Fosfofrutocinase 1

A fosfofrutocinase 1, também conhecida como PFK-1, é a segunda enzima regulatória da glicólise e o seu principal ponto de regulação. É uma enzima alostérica pertencente à família das fosfotransferases que catalisa uma fosforilação: a conversão de frutose-6-fosfato e ATP em frutose-1,6-bisfosfato e ADP, um passo chave na regulação e limitação da taxa de glicólise, em resposta às necessidades energéticas da célula, através do processo de inibição alostérica.A regulação alostérica é a forma mais rápida de regulação específica de determinadas enzimas – as enzimas regulatórias. Requer a presença de moléculas, os moduladores alostéricos, que interatuam com as enzimas, conduzindo a alterações estruturais, tornando a enzima ou mais rápida (moduladores positivos) ou mais lenta (moduladores negativos).

A nível estrutural, apresenta-se como um homotetrâmero, ou seja, é constituída por 4 subunidades. A PFK-1 pode ser composta por três tipos de formas: M, L ou P, dependendo do tipo de tecido em que se encontra. Por exemplo, o músculo expressa apenas a isoenzima M. Já no fígado e rins predomina a isoforma L. Quanto aos eritrócitos expressam ambas as formas M e L.
Cada subunidade deste tetrâmero possui 319 aminoácidos e é composto por dois domínios: um que se liga ao ATP e o outro que se liga à frutose-6-fosfato.
O domínio N-terminal possui um papel de catalisador de ligação de ATP, enquanto que o terminal C apresenta um papel regulador.
A atividade da PFK-1 depende de um mecanismo em que ocorre transição de um estado T enzimaticamente inativo para um estado R ativo. Se, por um lado, a frutose-6-fosfato se liga, com elevada afinidade, ao estado R, já a mudança para o estado T inibe a sua capacidade de se ligar à enzima.
A atividade desta enzima é controlada por ativadores e inibidores. Por um lado, os ativadores podem ser indicadores de défice energético (ADP, AMP), já que a glicólise pretende compensar esse défice; ou o substrato da reação que catalisa (frutose-6-fosfato), entre outros ativadores. Por outro lado, como inibidores existem o ATP, visto que, se a célula já possuir ATP suficiente, faz todo o sentido que a glicólise seja inibida; o produto da reação (frutose-1,6-bisfosfato), assim como todos os intermediários gerados nas reações seguintes; os intermediários do ciclo de Krebs, se houver acumulação destes intermediários, não será necessário continuar o processo de glicólise; o glucagon, dado que, esta hormona é produzida em situações de hipoglicemia e tem como objetivo elevar a concentração de glucose no sangue, não fazendo sentido gastá-la; entre outros inibidores.
Os ativadores alostéricos ligam-se com o objectivo de facilitar a formação do estado R, induzindo alterações estruturais na enzima, já os inibidores ligam-se para facilitar a formação do estado T inibindo, assim, a atividade da enzima.

Texto escrito por:
Ana Maria Araújo
Ana Sofia Oliveira
Maria Sofia Silva
Renata Teixeira
.

Enolase

A enolase é uma enzima, mais concretamente uma metaloenzima ativada. Esta enzima pertence à família das liases, as hidro-liases, que quebram as ligações carbono-oxigénio e está presente em todos os tecidos e organismos que realizam a glicólise ou a fermentação. O pH ótimo é de 6,5 para a atividade desta enzima no ser humano. A sua principal função é a intervenção no 9º passo da glicólise (penúltimo passo desta via metabólica), etapa em que ocorre a desidratação de 2-fosfoglicerato (2-PG) em fosfoenolpiruvato (PEP), produto que irá ser usado, no próximo e último passo, para a produção de energia (ATP). 

A enolase possui 3 isoformas diferentes: a ENO1 ou alfa-enolase (no tecido muscular); ENO2 ou gama-enolase ou enolase neuro específica (nos neurónios); ENO3 ou beta-enolase (nas células do músculo esquelético). A enolase tem um peso molecular de cerca de 100000 Daltons (dependendo da sua isoforma). Num humano, a α-enolase tem duas subunidades antiparalelas, que têm dois domínios diferentes que apresentam interações hidrofóbicas. As subunidades interatuam através de pontes salinas, que envolvem arginina e glutamato. A enolase específica para os neurónios é libertada numa enorme variedade de doenças neurológicas, tais como esclerose múltipla ou AVC, ou em enfartes do miocárdio. Em diversas experiências médicas, têm se empregado concentrações de enolase em amostras na tentativa de diagnosticar certas condições e a sua gravidade. Diversos estudos demonstraram que diferentes níveis de enolase estão relacionados com o crescimento tumoral ou com a ocorrência de enfarte do miocárdio ou um AVC, pelo que foi inferido que os níveis de enolase servem de indicativos na avaliação prognóstica de vítimas de paragem cardíaca. Inibidores da enolase têm sido aproveitados na área da saúde para tratamento e prevenção de várias doenças, destacando-se a fosfonoacetohidroxamato, que tem sido utilizado como

