O glicolise ou glicólise é a principal via de catabolismo da glicose, cujo objetivo final é obter energia na forma de ATP e poder redutor na forma de NADH, a partir desse carboidrato.
Essa rota, totalmente elucidada na década de 1930 por Gustav Embden e Otto Meyerhof ao estudar o consumo de glicose nas células musculares esqueléticas, consiste na oxidação completa desse monossacarídeo e, por si só, representa uma via anaeróbia para a glicose..
É uma das principais rotas metabólicas, uma vez que ocorre, com suas diferenças, em todos os organismos vivos existentes, unicelulares ou multicelulares, procarióticos ou eucarióticos, e se pensa ser uma cadeia de reações evolutivamente altamente conservada na natureza..
Na verdade, existem alguns organismos e tipos de células que dependem exclusivamente dessa rota para sobreviver..
No primeiro caso, a glicólise consiste na oxidação da glicose, de 6 átomos de carbono, a piruvato, que possui três átomos de carbono; com a produção concomitante de ATP e NADH, útil para as células do ponto de vista metabólico e sintético.
Nas células capazes de processar posteriormente os produtos obtidos do catabolismo da glicose, a glicólise termina com a produção de dióxido de carbono e água através do ciclo de Krebs e da cadeia de transporte de elétrons (glicólise aeróbia)..
Dez reações enzimáticas ocorrem no curso da via glicolítica e, embora a regulação dessas reações possa ser um pouco diferente de uma espécie para outra, os mecanismos regulatórios também são bastante conservados..
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Do ponto de vista metabólico, a glicose é um dos carboidratos mais importantes para todos os seres vivos.
É uma molécula estável e muito solúvel, podendo ser transportada com relativa facilidade por todo o corpo de um animal ou planta, de onde é armazenada e / ou obtida até onde é necessária como combustível celular..
A energia química contida na glicose é explorada pelas células vivas por meio da glicólise, que consiste em uma série de etapas altamente controladas pelas quais a energia liberada pela oxidação desse carboidrato pode ser “capturada” em formas mais utilizáveis de energia. Daí sua importância..
Por esta rota, não só se obtém energia (ATP) e potência redutora (NADH), mas também fornece uma série de intermediários metabólicos que fazem parte de outras rotas, também importantes a partir do funcionamento anabólico (biossintético) e celular em geral. Aqui está uma lista:
- Glicose 6-fosfato para a via da pentose fosfato (PPP) Via Pentose Fosfato)
- Piruvato para fermentação láctica
- Piruvato para a síntese de aminoácidos (alanina, principalmente)
- Piruvato para o ciclo do ácido tricarboxílico
- Frutose 6-fosfato, glicose 6-fosfato e fosfato de dihidroxiacetona, que funcionam como "blocos de construção" em outras rotas, como a síntese de glicogênio, ácidos graxos, triglicerídeos, nucleotídeos, aminoácidos, etc..
A quantidade de ATP produzida pela via glicolítica, quando a célula que o produz não consegue viver em condições aeróbias, é suficiente para suprir as necessidades energéticas de uma célula quando está acoplada a diferentes tipos de processos de fermentação.
No entanto, quando se trata de células aeróbicas, a glicólise também serve como uma fonte de energia de emergência e serve como uma “etapa preparatória” antes das reações de fosforilação oxidativa que caracterizam as células com metabolismo aeróbio..
A glicólise só é possível graças à participação das 10 enzimas que catalisam as reações que caracterizam essa via. Muitas dessas enzimas são alostéricas e mudam de forma ou conformação quando exercem suas funções catalíticas..
Existem enzimas que se rompem e formam ligações covalentes entre seus substratos e outras que requerem cofatores específicos para desempenhar suas funções, principalmente íons metálicos..
Estruturalmente falando, todas as enzimas glicolíticas têm um centro essencialmente laminado. β paralelo cercado por α hélices e ordenado em mais de um domínio. Além disso, essas enzimas são caracterizadas por seus locais ativos estarem geralmente nos locais de ligação entre os domínios..
Também é importante observar que a principal regulação da via passa pelo controle (hormonal ou metabólitos) de enzimas como hexoquinase, fosfofrutocinase, gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase e piruvato quinase..
A primeira reação da glicólise (fosforilação da glicose) é catalisada pela hexoquinase (HK), cujo mecanismo de ação parece consistir em um substrato “endurecimento induzido” que promove o “bloqueio” da enzima em torno do ATP e da glicose (seus substratos) uma vez que ligou a estes.
