Glicólise

Glicólise (do grego antigo "γλυκύς" (glykýs), adocicado e "λύσις" (lýsis), quebra, degradação) é uma sequência metabólica composta por um conjunto de dez reações catalisadas por enzimas livres no citosol, na qual a glicose é oxidada produzindo duas moléculas de piruvato, quatro moléculas de ATP (contemplando que duas moléculas de ATP foram utilizadas durante a fase de investimento, considera-se um saldo final de dois ATP, subtraindo os dois que foram utilizados da quantidade total de ATP produzido na via) e dois equivalentes reduzidos de NADH⁺, que serão introduzidos na cadeia respiratória ou na fermentação.^[1] A glicólise é uma das principais rotas para geração de ATP nas células e está presente em todos os tipos de tecidos.^[2]

A importância da glicólise na nossa economia energética é relacionada com a disponibilidade de glicose no sangue, assim como com a habilidade da glicose gerar ATP tanto na presença quanto na ausência de oxigênio. A glicose é o principal carboidrato em nossa dieta e é o açúcar que circula no sangue para assegurar que todas as células tenham suporte energético contínuo. O cérebro utiliza quase exclusivamente glicose como combustível. A oxidação de glicose a piruvato gera ATP pela fosforilação (a transferência de fosfato de intermediários de alta energia da via do ADP) a nível de substrato e NADH. Subsequentemente, piruvato pode ser oxidado a CO₂ no ciclo de Krebs e ATP gerado pela transferência de elétrons ao oxigênio na fosforilação oxidativa. Entretanto, se o piruvato e o NADH gerados na glicólise forem convertidos a lactato (glicólise anaeróbica), ATP pode ser gerado na ausência de oxigênio, através da fosforilação a nível de substrato.^[2]

A glicose tem sua importância também por ser fonte de energia para todos os tipos de células de mamíferos, além de ser fonte exclusiva de energia para as hemácias. O eritrócito maduro não apresenta mitocôndrias, sendo assim obtêm sua energia a partir da glicose por duas principais vias: via glicolítica anaeróbia (Embden-Meyerhof) que envolve 90% da degradação da glicose até lactato, e a via das pentoses fosfato ou derivação da hexose monofosfato, ou ainda via do fosfogliconato.^[3]

A glicólise é uma rota central quase universal do catabolismo da glicose, a rota com o maior fluxo de carbono na maioria das células. A quebra glicolítica de glicose é a única fonte de energia metabólica em alguns tecidos de mamíferos e tipos celulares (hemácias, medula renal, cérebro e esperma, por exemplo). Alguns tecidos de plantas que são diferenciados para armazenar amido (como os tubérculos da batata) e algumas plantas aquáticas derivam a maior parte de sua energia da glicólise; muitos micro-organismos anaeróbicos são inteiramente dependentes da glicólise.^[1]

Fermentação é um termo geral para a degradação anaeróbica de glicose (glicólise anaeróbica) ou outros nutrientes orgânicos para obtenção de energia, conservada como ATP. Os organismos primitivos se originaram num mundo cuja atmosfera carecia de O₂ e, por isto, a glicólise é considerada a mecanismo biológico mais primitivo para obtenção de energia a partir de moléculas orgânicas, presente em todas as formas de vida atuais. No curso da evolução, a química dessa sequência de reações foi completamente conservada; as enzimas glicolíticas dos vertebrados são intimamente similares, na sequência de aminoácidos e na estrutura tridimensional, a seus homólogos nas leveduras e no espinafre. A glicólise difere entre as espécies apenas em detalhes de sua regulação e no destino metabólico subsequente do piruvato formado. Os princípios termodinâmicos e os tipos de mecanismos regulatórios que governam a glicólise são comuns a todas as rotas de metabolismo celular. O estudo da glicólise pode, portanto, servir como modelo para muitos aspectos das rotas metabólicas.^[1] A glicólise nas células procariontes ocorre no citoplasma e nas eucariontes ocorre no citosol.

A mais comum e conhecida forma de glicólise é a rota de Embden-Meyerhof, que foi inicialmente elucidada por Gustav Embden e Otto Meyerhof. O termo glicólise pode significar também outras rotas metabólicas, como a de Entner-Doudoroff. Entretanto, o resto desse artigo usará o termo glicólise para explicar a via metabólica mais comum pela qual ocorre: a rota de Embden-Meyerhof.