fármaco anti-tripanossoma e mais recentemente, como agente anti-cancerígeno.
A enolase pode ser inibido pelo ião fluoreto (F-). O fluoreto forma um complexo com magnésio e fosfato, que se liga ao centro ativo da enzima em vez do substrato 2-PG, impedindo a conversão de 2-PG a PEP, havendo menor produção de PEP e, consequentemente, ATP. A ingestão de água com flúor, inibe assim a atividade catalítica da enolase das bactérias da cavidade bucal (local altamente anaeróbico e dependente da glicólise), interrompendo a via glicolítica destas (redução do metabolismo de carbohidratos) e, consequentemente, a fermentação bateriana (diminuição de produção de ácidos), prevenindo a formação de cáries dentárias.

Texto escrito por:

Inês Carvalho
Junjie Lin
Maria Alves
Susana Pinto.

Video com rap sobre glicólise

Música sobre a glicólise

Esta canção do Dr. Ahern é sobre a glicólise. Foi feita a partir da God Rest Ye Merry Gentlemen e é uma forma muito divertida de se conhecer os 10 passos da glicólise! :)

Faça download da música aqui

Test Gently on Glycolysis

In glycolysis, a glucose ring's first turned to G6P
The enzyme hexokinase adds a phosphate – PO3
The glucose then turns fructose – 6 carbons, called F6P
Phosphoglu-cose i-som-er-ase, you see
Makes F6P
Phosphoglu-cose i-som-er-ase, you see

Fructose-1,6-bisphosphate, also known as FBP
By phosphofructokinase has a second PO3
By aldolase, it's cleaved in 2, one half gives GAP
Glyceraldehyde-3-phosphate: GAP
It goes on, you see
Through glycolysis, this lucky GAP

The second half, DHAP, can’t carry on this way
You need to change this dihydroxyacetone phosphate
To GAP, so call in "TIM", he’ll make things go his way
Triose phosphate isomerase – the same
TIM is his name TPI and TIM, they are the same

Glyceraldehyde-3-phosphate de-hy-dro-ge-nase is next
1,3-biphosphoglycerate is made; it is the best
A reaction of high energy – it says so in my text
GAPs go to 1,3-BPG
Add PO3
GAPs go to 1,3-BPG

The PO3's then lost, 'cuz phosphoglycerate kinase
By using ADP, it makes 3-phosphogly-cer-ate
This turns to 2PG with phosphoglycerate mutase
Losing water when it meets enolase
E-no-lase
Losing water when it meets enolase
Too many steps, I’m kinda lost, so let me get this straight –
A phosphate and an OH group switch places in step eight
Hence "mutase", 'cuz it changed, but what the heck is
enolase?
It makes phos-pho-enolpyruvate
Isn’t it great?
It makes phos-pho-enolpyruvate

In the 10th and final step (Hooray!) we make our pyruvate
Pyruvate kinase is our friend, he takes us all the way
The phosphate and the double bond – please take them both
away
Leaving only our precious pyruvate
Py-ru-vate
Glycolysis is done, oh happy day!

Música sobre a glicólise (2)

O Dr. Ahern (www.davincipress.com/metabmelodies.html) baseou-se na canção A Few of My Favorite Things para dedicar uma música à glicólise. Aqui fica o link para o respectivo download.

