terça-feira, 28 de junho de 2011

Regulação da glicólise

A glicólise fornece à célula diferentes moléculas importantes para o seu correcto funcionamento. A principal é o ATP, o dador de energia química na maior parte dos nossos processos. No entanto, fornece também vários precursores para outros processos, tais como síntese de aminoácidos, por exemplo. Assim, torna-se fundamental haver uma regulação rigorosa da glicólise, de forma a que a célula possa responder a diferentes necessidades de ATP ou de outros metabolitos.
Durante os seus estudos acerca da fermentação da glucose por leveduras, Louis Pasteur descobriu que a taxa e a quantidade de glucose consumida era superior em condições anaeróbicas do que em condições aeróbicas! À primeira vista isto pode parecer estranho, pois normalmente associa-se o metabolismo aeróbico a algo mais vantajoso para a célula. De facto, a explicação bioquímica é simples: em condições anaeróbicas uma molécula de glucose gera duas moléculas de ATP, mas em condições aeróbicas gera 30 ou 32 moléculas de ATP. Simplificando o raciocínio, se pensarmos que em 5 minutos a levedura vai precisar de obter 30 ATP, isto significa que em condições aeróbicas só precisa de gastar uma molécula de glucose nesse intervalo de tempo, enquanto que em condições anaeróbicas, como o processo é menos rentável do ponto de vista energético, é necessário gastar 15 moléculas de glucose. Ou seja, o fluxo de glucose através da via glicolítica é regulado em função dos níveis de ATP da célula (bem como reservas adequadas de intermediários glicolíticos que desempenham papéis biosintéticos).

Conforme já referi em posts anteriores, a glicólise possui 10 reacções, sendo que 3 delas são pontos de regulação (reacções irreversíveis). As enzimas que as catalizam são a hexocinase (reacção 1), PFK-1 (reacção 3) e piruvato cinase (reacção 10). Como estas reacções são os passos limitantes da glicólise, alterações na velocidade de actuação das respectivas enzimas vão alterar a velocidade global da via glicolítica.
Das 3 enzimas regulatórias, a principal é a PFK-1. Isto pode parecer estranho, pois realmente o que era mais lógico era que a principal enzima regulatória fosse a primeira… Mais uma vez, existe uma explicação muito simples para tal não ocorrer. O que se passa é que a hexocinase é uma enzima comum também a outros processos metabólicos (síntese de glicogénio e via das pentoses fosfato). Por outras palavras, apesar de ser uma enzima regulatória, não é exclusiva da glicólise. Sendo assim, o principal ponto de regulação da glicólise terá que ser o segundo, ou seja, a reacção catalisada pela PFK-1.

Uma coisa que eu costumo dizer aos meus alunos é que nesta parte da regulação é preferível perceber porque é que determinadas moléculas activam e outras inibem a via metabólica, evitando assim decorar listas infindáveis de moduladores… Claro que nem sempre é possível fazer um raciocínio directo para perceber porque é que algumas moléculas funcionam como activadores e outras como inibidores, mas sempre que for possível eu vou desenvolver essa ideia… Vamos então passar a uma listagem dos principais moduladores da glicólise.

Activadores da hexocinase:
- Frutose-1-fosfato (fígado) – Compete com a frutose-6-fosfato para a proteína reguladora da glucocinase, cancelando o seu efeito inibitório.
-  Fosfato inorgânico (Pi) – É um interveniente no processo glicolítico (intervém na reacção 6) pelo que faz sentido que a ter um papel regulatório, seja um papel estimulador.

Inibidores da hexocinase:
- Glucose-6-fosfato (músculo) – Faz sentido que funcione como inibidor, pois é o produto da reacção. Se temos muito produto, não vamos precisar de continuar a produzir mais…
- Frutose-6-fosfato (fígado) – É o produto da reacção seguinte (reacção 2), mas pode ser interpretado da mesma forma que o anterior. Ou seja, se estamos a acumular o intermediário formado a partir do produto da reacção, não adianta continuarmos a sintetizar mais produto. Esta inibição ocorre através de uma proteína denominada proteína reguladora da glucocinase.


