-6-p implica activação da cínase 1 da frutose-6-p e, pelo contrário, a activação da fosfátase da frutose-2,6- bisfosfato implica a activação da fosfátase da frutose-1,6-bisfosfato. Em concordância com isto a fosforilação pela PKA da enzima bifuncional tem como consequência a diminuição da concentração intracelular da frutose-2,6-bisfosfato porque na sua forma fosforilada a enzima bifuncional tem predominantemente uma actividade hidrolítica: ou seja, na forma fosforilada anula-se a actividade de cínase 2 da frutose-6-p e fica estimulada a actividade de fosfátase da frutose-2,6-bisfosfato. 14- Resumindo os dois pontos anteriores: glicemia glicagina AMPc frutose-2,6-bisfosfato gliconeogénese glicemia insulina AMPc frutose-2,6-bisfosfato glicólise 15- No jejum ocorre também hidrólise dos triacilgliceróis endógenos. O resíduo glicerol é, como primeiro passo da sua transformação em glicose, fosforilado no fígado (cínase do glicerol: ATP + glicerol ADP + glicerol-3-p). Os ácidos gordos de cadeia par (os mais abundantes) não são substratos da gliconeogénese mas tem um importante papel no processo. A sua oxidação leva à formação de acetil-coa e ATP. (i) A acetil-coa é, simultaneamente, um activador alostérico da carboxílase do piruvato (gliconeogénese) e, via activação da cínase do desidrogénase do piruvato (ATP + desidrogénase do piruvato activa ADP + desidrogénase do piruvato-p inactiva ), um inibidor da oxidação do piruvato e, consequentemente, da glicose. Embora a fosforilação da desidrogénase do piruvato (piruvato + CoA + NAD + acetil-coa + CO 2 + NADH + H + ) não esteja dependente da acção da PKA também aqui a hipoglicemia tem como consequência a fosforilação de uma enzima. (ii) O ATP gerado no catabolismo dos ácidos gordos fornece energia necessária para a gliconeogénese e para as outras actividades do hepatócito. 16- Para além dos mecanismos alostéricos e de fosforilação reversível já apontados também têm importância na regulação da glicólise e na gliconeogénese a regulação da síntese dessas enzimas ao nível da transcrição. Em geral a insulina estimula a síntese das enzimas próprias da glicólise e inibe a síntese das enzimas próprias da gliconeogénese. A glicagina tem efeitos opostos. 17- Por si só, o valor da glicemia tem importância na regulação da cínase da glicose (ATP + glicose ADP + glicose-6-p) pois esta enzima hepática, porque tem um K m elevado (de cerca de 8-10 mm), é sensível às variações fisiológicas da glicemia (4-12 mm na veia porta). 2- Metabolismo do glicogénio 18- O glicogénio é um polímero de tamanho variável que contém resíduos glicose ligados por ligações α- 1,4 e, nos locais de ramificação, α-1,6. A formação deste polímero permite a acumulação de glicose nas células sem aumentar a pressão osmótica dentro destas. O glicogénio existe no citosol de todas as células do organismo mas é mais importante no fígado e músculo esquelético. 19- A glicogénese é a via metabólica pela qual as moléculas de glicogénio crescem por transferência de resíduos glicose para os grupos 4-OH livres dos resíduos glicose das extremidades. Esta transferência é catalisada pela síntase do glicogénio e o dador de glicose é a UDP-glicose. A UDP-glicose forma-se a partir da glicose-1-p (pirofosforílase da UDP-glicose: glicose-1-p + UTP UDP-glicose + PPi), por sua vez formado por isomerização da glicose-6-p (mútase da hexoses-p: glicose-6-p glicose- 1-P). A ramificação do glicogénio é catalisado pela enzima ramificante, que catalisa a transferência Página 3 de 5

4 de uma cadeia com cerca de 7 resíduos glicose de uma extremidade para um grupo 6-OH de uma cadeia vizinha. 20- A glicogenólise é a via catabólica. A fosforílase do glicogénio catalisa a fosforólise do glicogénio; ou seja, catalisa a transferência de resíduos glicose das extremidades com grupos 4-OH livres para o Pi formando glicose-1-p (glicogénio (n) + Pi glicogénio (n-1) + glicose-1-p). De seguida a glicose-1-p sofre isomerização gerando glicose-6-p. A desramificação do glicogénio é catalisada por uma enzima (enzima desramificante) com duas actividades: transferência intra-molecular de maltotriose e hidrólise da ligação α-1, No fígado, a glicogénese está activada quando, durante a absorção intestinal de glicídeos, a glicemia aumenta. A descida da glicemia leva ao desencadear de mecanismos homeostáticos que levam à activação da glicogenólise. A presença de glicose-6-fosfátase neste órgão permite a formação de glicose que é vertida na corrente sanguínea sendo consumida pelos tecidos extra-hepáticos. O fígado é um órgão central no metabolismo da glicose: acumula glicose na forma de glicogénio quando a glicemia é elevado e, através da glicogenólise e da gliconeogénese, forma glicose que verte para o sangue e, em última análise, para os outros tecidos quando a glicemia baixa durante o jejum. De recordar que, no jejum, o ATP formado no fígado é uma consequência da oxidação dos ácidos gordos. 