Dependendo do organismo considerado, pode haver uma ou mais isoenzimas, cujo peso molecular varia entre 50 (cerca de 500 aminoácidos) e 100 kDa, pois parecem se agrupar na forma de dímeros, cuja formação é favorecida pela presença de glicose, íons de magnésio e ATP.
A hexoquinase tem uma estrutura terciária composta de folhas alfa e beta abertas, embora existam muitas diferenças estruturais nessas enzimas.
A glicose fosforilada pela hexoquinase é isomerizada em frutose 6-fosfato via fosfoglucose isomerase (PGI), também conhecida como glicose 6-fosfato isomerase. A enzima, então, não remove ou adiciona átomos, mas os reorganiza no nível estrutural.
Esta é uma enzima ativa em sua forma dimérica (o monômero pesa mais ou menos 66 kDa) e está envolvida não só na glicólise, mas também na gliconeogênese, na síntese de carboidratos nas plantas, etc..
A frutose 6-fosfato é um substrato para a enzima fosfofrutocinase, que é capaz de refosforilar essa molécula usando ATP como doador do grupo fosforil, produzindo frutose 1,6-bifosfato.
Esta enzima existe em bactérias e mamíferos como uma enzima homotetramérica (composta por quatro subunidades idênticas de 33 kDa cada para bactérias e 85 kDa cada em mamíferos) e em leveduras é um octâmero (composto de subunidades maiores, entre 112 e 118 kDa).
É uma enzima alostérica, o que significa que é regulada positiva ou negativamente por alguns de seus produtos (ADP) e por outras moléculas como ATP e citrato..
Também conhecida como frutose 1,6-bisfosfato aldolase, a aldolase catalisa a quebra catalítica da frutose 1,6-bifosfato em dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato e a reação reversa, ou seja, a união de ambos os açúcares para a formação de frutose 1 , 6-bisfosfato.
Em outras palavras, essa enzima corta a frutose 1,6-bifosfato pela metade, liberando dois compostos C 3 fosforilados. Aldolase também é composta por 4 subunidades idênticas, cada uma com seu próprio sítio ativo..
Foi determinada a existência de duas classes (I e II) desta enzima, que são diferenciadas pelo mecanismo da reação que catalisam e porque algumas (a primeira) ocorrem em bactérias e eucariotos "inferiores", e as outras (a segunda ) estão em bactérias, protistas e metazoários.
A aldolase eucariótica "superior" consiste em um homotetrâmero de subunidades de peso molecular de 40 kDa, cada uma consistindo em um barril composto por 8 folhas β / α..
As duas trioses fosforiladas podem ser interconvertidas entre si graças à ação da triose-fosfato isomerase, que permite que os dois açúcares sejam utilizados ao longo da glicólise, garantindo o aproveitamento total de cada molécula de glicose que entra na via..
Esta enzima foi descrita como a enzima "perfeita", pois catalisa a reação descrita cerca de um trilhão de vezes mais rápido do que ocorreria sem a sua participação. Seu sítio ativo está no centro de uma estrutura de barril beta, característica de muitas enzimas glicolíticas..
É uma proteína dimérica, composta por duas subunidades idênticas de aproximadamente 27 kDa, ambas com estrutura globular..
Gliceraldeído 3-fosfato produzido pela ação da aldolase e triose fosfato isomerase serve como substrato para GAPDH, que é uma enzima homotetramérica (34-38 kDa cada subunidade) que se liga cooperativamente a uma molécula de NAD + em cada um de seus 4 locais ativos , bem como 2 íons fosfato ou sulfato.
Nesta etapa da via, a enzima permite a fosforilação de um de seus substratos utilizando fosfato inorgânico como doador do grupo fosforil, com redução concomitante de duas moléculas de NAD + e produção de 1,3-bisfosfoglicerato..
A fosfoglicerato quinase é responsável pela transferência de um dos grupos fosfato do 1,3-bisfosfoglicerato para uma molécula de ADP por fosforilação no nível do substrato. Essa enzima usa um mecanismo semelhante ao da hexoquinase, pois se fecha em contato com seus substratos, protegendo-os da interferência das moléculas de água..
Esta enzima, como outras que usam dois ou mais substratos, tem um sítio de ligação para ADP e outro para fosfato de açúcar.
