Glucólisis

Glucólisis

glucólisis - Wikilingue - Encydia

A glucólisis ou glicolisis (do grego glycos, açúcar e lysis, ruptura), é a via metabólica encarregada de oxidar a glucosa com a finalidade de obter energia para a célula. Consiste em 10 reacções enzimáticas consecutivas que convertem à glucosa em duas moléculas de piruvato , o qual é capaz de seguir outras vias metabólicas e assim continuar entregando energia ao organismo.^[1]

O tipo de glucólisis mais comum e mais conhecida é a via de Embden-Meyerhoff, explicada inicialmente por Gustav Embden e Otto Meyerhof. O termo pode incluir vias alternativas, como a via de Entner-Doudoroff. Não obstante, glucólisis usa-se com frequência como sinónimo da via de Embden-Meyerhoff. É a via inicial do catabolismo (degradação) de carbohidratos , e tem três funções principais:

Generalidades

Durante a glucólisis obtém-se um rendimento neto de duas moléculas de ATP e duas moléculas de NADH ; o ATP pode ser usado como fonte de energia para realizar trabalho metabólico, enquanto o NADH pode ter diferentes destinos. Pode usar-se como fonte de poder redutor em reacções anabólicas; se há oxigénio, pode oxidarse na corrente respiratória, obtendo-se três ATPs; se não há oxigénio, se usa para reduzir o piruvato a lactato (fermentación láctica, ou a CO₂ e etanol (fermentación alcohólica), sem obtenção adicional de energia.

As funções da glucólisis são:

1. A geração de moléculas de alta energia (ATP e NADH) como fonte de energia celular em processos de respiração aeróbica (presença de oxigénio) e fermentación (ausência de oxigénio).
2. A geração de piruvato que passará ao ciclo de Krebs, como parte da respiração aeróbica.
3. A produção de intermediários de 6 e 3 carbonos que podem ser utilizados em outros processos celulares.

Em eucariotas e procariotas, a glucólisis ocorre no citosol da célula. Em células vegetales, algumas das reacções glucolíticas encontram-se também no ciclo de Calvin, que ocorre dentro dos cloroplastos. A ampla conservação desta via inclui os organismos filogenéticamente mais antigos, e por isto se considera uma das vias metabólicas mais antigas.^[2]

Descoberta

Os primeiros estudos informais dos processos glucolíticos foram iniciados em 1860 , quando Louis Pasteur descobriu que os microorganismos são os responsáveis pela fermentación,^[3] e em 1897 quando Eduard Buchner encontrou que certo extracto celular podem causar fermentación. A seguinte grande contribuição foi de Arthur Harden e William Young em 1905, quem determinaram que pára que a fermentación tenha lugar são ncesarias uma fracção celular de massa molecular elevada e termosensible (enzimas) e uma fracção citoplasmática de baixa massa molecular e termorresistente (ATP, ADP, NAD⁺ e outros cofactores). Os detalhes da via em sim determinaram-se em 1940, com um grande avanço de Otto Meyerhoff e em alguns anos depois por Luis Leloir. As maiores dificuldades em determinar o intrincado da via foram a curta vida e as baixas concentrações dos intermediários nas rápidas reacções glicolíticas.

Visão geral

A glucólisis é a forma mais rápida de conseguir energia para uma célula e, no metabolismo de carbohidratos, geralmente é a primeira via à qual se recorre. Encontra-se estruturada em 10 reacções enzimáticas que permitem a transformação de uma molécula de glucosa a duas moléculas de piruvato mediante um processo catabólico.

A glucólisis é uma das vias mais estudadas, e nos livros de texto geralmente encontra-lha dividida em duas fases: a primeira, de despesa de energia e a segunda fase, que obtém energia.

A primeira fase consiste em transformar uma molécula de glucosa em duas moléculas de gliceraldehído -uma molécula de baixa energia- mediante o uso de 2 ATP. Isto permite duplicar os resultados da segunda fase de obtenção energética. Na segunda fase, o gliceraldehído transforma-se em um composto de alta energia, cuja hidrólisis gera uma molécula de ATP, e como se geraram 2 moléculas de gliceraldehído, se obtêm em realidade duas moléculas de ATP. Esta obtenção de energia consegue-se mediante o acoplamento de uma reacção fortemente exergónica após uma levemente endergónica. Este acoplamento ocorre uma vez mais nesta fase, gerando duas moléculas de piruvato. Desta maneira, na segunda fase obtêm-se 4 moléculas de ATP.