http://www.mediafire.com/?9p72whbfjhfctxp

Instructor sings

Aldehyde sugars are always aldoses and

If there's a ketone we call them ketoses

Some will form structures in circular rings

Saccharides do some incredible things

Onto a glucose we add a 'P' to it

ATP energy ought to renew it

Quick rearranging creates F6P

Without requiring input energy

Everyone Sings

At a high rate

Add a phosphate

With PFK

F1,6BP is made up this way

So we can run and play

Instructor sings

Aldolase breaks it and then it releases

DHAP and a few G3Pieces

These both turn in to 1,3 BPG

Adding electrons onto NAD

Phosphate plus ADP makes ATP

While giving cells what they need - en-er-gy

Making triphosphate's a situa-shun

Of substrate level phosphoryla-shun

Everyone Sings

3-B-P-G

2-B-P-G

Lose a water

PEP gets a high energy state

Just to make py-ru-vate

Instructor sings

So all the glucose gets broken and bent

If there's no oxygen cells must ferment

Pyruvate / lactate our cells hit the wall

Some lucky yeast get to make ethanol

This is the end of your glucose's song

Unless you goof up and get it all wrong

Break it, don't make it to yield ATP

You'll save your cells from fu-til-i-ty

The Sound of Glucose

Entrada de diferentes monossacarídeos na glicólise

Não é novidade nenhuma que a glicólise serve para degradar glucose, o monossacarídeo mais abundante da nossa dieta. Mas o que é que acontece com outros monossacarídeos que ingerimos? Será que podemos degradá-los para obter energia? Se sim, será que podemos recorrer à glicólise para isso?

A resposta a ambas as perguntas é sim. De facto, a glicólise permite degradar não só glucose mas também outros monossacarídeos, tais como a frutose, galactose e manose. Para isso, estes monossacarídeos têm que ser convertidos em intermediários glicolíticos.

Frutose

A frutose é obtida a partir da dieta em alimentos como as frutos, o mel ou os cereais, por exemplo.

 

Nos tecidos extra-hepáticos, que não possuem a glucocinase, a frutose é convertida em frutose-6-fosfato pela hexocinase, a primeira enzima da glicólise. Convém salientar que a hexocinase utiliza como substrato preferencial a glucose, mas pode também fosforilar outros monossacarídeos, como a frutose, por exemplo. Uma vez que a frutose-6-fosfato é um intermediário da glicólise, já pode depois seguir normalmente a via glicolítica.

Alternativamente, no fígado a frutose tem que sofrer um processo diferente, pois a glucocinase é muito específica para a glucose, não conseguindo, portanto, fosforilar a frutose. Neste caso, a frutose é fosforilada pela frutocinase, originando frutose-1-fosfato. Seguidamente, a aldolase, que é a 4ª enzima da glicólise, actua sobre a frutose-1-fosfato, clivando-a a dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído. A primeira molécula já é um intermediário da glicólise, pelo que pode serguir esse processo, mas a segunda não. Portanto, o gliceraldeído é posteriormente fosforilado pela gliceraldeído cinase, originando gliceraldeído-3-fosfato, que também é um intermediário glicolítico.

Galactose

A galactose é encontrada essencialmente em produtos lácteos, pois é um dos componentes da lactose.

 

A galactose é primeiramente fosforilada a galactose-1-fosfato pela galactocinase. Seguidamente a galactose-1-fosfato vai receber uma molécula de UDP, originando UDP-galactose. Esta reacção é catalisada pela galactose-1-fosfato uridil transferase. A UDP-galactose é depois epimerizada a UDP-glucose, por acção da UDP-galactose-4-epimerase. A UDP-glucose sofre uma troca da porção UDP por um grupo fosforilo, originando glucose-1-fosfato, que é depois convertida em glucose-6-fosfato (intermediário glicolítico) por acção da fosfoglucomutase (esta enzima participa também no metabolismo do glicogénio...).

Manose

A manose pode ser encontrada, por exemplo, em leguminosas.

 

A manose é fosforilada pela hexocinase e origina manose-6-fosfato. A manose-6-fosfato é convertida em frutose-6-fosfato (um intermediário glicolítico) pela fosfomanose isomerase.



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

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

Vídeo sobre o catabolismo dos hidratos de carbono

Neste vídeo é dada uma perspectiva global sobre o catabolismo energético dos hidratos de carbono, abordando os seguintes processos:

- glicólise
- ciclo de Krebs
- respiração celular
- fermentação

Glicólise (enzimas da fase payoff)

A fase payoff, conforme já referi anteriormente, diz respeito ao conjunto das últimas 5 reacções da glicólise e permite à célula obter energia nesse processo. Cá vão algumas ideias sobre as 5 enzimas da fase payoff...