A glicólise foi a primeira rota metabólica a ser elucidada e é provavelmente a melhor compreendida.^[1] Os primeiros estudos formais do processo glicolítico foram feitos em 1860, quando Louis Pasteur descobriu que micro-organismos eram responsáveis pela fermentação.

Em 1897, Eduard Buchner mostrou que o extrato obtido da maceração de leveduras, mesmo isento de micro-organismos vivos, fermentava açúcares, e chamou este extrato de zimase, recebendo o Prêmio Nobel da Química em 1907.

Em 1905 Arthur Harden e William Young mostraram que a zimase podia ser separada em 2 extratos: um contendo moléculas grandes e sensíveis ao calor (que hoje sabemos serem as enzimas) e uma fração de moléculas menores e pouco sensíveis ao calor (que sabemos hoje serem as coenzimas), e que estes só fermentavam o açúcar quando juntos. Harden recebeu o Prêmio Nobel da Química em 1929.

A via glicolítica detalhada foi determinada em 1940, com as contribuições de Otto Meyerhof (Nobel da Medicina ou Fisiologia em 1922) e alguns anos depois por Luis Leloir (Nobel da Química em 1970). A maior dificuldade na determinação da via é devido ao curto tempo de vida e baixas concentrações dos intermediários, o que faz a glicólise uma via metabólica muito rápida. Louis Pasteur verificou que a levedura crescia mais de 10 vezes mais rápido quando digeria o açúcar na fermentação do que usando o oxigênio.

A quebra dos seis carbonos da glicose em duas moléculas de piruvato com três carbonos ocorre em dez passos; os primeiros cinco dos quais constituem a fase preparatória (fase de investimento) e os cinco seguintes, a fase de geração de ATP (fase de rendimento).^[1][2]

Na fase inicial preparatória da glicólise (fase de investimento), a glicose é fosforilada duas vezes por ATP e clivada em duas trioses fosfato.^[2] Nesta fase, a célula gasta duas moléculas de ATP, o catião Mg2+ é indispensável para as reações, e processam-se cinco reações bioquímicas. Nenhuma energia é armazenada, pelo contrário, duas moléculas de ATP são investidas nas reações de fosforilação.^[1]

Na primeira reação, a glicose que entra nos tecidos é fosforilada no grupo hidroxila em C6, com o gasto energético de uma molécula de ATP, dando origem a glicose-6-fosfato e ADP.^[1] Essa reação, catalisada pela enzima hexocinase, é irreversível sob condições fisiológicas devido a seu ΔG° altamente negativo.^[2] Trata-se de um dos três passos que regulam a glicólise. A fosforilação da glicose na primeira reação impede que esta saia da célula novamente (a glicólise realiza-se no citosol da célula). Ao adicionar um grupo fosfato à glicose, ela se torna uma molécula carregada negativamente e é impossível atravessar passivamente a membrana celular, mantendo-a aprisionada dentro da célula.

Glicose-6-fosfato é um ponto de ramificação no metabolismo de carboidratos. Ela é um precursor para quase todas as rotas que utilizam a glicose, incluindo glicólise, via da pentose fosfato e síntese de glicogênio. De um ponto de vista oposto, ela também pode ser gerada a partir de outras rotas do metabolismo de carboidratos, tais como glicogenólise (quebra de glicogênio), via da pentose fosfato e gliconeogênese (síntese de glicose a partir de não-carboidratos).^[2]

As hexoquinases, enzimas que catalisam a fosforilação da glicose, são uma família de isoenzimas tecido-específicas que diferem em suas propriedades cinéticas. A isoenzima encontrada no fígado e células do pâncreas tem um Km muito mais alto do que outras hexoquinases e é chamada de glicoquinase.^[2] As cinases são enzimas que catalisam a transferência de um grupo fosforil terminal do ATP para um aceptor nucleófilo. No caso da hexoquinase, o aceptor é uma hexose, normalmente D-glicose, embora a hexoquinase possa catalisar a fosforilação de outras hexoses comuns, tais como D-frutose e D-manose. A hexoquinase, como muitas outras cinases, requer Mg²⁺ para sua atividade, pois o verdadeiro substrato da enzima não é ATP^-4, e sim MgATP^-2.^[1] Em muitas células, parte da hexoquinase se encontra ligada a porinas na membrana mitocondrial externa, as quais dão a essas enzimas o acesso precoce ao ATP recém-sintetizado conforme ele sai da mitocôndria.^[2]