Ao contrário das outras enzimas descritas, esta proteína é um monômero de 44 kDa com estrutura bilobar, composta por dois domínios do mesmo tamanho conectados por uma "fenda" estreita.
O 3-fosfoglicerato sofre uma mudança do grupo fosfato para o carbono 2, no meio da molécula, que representa um sítio de instabilidade estratégica que facilita a posterior transferência do grupo para uma molécula de ATP na última reação da via..
Esse rearranjo é catalisado pela enzima fosfoglicerato mutase, uma enzima dimérica para humanos e tetramérica para leveduras, com tamanho de subunidade próximo a 27 kDa..
A enolase catalisa a desidratação de 2-fosfoglicerato em fosfoenolpiruvato, uma etapa necessária para a geração de ATP na reação subsequente.
É uma enzima dimérica composta por duas subunidades idênticas de 45 kDa. Depende de íons magnésio para sua estabilidade e para a mudança conformacional necessária para se ligar ao seu substrato. É uma das enzimas mais abundantemente expressa no citosol de muitos organismos e desempenha funções adicionais aos glicolíticos..
A segunda fosforilação em nível de substrato que ocorre na glicólise é catalisada pela piruvato quinase, que é responsável pela transferência do grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para o ADP e pela produção do piruvato..
Esta enzima é mais complexa do que qualquer uma das outras enzimas glicolíticas e em mamíferos é uma enzima homotetramérica (57 kDa / subunidade). Existem, nos vertebrados, pelo menos 4 isoenzimas: L (no fígado), R (nos eritrócitos), M1 (nos músculos e cérebro) e M2 (nos tecidos fetais e adultos).
A via glicolítica consiste em dez etapas sequenciais e começa com uma molécula de glicose. Durante o processo, a molécula de glicose é "ativada" ou "preparada" com a adição de dois fosfatos, invertendo duas moléculas de ATP..
Mais tarde, é "cortado" em dois fragmentos e, finalmente, é quimicamente modificado algumas vezes, sintetizando quatro moléculas de ATP ao longo do caminho, de modo que o ganho líquido da rota corresponda a duas moléculas de ATP..
Do exposto, pode-se inferir que a rota se divide em uma fase de “investimento” de energia, fundamental para a oxidação completa da molécula de glicose, e outra fase de “ganho” de energia, onde a energia utilizada inicialmente é reposta e dois ATP líquidos moléculas.
1- A primeira etapa da via glicolítica consiste na fosforilação da glicose mediada pela hexoquinase (HK), para a qual a enzima utiliza uma molécula de ATP para cada molécula de glicose que é fosforilada. É uma reação irreversível e depende da presença de íons magnésio (Mg2 +):
Glicose + ATP → Glicose 6-fosfato + ADP
2- A glicose 6-fosfato assim produzida é isomerizada em frutose 6-fosfato graças à ação da enzima fosfoglucose isomerase (PGI). Esta é uma reação reversível e não envolve gasto de energia adicional:
Glicose 6-fosfato → Frutose 6-fosfato
3- Posteriormente, outra etapa de inversão de energia envolve a fosforilação da frutose 6-fosfato para formar a frutose 1,6-bifosfato. Esta reação é catalisada pela enzima fosfofrutocinase-1 (PFK-1). Como a primeira etapa do caminho, a molécula doadora do grupo fosfato é o ATP e também é uma reação irreversível.
Frutose 6-fosfato + ATP → Frutose 1,6-bifosfato + ADP
4- Nessa etapa da glicólise, ocorre a quebra catalítica da frutose 1,6-bifosfato em diidroxiacetona fosfato (DHAP), uma cetose, e gliceraldeído 3-fosfato (GAP), uma aldose. Esta condensação aldólica é catalisada pela enzima aldolase e é um processo reversível..
Frutose 1,6-bifosfato → fosfato de dihidroxiacetona + gliceraldeído 3-fosfato
5- A última reação da fase de inversão de energia consiste na interconversão da triose fosfato DHAP e GAP catalisada pela enzima triose fosfato isomerase (TIM), fato que não requer aporte energético adicional e também é um processo reversível.
Fosfato de diidroxiacetona ↔ Gliceraldeído 3-fosfato
6- O gliceraldeído 3-fosfato é utilizado "downstream" na via glicolítica como substrato para uma reação de oxidação e outra para fosforilação, catalisada pela mesma enzima, gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH)..