6ª Enzima - Gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase

Esta enzima, muitas vezes abreviada de GAPDH, apresenta-se sob a forma de um tetrâmero. Cada subunidade possui cerca de 35,9kDa (331 aminoácidos) e apresenta como cofactor uma molécula de NAD+. As subunidades são designadas por O, P, Q e R e são independentes umas das outras. Ou seja, cada subunidade catalisa a sua reacção sem a intervenção das restantes. Tal como descrito no post sobre as reacções da fase payoff, a reacção que esta enzima catalisa é dupla, envolvendo uma oxidação e uma adição de um grupo fosfato. É uma enzima que pode ser afectada pela presença de arsénio no nosso organismo, levando a que o rendimento da glicólise passe a ser nulo. O seu mecanismo de actuação envolve simultaneamente uma catálise covalente e ácido-base. Para tal, é indispensável a participação da cisteína 149 e da histidina 176 para os dois tipos de catálise, resectivamente. O substrato liga-se covalentemente à cisteína, formando um hemitioacetal. A nível laboratorial esta enzima é amplamente utilizada (eu também a utilizo...) como um controlo positivo em técnicas como immunoblotting ou RT-PCR, pois de uma maneira geral a sua expressão é constante em quase todos os tipos celulares. Por isso, é possível determinar alterações na expressão de determinado gene ou na presença de determinada proteína, comparando-a com os níveis de GAPDH.

7ª Enzima - Fosfoglicerato cinase

Esta enzima necessita de Mg2+ para efectuar a sua actividade catalítica. O nome da enzima deriva da reacção no sentido reverso, que ocorre durante a fixação fotossintética de CO2. É a responsável pela produção das primeiras moléculas de ATP na glicólise. A sua sequência de aminoácidos apresenta-se extremamente conservada em diferentes organismos. A enzima é monomérica, composta por dois domínios de tamanhos equivalentes, que corresponde às metades N- e C-terminal. O substrato (1,3-bisfosfoglicerato) liga-se à primeira metade, enquanto que o ADP se liga à segunda. Apresenta um mecanismo de cinética sequencial, em que a catálise de dá por efeitos de proximidade.

8ª Enzima - Fosfoglicerato mutase

A fosfoglicerato mutase é dimérica, sendo que cada uma das suas subunidades tem cerca de 32kDa. Conforme o nome indica, esta enzima é uma mutase, ou seja, catalisa a transferência de grupos fosforilo dentro de uma molécula. Por outras palavras, muda os grupos fosforilo de posição. Na realidade, a enzima encontra-se fosforilada (é uma fosfoenzima), e vai ceder o seu grupo fosforilo ao carbono 2 do substrato, originando um intermediário com 2 grupos fosforilo (2,3-bisfosfoglicerato). Só depois desse passo ocorrer é que o grupo fosforilo que se encontrava inicialmente no substrato (na posição 3) é removido, regenerando a forma inicial (fosforilada) da enzima.

A fosfoglicerato mutase possui 3 diferentes isoformas (isozimas, ou isoenzimas), sendo que uma delas é predominantemente encontrada no músculo cardíaco, outra no músculo esquelético e a terceira nos restantes tecidos.

9ª Enzima - Enolase

A enolase é uma metaloenzima dimérica, sendo que cada subunidade possui cerca de 40-50kDa. Essas subunidades apresentam uma orientação antiparalela, interactuando uma com a outra através de 2 pontes salinas, envolvendo uma arginina e um glutamato cada. O domínio N-terminal das subunidades possui 3 alfa-hélices e 4 folhas beta. O domínio C-terminal possui 2 folhas beta e 2 alfa-hélices, sendo que termina com um barril composto por folhas beta e alfa-hélices alternadas. Os 2 iões Mg2+ necessários para a actividade catalítica são fundamentais na neutralização de cargas negativas. Esta enzima apresenta um pH óptimo de cerca de 6,5, e pode ser também designada por fosfopiruvato desidratase. Foi incialmente descoberta em 1934, pelos investigadores Lohmann e Meyerhof. Tal como aconteceu com a enzima anterior, a enolase também possui 3 isoformas diferentes, sendo que uma é predominantemente encontrada no tecido muscular, outra nos neurónios e outra nas restantes partes do organismo.

A enolase é inibida pelo ião fluoreto, sendo que este facto é explorado, por exemplo, quando se fazem colheitas de sangue para análise. Nesse caso, quando é importante inibir a glicólise (para manter a concentração de glucose sanguínea inalterada), o sangue pode ser recolhido em tubos que contêm fluoreto.

10ª Enzima - Piruvato cinase

Esta enzima é responsável pela segunda produção de ATP na glicólise e é a terceira enzima regulatória dessa via metabólica. Necessita de 2 iões metálicos para funcionar: K+ e Mg2+ (ou Mn2+). Apresenta 4 diferentes isoformas, uma predominantemente localizada no fígado, outra nos glóbulos vermelhos, outra no músculo esquelético e cardíaco e cérebro e a última é essencialmente encontrada em tecidos fetais. É uma enzima tetramérica, sendo que cada subunidade apresenta cerca de 500 aminoácidos.

