Bioquímica Metabólica: Vias Energéticas e Ciclos Celulares

Glicólise

- A glicólise é a via através da qual, em grande parte das células, ocorre o maior fluxo de carbono. Ocorre no citosol.

- Uma molécula de glicose é degradada em uma série de reações catalisadas por enzimas para liberar duas moléculas de piruvato. Durante as reações sequenciais da glicólise, parte da energia livre liberada da glicose é convertida na forma de ATP.

Etapas da Glicólise

1. Fosforilação da glicose: neste passo inicial, a glicose é ativada para as reações subsequentes pela sua fosforilação em C-6 para liberar a glicose-6-fosfato; o doador do fosfato é o ATP. Esta reação é irreversível sob as condições intracelulares e é catalisada pela enzima hexoquinase.
2. Isomerização da glicose: neste segundo passo, a glicose-6-fosfato sofre catálise reversível da enzima fosfoexose isomerase, transformando-se em frutose-6-fosfato.
3. Fosforilação da frutose-6-fosfato: a enzima fosfofrutoquinase-1 catalisa a transferência de um grupo fosfato do ATP para a frutose-6-fosfato para liberar a frutose-1,6-difosfato, sendo essa uma reação irreversível a nível celular.
4. Clivagem da frutose-1,6-difosfato em duas trioses: a enzima frutose-1,6-bisfosfato aldolase catalisa a condensação reversível de grupos aldol. A frutose-1,6-difosfato é quebrada para liberar duas trioses fosfato diferentes: o gliceraldeído-3-fosfato (uma aldose) e a di-hidroxiacetona fosfato (uma cetose).
5. Interconversão das trioses fosfato: apenas uma das trioses fosfato formada pela aldose (gliceraldeído-3-fosfato) pode ser diretamente degradada nos passos subsequentes da glicólise. Já o produto di-hidroxiacetona fosfato é rápida e reversivelmente convertido em gliceraldeído-3-fosfato pela quinta enzima da sequência glicolítica, a triose fosfato isomerase. Esta reação encerra a fase preparatória da glicólise.
6. Oxidação do gliceraldeído-3-fosfato em 1,3-difosfoglicerato: este é o primeiro passo da fase de pagamento da glicólise, onde ocorre a conversão do gliceraldeído-3-fosfato em 1,3-difosfoglicerato, catalisado pelo gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase. É a primeira das duas reações conservadoras de energia da glicólise e que leva à formação de ATP. O grupo aldeído do gliceraldeído-3-fosfato é desidrogenado em um anidrido de ácido carboxílico como o ácido fosfórico, o acilfosfato. O receptor do hidrogênio é a coenzima NAD+ (forma oxidada da nicotinamida adenina dinucleotídeo). A redução do NAD+ ocorre pela transferência enzimática de um íon hidreto (H-) do grupo aldeído para liberar a coenzima reduzida NADH. Este, por sua vez, precisa ser reoxidado até NAD+, pois as células possuem um número limitado de NAD+.
7. Transferência do fosfato do 1,3-difosfoglicerato para o ADP: a enzima fosfoglicerato quinase transfere o grupo fosfato de alta energia do grupo carboxila do 1,3-bisfosfoglicerato para o ADP, formando ATP e 3-fosfoglicerato. É irreversível nas condições celulares.
8. Conversão do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato: a enzima fosfoglicerato mutase catalisa a transferência reversível do grupo fosfato entre C-2 e C-3 do glicerato. O íon Mg+2 é essencial para esta reação.
9. Desidratação do 2-fosfoglicerato para fosfoenolpiruvato: a segunda reação glicolítica que gera um composto com alto potencial de transferência de grupo fosfato é catalisada pela enolase. Essa enzima promove a remoção reversível de uma molécula de água do 2-fosfoglicerato para liberar fosfoenolpiruvato.
10. Transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP: o último passo na glicólise é a transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP, catalisada pela piruvato quinase. Nesta reação, a fosforilação em nível do substrato, o produto piruvato aparece primeiro na sua forma enol. Entretanto, esta forma tautomeriza-se rapidamente para liberar a forma ceto do piruvato, forma que predomina em pH 7,0. Essa reação é irreversível em condições intracelulares.

Aspectos Metabólicos da Glicose

• A glicose entra na célula através de uma proteína transportadora por transporte facilitado ou ativo.
• Cotransporte (ativo): ocorre nas células epiteliais do intestino e túbulos renais; o movimento de glicose é acoplado ao gradiente de Na+ e requer energia.
• Glicólise aeróbica: requer oxigênio para reoxidar o NADH formado durante a oxidação do gliceraldeído-3-fosfato. Propicia a descarboxilação oxidativa do piruvato em acetil-CoA, um combustível importante para o Ciclo de Krebs.
• Glicólise anaeróbica: o piruvato oriundo da glicose pode ser reduzido pelo NADH para formar o lactato; pode ocorrer na ausência de O2.
• Ocorre em duas fases: investimento de energia e fase de geração de energia.
• Vias de degradação da glicose: glicolítica e via das pentoses (simultaneamente).
• Via glicolítica: ligada diretamente à produção de energia.
• Via das pentoses: associada à produção de compostos intermediários.

