Regulação da oxidação do piruvato (parte 2)

A atividade do complexo piruvato desidrogenase é regulada essencialmente através de 2 mecanismos distintos - alosteria e modificação covalente reversível.

De facto, existem alguns moduladores alostéricos deste complexo, que, neste caso concreto pertencem à classe dos moduladores negativos, ou seja, inibidores da atividade catalítica:

- acetil-CoA – sendo o produto da reação, faz todo o sentido que a molécula de acetil-CoA tenha um efeito inibitório sobre a sua própria síntese

- NADH – um dos produtos da reação é o NADH, portanto o raciocínio é equivalente ao efetuado em cima para a acetil-CoA. Além disso, e conforme já foi referido noutros posts aqui do blog, o NADH pode estar envolvido na síntese de ATP (através da respiração celular), pelo que a sua presença indica um potencial estado energético em alta dentro da célula. Nesse sentido, e como a oxidação do piruvato a acetil-CoA faz parte do catabolismo, cujo principal objetivo é a obtenção de energia, faz sentido que o NADH inibe o catabolismo e, em particular, esta reação.

Em relação à modificação covalente reversível, este complexo enzimático é inibido por fosforilação e ativado por desfosforilação. Este processo é mediado por 2 enzimas diferentes… A que fosforila designa-se por piruvato desidrogenase cinase, enquanto que a que desfosforila chama-se piruvato desidrogenase fosfatase.

Fatores que ativam a cinase, levando à fosforilação do complexo piruvato desidrogenase (ou seja, inibidores da sua atividade catalítica):

- acetil-CoA e NADH – além do seu efeito direto no complexo piruvato desidrogenase, como inibidores alostéricos, estas duas moléculas ativam também a fosforilação do mesmo, promovendo a sua inibição, portanto, através de 2 mecanismos distintos

Fatores que inibem a cinase, favorecendo no equilíbrio a forma desfosforilada do complexo piruvato desidrogenase (ou seja, ativadores da sua atividade catalítica):

- NAD⁺ – em relação a esta molécula pode fazer-se o raciocínio inverso ao efetuado para o NADH. Ou seja, a presença de NAD⁺ indica um défice energético da célula, pelo que será necessário ativar o catabolismo para contrariar esse défice.

- ADP – o raciocínio é equivalente ao anterior, pois dizer-se que a célula está a acumular ADP significa dizer que está a gastar ATP, ou seja, vai necessitar de produzir novamente ATP

- piruvato – o piruvato é o substrato da reação, sendo que a sua presença vai ativar o complexo piruvato desidrogenase através da inibição do processo de fosforilação (e, consequentemente, inibição) do complexo piruvato desidrogenase

- coenzima A (CoA) – este cofator tem um papel de co-substrato, pelo que a sua presença vai afetar a atividade catalítica do complexo de forma idêntica à descrita para o piruvato

Fatores que ativam a fosfatase, levando à desfosforilação do complexo piruvato desidrogenase (ou seja, ativadores da sua atividade catalítica):

- Ca²⁺ – o ião cálcio é um modulador importantíssimo do nosso metabolismo. Neste caso em concreto, este ião atua (no músculo) ao nível da piruvato desidrogenase fosfatase, ativando-o, através da promoção da sua desfosforilação. De uma forma simples, o ião cálcio é um indicador da contração muscular, pelo que faz todo o sentido que num contexto de trabalho muscular o catabolismo esteja ativo, de forma a haver ATP disponível para esse processo

Regulação da oxidação do piruvato (parte 1)

O complexo piruvato desidrogenase é regulado principalmente através de dois mecanismos distintos: alosteria e modificação covalente reversível. Ambos podem atuar (e atuam, normalmente!) ao mesmo tempo, sendo que há moléculas (ativadores e inibidores) que intervêm nos dois processos simultaneamente.