Na segunda reação, catalisada pela enzima glicosefosfato-isomerase (também chamada de fosfoexose isomerase), a glicose-6-fosfato, uma aldose, é convertida num processo de isomerização reversível em frutose-6-fosfato, uma cetose, assim, permitindo um sítio de entrada para a frutose da dieta na glicólise. Esta isomerização tem um papel crítico na química geral da via glicolítica, uma vez que o rearranjo dos grupos carbonil e hidroxil em C-1 e C-2 é uma preparação necessária para os próximos dois passos. A fosforilação que ocorre na reação seguinte (reação 3) requer que o grupo em C-1 seja primeiramente convertido de um carbonil para um álcool e, na reação subsequente (reação 4), a clivagem da ponte entre C-3 e C-4 pela aldolase requer um grupo carbonil em C-2.^[1]

Na reação número 3, a célula investe outra molécula de ATP para fosforilar a frutose-6-fosfato e convertê-la em frutose-1,6-bisfosfato. Esta é também uma reação irreversível e de controle desta via metabólica, catalisada pela enzima fosfofrutocinase, que é a enzima marca-passo da glicólise. Esta etapa ocorre para deixar a molécula simétrica para a reação de clivagem na etapa seguinte.

Na reação 4, a frutose-1,6-bisfosfato é clivada em duas trioses: gliceraldeído-3-fosfato e dihidroxiacetona fosfato. Esta reação é catalisada pela enzima aldolase.

O gliceraldeído-3-fosfato e a dihidroxiacetona fosfato são isômeros facilmente interconversíveis pela enzima triosefosfato isomerase. Ocorre então a conversão da dihidroxicetona P em gliceraldeído 3P, a única triose que pode continuar sendo oxidada.

Na fase de geração de ATP (de rendimento), gliceraldeído-3-fosfato (uma triose fosfato) é oxidado pelo NAD e fosforilada usando fosfato inorgânico. A ponte de fosfato de alta energia gerada nesta etapa é transferida ao ADP para formar ATP. O fosfato restante é também rearranjado para formar outra ponte de fosfato de alta energia que é transferida ao ADP. Como há dois moles de triose fosfato formados, o resultado da fase de geração de ATP é de quatro ATPs e dois NADH. O resultado é uma produção global de dois moles de ATP, dois moles de NADH e dois moles de piruvato por mol de glicose.^[2]

Na primeira reação desta fase, a número 6 no seguimento da fase anterior, cada gliceraldeído-3-fosfato é oxidado (desidrogenado) pelo NAD+ (e o NAD+ passa a NADH) e fosforilado por um fosfato inorgânico, dando origem a 1,3-Bifosfoglicerato (1,3 BPG). Esta reação é catalisada pela enzima gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase.

Na reação 7, catalisada pela enzima 1,3 BiP glicerato cinase, a 1,3 BPG transfere um grupo fosfato para uma molécula de ADP dando origem a uma molécula de ATP e a 3-fosfoglicerato. Esta é a primeira etapa da glicólise que sintetiza ATP diretamente na via.

Na reação 8, a enzima fosfogliceromutase reaposiciona a posição do grupo fosfato 3- Fosfoglicerato, dando origem a 2-fosfoglicerato (grupo fosfato ligado ao carbono 2), preparando o substrato para a próxima reação.

A reação 9 é uma reação de desidratação catalisada pela enzima enolase. O 2-fosfoglicerato é desidratado formando uma molécula de água e fosfoenolpiruvato (PEP), um composto altamente energético. Foi devido a esta configuração energética que o grupo fosfato foi transferido da posição 3 para 2 na reação anterior.

A reação 10, última desta via metabólica, catalisada pela enzima piruvato cinase, há transferência do grupo fosfato do fosfoenolpiruvato para uma molécula de ADP, formando-se então uma molécula de ATP e piruvato. Tendo em conta que por cada molécula de gliceraldeído-3-fosfato produz-se duas moléculas de ATP, na glicólise são produzidos ao todo 4 ATPs e gastos 2. O saldo energético é de 2 moléculas de ATP e 2 NADH por molécula de glicose.

