Ciclo de Krebs (reações) - parte 2

Passo 5: conversão de succinil-CoA em succinato

Esta reacção requer Mg²⁺. A enzima que catalisa esta reação, succinil-CoA sintetase, quebra a ligação tioéster (S-CoA), libertando uma grande quantidade de energia que é utilizada para fosforilar o GDP em GTP. É mais um exemplo de um acoplamente energético.

Passo 6: oxidação de succinato a fumarato

O succinato é oxidado a fumarato, levando à produção de FADH₂ a partir de FAD. A reação é catalisada pela succinato desidrogenase que é a única enzima do ciclo de Krebs que não está na matriz, mas sim fortemente associada à membrana interna da mitocôndria.

Passo 7: Hidratação de fumarato a malato

Esta enzima é altamente estéreo-específica, produzindo apenas o esteroisómero L-malato. A reação é reversível nas condições celulares.

Passo 8: oxidação do malato a oxaloacetato

Esta reacção produz uma molécula de NADH a partir de NAD⁺. Em condições intracelulares a reacção está bastante deslocada no sentido inverso, mas como o oxaloacetato é continuamente removido (pela reacção de síntese de citrato, pela gluconeogénese ou por transaminação para originar aspartato), o equilíbrio é deslocado no sentido directo. O oxaloacetato utilizado na primeira reação do ciclo de Krebs é então regenerado, pelo que teoricamente uma molécula de oxaloacetato pode estar envolvida na oxidação de um número infinito de moléculas de acetil-CoA (tem um papel “catalítico”) e, por isso, o oxaloacetato está presente nas células em concentrações muito baixas.

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

Ciclo de Krebs (reações) - parte 1

Passo 1: fomação de citrato

Esta reacção irreversível é o 1º ponto de regulação do ciclo de Krebs. É uma reação em que o oxaloacetato se condensa com a acetil-CoA. Nesse processo forma-se um intermediário bastante energético (citroil-CoA) que rapidamente se converte em citrato. A molécula de CoA-SH libertada é reciclada para participar numa nova descarboxilação oxidativa do piruvato (catalisada pelo complexo piruvato desidrogenase).

Passo 2: formação de isocitrato via cis-aconitato

Esta reacção ocorre através da formação de um intermediário, o cis-aconitato, que se obtém por desidratação do citrato. Seguidamente, o cis-aconitato é hidratado formando-se isocitrato. Portanto, o citrato e o isocitrato são isómeros. Apesar desta reacção em condições celulares estar deslocada no sentido de produzir apenas cerca de 10% de isocitrato, o rápido consumo deste produto de reacção desloca a reacção no sentido directo. O fluoroacetato é uma molécula tóxica porque em condições fisiológicas converte-se em fluoroacetil-CoA, que se condensa com o oxaloacetato para formar fluorocitrato, o que inibe a aconitase, causando acumulação de citrato.

Passo 3: oxidação de isocitrato a α-cetoglutarato e CO2

Esta reação é um exemplo de uma descarboxilação oxidativa irreversível, sendo o 2º ponto de regulação do ciclo de Krebs. Na realidade, esta reação é um conjunto de 3 reações diferentes:

1. Desidrogenação do isocitrato, originando oxalosuccinato e produzindo-se NADH.

2. Ligação do Mn²⁺ ao grupo carbonilo do oxalosuccinato, estabilizando o enol e promovendo a libertação de CO₂.

3. Hidrogenação, com arranjo do híbrido de ressonância.

Passo 4: oxidação de α-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2

Esta reação, tal como a anterior, é outro exemplo de uma descarboxilação oxidativa irreversível. É o 3º (e último!) ponto de regulação do ciclo de Krebs. Esta reacção é virtualmente idêntica à descarboxilação oxidativa do piruvato, levando também à formação de NADH. É uma reação muito exergónica devido à energia armazenada na ligação S-CoA.

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

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

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