Principais fontes bibliográficas:

- Voet D, Voet JG, Biochemistry, Wiley

- Nelson DL, Cox MM, Lehninger - Principles of Biochemistry, WH Freeman Publishers

Mapa metabólico sobre a entrada de diferentes monossacarídeos na glicólise

A glicólise serve para degradar diferentes monossacarídeos além da glucose. Cá está um mapa metabólico que ilustra essa situação.

http://www.biocarta.com/genes/Metabolism.asp

Glicólise (enzimas da fase preparatória)

Como já referi noutros posts, a glicólise é composta por 10 reacções bioquímicas, todas catalisadas por enzimas diferentes. Hoje vou dedicar este post a algumas informações sobre as enzimas da fase preparatória.

1ª Enzima - Hexocinase

Esta enzima, presente em todas as nossas células, apresenta diferentes isoformas no nosso organismo e é o primeiro ponto de regulação da glicólise. De uma maneira geral, independentemente da isoforma considerada, a sua massa é de cerca de 100kDa. É uma enzima que estruturalmente pode ser dividida em duas metades com bastante homologia, a metade N-terminal e a metade C-terminal. Devido a esta característica, pensa-se que o gene desta enzima possa ter surgido por duplicação de um gene ancestral. A estrutura 3D da hexocinase pode ser comparada à concha de um bivalve...

Existem 4 isoformas principais da hexocinase (I-IV), sendo que a quarta pode também ser designada por glucocinase (ou hexocinase D), e é encontrada essencialmente no fígado. A glucocinase apresenta propriedades cinéticas e regulatórias significativamente diferentes das restantes isoformas. As hexocinases I-III possuem uma afinidade muito elevada para a glucose (Km para a glucose é de cerca de 0,1mM), sendo que para valores normais de concentração de glucose (4-5mM) a enzima encontra-se saturada com substrato. Isto é, a quantidade de substrato disponível é suficiente para que a enzima possa funcionar à sua velocidade máxima. Por outro lado, a glucocinase apresenta um Km muito superior (10mM), o que significa que em condições normais a enzima está longe da saturação com substrato. Podem estar neste momento a perguntar: "Qual é o interesse desta situação? Era muito mais vantajoso ter uma enzima a funcionar à sua velocidade máxima!" A resposta a essa questão é muito simples... A função da glucocinase é de produzir glucose-6-P que depois será principalmente desviada para a síntese de glicogénio hepático. Ora, só faz sentido nós sintetizarmos glicogénio quando temos muita disponibilidade de glucose. Portanto, a glucocinase só vai começar a funcionar a uma velocidade superior se existir um aumento da disponibilidade do substrato. Por outras palavras, ao contrário do que acontece com as restantes hexocinases, quando mais elevada for a concentração de glucose maior a velocidade de actuação da glucocinase.

O principal substrato da hexocinase é a D-glucose, mas também pode usar como substrato outras hexoses, como é o caso da D-frutose e D-manose. No entanto, o valor de Km para esses substratos é superior, ou seja, a enzima pode utilizá-los mas apresenta menos afinidade para os mesmos. Esta situação ocorre principalmente paras as hexocinase I-III, sendo que a glucocinase é mais específica para a glucose.

O mecanismo de actuação da hexocinase é designado por Random Bi Bi, no qual a enzima forma um complexo ternário com a glucose e com o Mg2+-ATP, antes da reacção ocorrer. Efectua uma catálise por efeito de proximidade.

2ª Enzima - Fosfohexose isomerase

Esta enzima apresenta uma actividade extremamente dependente do pH, o que sugere um mecanismo de actuação envolvendo cadeias laterais carregadas de aminoácidos no seu centro activo. De facto, a presença de um glutamato e de uma lisina no centro activo da fosfohexose isomerase é indispensável para a actividade catalítica da mesma. Esta enzima é altamente esteroespecífica.

3ª Enzima - Fosfofrutocinase-1 (PFK-1)

A PFK-1 é a segunda enzima regulatória da glicólise, sendo o seu principal ponto de regulação. Apresenta uma certa analogia com a hexocinase, pois a reacção que catalisa é idêntica à primeira reacção da glicólise. A nível estrutural, apresenta-se como um homotetrâmero.

Existe uma outra PFK, a PFK-2, que não actua directamente na glicólise, mas é fundamental para a sua regulação, pois controla os níveis de frutose-2,6-bisfosfato, um importante activador da PFK-1! (em breve irei colocar um post sobre a regulação da glicólise...)

4ª Enzima - Aldolase

Esta enzima é altamente esteroespecífica. Apresenta 3 diferentes isoformas (A, B e C), cuja expressão varia durante o desenvolvimento do organismo. A principal isoforma nos humanos é a A.

