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Aula de Bioquímica AvançadaTema:
Glicólise
Prof. Dr. Júlio César BorgesDepto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSCUniversidade de São Paulo – USP
E-mail: [email protected]
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.
Metabolismo da Glicose
A Glicose tem papel central no metabolismo energético e de carboidratos
Fornece esqueleto de C para grande número de metabólitos
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 ΔG0 = - 2.840 kJ/mol
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
Glicólise
Via de degradação de 1 molécula de Glicose em 2 de Piruvato
Piruvato pode seguir 3 caminhos: 1
1) Ser reduzido a Etanol
Fermentação alcoólica
2
2) Ser reduzido a Lactato
Fermentação Lática
3
3) Ser completamente oxidado a CO2 e H2O
Ciclo do ácido Cítrico
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
Glicólise: Fase 1Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose Cetose:
FOSFOHEXOSE ISOMERASE (n2)
- Reação próximo ao equilíbrio químico
Reversível
Controlada pelo concentração de substrato/produtos
Glicólise: Fase 1
Isomerização da G-6P em F-6P: Aldose para Cetose
- Envolve a abertura do ciclo hexagonal
- Isomerização
- Fechamento do Ciclo pentagonal
Glicólise: Fase 1
Formação de Frutose-1,6-BisfosfatoFosforilação: 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
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
Glicólise: Fase 1
ALDOLASE (n4)
Classe II: bactérias e fungos
mecanismo envolve Zn2+
Classe I: animais e vegetais
Mecanismo envolve uma
base de Shiff
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.
Glicólise: Fase 1 Reaproveitamento da DAHP em GAP
A TRIOSE FOSFATO ISOMERASE – TIM (n5) Converte DAHP em GAPEnvolve 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
Glicólise: Fase 2Estágio 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
Glicólise: Fase 2Estágio 1 do PAGAMENTO
Reação ocorre em
duas etapas
1) A GAP é oxidado
pelo NAD+
2) Fosforilação
GLICERALDEÍDO 3-FOSFATO
DESIDROGENASE (n6)
Glicólise: Fase 2Estágio 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
Glicólise: Fase 2Estágio 1 do PAGAMENTO
Balanço parcial Fase 22 GAP 2 moléculas de 3-Fosfoglicerato
Aldeído Ácido carboxílico
2 moléculas de ATP formadas2 Moléculas de NADH formadas
Acoplamento das reações n6 e n7Intermediário comum 1,3-BPG
x2
Glicólise: Fase 2Estágio 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
Glicólise: Fase 2Estágio 2 do PAGAMENTO
FOSFOGLICERATO MUTASE (n8)
- Rearranjo do grupo Pi Isomerização
- Reação dependente de Mg2+
- Reação reversível controlada pela [substrato/produto]
- 2,3-BPG é o intermediário
O efetor da hemoglobina!
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 Mg2+
Glicólise: Fase 2Estágio 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 Mg2+ ou Mn2+
O Piruvato é mais estável do que o PEP
Apresenta Ressonância
Glicólise: Fase 2Estágio 2 do PAGAMENTO
GlicóliseBALANÇO GERAL DA GLICÓLISE
Cancelando os termos comuns
ATP utilizado como moeda energética
NADH em condições aeróbicas sofre oxidação pelo O2
produção de ATP e H2O na mitocôndriaNADH em condições anaeróbicas Glicólise cessa devido à ausência de NAD+
NADH Carreador temporário de elétrons: precisa haver a reoxidação a NAD+ para ocorrer a
glicóliseQuantidade limitada de NAD+ nas células (derivado da vitamina niacina)
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+
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
Fermentação do Piruvato- Fermentação Alcoólica
Ausente no tecido de vertebrados
Presente em muitos
organismosque metabolizam
álcool, e em humanos
(no fígado: oxidação do etanol)
Tiamina pirofosfato (TPP)
- coenzima da enzima piruvato descarboxilase
- derivada da vitamina B1
- levedo de cerveja:fonte de vitamina B1!
- piruvato descarboxilase:em levedura (pão:
bolhas de CO2, cerveja,champanhe)
Fermentação do Piruvato- Fermentação Lática
Catalisa a oxidação do
NADH e redução do piruvato a
lactato
Esta reação é reversível
- eritrócitos - músculo em contração
vigorosa- microrganismos:
Lactobacilos(abaixamento de pH:
iogurte)
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
Outras Hexoses na Glicose
- Dissacarídeos
Lactose, Trealose e
Sacarose
Frutose, Manose e
Galactose são
substratos para a
Glicólise
A glicose não é a
única Hexose que
entra na Glicólise
Outras Hexoses na GlicoseGalactose é convertida em Glicose por 4 passos enzimáticos
Outras Hexoses na Glicose
Lactose Metabolizada lactato liberando a CH4 e H2 por bactérias intestinais
anaeróbicas Flatulência
Lactato provoca diarréia por questão osmótica
Câimbras abdominais
Intolerância à Lactose- Alguns adultos não produzem a Lactase
Deficiência da Galactose 1-Fosfato UridilTransferase mais comum
- Provoca retardo mental, hepatomegalia, icterícia, cirrose, atraso no crescimento e
catarata formação do Galctitol
- Tratamento evitar produtos lácteos
Galactosemia
Doença metabólica devido à incapacidade de metabolizar galactose
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
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 energéticoAlta [AMP]/[ADP] Ativada baixo teor energéticoAlta [H+] Inibida sinaliza presença de Lactato
Regulação da Glicólise: Músculo
[Alanina]- Sintetizada a
partir do Piruvato
Regulação da Glicólise: Músculo
Carga energética
baixa
Estimulação Anterógrada
=Retroalimentação
positiva
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
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
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
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.