Metabolismo Energético: Glicólise, Gliconeogênese e Fosforilação Oxidativa

Glicólise: Quebra da Glicose para Energia

A glicólise é o processo de oxidação da glicose, no qual ela extrai elétrons ricos em energia e os transfere para o NAD⁺ (carreador de elétrons), convertendo-o em NADH. Este processo quebra a molécula de glicose (6 carbonos) em duas, formando dois compostos de três carbonos, os quais chamamos de piruvato.

A molécula de glicose, com seis átomos de carbono, é dividida em duas moléculas de piruvato, cada uma com três átomos de carbono. Isso ocorre em uma sequência de 10 etapas, sendo as cinco primeiras a fase preparatória e as cinco últimas a fase de rendimento. Toda a glicólise ocorre no citosol.

Etapas da Glicólise

1. 1ª Etapa: Fosforilação da Glicose

   Ocorre a fosforilação da glicose, formando glicose 6-fosfato. Nesta etapa, há perda de ATP, pois este doa energia para a fosforilação. Esta reação é irreversível sob as condições intracelulares e é catalisada pela enzima hexoquinase.

2. 2ª Etapa: Isomerização da Glicose 6-Fosfato

   Nessa fase, ocorre a isomerização da glicose 6-fosfato, transformando-se em frutose 6-fosfato. Essa é uma reação reversível, pois o ΔG⁰ é próximo de zero. Não há perda nem ganho de ATP, por se tratar de uma isomerização, ou seja, há apenas uma mudança em sua estrutura.

3. 3ª Etapa: Formação de Frutose 1,6-Bisfosfato

   A enzima fosfofrutoquinase-1 catalisa a transferência de um grupo fosfato do ATP (com perda de um ATP para formar um fosfato no C1) para a frutose 6-fosfato, formando a frutose 1,6-bisfosfato. Essa é uma reação irreversível em nível celular.

4. 4ª Etapa: Clivagem da Frutose 1,6-Bisfosfato

   A frutose 1,6-bisfosfato é quebrada em duas trioses pela enzima frutose 1,6-bisfosfato aldolase. Originam-se o gliceraldeído-3-fosfato (uma aldose) e a diidroxiacetona fosfato (uma cetose).

5. 5ª Etapa: Interconversão das Trioses Fosfato

   Apenas uma das trioses fosfato formadas, o gliceraldeído-3-fosfato, pode ser diretamente degradada nas etapas subsequentes da glicólise. O produto diidroxiacetona fosfato é, no entanto, 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. Dessa etapa em diante, a via metabólica é duplicada, resultando na formação de duas moléculas de cada composto a partir deste ponto.

6. 6ª Etapa: Oxidação e Fosforilação do Gliceraldeído-3-Fosfato

   Inicia-se a fase de rendimento da glicólise. O gliceraldeído-3-fosfato é oxidado (extraindo elétrons ricos em energia e transferindo-os para o NAD⁺) a 1,3-difosfoglicerato pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase. É a primeira das duas reações conservadoras de energia da glicólise que leva indiretamente à formação de ATP. O grupo aldeído do gliceraldeído-3-fosfato é desidrogenado em um anidrido de ácido carboxílico e ácido fosfórico, formando um 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, formando a coenzima reduzida NADH. Este, por sua vez, precisa ser reoxidado a NAD⁺, pois as células possuem um número limitado de NAD⁺.

7. 7ª Etapa: Formação de ATP e 3-Fosfoglicerato

   Ocorre a transferência do fosfato do 1,3-difosfoglicerato para o ADP, onde 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.

8. 8ª Etapa: Isomerização do Fosfoglicerato

   Conversão do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato. A enzima fosfoglicerato mutase catalisa a transferência reversível do grupo fosfato entre C2 e C3 do glicerato.