22- Nos músculos esqueléticos, o papel do glicogénio é muito distinto do do fígado. Nos músculos esqueléticos, o glicogénio aumenta durante o repouso e a sua degradação é uma consequência da actividade muscular. A glicose-6-p formada durante a glicogenólise é consumida na fibra muscular onde se formou. Aquando do exercício muscular intenso o consumo de ATP pode exceder a capacidade de síntese da fosforilação oxidativa e, nestas circunstâncias, a glicólise anaeróbia é muito importante como mecanismo de formação de ATP. No músculo (e noutros tecidos) a degradação do glicogénio serve as necessidades energéticas da célula onde foi armazenado. 23- As enzimas reguladoras da velocidade da glicogénese e da glicogenólise são, respectivamente, a síntase do glicogénio e a fosforílase do glicogénio. Na regulação da actividade destas enzimas participam mecanismos de fosforilação reversível assim como mecanismos alostéricos. A síntase do glicogénio é menos activa na forma fosforilada o contrário acontecendo no caso da fosforílase do glicogénio. Várias cínases, como, por exemplo: a PKA, a cínase-3 da síntase do glicogénio e a cínase da fosforílase do glicogénio, estão envolvidas na fosforilação e consequente inactivação da síntase do glicogénio. A fosforilação e consequente activação da fosforílase do glicogénio é o resultado da acção catalítica da cínase da fosforílase do glicogénio. Esta enzima, catalisando a fosforilação quer da síntase quer da fosforílase, inactiva a síntese de glicogénio e activa a sua fosforólise. A desfosforilação da síntase de glicogénio (activação) e da fosforílase do glicogénio (inactivação) é o resultado da acção catalítica de uma mesma fosfátase: a fosfátase-1 de proteínas. O AMP, um nucleotídeo que aumento na célula quando o consumo de ATP é elevado, é um activador alostérico da fosforílase do glicogénio. A ligação do AMP à forma desfosforilada (supostamente inactiva) da fosforílase activa esta enzima. 24- Estimuladas pela hipoglicemia as células α dos ilhéus pancreáticos libertam glicagina durante o jejum. Na membrana dos hepatócitos existem receptores para esta hormona. A ligação da glicagina aos seus receptores induz a activação da cíclase do adenilato que leva ao aumento da concentração de AMP cíclico no citoplasma do hepatócito. O AMP cíclico activa a PKA (enzima.alvo + ATP enzima.alvo-p + ADP) que é uma cínase capaz de catalisar a fosforilação de muitos proteídos. Dentre estes são de destacar a cínase da fosforílase, a síntase do glicogénio, a fosfátase-1 de proteínas e o inibidor-1. A fosforilação destes proteídos leva à estimulação da glicogenólise e à libertação de glicose para o sangue. 25- A fosforilação da cínase da fosforílase activa esta enzima; a actividade catalítica da cínase da fosforílase leva à fosforilação da fosforílase do glicogénio e da síntase do glicogénio e, consequentemente, à activação da fosforílase e à inactivação da síntase. A fosfátase-1 catalisa a hidrólise dos resíduos fosfato ligados nestas três enzimas mas a sua fosforilação pela PKA inactiva-a. Para esta inactivação também contribui a fosforilação do inibidor-1 que fosforilado funciona como inibidor da fosfátase-1. Assim, da activação da PKA pelo AMP cíclico resultam a activação da cínase da fosforílase, da fosforílase do glicogénio e do inibidor-1 e a inactivação da síntase do glicogénio e da fosfátase-1. Página 4 de 5

5 26- Quando a glicemia é elevada ocorre acumulação de glicogénio no fígado. A própria glicose estimula a fosfátase-1 na sua acção inactivadora sobre a fosforílase do glicogénio. O mecanismo de activação envolve a ligação da glicose à fosforílase do glicogénio modificando a sua conformação de tal forma que os resíduos fosfato a ela ligados ficam acessíveis à acção hidrolítica da fosfátase-1. A glicemia elevada estimula as células β dos ilhéus pancreáticos a produzir insulina. As acções da insulina são opostas às da glicagina e envolvem a diminuição da concentração do AMP cíclico e a activação da fosfátase A glicogenólise muscular é estimulada durante o trabalho muscular mas, preparando este trabalho, pode também ter lugar por acção da adrenalina, uma hormona produzida na medula da glândula supra-renal. Os receptores adrenérgicos β que existem no músculo quando estimulados pela adrenalina levam a uma cascata de reacções em tudo semelhante à discutida para o caso da acção da glicagina no fígado. 28- Na origem da contracção muscular está um estímulo nervoso que induz aumento na concentração citosólica do ião cálcio. Este aumento leva à contracção muscular mas também à estimulação directa da cínase da fosforílase com a consequente estimulação da glicogenólise e inibição da glicogénese. O trabalho muscular pode levar à diminuição da concentração de ATP e leva ao aumento do AMP; o AMP é um activador alostérico da fosforílase do glicogénio muscular podendo estimular a forma desfosforilada da fosforílase muscular que é activa na sua presença. Página 5 de 5