Na glicólise, a aldolase catalisa uma reacção designada por retro-condensação aldólica. Existem 2 resíduos de aminoácidos indispensáveis para a actuação da enzima, uma lisina e uma cisteína.

5ª Enzima - Triose fosfato isomerase

A triose fosfato isomerase apresenta-se como um homodímero. Cada subunidade tem uma estrutura em barril, composta por 8 hélices alfa e 8 folhas beta paralelas. Foi a primeira enzima descoberta a apresentar este tipo de barril alfa/beta. Esta enzima apresenta uma elevada dependência catalítica em função do pH, o que indica que efectua uma catálise ácido-base. De facto, existem 3 resíduos de aminoácidos indispensáveis para a sua actuação, um glutamato, uma histidina e uma lisina. Estes resíduos de aminoácidos desempenham um papel ao nível do estabelecimento de ligações de hidrogénio que estabilizam o estado de transição. Adicionalmente, a enzima apresenta um loop com 10 resíduos de aminoácidos altamente conservados. Este loop é importante para estabilizar o enediol (intermediário da reacção) formado durante a actividade catalítica da enzima.

Muitas vezes dá-se o exemplo da triose fosfato isomerase como um caso de "perfeição catalítica", pois apresenta uma taxa de reacção controlada pela difusão. Ou seja, a formação do produto dá-se de uma forma tão rápida quanto a colisão da enzima e do substrato e o que limita a velocidade é mesmo a difusão do produto para fora do centro activo da enzima.

Principais fontes bibliográficas:

- Voet D, Voet JG, Biochemistry, Wiley

- Nelson DL, Cox MM, Lehninger - Principles of Biochemistry, WH Freeman Publishers

Glicólise (reacções da fase payoff)

No seguimento de um post anterior, em que detalhei as reacções da glicólise (fase preparatória), aqui ficam as reacções da segunda parte, a fase payoff.

Reacção 6:

Esta reacção é catalisada pela gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase e trata-se de uma reacção dupla. O substrato vai ser oxidado (o grupo carbonilo passa a carboxílico), e depois vai ser adicionado um grupo fosforilo ao carboxílico recém-formado, através de uma ligação fosfoéster. Portanto, a reacção produz NADH (resultante da oxidação do substrato) e consome fosfato inorgânico (Pi). Esta adição do grupo fosforilo vai conferir ao produto (1,3-bisfosfoglicerato) um elevado potencial de transferência de grupo fosforilo, ou seja, vai tornar a molécula quimicamente instável, pois trata-se uma molécula pequena (só tem 3 carbonos) mas com muitos átomos electronegativos (vão haver muitas repulsões electrostáticas). Esta instabilidade vai ser útil para compreendermos o que se passa na reacção seguinte...

Reacção 7:

Esta reacção é a primeira da glicólise que vai levar à síntese de ATP e requer a presença de Mg2+. É catalisada pela enzima fosfoglicerato cinase (o nome da enzima deriva do sentido inverso da reacção, que ocorre durante a fixação fotossintética de CO2). Na reacção anterior eu referi que se formava um composto quimicamente instável. Essa instabilidade vai fazer com que o 1,3-bisfosfoglicerato tenha tendência para perder um dos seus grupos fosforilo (originando 3-fosfoglicerato), libertando uma grande quantidade de energia (convém lembrar que uma molécula é tanto mais estável quanto menos energia interna possuir...). Portanto, ao perder o grupo fosforilo, torna-se mais estável, pois perde energia. Essa energia vai ser utilizada para acoplar à reacção uma segunda reacção (que necessita de energia para ocorrer): a síntese de ATP! De facto, o grupo fosforilo libertado é adicionado ao ADP, originando ATP. Como o grupo fosforilo é proveniente de um substrato, esta síntese de ATP designa-se por fosforilação ao nível do substrato. No entanto, a questão que provavelmente alguns estarão a pensar é: "Então não era melhor adicionar logo o fosforilo ao ADP na reacção anterior? Porque é que nos damos ao trabalho de primeiro transferi-lo para um interemediário, se na reacção seguinte o vamos remover?" A resposta a essa dúvida prende-se com a termodinâmica das reacções envolvidas. Ou seja, a energia libertada na oxidação existente na reacção 6 não é tão elevada como a que é necessário gastar na síntese de ATP. Por isso, só existem 2 hipóteses... Ou não se utiliza essa energia da oxidação, o que era um desperdício, ou conserva-se parte da energia libertada sob a forma de um composto químico energético, o 1,3-bisfosfoglicerato (é isto que se passa!). Assim na reacção seguinte já vamos ter energia suficiente para sintetizar ATP. Juntos, os passos 6 e 7 demonstram o papel dos grupos fosfato na conservação da energia metabólica, que eu referi no post sobre as reacções da fase preparatória da glicólise.