Ativadores do complexo piruvato desidrogenase

- AMP e ADP – o AMP e o ADP são duas moléculas que são obtidas quando se utiliza o ATP como fonte de energia química (o ATP pode ser clivado a ADP ou a AMP). Portanto, ambas as moléculas sinalizam um estado energético baixo, pelo que faz todo o sentido que funcionem como ativadores dos processos que permitem obter energia, os processos catabólicos. Uma vez que a oxidação do piruvato faz parte do catabolismo, este processo é ativado pelo AMP e ADP.
- CoA – é um dos cofatores da enzima que aparece incorporado nos produtos (o piruvato é simultaneamente descarboxilado, oxidado e combinado com CoA). Ou seja, como se trata de uma molécula que vai reagir com o substrato, a sua presença ativa a enzima.
- NAD+ – tal como a molécula de CoA, o NAD+ é também utilizado na reação, parecendo nos produtos (sob a forma de NADH). Além disso, uma vez que o NADH pode ser utilizado para se sintetizar ATP (na respiração celular), onde é oxidado a NAD+, este último é um indicador de um estado energético baixo na célula. Por tudo isto, faz todo o sentido que esta molécula seja um ativador da oxidação do piruvato.
- Ca2+ (músculo) – o ião cálcio é um importante mediador de várias respostas celulares. Um dos processos onde intervém é na contração muscular. Portanto, sendo este ião um indicador da contração muscular, que é um processo que consome muito ATP, é vantajoso para as célula musculares poderem utilizá-lo simultaneamente como um ativador do catabolismo e, em particular, da oxidação do piruvato. Assim consegue-se que com o mesmo sinalizador o músculo entre em contração e ative o catabolismo.
- Piruvato – o piruvato é o substrato do complexo piruvato desidrogenase, portanto, faz todo o sentido que funcione como um ativador.
- Desfosforilação – na forma desfosforilada, o complexo piruvato desidrogenase é ativo.

Inibidores do complexo piruvato desidrogenase
- ATP – o principal objetivo do catabolismo é produzir energia, principalmente sob a forma de ATP. Se a célula já tiver ATP, ou NADH (que, conforme referi em cima, pode levar à produção de ATP), o catabolismo é inibido.
- Acetil-CoA – sendo o produto da reação, é lógico que tenha um papel inibitório no processo.
- Ácidos gordos de cadeia longa – alguns ácidos gordos, particularmente os de cadeia longa, funcionam como inibidores desta reação.
- Fosforilação – o complexo piruvato desidrogenase é inativado por fosforilação reversível.

Vídeo sobre o piruvato

Cá está mais um vídeo musical, desta vez sobre o piruvato. :)

Oxidação do piruvato

Em condições aeróbicas, a maioria das células eucarióticas e várias bactérias oxidam o piruvato, produzido na glicólise, a CO₂ e H₂O, em vez de o reduzirem a lactato ou etanol.

Produção de acetil-CoA a partir do piruvato

As moléculas de acetil-CoA são a forma sob a qual o ciclo de Krebs aceita a maior parte do seu combustível. O piruvato é oxidado a acetil-CoA e CO₂ por um complexo enzimático (3 enzimas) denominado complexo piruvato desidrogenase. Este complexo localiza-se na mitocôndria (eucariotas) ou no citosol (procariotas).

A oxidação do piruvato a acetil-CoA é um exemplo de uma descarboxilação oxidativa irreversível. A irreversibilidade da reacção foi demonstrada provando que quando se usa CO₂ marcado radioactivamente não é possível obter piruvato com carbono radioactivo.

Além da acetil-CoA e do CO2, esta reacção produz uma molécula de NADH a partir de NAD+.

O complexo piruvato desidrogenase requer a acção de 5 cofactores: tiamina pirofosfato (TPP), dinucleótido flavina adenina (FAD), coenzima A (CoA), dinucleótido nicotinamida adenina (NAD⁺) e lipoato. 4 vitaminas necessárias na nutrição humana são componente vitais deste sistema: tiamina (para TPP), riboflavina (para FAD), niacina (para NAD) e pantotenato (para CoA).

As enzimas componentes do complexo piruvato desidrogenase são: piruvato desidrogenase, dihidrolipoil transacetilase e dihidrolipoil desidrogenase. Cada uma destas enzimas está presente em múltiplas cópias.

Mutações nos genes que codificam as subunidades deste complexo enzimático, bem como uma dieta deficiente em tiamina podem ter consequências graves. Animais carentes de tiamina são incapazes de oxidar normalmente o piruvato. Isto tem implicações principalmente a nível do cérebro, que normalmente obtém toda a sua energia a partir da oxidação da glucose, num processo que envolve necessariamente a oxidação do piruvato. Beribéri é uma avitaminose causada por carência de tiamina é caracterizada por uma perda da função neuronal. Esta doença é mais frequente nas populações que se alimentam predominantemente de arroz branco (polido). É nas cascas do arroz que a maior parte da sua tiamina se encontra.