A enzima catalisa a oxidação do carbono C1 da molécula a ácido carboxílico e sua fosforilação na mesma posição, produzindo 1,3-bisfosfoglicerato. Durante a reação, 2 moléculas de NAD + são reduzidas para cada molécula de glicose e 2 moléculas de fosfato inorgânico são usadas..
2Gliceraldeído 3-fosfato + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicerato) + 2NADH + 2H
Em organismos aeróbios, cada NADH assim produzido passa pela cadeia de transporte de elétrons para servir como substrato para a síntese de 6 moléculas de ATP por fosforilação oxidativa..
7- Esta é a primeira etapa de síntese de ATP na glicólise e envolve a ação da fosfoglicerato quinase (PGK) sobre 1,3-bisfosfoglicerato, transferindo um grupo fosforil (fosforilação em nível de substrato) desta molécula para uma molécula de ADP, produzindo 2ATP e 2 moléculas de 3-fosfoglicerato (3PG) para cada molécula de glicose.
2 (1,3-bisfosfoglicerato) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerato) + 2ATP
8- O 3-fosfoglicerato serve como substrato para a enzima fosfoglicerato mutase (PGM), que a converte em 2-fosfoglicerato por deslocamento do grupo fosforil do carbono 3 para o carbono 2 por meio de uma reação em duas etapas reversível e dependente de íons de magnésio (Mg + 2).
2 (3-fosfoglicerato) → 2 (2-fosfoglicerato)
9- A enzima enolase desidrata 2-fosfoglicerato e produz fosfoenolpiruvato (PEP) por meio de uma reação que não requer adição de energia adicional e que tem por objetivo produzir um composto de alta energia, capaz de doar seu grupo fosforila na reação seguinte.
2 (2-fosfoglicerato) → 2 Fosfoenolpiruvato
10- O fosfoenolpiruvato é um substrato para a enzima piruvato quinase (PYK), que é responsável pela transferência do grupo fosforil nesta molécula para uma molécula de ADP, catalisando assim outra reação de fosforilação ao nível do substrato.
Na reação, 2ATP e 2 moléculas de piruvato são produzidas para cada glicose e a presença de potássio e magnésio na forma iônica é necessária..
2Fosfoenolpiruvato + 2ADP → 2Piruvato + 2ATP
O rendimento líquido da glicólise, dessa forma, consiste em 2ATP e 2NAD + para cada molécula de glicose que entra na via..
Se forem células com metabolismo aeróbio, então a degradação total de uma molécula de glicose produz entre 30 e 32 ATP através do ciclo de Krebs e da cadeia de transporte de elétrons.
A reação geral da glicólise é a seguinte:
Glicose + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H+
Portanto, se for analisado brevemente, pode-se assegurar que os principais produtos da via glicolítica são piruvato, ATP, NADH e H.
No entanto, o destino metabólico de cada intermediário de reação depende, em grande medida, das necessidades celulares, razão pela qual todos os intermediários podem ser considerados como produtos de reação, e podem ser listados da seguinte forma:
- Glicose 6-fosfato
- Frutose 6-fosfato
- Frutose 1,6-bisfosfato
- Fosfato de diidroxiacetona e gliceraldeído 3-fosfato
- 1,3-bisfosfoglicerato
- 3-fosfoglicerato e 2-fosfoglicerato
- Fosfoenolpiruvato e piruvato
Apesar de a glicólise, por si só (pode-se falar em glicólise anaeróbica), produzir apenas cerca de 5% do ATP que pode ser extraído do catabolismo aeróbio da glicose, essa via metabólica é essencial por vários motivos:
- Serve como uma fonte "rápida" de energia, especialmente em situações em que um animal tem que sair de um estado de repouso rapidamente, para o qual os processos de oxidação aeróbia não seriam rápidos o suficiente..
- As fibras musculares esqueléticas "brancas" do corpo humano, por exemplo, são fibras de contração rápida e dependem da glicólise anaeróbica para funcionar..
- Quando, por algum motivo, uma célula precisa ficar sem algumas de suas mitocôndrias (que são as organelas que realizam a fosforilação oxidativa de parte dos produtos glicolíticos, entre outras coisas), a célula torna-se mais dependente da energia obtida via glicolítica.
- Muitas células dependem da glicose como fonte de energia através da via glicolítica, entre elas a Glóbulos vermelhos, sem organelas internas e células do olho (particularmente as da córnea) que não têm uma alta densidade de mitocôndrias.
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