Reacção 8:

A enzima que catalisa esta reacção é a fosfoglicerato mutase e é dependente de Mg2+. O que esta enzima vai fazer é transferir o grupo fosfato da posição 3 para a posição 2 do substrato. Na realidade, esta transferência não é directa... A enzima activa possui um grupo fosfato, que transfere para o substrato, originando um intermediário designado por 2,3-bisfosfoglicerato. Esta molécula é um importante modulador da afinidade da hemoglobina para o O2! Seguidamente, o 2,3-bisfosfoglicerato cede um grupo fosfato à enzima, convertendo-se em 2-fosfoglicerato e regenerando a forma activa da enzima.

Reacção 9:

Esta reacção é catalisada pela enolase e é um exemplo de uma reacção de eliminição. O que esta enzima vai fazer é remover uma molécula de água do substrato, criando uma ligação dupla. Como as ligações duplas são regiões ricas em electrões, a presença desta na proximidade do grupo fosfato vai fazer com que o produto, fosfoenolpiruvato, apresente novamente um elevado potencial de transferência de grupo fosforilo. Esta reacção requer a presença de Mg2+.

Reacção 10:

Chegamos à última reacção da glicólise... Nesta reacção, catalisada pela piruvato cinase (terceira enzima regulatória da glicólise!), o fosfoenolpiruvato vai perder o grupo fosforilo, libertando uma grande quantidade de energia. Novamente, essa energia vai ser parcialmente conservada sob a forma de uma molécula de ATP. Esta reacção é irreversível e requer a presença de Mg2+ (ou Mn2+) e K+.

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

Jogo sobre a glicólise

Fica aqui o link para um site com vários jogos, todos com uma componente científica. O site chama-se zeroBio e é descrito como "Online Biology quiz and games site".

http://www.execulink.com/~ekimmel/games.htm

Aconselho a experimentarem o Glycolysis Racing Game. Tem várias semelhanças com os jogos de tabuleiro que se jogavam na minha infância, mas com uma maior componente didáctica.

Glicólise (reacções da fase preparatória)

Quantas vezes não ficaram a olhar para um mapa metabólico e a pensar "Isto para mim é chinês!"?

Neste post vou tentar que isso não volte a acontecer, pelo menos quando estiverem a ver mapas metabólicos da glicólise.

Antes de começar a descrever as 10 reacções que compõem a glicólise, há um aspecto importante a considerar...

Os 9 intermediários glicolíticos encontram-se fosforilados, ou seja, possuem pelo menos um grupo fosfato (fosforilo). Esses grupos fosforilo apresentam 3 funções muito importantes:

1. Uma vez que se encontram ionizados (possuem carga negativa) devido ao pH intracelular, que é de cerca de 7 unidades de pH, os intermediários glicolíticos dos quais fazem parte vão consequentemente apresentar essas cargas. Convém não esquecer que a glicólise é um processo citosólico, pelo que as nossas células não vão querer que os intermediários da glicólise se difundam para o meio extracelular. Como a membrana plasmática é impermeável a moléculas carregadas, a presença dos grupos fosforilo faz com que a célula não necessite de despender nenhuma energia adicional para conservar os intermediários glicolíticos no seu interior, independentemente da sua concentração intra- e extracelular.

2. Uma vez que os grupos fosforilo fazem parte do substrato das enzimas glicolíticas, a energia de ligação resultante das interacções estabelecidas entre esses grupos e o centro activo das enzimas baixa a energia de activação e aumenta a especificidade das reacções enzimáticas em causa.

3. São componentes essenciais na conservação da energia metabólica. Este é um aspecto muito importante, que vai permitir canalizar uma grande parte da energia libertada nas reacções bioquímicas para a síntese de ATP.

Vamos então começar a "dissecar" a glicólise...

Reacção 1:

Nesta reacção, catalisada pela enzima hexocinase, a glucose é fosforilada (recebe um grupo fosfato. O dador do grupo fosfato é o ATP, que é convertido em ADP, ou seja, há um gasto energético associado a esta reacção. O grupo fosfato é então adicionado ao carbono 6 da glucose, através de uma ligação fosfoéster, formando-se glucose-6-fosfato. Esta reacção requer a presença do ião Mg2+ e é irreversível nas condições celulares.

À primeira vista pode parecer um bocado estranho o facto de estarmos a gastar ATP nesta reacção... Então não era mais vantajoso o grupo fosfato a adicionar ser um fosfato inrogânico existente no citosol? Assim não gastávamos energia... 

