Glicólise: funções, enzimas, fases, produtos, importância - Ciência - 2023

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o glicolise ou a glicólise é a principal via de catabolismo da glicose, cujo objetivo final é obter energia na forma de ATP e poder redutor na forma de NADH, a partir desse carboidrato.

Essa rota, totalmente elucidada na década de 1930 por Gustav Embden e Otto Meyerhof ao estudar o consumo de glicose nas células musculares esqueléticas, consiste na oxidação completa desse monossacarídeo e, por si só, representa uma via anaeróbia para a obtenção de energia.

É uma das principais rotas metabólicas, como ocorre, com suas diferenças, em todos os organismos vivos existentes, unicelulares ou multicelulares, procarióticos ou eucarióticos, e é considerada uma cadeia de reações evolutivamente altamente conservada na natureza.

Na verdade, existem alguns organismos e tipos de células que dependem exclusivamente dessa rota para sobreviver.

No primeiro caso, a glicólise consiste na oxidação da glicose, de 6 átomos de carbono, a piruvato, que possui três átomos de carbono; com a produção concomitante de ATP e NADH, úteis para as células do ponto de vista metabólico e sintético.

Nas células capazes de processar posteriormente os produtos obtidos do catabolismo da glicose, a glicólise termina com a produção de dióxido de carbono e água por meio do ciclo de Krebs e da cadeia de transporte de elétrons (glicólise aeróbia).

Dez reações enzimáticas ocorrem no curso da via glicolítica e, embora a regulação dessas reações possa ser um pouco diferente de espécie para espécie, os mecanismos reguladores também são bastante conservados.

Funções da glicólise

Do ponto de vista metabólico, a glicose é um dos carboidratos mais importantes para todos os seres vivos.

É uma molécula estável e muito solúvel, podendo ser transportada com relativa facilidade por todo o corpo de um animal ou planta, de onde é armazenada e / ou obtida até onde é necessária como combustível celular.

A energia química contida na glicose é explorada pelas células vivas por meio da glicólise, que consiste em uma série de etapas altamente controladas pelas quais a energia liberada pela oxidação desse carboidrato pode ser “capturada” em formas mais utilizáveis de energia. , daí a sua importância.

Por meio dessa rota, não só se obtém energia (ATP) e poder redutor (NADH), mas também fornece uma série de intermediários metabólicos que fazem parte de outras rotas, também importantes a partir do anabólico (biossintético) e funcionamento celular geral. Aqui está uma lista:

- Glicose 6-fosfato para a via da pentose fosfato (PPP) Via da Pentose Fosfato)

- Piruvato para fermentação láctica

- Piruvato para a síntese de aminoácidos (alanina, principalmente)

- Piruvato para o ciclo do ácido tricarboxílico

- Frutose 6-fosfato, glicose 6-fosfato e fosfato de dihidroxiacetona, que funcionam como "blocos de construção" em outras rotas, como a síntese de glicogênio, ácidos graxos, triglicerídeos, nucleotídeos, aminoácidos, etc.

Produção de energia

A quantidade de ATP produzida pela via glicolítica, quando a célula que o produz não consegue viver em condições aeróbias, é suficiente para suprir as necessidades energéticas de uma célula quando está acoplada a diferentes tipos de processos de fermentação.

No entanto, quando se trata de células aeróbias, a glicólise também serve como uma fonte de energia de emergência e serve como uma "etapa preparatória" antes das reações de fosforilação oxidativa que caracterizam as células metabolizadas aeróbias.

Enzimas envolvidas na glicólise

A glicólise só é possível graças à participação das 10 enzimas que catalisam as reações que caracterizam essa via. Muitas dessas enzimas são alostéricas e mudam de forma ou conformação quando exercem suas funções catalíticas.

Existem enzimas que se rompem e formam ligações covalentes entre seus substratos e outras que requerem cofatores específicos para o desempenho de suas funções, principalmente íons metálicos.

Estruturalmente falando, todas as enzimas glicolíticas têm um centro essencialmente laminado. β paralelo cercado por α hélices e ordenado em mais de um domínio. Além disso, essas enzimas são caracterizadas pelo fato de que seus locais ativos estão geralmente nos locais de ligação entre os domínios.

Também é importante observar que a principal regulação da via passa pelo controle (hormonal ou metabólitos) de enzimas como hexoquinase, fosfofrutocinase, gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase e piruvato quinase.

1- Hexoquinase (HK)

A primeira reação da glicólise (fosforilação da glicose) é catalisada pela hexoquinase (HK), cujo mecanismo de ação parece consistir em um “aperto induzido” pelo substrato, promovendo o “fechamento” da enzima em torno do ATP e de glicose (seus substratos), uma vez que se ligou a eles.