Fermentações

• Fermentação lática: o piruvato é transformado em ácido lático. Ex: cãibra, fermentação devido a insuficiência de O2.
• Fermentação alcoólica: o piruvato é transformado em álcool etílico (etanol), realizado por bactérias e leveduras. Ex: levedo em pães.
• Fermentação lática: glicose → ácido lático + 2 ATP.
• Fermentação alcoólica: glicose → álcool etílico + CO2 + 2 ATP.
• Fermentação acética: glicose → ácido acético + CO2 + 2 ATP.

Ciclo de Krebs

Ocorre na matriz mitocondrial dos organismos eucariontes e no citoplasma dos procariontes.

1. Formação do citrato: a primeira reação é a condensação do acetil-CoA juntamente com o oxaloacetato, catalisada pela enzima citrato sintase, visando a formação do ácido cítrico.
2. Formação do isocitrato via cis-aconitato: nesta etapa, a enzima aconitase, também conhecida como hidratase, catalisa a formação reversível do citrato em isocitrato, por meio da formação intermediária do cis-aconitato.
3. Oxidação do isocitrato a α-cetoglutarato e CO2: a enzima isocitrato desidrogenase catalisa a descarboxilação oxidativa do isocitrato para gerar o α-cetoglutarato.
4. Oxidação do α-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2: o α-cetoglutarato é convertido em succinil-CoA e CO2 através da ação do complexo da desidrogenase do α-cetoglutarato.
5. Conversão do succinil-CoA em succinato: a energia liberada na quebra da ligação tioéster é usada para conduzir a síntese de uma ligação de anidrido fosfórico no ATP ou no GTP, formando-se o succinato através da enzima succinil-CoA sintetase.
6. Oxidação do succinato a fumarato: através da ação da flavoproteína succinato desidrogenase, o succinato é oxidado a fumarato.
7. Hidratação do fumarato para produzir malato: a hidratação reversível do fumarato em L-malato é catalisada pela enzima fumarase.
8. Oxidação do malato a oxaloacetato: a enzima L-malato desidrogenase, ligada ao NAD, catalisa a oxidação do L-malato em oxaloacetato.

Importância e Equações

• Importância na célula: produzir energia e compostos redutores para a cadeia de transporte de elétrons; produzir esqueletos de carbono para o metabolismo celular.
• Conversão do piruvato a Acetil-CoA (descarboxilação oxidativa).
• A única molécula que entra no Ciclo de Krebs é o Acetil-CoA.
• Equação do ciclo do ácido cítrico: 2 Acetil-CoA + NAD+ + 2H2O → succinato + 2HSCoA + NADH + 3H+.

Fosforilação Oxidativa

Terceira e última fase da respiração celular, a fosforilação oxidativa é o processo de síntese de ATP a partir da oxidação de nutrientes, principalmente a glicose.

A fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias, nas cristas da membrana mitocondrial interna, onde se localiza a cadeia transportadora de elétrons.

Complexos da Cadeia

• Complexo I: O NADH doa elétrons para a molécula de FMN, que retira um próton da matriz reduzindo-se a FMNH2.
• Complexo II: A succinato desidrogenase transforma succinato em fumarato a partir da redução de FAD+ em FADH2.
• Complexo III: Responsável pela catálise da transferência dos elétrons da CoQ até o citocromo c.
• Complexo IV: Responsável pela catálise dos elétrons do citocromo c para o oxigênio, formando água.

Ciclo da Ureia

A ureia é a forma de excreção de amônia em mamíferos terrestres. A enzima carbamoilfosfato sintetase I catalisa a condensação da amônia com bicarbonato para formar carbamoilfosfato. O ciclo tem início com a condensação da ornitina e do carbamoilfosfato gerando citrulina, que reage com aspartato gerando argininosuccinato e fumarato. A arginase transforma arginina em ureia e ornitina. Este ciclo requer 4 ATP para excretar duas moléculas de amônia.

Fontes de Amônia e Aminoácidos

• Fontes: aminoácidos, glutamina, ação bactericida do intestino, aminas, purinas e pirimidinas.
• Aminoácidos que produzem oxaloacetato: asparagina.
• Aminoácidos que produzem alfa-cetoglutarato: glutamina, prolina, arginina, histidina.
• Aminoácidos que produzem piruvato: alanina, serina, glicina, cistina, treonina.
• Aminoácidos que produzem fumarato: fenilalanina e tirosina.
• Aminoácidos que produzem succinil-CoA: metionina, valina, isoleucina, treonina.
• Aminoácidos que produzem acetoacetil-CoA: leucina, isoleucina, lisina, triptofano.