No entanto, e tal como eu costumo dizer aos meus alunos: "Nada na Bioquímica surge por acaso"! Existe uma explicação muito simples para esta situação. O que se passa é que a adição de um grupo fosfato à glucose é uma reacção termodinamicamente desfavorável, ou seja, requer energia. Esta exigência energética é essencialmente uma consequência do facto de a glucose ser rica em átomos muito electronegativos e o fosfato ser também muito electronegativo. Ou seja, para se dar a adição do grupo fosfato é necessário fornecer energia de forma a ultrapassar as repulsões electrostáticas que vão surgindo. Se o grupo a adicionar fosse um fosfato inorgânico do citosol, a reacção não ocorria, pois não havia energia suficiente para tal. Por outro lado, existe uma fonte celular de grupos fosfato que possui uma grande quantidade de energia química - o ATP! Portanto, a célula efectua um acoplamento energético, ou seja, junta uma reacção termodinamicamente desfavorável (adição de um grupo fosfato à glucose) a uma reacção termodinamicamente favorável (hidrólise de ATP). Como a energia libertada é superior à energia gasta, a reacção ocorre no contexto celular.

Por último, um aspecto importantíssimo, que irá merecer um post em breve. Esta reacção é o primeiro ponto de regulação da glicólise. Apesar disso, não é uma reacção exclusiva da glicólise, sendo comum também aos restantes processos que utilizam glucose. Basicamente, é uma reacção que ocorre mal a glucose entra na célula, impedindo-a assim de sair da mesma.

Reacção 2:

Esta é uma reacção de isomerização, em que a glucose-6-fosfato (que é uma aldose) é convertida em frutose-6-fosfato (que é uma cetose). A enzima que catalisa esta reacção é a fosfohexose isomerase. É uma reacção reversível que requer a presença do ião Mg2+.

Reacção 3:

Nesta reacção, a frutose-6-fosfato é fosforilada no carbono 1, estabelecendo-se novamente uma ligação fosfoéster e originando frutose-1,6-bisfosfato. A enzima que catalisa esta reacção é a fosfofrutocinase-1 (PFK-1), que é a segunda enzima regulatória da glicólise. Esta reacção é o principal ponto de regulação da glicólise, sendo por isso irreversível nas condições celulares! Requer a presença de Mg2+.

Mais uma vez, o dador do grupo fosfato é o ATP, pelos mesmos motivos descritos anteriormente para a reacção 1. A adição de um segundo grupo fosfato vai aumentar a instabilidade do produto final, pois a quantidade e proximidade de regiões ricas em electrões aumenta.

Reacção 4:

Esta reacção, catalisada pela aldolase, é a responsável pelo sufixo "lise" na palavra glicólise. De facto, a aldolase vai promover a clivagem da frutose-1,6-bisfosfato (que é uma hexose, pois tem 6 carbonos), em gliceraldeído-3-fosfato e dihidroxiacetona-fosfato (ambos são trioses, pois têm 3 carbonos). Esta reacção é possível devido à instabilidade que a frutose-1,6-bisfosfato apresenta, como consequência da presença de várias regiões com uma electronegatividade elevada (grupos fosforilo e grupos hidroxilo).

Esta reacção é reversível, mas o rápido consumo das trioses formadas faz com que o equilíbrio seja deslocado no sentido directo.

Reacção 5:

Para os restantes passos da glicólise apenas se pode utilizar o gliceraldeído-3-fosfato. Como era um desperdício não utilizar a dihidroxiacetona-fosfato, pois esta molécula contém metade dos átomos de carbono da glucose, a mesma é convertida em gliceraldeído-3-fosfato, por acção da triose fosfato isomerase. Assim consegue-se utilizar os 6 carbonos da glucose nesta via metabólica! Mais uma vez temos uma reacção de isomerização, sendo que neste caso temos o inverso do verificado na reacção 2, ou seja, uma cetose (dihidroxiacetona-fosfato) é convertida numa aldose (gliceraldeído-3-fosfato). Esta reacção pode ocorrer nos dois sentidos, sendo que a maioria das moléculas tende a estar sob a forma de dihidroxiacetona-fosfato. No entanto, uma vez que o gliceraldeído-3-fosfato é rapidamente consumido, o equilíbrio desloca-se no sentido directo.

A partit desta reacção, todos os gastos e ganhos da glicólise devem ser multiplicados por 2, pois passamos a ter 2 moléculas de gliceraldeído-3-fosfato por molécula de glucose.

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