9. 9ª Etapa: Desidratação do 2-Fosfoglicerato

   Ocorre a desidratação do 2-fosfoglicerato para fosfoenolpiruvato. A enolase promove a remoção reversível de uma molécula de água do 2-fosfoglicerato, formando fosfoenolpiruvato.

10. 10ª Etapa: Formação de Piruvato e ATP

    A última etapa na glicólise é a transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para o ADP (formação de um ATP), catalisada pela piruvato quinase.

Gliconeogênese: Síntese de Glicose

A gliconeogênese é a síntese de glicose a partir de precursores não carboidratos.

Existem três etapas irreversíveis (1ª, 3ª e 10ª etapas) na via glicolítica que são contornadas na gliconeogênese. Para que haja a formação de glicose a partir do piruvato, é necessário que haja desvios nessas três etapas reguladoras.

Desvios da Gliconeogênese

1. 1º Desvio: Conversão de Piruvato em Fosfoenolpiruvato

   Na glicólise, esta é a última reação, onde o fosfoenolpiruvato é convertido em piruvato, catalisado pela enzima piruvato quinase, formando um ATP. Na gliconeogênese, o piruvato é convertido em fosfoenolpiruvato quando reage com CO₂, ATP e H₂O. Essa reação produz uma molécula de oxaloacetato, liberando ADP e Pi. É essencial compreender que o piruvato é composto por três carbonos, enquanto o oxaloacetato é composto por quatro. Assim, é necessário o gasto de um ATP para adicionar um carbono (do CO₂) e formar o oxaloacetato. Na etapa seguinte, o oxaloacetato reage com um GTP (com gasto de um GTP) para formar o fosfoenolpiruvato. No entanto, partimos de um composto de quatro carbonos e formamos um de três carbonos (fosfoenolpiruvato), com a liberação de CO₂ e GDP.

2. 2º Desvio: Frutose 1,6-Bisfosfato para Frutose 6-Fosfato

   Este é o 3º passo na glicólise. É quando a frutose 6-fosfato se converte em frutose 1,6-bisfosfato mediante a hidrólise de ATP para fornecer outro fosfato (carbono 1). Na gliconeogênese, a frutose 1,6-bisfosfato reage com uma molécula de H₂O, removendo o fosfato do carbono 1 por hidrólise (com H₂O). Resultando em uma frutose 6-fosfato e um fosfato inorgânico (Pi). Neste desvio, o ATP que foi gasto na glicólise não é recuperado.

3. 3º Desvio: Conversão de Glicose 6-Fosfato em Glicose

   Na glicólise, este desvio equivale à 1ª etapa, onde a glicose é convertida em glicose 6-fosfato mediante a hidrólise de um ATP para adicionar um fosfato. Na gliconeogênese, o caminho inverso é similar ao 2º desvio, onde a glicose 6-fosfato remove o fosfato do carbono 6 por hidrólise (reagindo com uma molécula de água), formando glicose e Pi. Assim como no desvio 2, não há a recuperação do ATP perdido na glicólise.

Fosforilação Oxidativa: Produção de ATP

A fosforilação oxidativa é o processo no qual se forma ATP quando se transferem elétrons de NADH ou FADH₂ para O₂ por uma série de transportadores de elétrons.

Na glicólise são produzidos dois ATPs (líquidos) e dois NADH, os quais, ao alcançarem a cadeia transportadora de elétrons (via lançadeira glicerol-fosfato), geram mais quatro moléculas de ATP, totalizando seis ATPs provenientes da glicólise. A fosforilação oxidativa e o ciclo de Krebs produzem duas moléculas de ATP (via GTP), oito moléculas de NADH e duas de FADH₂. As oito moléculas de NADH formam 24 ATPs (considerando 3 ATP por NADH), e as duas moléculas de FADH₂ produzem mais quatro ATPs (considerando 2 ATP por FADH₂). Somando tudo, são produzidas aproximadamente trinta e seis moléculas de ATP a partir de uma única molécula de glicose.