Reacção

A reacção global da glucólisis é:^[1]

Reacção global da glucólisis

+

• O ATP (adenosín trifosfato) é a fonte de energia universal da célula.
• NADH e H⁺, outorgam a capacidade de reduzir outros compostos pertencentes a outras vias metabólicas, ou bem para sintetizar ATP.
• O piruvato é a molécula que seguirá oxidándose no ciclo de Krebs, como parte da respiração aeróbica, onde dará origem a mais moléculas de NADH, que poderão passar a sintetizar ATP na mitocondria.

O enlace éster-fosfato

Destino do piruvato

Depois de que uma molécula de glucosa se transforme em 2 moléculas de piruvato, as condições do médio em que se encontre determinarão a via metabólica a seguir.

Em organismos aeróbicos, o piruvato seguirá oxidándose pela enzima piruvato deshidrogenasa e o ciclo de Krebs, criando intermediários como NAD⁺ e FAD. Estes intermediários não podem cruzar a membrana mitocondrial, e portanto, utilizam sistemas de intercâmbio com outros compostos chamados lanzaderas (em inglês, shuttles). Os mais conhecidos são a lanzadera malato-aspartato e a lanzadera glicerol-3-fosfato. Os intermediários conseguem entregar seus equivalentes^[4] ao interior da membrana mitocondrial, e que depois passarão pela corrente de transporte de elétrons, que usá-los-á para sintetizar ATP.

Desta maneira, pode-se obter 38 moles de ATP a partir de 1 mol de glucosa.

No entanto, quando as células não possuam mitocondrias (ej: eritrocito) ou quando requeiram de grandes quantidades de ATP (ej.: o músculo ao ejercitarse), o piruvato sofre fermentación que permite obter 2 moles de ATP pela cada mol de glucosa, pelo que esta via é pouco eficiente com respeito à fase aeróbica da glucólisis.

O tipo de fermentación varia com respeito ao tipo de organismos: em fermentos, produz-se fermentación alcohólica, produzindo etanol e CO₂ como produtos finais, enquanto em músculo, eritrocitos e alguns microorganismos se produz fermentación láctica, que dá como resultado ácido láctico ou lactato.

Etapas da glucólisis

A glucólisis divide-se em duas partes principais e dez reacções enzimáticas, que se descrevem a seguir.

Fase de despesa de energia (ATP)

Esta primeira fase da glucólisis consiste em transformar uma molécula de glucosa em duas moléculas de gliceraldehído. Até o momento só se consumiu energia (ATP), no entanto, na segunda etapa, o gliceraldehído é convertido a uma molécula de muita energia, onde finalmente obter-se-á o benefício final de 4 moléculas de ATP.

1er passo: Hexoquinasa

Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP [5]

A primeira reacção da glucólisis é a fosforilación da glucosa, para activá-la (aumentar sua energia) e assim poder utilizar em outros processos quando seja necessário. Esta activação ocorre pela transferência de um grupo fosfato do ATP, uma reacção catalizada pela enzima hexoquinasa,^[6] a qual pode fosforilar (acrescentar um grupo fosfato) a moléculas similares à glucosa, como a fructosa e manosa.

As vantagens de fosforilar a glucosa são 2: A primeira é fazer da glucosa um metabolito mais reactivo, mencionado anteriormente, e a segunda vantagem é que a glucosa-6-fosfato não pode cruzar a membrana celular -a diferença da glucosa-já que na célula não existe um transportador de G6P. Desta forma evita-se a perda de sustrato energético para a célula.

Tecnicamente falando, a hexoquinasa só fosforila o D-hexosas, e utiliza de sustrato MgATP²⁺, já que este catión permite que o último fosfato do ATP (fosfato gama, γ-P ou P_γ) seja um alvo mais fácil para o ataque nucleofílico que realiza o grupo hidroxilo (OH) do sexto carbono da glucosa, o que é possível devido ao Mg²⁺ que apantalla o ónus dos outros dois fosfatos.^{[1] [7]}

Esta reacção possui um ΔG negativo, e por tanto trata-se de uma reacção na que se perde energia em forma de calor. Em numerosas bactérias esta reacção esta acoplada à última reacção da glucólisis (de fosfoenolpiruvato a piruvato) para poder aproveitar a energia sobrante da reacção: o fosfato do fosfoenolpiruvato transfere-se de uma a outra proteína de um sistema de transporte fosfotransferasa, e em última instância, o fosfato passará a uma molécula de glucosa que é tomada do exterior da célula e libertada em forma de G6P no interior celular. Trata-se por tanto de acoplar a primeira e a última reacção desta via e usar o excedente de energia para realizar um tipo de transporte através de membrana denominado translocación de grupo.