Activadores da PFK-1:
- Frutose-2,6-bisfosfato (fígado) – Regulador alostérico mais significativo da PFK-1, reduzindo a sua afinidade para os inibidores ATP e citrato. É produzida em resposta à insulina e degradada em resposta ao glucagon.
- Frutose-6-fosfato –É o substrato, portanto faz sentido que se temos muito substrato a enzima seja activada.
- ADP e AMP – São produzidos quando se gasta ATP, ou seja, sinalizam um estado energético em baixa. Sendo assim, faz todo o sentido que activem a glicólise, de forma a que a célula possa repor os seus valores energéticos normais. Activam a enzima porque aliviam a inibição causada pelo ATP.

Inibidores da PFK-1:
- Glucagon (fígado) – Esta hormona é produzida numa situação de hipoglicemia e tem como objectivo elevar a concentração de glucose no sangue. Portanto, faz todo o sentido que iniba a glicólise, pois este processo gasta glucose, o que vai acentuar ainda mais a reduzida concentração sanguínea de glucose. Conforme referido anteriormente, o glucagon diminui os níveis de frutose-2,6-bisfosfato.
- ATP – O principal objectivo da glicólise é produzir energia (ATP). Portanto, se a célula já tiver ATP, faz todo o sentido que a glicólise seja inibida, impedindo assim um gasto desnecessário de um combustível metabólico tão precioso como a glucose! O ATP inibe a PFK-1 porque diminui a afinidade da enzima para o seu substrato, a frutose-6-fosfato.
- Citrato – Acentua o efeito inibitório do ATP. Esta molécula é o primeiro intermediário do passo seguinte do catabolismo aeróbico, o ciclo de Krebs. Portanto, se se estão a acumular intermediários do ciclo de Krebs, não adianta continuar a efectuar glicólise.
- Fosfoenolpiruvato – É um intermediário da glicólise formado na penúltima reacção. Ora, se está a acumular-se este intermediário, as reacções anteriores têm que ser inibidas, de forma a impedir uma acumulação ainda maior dessa molécula.
- H+ – Esta enzima é particularmente sensível a alterações de pH, funcionando como um “interruptor” que se desliga, por exemplo, quando efectuamos uma fermentação láctica (produz H+) exagerada, impedindo uma acumulação de H+ ainda maior.

Activadores da piruvato cinase:
- ADP – O motivo é o mesmo que já foi referido para a PFK-1, ou seja, é um indicador de um défice energético, pelo que vai levar a uma activação da glicólise.
- Frutose 1,6-bisfosfato – É um intermediário da glicólise formado numa reacção anterior à catalisada pela piruvato cinase. Sendo assim, se se estão a acumular intermediários numa fase anterior, temos que activar esta enzima, de forma a contrariar essa acumulação (é como quando uma barragem acumula muita água, e para repor os valores normais é necessário abrir a comporta…).
- Desfosforilação (fígado) – Induzida, por exemplo, pela insulina, o que faz todo o sentido, tendo em conta que a insulina é produzida numa situação de excesso de açúcar no sangue (hiperglicemia) e vai activar os processos (um deles é a glicólise!) que consumam glucose, de forma a baixar a concentração sanguínea de glucose.

Inibidores da piruvato cinase:
- ATP – É um transportador de energia química e um dos produtos finais da glicólise, logo, se existir já não é preciso efectuar a degradação da glucose. Diminui a afinidade da enzima para o fosfoenolpiruvato.
- Acetil-coA – É a molécula na qual o produto desta reacção (piruvato) é convertido, no caso do catabolismo aeróbico. Portanto, se se acumula acetil-CoA, não fazia sentido continuar a sintetizar piruvato, pelo que a enzima é inibida.
- Ácidos gordos de cadeia longa.
- Fosforilação (fígado) – Induzida, por exemplo, por acção do glucagon, que, conforme referi anteriormente, vai ter como principal função elevar os níveis de glucose no sangue. Para tal, inibe, por exemplo, a glicólise.
- NADH – Conforme iremos ver mais em detalhe quando eu falar da respiração celular, o NADH tem potencial para originar moléculas de ATP, pelo que sinaliza um estado energético em alta da célula. Nessa situação, não é preciso recorrer à glicólise para obter mais energia.
- Alanina – Este aminoácido (um dos 20 aminoácidos standard) pode originar piruvato (produto da reacção da piruvato cinase!) por remoção do seu grupo amina. Portanto, se existe uma molécula que pode originar directamente piruvato, não precisamos de estar a gastar glucose para o produzir.