Dependendo do organismo considerado, pode haver uma ou mais isoenzimas, cujo peso molecular varia entre 50 (em torno de 500 aminoácidos) e 100 kDa, pois parecem se agrupar na forma de dímeros, cuja formação é favorecida pela presença de glicose, íons de magnésio e ATP.

A hexoquinase tem uma estrutura terciária composta de folhas alfa e beta abertas, embora haja muitas diferenças estruturais nessas enzimas.

2- Fosfoglucose isomerase (PGI)

A glicose fosforilada pela hexoquinase é isomerizada em frutose 6-fosfato via fosfoglucose isomerase (PGI), também conhecida como glicose 6-fosfato isomerase. A enzima, então, não remove ou adiciona átomos, mas os reorganiza no nível estrutural.

Esta é uma enzima ativa em sua forma dimérica (o monômero pesa cerca de 66 kDa) e está envolvida não apenas na glicólise, mas também na gliconeogênese, na síntese de carboidratos nas plantas, etc.

3- Fosfofrutocinase (PFK)

A frutose 6-fosfato é um substrato da enzima fosfofrutocinase, que é capaz de refosforilar essa molécula usando ATP como doador do grupo fosforila, produzindo frutose 1,6-bifosfato.

Esta enzima existe em bactérias e mamíferos como uma enzima homotetramérica (composta por quatro subunidades idênticas de 33 kDa cada para bactérias e 85 kDa cada em mamíferos) e em leveduras é um octâmero (composto de subunidades maiores, entre 112 e 118 kDa).

É uma enzima alostérica, o que significa que é regulada positiva ou negativamente por alguns de seus produtos (ADP) e por outras moléculas como ATP e citrato.

4- Aldolasse

Também conhecida como frutose 1,6-bisfosfato aldolase, a aldolase catalisa a quebra catalítica da frutose 1,6-bifosfato em dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato e a reação reversa, ou seja, a união de ambos os açúcares para a formação de frutose 1,6-bisfosfato.

Em outras palavras, essa enzima corta a frutose 1,6-bifosfato pela metade, liberando dois compostos C 3 fosforilados. A Aldolase também é composta por 4 subunidades idênticas, cada uma com seu próprio sítio ativo.

Foi determinada a existência de duas classes (I e II) desta enzima, que são diferenciadas pelo mecanismo da reação que catalisam e porque algumas (as primeiras) ocorrem em bactérias e eucariotos "inferiores", e as outras (os segundo) estão em bactérias, protistas e metazoários.

A aldolase eucariótica "superior" consiste em um homotetrâmero de subunidades de peso molecular de 40 kDa, cada uma consistindo em um barril composto por 8 folhas β / α.

5- Triose fosfato isomerase (TIM)

As duas trioses fosforiladas podem ser interconvertidas entre si graças à ação da triose-fosfato isomerase, que permite que os dois açúcares sejam utilizados ao longo da glicólise, garantindo o aproveitamento total de cada molécula de glicose que entra na via.

Essa enzima foi descrita como a enzima "perfeita", pois catalisa a reação descrita cerca de um trilhão de vezes mais rápido do que ocorreria sem a sua participação. Seu sítio ativo está no centro de uma estrutura de barril beta, característica de muitas enzimas glicolíticas.

É uma proteína dimérica, formada por duas subunidades idênticas de aproximadamente 27 kDa, ambas com estrutura globular.

6- Gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH)

Gliceraldeído 3-fosfato produzido pela ação da aldolase e triose fosfato isomerase serve como substrato para GAPDH, que é uma enzima homotetramérica (34-38 kDa cada subunidade) que se liga cooperativamente a uma molécula de NAD + em cada de seus 4 sítios ativos, bem como 2 íons fosfato ou sulfato.

Nessa etapa da via, a enzima permite a fosforilação de um de seus substratos utilizando o fosfato inorgânico como doador do grupo fosforil, com redução concomitante de duas moléculas de NAD + e produção de 1,3-bisfosfoglicerato.

7- Fosfoglicerato quinase (PGK)

A fosfoglicerato quinase é responsável pela transferência de um dos grupos fosfato do 1,3-bisfosfoglicerato para uma molécula de ADP por fosforilação no nível do substrato. Essa enzima usa um mecanismo semelhante ao da hexoquinase, pois se fecha em contato com seus substratos, protegendo-os da interferência das moléculas de água.