2ou passo: Glucosa-6-P isomerasa

Glucosa-6-fosfato Fructosa-6-fosfato [5]

Este é um passo importante, já que aqui se define a geometria molecular que afectará os dois passos críticos na glucólisis: O próximo passo, que agregará um grupo fosfato ao produto desta reacção, e o passo 4, quando se crêem duas moléculas de gliceraldehido que finalmente serão as precursoras do piruvato.^[1]

Nesta reacção, a glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato, mediante a enzima glucosa-6-fosfato isomerasa. A isomerización ocorre em uma reacção de 4 passos, que implica a abertura do anel e um traspasso de protones através de um intermediário cis-enediol^[8]

Já que a energia livre desta reacção tanto faz a +1,7 kJ/mol a reacção é não espontánea e se deve acoplar.

3er passo: Fosfofructoquinasa

Fructosa-6-fosfato + ATP Fructosa-1,6-bifosfato + ADP [5]

Fosforilación da fructosa 6-fosfato no carbono 1, com despesa de um ATP, através da enzima fosfofructoquinasa-1 (PFK1). Também este fosfato terá uma baixa energia de hidrólisis. Pelo mesmo motivo que na primeira reacção, o processo é irreversible. O novo produto denominar-se-á fructosa-1,6-bifosfato.

A irreversibilidad é importante, já que fá-la ser o ponto de controle da glucólisis. Como há outros sustratos aparte da glucosa que entram na glucólisis, o ponto de controle não está colocado na primeira reacção, senão nesta. A fosfofructoquinasa tem centros alostéricos, sensíveis às concentrações de intermediários como citrato e ácidos grasos. Libertando uma enzima chamada fosfructocinasa-2 que fosforila no carbono 2 e regula a reacção.

4ou passo: Aldolasa

Fructosa-1,6-bifosfato Dihidroxiacetona-fosfato + Gliceraldehído-3-fosfato [5]

A enzima aldolasa (fructosa-1,6-bifosfato aldolasa), mediante uma condensación aldólica reversible, rompe a fructosa-1,6-bifosfato em duas moléculas de três carbonos (triosas): dihidroxiacetona fosfato e gliceraldehído-3-fosfato. Existem dois tipos de aldolasa, que diferem tanto no tipo de organismos onde se expressam, como nos intermediários de reacção.

Esta reacção tem uma energia livre (ΔG) entre 20 a 25 kJ/mol, portanto em condições regular não ocorre de maneira espontánea. No entanto, em condições intracelulares a energia livre é pequena devido à baixa concentração dos sustratos, o que permite que esta reacção seja reversible.^[1]

5ou passo: Triosa fosfato isomerasa

Dihidroxiacetona-fosfato Gliceraldehído-3-fosfato [5]

Já que só o gliceraldehído-3-fosfato pode seguir os passos restantes da glucólisis, a outra molécula gerada pela reacção anterior (dihidroxiacetona-fosfato) é isomerizada (convertida) em gliceraldehído-3-fosfato. Esta reacção possui uma energia livre em condições regular positiva, o qual implicaria um processo não favorecido, no entanto ao igual que para a reacção 4, considerando as concentrações intracelulares reais do reactivo e o produto, se encontra que a energia livre total é negativa, pelo que a direcção favorecida é para a formação de G3P.

Este é o último passo da "fase de despesa de energia". Só temos gastado ATP no primeiro passo (hexoquinasa) e o terceiro passo (fosfofructoquinasa-1). Cabe recordar que o 4to passo (aldolasa) gera uma molécula de gliceraldehído-3-fosfato, enquanto o 5to passo gera uma segunda molécula deste. De aqui em adiante, as reacções a seguir ocorrerão duas vezes, devido às 2 moléculas de gliceraldehído geradas desta fase. Até esta reacção há intervenção de energia (ATP).

Fase de benefício Energético

6ou passo: Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa

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Gliceraldehído-3-fosfato+ Pi + NAD+ 1,3-Bisfosfoglicerato + NADH + H+ [5]

Esta reacção consiste em oxidar o gliceraldehído-3-fosfato utilizando NAD⁺ para acrescentar um ion fosfato à molécula, a qual é realizada pela enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa ou bem, GAP deshidrogenasa em 5 passos, e desta maneira aumentar a energia do composto.

Tecnicamente, o grupo aldehído se oxida a um grupo acil-fosfato, que é um derivado de um carboxilo fosfatado. Este composto possui uma energia de hidrólisis sumamente alta (próxima aos 50 kJ/mol) pelo que se dá início ao processo de reacções que permitirão recuperar o ATP mais adiante.