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

Fermentação alcoólica

A primeira reacção requer a presença de Mg²⁺ e a segunda reacção regenera NAD⁺ a partir de NADH (uma molécula por molécula de piruvato). Conforme já referi no post da fermentação láctica, é este o objectivo da fermentação, a regeneração de NAD⁺, para que a glicólise possa continuar a ocorrer.

A enzima piruvato descarboxilase está normalmente presente nas leveduras usadas no fabrico de bebidas e pão. A gaseificação do champanhe e de outras bebidas alcoólicas, bem como as bolhas presentes no miolo do pão são originadas pela descarboxilação do piruvato.

 

A fermentação alcoólica não ocorre no nosso organismo. Tenham em atenção que quando eu digo isto, não estou a afirmar que nós não conseguimos metabolizar o etanol, pois esse é um processo independente da fermentação. O que eu estou a dizer é que é impossível o nosso organismo converter glucose em etanol.

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

Fermentação láctica

Esta reacção é claramente favorecida no sentido directo. Em situações de hipoxia (esforço muscular intenso, por exemplo), ou ausência de mitocôndrias, a célula não é capaz de regenerar o NAD⁺ a partir de NADH através da cadeia respiratória. Por isso utiliza a conversão de piruvato em lactato, que consome NADH e liberta NAD⁺. Convém salientar que o NAD⁺ é indispensável para que a glicólise continue a ocorrer, permitindo assim a obtenção de energia através do catabolismo dos açúcares. Cada molécula de piruvato convertida em lactato regenera uma molécula de NAD⁺.

O lactato formado é enviado através da circulação sanguínea para o fígado, onde é convertido em glucose na gluconeogénese. A questão que se coloca é: “Então se é possível reciclar o lactato, convertendo-o novamente em glucose, porque é que é o fígado a fazer isso e não o músculo, uma vez que é no músculo que se produz o lactato? Assim o músculo podia aproveitar o seu produto da fermentação para repor os níveis de combustível metabólico!”. Se facto, à primeira vista até pode fazer sentido pensarmos assim. No entanto, a síntese de glucose, através da gluconeogénese, é um processo muito dispendioso, do ponto de vista energético, pelo que após um esforço físico intenso, não fazia sentido o músculo ter que gastar energia para sintetizar glucose. Sendo assim, a recuperação de um esforço intenso engloba não só a reposição dos níveis de ATP no músculo mas também um consumo extra de oxigénio no fígado, necessário para a síntese de ATP que será utilizado na gluconeogénese a partir do lactato. Por outras palavras, depois do esforço muscular, é o fígado que vai ter o trabalho de utilizar o lactato, permitindo uma recuperação muscular mais rápida e eficiente. Este processo designa-se por ciclo de Cori.

Durante o trabalho anaeróbico a concentração de lactato nas fibras musculares pode aumentar cerca de 30 vezes e é comum afirmar-se que é esta acumulação do ião lactato que provoca a fadiga. Contudo as evidências experimentais demonstram que embora a concentração de lactato esteja directamente relacionada com o grau de fadiga o ião lactato não interfere na actividade contráctil do músculo. A fadiga, as dores musculares e as cãimbras sentidas após um esforço físico intenso são o resultado da acidificação provocada pelo ácido láctico no músculo (o pH pode baixar de cerca de 7 para 6,5!!!). O pKa do ácido láctico é de cerca de 4, o que faz com que o pH das células (≈ 7) ou do plasma (≈ 7,4) provoque a dissociação do ácido láctico em lactato + H⁺. Esta acumulação de H⁺ vai interferir com a capacidade contráctil das fibras musculares e vai também invadir a fenda sináptica. Sendo assim, a incapacidade da junção neuromuscular em retransmitir os impulsos nervosos para as fibras musculares é devida, provavelmente, a uma menor liberação do transmissor químico acetilcolina por parte das terminações nervosas, devido à acidificação do líquido intersticial e alteração das estruturas proteicas (receptores de acetilcolina) pela acção dos H⁺.

Este sistema proporciona energia para actividades físicas que resultem em fadiga após cerca de 60-120 segundos. É portanto o principal processo metabólico associado a actividades como por exemplo corridas de até 400-800 m, provas de natação de 100-200 m, proporcionando também energia para momentos de alta intensidade no futebol, basquetebol, voleibol, ténis, entre outros. O denominador comum dessas actividades é a sustentação de esforço de alta intensidade com duração de 1-2 minutos. Mesmo os atletas melhor treinados são incapazes de sprintar por mais do que cerca de um minuto. Um atleta de alta competição necessita de cerca de 30 minutos para recuperar de uma corrida de 100m.