Esta enzima, como outras que usam dois ou mais substratos, tem um sítio de ligação para ADP e outro para fosfato de açúcar.

Ao contrário das demais enzimas descritas, essa proteína é um monômero de 44 kDa com estrutura bilobar, composto por dois domínios do mesmo tamanho conectados por uma estreita “fenda”.

8- Fosfoglicerato mutase

O 3-fosfoglicerato sofre uma mudança do grupo fosfato para o carbono 2, no meio da molécula, que representa um sítio estratégico de instabilidade que facilita a posterior transferência do grupo para uma molécula de ATP na última reação da via.

Esse rearranjo é catalisado pela enzima fosfoglicerato mutase, uma enzima dimérica para humanos e tetramérica para leveduras, com tamanho de subunidade próximo a 27 kDa.

9- Enolase

A enolase catalisa a desidratação de 2-fosfoglicerato em fosfoenolpiruvato, uma etapa necessária para a geração de ATP na próxima reação.

É uma enzima dimérica composta por duas subunidades idênticas de 45 kDa. Depende de íons magnésio para sua estabilidade e para a mudança conformacional necessária para se ligar ao seu substrato. É uma das enzimas mais abundantemente expressa no citosol de muitos organismos e desempenha funções complementares às glicolíticas.

10- Piruvato quinase

A segunda fosforilação em nível de substrato que ocorre na glicólise é catalisada pela piruvato quinase, que é responsável pela transferência do grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para o ADP e pela produção do piruvato.

Esta enzima é mais complexa do que qualquer uma das outras enzimas glicolíticas e em mamíferos é uma enzima homotetramérica (57 kDa / subunidade). Existem, nos vertebrados, pelo menos 4 isoenzimas: L (no fígado), R (nos eritrócitos), M1 (nos músculos e cérebro) e M2 (tecido fetal e tecido adulto).

Fases da glicólise (passo a passo)

A via glicolítica consiste em dez etapas sequenciais e começa com uma molécula de glicose. Durante o processo, a molécula de glicose é "ativada" ou "preparada" com a adição de dois fosfatos, revertendo duas moléculas de ATP.

Posteriormente, é "cortado" em dois fragmentos e, finalmente, é quimicamente modificado algumas vezes, sintetizando quatro moléculas de ATP ao longo do caminho, de forma que o ganho líquido na rota corresponda a duas moléculas de ATP.

Do exposto, pode-se inferir que o percurso é dividido em uma fase de “inversão” energética, fundamental para a oxidação completa da molécula de glicose, e outra fase de “ganho” de energia, onde a energia utilizada inicialmente é reposta e duas são obtidas. moléculas líquidas de ATP.

- Fase de investimento em energia

1- A primeira etapa da via glicolítica consiste na fosforilação da glicose mediada pela hexoquinase (HK), para a qual a enzima utiliza uma molécula de ATP para cada molécula de glicose que é fosforilada. É uma reação irreversível e depende da presença de íons magnésio (Mg2 +):

Glicose + ATP → Glicose 6-fosfato + ADP

2- A glicose 6-fosfato assim produzida é isomerizada em frutose 6-fosfato graças à ação da enzima fosfoglucose isomerase (PGI). Esta é uma reação reversível e não envolve gasto de energia adicional:

Glicose 6-fosfato → Frutose 6-fosfato

3- Posteriormente, outra etapa de inversão de energia envolve a fosforilação da frutose 6-fosfato para formar a frutose 1,6-bifosfato. Esta reação é catalisada pela enzima fosfofrutocinase-1 (PFK-1). Como a primeira etapa da via, a molécula doadora do grupo fosfato é o ATP e também é uma reação irreversível.

Frutose 6-fosfato + ATP → Frutose 1,6-bifosfato + ADP

4- Nessa etapa da glicólise, ocorre a quebra catalítica da frutose 1,6-bifosfato em dihidroxiacetona fosfato (DHAP) uma cetose, e no gliceraldeído 3-fosfato (GAP) uma aldose. Esta condensação aldólica é catalisada pela enzima aldolase e é um processo reversível.

Frutose 1,6-bifosfato → Fosfato de dihidroxiacetona + gliceraldeído 3-fosfato

5- A última reação da fase de inversão de energia consiste na interconversão da triose fosfato DHAP e GAP catalisada pela enzima triose-fosfato isomerase (TIM), fato que não requer aporte energético adicional e também é um processo reversível.

Fosfato de dihidroxiacetona ↔ Gliceraldeído 3-fosfato

- Fase de ganho de energia

6- O gliceraldeído 3-fosfato é usado "a jusante" na via glicolítica como substrato para uma reação de oxidação e uma reação de fosforilação, catalisada pela mesma enzima, gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH).