Enquanto o grupo aldehído se oxida, o NAD⁺ reduz-se, o que faz desta reacção uma reacção redox. O NAD⁺ reduz-se pela incorporação de algum [H⁺] dando como resultado uma molécula de NADH de ónus neutra.

7ou passo: Fosfoglicerato quinasa

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1,3-Bifosfoglicerato+ ADP 3-Fosfoglicerato + ATP [5]

Neste passo, a enzima fosfoglicerato quinasa transfere o grupo fosfato de 1,3-bisfosfoglicerato a uma molécula de ADP, gerando assim a primeira molécula de ATP da via. Como a glucosa se transformo em 2 moléculas de gliceraldehído, ao todo se recuperam 2 ATP nesta etapa. Note-se que a enzima foi nomeada pela reacção inversa à mostrada, e que esta opera em ambas direcções.

Os passos 6 e 7 da glucólisis mostram-nos um caso de acoplamento de reacções, onde uma reacção energeticamente desfavorável (passo 6) é seguida por uma reacção muito favorável energeticamente (passo 7) que induze a primeira reacção. Em outras palavras, como a célula se mantém em equilíbrio, o descenso nas reservas de 1,3 bifosfoglicerato empurra à enzima GAP deshidrogenasa a aumentar suas reservas. A cuantificacion da energia livre para o acople de ambas reacções é de ao redor de -12 kJ/mol.

Esta maneira de obter ATP sem a necessidade de Ou ₂ se denomina fosforilación a nível de sustrato.

8ou passo: Fosfoglicerato mutasa

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3-Fosfoglicerato 2-Fosfoglicerato [5]

8. Se isomeriza o 3-fosfoglicerato procedente da reacção anterior dando 2-fosfoglicerato, a enzima que cataliza esta reacção é a fosfoglicerato mutasa. O único que ocorre aqui é a mudança de posição do fosfato do C3 ao C2. São energias similares e por tanto reversibles, com uma variação de energia livre próxima a zero.

9ou passo: Enolasa

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2-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato + H2Ou [5]

9. A enzima enolasa propicia a formação de um duplo enlace no 2-fosfoglicerato, eliminando uma molécula de água formada pelo hidrógeno do C2 e o OH do C3. O resultado é o fosfoenolpiruvato.

10ou passo: Piruvato quinasa

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Fosfoenolpiruvato Piruvato [5]

10. Desfosforilación do fosfoenolpiruvato, obtendo-se piruvato e ATP. Reacção irreversible mediada pela piruvato quinasa.

A enzima piruvato quinasa é dependente de magnésio e potasio. A energia livre é de -31,4 kJ/mol, portanto a reacção é favorável e irreversible.

O rendimento total da glucólisis de uma sozinha glucosa (6C) é de 2 ATP e não 4 (duas pela cada gliceraldehído-3-fosfato (3C)), já que se consomem 2 ATP na primeira fase, e 2 NADH (que deixarão os elétrons Nc na corrente de transporte de elétrons para formar 3 ATP pela cada elétron). Com a molécula de piruvato, mediante um passo de oxidación intermediário chamado descarboxilación oxidativa, mediante o qual o piruvato passa ao interior da mitocondria, perdendo CO₂ e um elétron que oxida o NAD⁺, que passa a ser NADH mais H⁺ e ganhando um CoA-SH (coenzima A), se formando em acetil-CoA graças à enzima piruvato deshidrogenasa, se pode entrar ao ciclo de Krebs (que, junto com a corrente de transporte de elétrons, se denomina respiração).

Regulação

O efeito Pasteur

O efeito Pasteur é a visualização do poder que possui o Ou₂ na fermentación mediada por fermento, que foi descoberto por Luis Pasteur ao observar a relação entre a taxa de fermentación e a existência de ar. O determinou que estas tinham uma relação inversa, e ademais observou que em condições aeróbicas, as células de fermento aumentavam e a fermentación diminuía.

Desta maneira, o efeito Pasteur foi uma das primeiras observações que alguém realizou ao processo da glucólisis de maneira indirecta, mas observando que o metabolismo primário de glucosa se podia realizar com presença ou ausência de oxigeno, e que neste último ocorre a fermentación alcohólica.

Obtenção de glucosa

Regulação enzimática

A glucólisis regula-se enzimáticamente nos três pontos irreversibles desta rota, isto é, na primeira reacção (G -- >G-6P), por médio da hexoquinasa; na terceira reacção (F-6P --> F-1,6-BP) por médio da PFK1 e no último passo (PEP --> Piruvato) pela piruvato quinasa.