Resumindo, é possível fazer algumas generalizações acerca da regulação das vias metabólicas, que irão ser úteis para perceber a regulação dos restantes processos.
Primeiro, moléculas energéticas, tais como o ATP, ou potencialmente energéticas, tais como o NADH são, de uma maneira geral, inibidores do catabolismo. Isto é muito fácil de perceber se pensarmos que o principal objectivo do catabolismo é produzir energia. Se a célula já tiver essa energia, não precisa de degradar mais nutrientes para produzir energia! O raciocínio oposto aplica-se ao ADP, AMP e NAD+, pois qualquer uma destas moléculas sinaliza um défice energético na célula (lembrem-se que quando gastamos ATP obtemos ADP ou AMP, e quando gastamos NADH obtemos NAD+…), pelo que será necessário repor os níveis energéticos, e para tal activa-se o catabolismo.
Segundo, o produto da reacção, ou intermediários formados a partir deste (produtos de reacções seguintes à reacção a considerar) são inibidores. Por outro lado, o substrato, ou intermediários que irão originar o substrato (formados em reacções anteriores à reacção que se está a considerar), são activadores.

Principais fontes bibliográficas:
- Quintas A, Freire AP, Halpern MJ, Bioquímica - Organização Molecular da Vida, Lidel
- Nelson DL, Cox MM, Lehninger - Principles of Biochemistry, WH Freeman Publishers

49 comentários:

  1. Muito bom este artigo. Ajudou-me a compreender finalmente as inibições na glicólise. Obrigado.

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    1. Obrigado pelo comentário. Fico feliz em saber que o meu post foi útil. :)

      Volta sempre!

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  2. muito bom , parabéns pelo artigo .

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  3. Artigo ótimo! Fala tudo com uma linguagem muito fácil de entender. Obrigado por posts como esse! :)

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  4. Nossa, me ajudou muito! Super bem explicado, parabéns!

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  5. 1: Dê uma justificativa termodinâmica para o fato do sistema fosfocreatina não poder fosforilar AMP para regeneração de ATP.

    2: Quais intermediários ricos em energia são formados durante a glicólise? Explique a importância de cada um desses intermediários

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    1. Boa tarde,

      aqui ficam as respostas à tua dúvida:
      1. A energia libertada na desfosforilação da fosfocreatina é suficiente para levar à fosforilação de ADP a ATP, mas não de AMP a ATP (requer o dobro da energia);
      2. 1,3-bisfosfoglicerato e fosfoenolpiruvato. Estes compostos são fundamentais para o rendimento energético da glicólise, uma vez que a sua desfosforilação liberta energia suficiente para a síntese de ATP a partir de ADP.

      Volta sempre! :)

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  6. Olá tudo bem? Estou com essa dúvida... Seu artigo realmente está bem claro, mas ainda assim não consigo algo concreto a respeito desta questão. Obrigado

    A piruvato cinase de músculo esquelético não sofre controle por modificação

    covalente. As hexocinases encontradas nos tecidos periféricos (músculo esquelético,

    tecido adiposo, etc) possuem Km para glicose entre 0,01mM e 0,1mM e são inibidas por

    glicose,6-P. A glicocinase, isoforma hepática da hexocinase, por sua vez, possui um Km

    para glicose em torno de 10 mM e não é inibida por glicose,6-P. O citrato é um

    importante modulador da via glicolítica e do desvio das pentoses no fígado. O citrato é

    um ativador alostérico da Acetil-CoA carboxilase. Utilize essas informações (e outras!) e

    explique o fluxo de esqueletos carbonados e potencial redutor entre a matriz mitocondrial

    e o citosol da célula hepática de animais alimentados com uma dieta hipercalórica

    particularmente rica em glicídios.