Alguns lactobacilos e estreptococus fermentam a lactose a ácido láctico no leite. A ionização do ácido láctico faz baixar o pH desnaturando a caseína (principal proteína do leite) e outras proteínas do leite. Quando essa desnaturação é controlada, e nas condições certas, obtem-se o iogurte ou o queijo.

Resumindo, a fermentação não serve para obter energia em condições anaeróbicas (esta ideia errada é muito comum…). Serve para regenerar o NAD⁺, de forma que a glicólise possa continuar a ocorrer na ausência de O₂, pois é a glicólise que vai produzir ATP!

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

Destinos do piruvato

O destino do piruvato depende do tipo celular e das circunstâncias metabólicas. Há 3 destinos principais para o piruvato:

(1) Organismos e tecidos aeróbicos, em condições aeróbicas – o piruvato é oxidado, com perda do grupo carboxílico, originando o grupo acetil da acetil-CoA, que depois é oxidada a CO₂ durante o ciclo de Krebs;

(2) Tecidos aeróbicos em condições de pouco oxigénio (hipoxia muscular, por exemplo), alguns tecidos em condições aeróbicas (eritrócitos, por exemplo, porque não possuem mitocôndrias), ou alguns organismos anaeróbicos – o piruvato é reduzido a lactato através da fermentação láctica. Em condições de hipoxia muscular, o NADH não é reoxidado a NAD⁺, e o NAD⁺ é necessário para a glicólise. A redução do piruvato a lactato permite usar NADH como dador de electrões regenerando o NAD⁺;

(3) Alguns tecidos de plantas, alguns invertebrados, protistas e microorganismos, em condições anaeróbicas ou de hipoxia – o piruvato é convertido em etanol + CO₂ (fermentação alcoólica).

Apesar da glicólise poder ocorrer em condições anaeróbicas, tal facto tem um preço, pois reduz a quantidade de ATP formado por molécula de glucose (passa de 30 ou 32 ATP para apenas 2!), sendo, portanto necessário oxidar mais glucose nestas condições.

O que vai acontecer ao piruvato está directamente relacionado com a quantidade de NAD⁺ e FAD da célula. Como essas quantidades são muito pequenas, é necessário haver mecanismos para transformar o NADH+H⁺ e FADH₂ de novo em NAD⁺ e o FAD, respectivamente. Isto é feito por transferência dos electrões do NADH+H⁺ e FADH₂ para outras moléculas, o que pode ocorrer por fermentação ou respiração. A distinção entre estes não é (ao contrário do que geralmente se pensa) o facto de um processo utilizar directamente o O₂ e o outro não! O O₂ é apenas necessário para a fosforilação oxidativa, e não para a oxidação do piruvato. Ao contrário dos metabolismos aeróbios que dependem do aporte de oxigénio e são limitados pela disponibilidade deste, a glicólise anaeróbia não depende da disponibilidade de oxigénio e pode aumentar de velocidade até cerca de 1000 vezes a velocidade em repouso, ou seja, os 2 ATP/glucose podem representar muitos ATP/minuto.

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 a oxidação do piruvato e o ciclo de Krebs

Aqui fica um vídeo sobre o que acontece ao piruvato na mitocôndria, quando este é utilizado como fonte de energia. É um vídeo muito interessante, com bastante detalhe ao nível das reacções bioquímicas.

Destinos do piruvato (principais aspectos)

Fermentação láctica

- Objectivo: regenerar NAD⁺ através da redução do piruvato

- Localização subcelular: citosol

- Condições em que ocorre: anaerobiose e/ou ausência de mitocôndrias

- Nº de reacções bioquímicas: 1

- Rendimento energético (por molécula de piruvato): -1 NADH

- Produto final (por molécula de piruvato): 1 lactato

Oxidação do piruvato

- Tipo de via metabólica: catabólica linear

- Objectivo: obtenção de energia a partir da oxidação do piruvato

- Localização subcelular: matriz mitocondrial

- Condições em que ocorre: aerobiose

- Nº de reacções bioquímicas: 1

- Rendimento energético (por molécula de piruvato): +1NADH

- Produto final (por molécula de piruvato): 1 acetil-CoA