• A hexoquinasa é um ponto de regulação pouco importante, já que se inhibe quando há muito G-6P em músculo. É um ponto pouco importante já que o G-6P utiliza-se para outras vias.

HQ: Inhibe G-6P

• A PFK1 é a enzima principal da regulação da glucólisis, actua como uma chave de água, se está activa cataliza muitas reacções e se obtém mais Fructosa 1,6 bifosfato, o que permitirá às enzimas seguintes transformar muito piruvato. Se está inhibida, obtêm-se baixas concentrações de produto e portanto obtém-se pouco piruvato.

Esta enzima é controlada por regulação alostérica mediante: Por um lado activa-se graças a níveis energéticos elevados de ADP e AMP, inhibiendose em abundância de ATP e citrato, e por outro se activa em presença de um regulador gerado pela PFK2 que é a Fructosa-2,6-Bisfosfato (F-2,6-BP), que não é um metabolito nem da glucolisis nem da gluconeogénesis, senão um regulador de ambas vias que reflete o nível de glucagón em sangue.

A lógica da inhibición e activação são as seguintes:

• • ATP: inhibe esta enzima pois se há uma alta concentração de ATP então a célula não precisa gerar mais.

• • Citrato: Se a concentração de citrato é alta o Ciclo de Krebs vai mais devagar do que o sustrato (acetil-CoA) chega para se degradar, e a concentração de glucosa será mais alta. No Ciclo de Krebs produz-se muito NADH e FADH2, para que funcionem se têm de reoxidar na corrente de transporte electrónico criando gradiente de protones, se o gradiente não se gasta os coenzimas não se reoxidan e o Ciclo de Krebs se pára.

• • AMP, ADP: a alta concentração destas moléculas implica que há uma carência de ATP, pelo que é necessário realizar glucólisis, para gerar piruvato e energia.

PFK1: Inhibe: ATP - Activa: ADP, AMP e F-2,6-BP.

• A piruvatoquinasa regula-se distintamente segundo o tecido no que trabalhe, mas em hígado se inhibe em presença de ATP e Acetil Coenzima-A (Acetil-CoA) , e se activa obrigado de novo ante o F-2,6-BP e a concentração de fosfoenolpiruvato.

PQ: Inhibe: ATP, A-CoA - Activa: PEP e F-2,6-BP

Regulação por insulina

Ao aumentar a glucosa no sangue, após uma comida, as células beta do páncreas estimulam a produção de insulina, e esta a sua vez aumenta a actividade da glucocinasa nos hepatocitos.

As concentrações altas de glucagon e as baixas de insulina diminuem a concentração intracelular de fructosa 2,6 bisfosfato. Isto traz por consequência a diminuição da glicólisis e o aumento da gluconeogenésis.

Glucólisis em outros organismos

Glucólisis em plantas

Nas plantas, uma parte da fotosíntesis é a rota glucolítica. Esta aparece mediante o ciclo de Calvin, que através de pentosas, produz glucosa, fructosa e almidón.

Gluconeogénesis

A gluconeogénesis é a rota anabólica pela que tem lugar a síntese de nova glucosa a partir de precursores não glucosídicos (lactato, piruvato, glicerol e alguns aminoácidos). Leva-se a cabo principalmente no hígado, e em menor medida na cortezarenal .

A glucogénesis é estímulada pela hormona glucagón, secretada pelas células α (alfa) dos islotes de Langerhans do páncreas e é inhibida por seu contrarreguladora, a hormona insulina, secretada pelas células β (beta) dos islotes de Langerhans do páncreas, que estímula a rota catabólica telefonema glucogenólisis para degradar o glucógeno armazenado e o transformar em glucosa e assim aumentar a glucemia (açúcar em sangue).

Desde o ponto de vista enzimático, produzir glucosiliosas desde lacticosinidas custa mais do que produziu sua degradação fosfórica. A equação extrafundamental é: 2 ac. piruviconio + 4 ATP + 2 GTP + 9 NADH + 7 H + 3 H₂Ou --> Glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 6 P + 2 NAD+

O processo de Glucogénesis, também conhecido como síntese de nova glucosa.

A mitocondria é o orgánulo encarregado da respiração celular e a produção de ATP .

Referências

Veja-se também

• Metabolismo
• Ciclo de Krebs
• Fermentación

Enlaces externos

• soko.com.ar: Explicação mais extensa
• www2.ufp.pt: A lógica química dá Glicólise (Português)
• www.pdb.org: The Glycolytic Enzymes, informação em Protein Data Bank (em inglês)

• Wikimedia Commons alberga conteúdo multimédia sobre Glucólisis. Commons