A enzima catalisa a oxidação do carbono C1 da molécula a ácido carboxílico e sua fosforilação na mesma posição, produzindo 1,3-bisfosfoglicerato. No decorrer da reação, 2 moléculas de NAD + são reduzidas para cada molécula de glicose e 2 moléculas de fosfato inorgânico são usadas.

2Gliceraldeído 3-fosfato + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicerato) + 2NADH + 2H

Em organismos aeróbicos, cada NADH assim produzido passa pela cadeia de transporte de elétrons para servir como substrato para a síntese de 6 moléculas de ATP por fosforilação oxidativa.

7- Esta é a primeira etapa de síntese de ATP na glicólise e envolve a ação da fosfoglicerato quinase (PGK) sobre 1,3-bisfosfoglicerato, transferindo um grupo fosforil (fosforilação em nível de substrato) desta molécula para uma molécula de ADP, produzindo 2ATP e 2 moléculas de 3-fosfoglicerato (3PG) para cada molécula de glicose.

2 (1,3-bisfosfoglicerato) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerato) + 2ATP

8- 3-fosfoglicerato serve como substrato para a enzima fosfoglicerato mutase (PGM), que a converte em 2-fosfoglicerato por deslocamento do grupo fosforil do carbono 3 para o carbono 2 por meio de uma reação em duas etapas reversível e dependente de íons magnésio (Mg + 2).

2 (3-fosfoglicerato) → 2 (2-fosfoglicerato)

9- A enzima enolase desidrata o 2-fosfoglicerato e produz fosfoenolpiruvato (PEP) por meio de uma reação que não requer adição de energia adicional e que visa produzir um composto de alta energia, capaz de doar seu grupo fosforila nos seguintes reação.

2 (2-fosfoglicerato) → 2 fosfoenolpiruvato

10- O fosfoenolpiruvato é um substrato da enzima piruvato quinase (PYK), responsável pela transferência do grupo fosforil desta molécula para uma molécula de ADP, catalisando assim outra reação de fosforilação ao nível do substrato.

Na reação, 2ATP e 2 moléculas de piruvato são produzidas para cada glicose e a presença de potássio e magnésio na forma iônica é necessária.

2Fosfoenolpiruvato + 2ADP → 2Piruvato + 2ATP

O rendimento líquido da glicólise, dessa forma, consiste em 2ATP e 2NAD + para cada molécula de glicose que entra na via.

Se forem células com metabolismo aeróbio, então a degradação total de uma molécula de glicose produz entre 30 e 32 ATP através do ciclo de Krebs e da cadeia de transporte de elétrons.

Produtos da glicólise

A reação geral da glicólise é a seguinte:

Glicose + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H +

Portanto, se for analisado brevemente, pode-se assegurar que os principais produtos da via glicolítica são piruvato, ATP, NADH e H.

No entanto, o destino metabólico de cada intermediário de reação depende, em grande medida, das necessidades celulares, razão pela qual todos os intermediários podem ser considerados como produtos de reação, e podem ser listados da seguinte forma:

- Glicose 6-fosfato

- Frutose 6-fosfato

- Frutose 1,6-bifosfato

- Fosfato de dihidroxiacetona e 3-fosfato de gliceraldeído

- 1,3-bisfosfoglicerato

- 3-fosfoglicerato e 2-fosfoglicerato

- Fosfoenolpiruvato e piruvato

Importância

Apesar de a glicólise, por si só (pode-se falar em glicólise anaeróbica), produzir apenas cerca de 5% do ATP que pode ser extraído do catabolismo aeróbio da glicose, essa via metabólica é essencial por vários motivos:

- Serve como fonte “rápida” de energia, principalmente em situações em que o animal tem que sair do estado de repouso rapidamente, para o qual os processos de oxidação aeróbia não seriam rápidos o suficiente.

- As fibras musculares esqueléticas “brancas” do corpo humano, por exemplo, são fibras de contração rápida e dependem da glicólise anaeróbica para funcionar.

- Quando, por algum motivo, uma célula precisa ficar sem algumas de suas mitocôndrias (que são as organelas que realizam a fosforilação oxidativa de parte dos produtos glicolíticos, entre outras coisas) a célula torna-se mais dependente da energia obtida por via glicolítica.

- Muitas células dependem da glicose como fonte de energia via glicolíticos, entre elas os Glóbulos vermelhos, sem organelas internas e as células do olho (particularmente as da córnea) que não têm uma alta densidade de mitocôndrias.

Referências

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