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    1. Bom dia,

      a resposta a essa pergunta é complexa, e demasiado extensa para a colocar aqui nos comentários.
      De qualquer das formas, aqui ficam algumas ideias importantes para poder responder à sua questão... Como o Km da glucosinase é superior à concentração normal de glucose no sangue, a sua velocidade de atuação vai estar diretamente relacionada com os níveis de glucose sanguínea. Sendo assim, numa hiperglicemia, a glucocinase começa a processar cada vez mais glucose, sendo que esta vai sendo gasta, de forma a suprir as necessidades energéticas dos hepatócitos. No entanto, há medida que o NADH se vai acumulando na mitocôndria, o ciclo de Krebs vai abrandando e acumula-se citrato. O citrato vai para o citosol. onde fornece acetil-CoA para a síntese de ácidos gordos. Como este processo gasta NaDPH, a via das pentoses vai-se tornando mais ativa.

      Espero ter ajudado. :)

      Volta sempre!

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  7. Adorei, salvou minha vida.

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    1. Obrigado, fico feliz por ter ajudado! :)

      Volta sempre!

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  8. Olá! Foi de graaande ajuda esse post. Consegui compreender.

    Poderia tirar uma dúvida sobre essa questão
    "Qual a importância da fosforilação da molécula de glicose após sua captação pela célula? Apenas no
    fígado esta reação é catalisada pela hexoquinase IV (glicoquinase), enquanto que, nos outros tecidos,
    outra isoforma da hexoquinase é a enzima ativa. Explicar esta diferença."

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    1. Bom dia,

      peço desculpa pelo atraso na resposta, mas estive ausente do blog por motivos profissionais. Em relação à primeira pergunta, a fosforilação da glucose é fundamental para que a glucose não saia da célula. Ao ser fosforilada, deixa de ser transportada pelos transportadores GLUT, ou seja, permanece no citosol. Quanto à segunda pergunta, a glucocinase (ou glucoquinase) é uma enzima que apresenta um Km para a glucose bastante elevado (8-10mM), ou seja, em condições normais está a funcionar a uma velocidade muito baixa. Só funciona a uma velocidade mais elevada se a concentração de glucose no sangue aumentar. Nos restantes tecidos, a hexocinase (ou hexoquinase) tem mais afinidade para a glucose, e em condições normais funciona à sua velocidade máxima. Em termos gerais, esta diferença de comportamento faz com que em situações de glicemia normal, ou em hipoglicemia, a maioria dos tecidos extra-hepáticos possam utilizar mais glucose do que o fígado, que só irá processar mais glucose quando esta estiver em excesso.

      Volta sempre! :)

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  9. Muito bom seu artigo, me ajudou demais! Ass: Stephany

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    1. Obrigado pelo comentário Stephany, fico feliz por ter ajudado.

      Volta sempre! :)

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  10. Muito obrigado, me salvou. Seu blog foi um achado maravilhoso! kkk

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    1. Olá Luiz,

      fico feliz por saber que o blog tem sido útil. :)

      Volta sempre!

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  11. Eu não sei se entendi direito, para que a via glicolítica se mantenha em funcionamento precisa da ativação da enzima PFK-1?

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    1. Olá Cleber,

      para que a glicólise se mantenha em funcionamento todas as enzimas devem estar ativas, sendo que a velocidade global da via metabólica depende da velocidade de atuação das enzimas regulatórias, e a PFK-1 é a principal enzima regulatória.

      Volta sempre! :)

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  12. Boa noite?
    Tenho duas questões que não tenho certeza se estão relacionadas ao conteúdo!
    1: Como ocorre o controle da velocidade da glicólise no músculo quando a quantidade de energia (ATP) torna-se elevada?
    RESPOSTA: Na minha cabeça quando a quantidade de atp eleva-se a glicolise passa a ser inibida, uma vez que eu já tenho energia suficiente e o principal papel da glicolise e gerar mais energia!!

    2:Como ocorre o controle da glicólise no fígado em uma situação de baixa de glicose no sangue?
    RESPOSTA: quando eu tenho uma baixa de glicose no sangue produz-se o hormonio glucagon, que tem o papel de elevar a concentração de glicose no sangue. Inibi-se a glicolise, pois ela é um processo que gasta glicose, desta forma irá acentuar ainda mais a falta da substancia no sangue!

    Meu raciocinio está correto? Acho que precisa desenvolver mais!!

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    1. Olá LA,

      aqui vão as respostas.
      1. Correto, o ATP é um inibidor da glicólise, e por isso normalmente só degradamos glucose se precisarmos de energia.
      2. Conforme eu digo neste post, o glucagon promove a degradação de frutose-2,6-bisfosfato, que é o principal ativador da glicólise. Sendo assim, a glicólise fica inibida.

      Volta sempre! :)

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  13. eu queria identificar cinco condições que controla a velocidade da respiração nas mitocôndrias. estou me confundido, tem como esclarecer?

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    1. Olá Adriana,

      infelizmente por motivos pessoais e profissionais estive uns meses sem vir aqui ao blog, portanto só hoje é que vi o teu comentário.

      Cinco condições que controlam a velocidade da respiração nas mitocôndrias podem ser:
      - disponibilidade de ATP
      - disponibilidade de O2
      - disponibilidade de NADH
      - disponibilidade de combustível merabólico
      - presença de agentes desacopladores

      Volta sempre! :)

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  14. eu queria identificar cinco condições que controla a velocidade da respiração nas mitocôndrias. estou me confundido, tem como esclarecer?

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  15. Seu post foi muito útil, muito feliz por ter entendido essa matéria que vi hoje e não entendi uma palavra da minha professora. kkkkk E nem achei videos aula na internet. Esse processo acontece de forma inversa com a gliconeogenese?

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    1. Olá Jean,

      obrigado pelo comentário. :)

      As reações que eu descrevo neste post não existem na gluconeogénese, pois são irreversíveis. De qualquer das formas, alguns dos ativadores e inibidores da glicólise têm efeito oposto na gluconeogénese.

      Volta sempre! :)

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  16. Me ajudem ? Sobre a glicólise responda: Identifique os principais pontos de regulação. Quais as enzimas que regulam a via glicolítica?

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    1. Olá,

      infelizmente por motivos pessoais e profissionais estive uns meses sem vir aqui ao blog, portanto só hoje é que vi o teu pedido.

      As enzimas que regulam a glicólise são as 3 descritas neste post.

      Volta sempre! :)

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  17. INCRÍVEL! consegui aprender de forma muito fácil uma coisa tão complicada aparentemente. PARABÉNS e obrigado!

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    1. Bom dia,

      obrigado pelo comentário, fico feliz por saber que o meu blog está a ser útil.

      Volta sempre! :)

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  18. Acho notável que um professor universitário tome algum do seu tempo para explicar de forma tão simples e eficaz todos estes assuntos que se tornam difíceis para muitos estudantes. Obrigada!

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    1. Olá Joana,

      muito obrigado pelo comentário.

      Volta sempre! :)

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  19. quais sao as etapas reguladoras do fluxo glicolítico?

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    1. As etapas reguladoras são 3: a primeira reação, a terceira reação e a última reação.

      Volta sempre! :)

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  20. Muito Bom o conteúdo,estava há dias procurando por isso! obrigada ajudou bastante.

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  21. Muito bom o artigo, porém tenho uma dúvida:
    Quando Glucagon se liga ao seu receptor de membrana culmina em uma resposta celular que ativa PKA. Essa enzima fosforila várias outras enzimas influenciando suas atividades celulares. Quais da enzimas abaixo, ao ser fosforilada por PKA encontra-se modulada positivamente:

    A-PFK-1
    B-Hexoquinase
    C-Glicoquinase
    D-Lipase
    E-AcetilCoA carboxilase

    Acredito que seja a letra A ou D, mas não sei qual dos dois

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    1. Olá Vitória,

      a resposta é a D, pois a PFK-1 é ativada pelo glucagon mas de forma indireta, ou seja, não é ela que é fosforilada.

      Volta sempre! :)

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    2. Este comentário foi removido pelo autor.

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  22. Olá Mundo da Bioquímica. Fiquei com uma certa dúvida: Por que na via glicolítica quem regula é o AMP e na mitocôndria quem regula é o ATP?

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    1. Bom dia,

      isso deve-se principalmente ao facto de no citosol, onde ocorre a glicólise, normalmente ocorrerem os processos anabólicos, que gastam ATP e produzem AMP (e ADP), enquanto que na mitocôndria ocorrem essencialmente os processos catabólicos, que produzem ATP.

      Volta sempre! :)

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  23. Nossa! Foi muito produtivo para mim... Espero q continue...

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