Os intermediários da glicólise apresentados utilizando projeções de Fischer mostram as mudanças químicas passo a passo. Essa imagem pode ser comparada à representação através do modelo poligonal.^[4] Outra comparação de projeções de Fischer e o modelo poligonal na glicólise é mostrado em vídeo.^[5]

Estrutura dos componentes da glicólise anaeróbia mostradas utilizando projeções de Fischer, à esquerda, e modelo poligonal, à direita. Os compostos correspondem à glicose (Glu), glicose 6-fosfato (G6P), frutose 6-fosfato (F6P), frutose 1,6-bifosfato (F16BP), dihidroxicetona fosfato (DHAP), gliceraldeído 3-fosfato (GA3P), 1,3-bifosfoglicerato (13BPG), 3-fosfoglicerato (3PG), 2-fosfoglicerato (2PG), fosfoenolpiruvato (PEP), piruvato (Pir) e lactato (Lac). As enzimas que participam dessa via metabólica estão indicadas pelos números sublinhados, e correspondem à hexoquinase (1), glicose 6-fosfato isomerase (2), fosfofrutoquinase-1 (3), frutose-bifosfato aldolase (4), triose fosfato isomerase (5), gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (6), fosfoglicerato quinase (7), fosfoglicerato mutase (8), fosfopiruvato hidratase (enolase) (9), piruvato quinase (10) e lactato desidrogenase (11). As coenzimas participantes (NAD⁺, NADH + H⁺, ATP e ADP), fosfato inorgânico, H₂O e CO₂ foram omitidos nessas representações. As reações de fosforilação a partir de ATP, assim como as reações de fosforilação do ADP na parte mais final da glicólise são mostradas como “~P”, respectivamente entrando ou saindo na via metabólica. As reações de oxirredução usando NAD⁺ ou NADH são observadas como hidrogênios “2H” saindo ou entrando na via metabólica.

Para o ciclo da glicose interagir com o ciclo de Krebs, há uma reação intermediária a qual transforma-se o Piruvato em Acetil-CoA. Nesta etapa, ocorre a entrada de NAD e CoA-SH. O Piruvato gerado na glicólise sofre desidrogenação (oxidação) e descarboxilação catalisado pelo complexo Piruvato desidrogenase. Durante essas reações, é adicionada a coenzima A(CoA). Desta forma, a partir de cada piruvato, produz-se um acetil-CoA. Esta etapa é fundamental, principalmente no fígado, que regula a glicemia no sangue, pois é irreversível. O piruvato, pode ser transformado novamente em glicose, através do gasto de energia, num processo chamado gliconeogênese, processo essencial para manutenção do nível mínimo de glicose no corpo, sem o qual certos tecidos morreriam, por não realizarem o ciclo de Krebs. Uma vez transformado em acetil-CoA, não há como gerar glicose novamente, sendo este acetil-CoA usado para produzir energia (com oxigênio), corpos cetônicos, gordura, colesterol ou isoprenóides.

Quando usado para produzir energia, o acetil-CoA vai para o ciclo de Krebs, onde será oxidado, produzindo CO₂, água e GTP(energia). Os produtos da oxidação são oxidados pelo oxigênio na Fosforilação oxidativa, gerando ainda mais energia. Somado com a glicólise, são produzidos 38 ATP por molécula de glicose.

A fermentação ocorre quando, após a glicólise, não é realizado o ciclo de Krebs, porque o organismo em questão não o possui ou porque esta via está bloqueada, como durante a hipóxia (falta de oxigênio).

Em ambos os casos, a glicólise gasta NAD+ e produz NADH. Como a quantidade de NADH na célula é limitada, este deve ser regenerado a NAD+. Para isso, alguma molécula deve receber estes elétrons que o NADH carrega. Na respiração aeróbica, o oxigênio recebe estes elétrons, mas na ausência de oxigênio, o produto da glicose piruvato , ou seus derivados, recebem estes elétrons. No caso do ser humano, outros animais e algumas bactérias, a ausência de oxigênio suficiente leva a reação do NADH com o piruvato, gerando NAD+ e ácido láctico (Fermentação láctica). No caso das leveduras e bactérias do gênero Zymonas, ocorre a Fermentação alcoólica: o piruvato é descarboxilado, gerando acetaldeído, através da enzima piruvato descarboxilase (ausente em animais), e o NADH reduz o acetaldeído, produzindo NAD+ e etanol (como nos processos fermentativos do pão, dos vinhos e das cervejas). Alguns microorganismos fermentam produzindo outras variadas substâncias, como nos estudos de Chaim Weizmann, primeiro presidente de Israel (produzindo acetona), ou usando outros aceptores de elétrons que não o oxigênio, como nitrato, sulfato, íons férricos, etc..

Grande parte da glicose consumida nos tecidos animais é catabolizada através da glicólise até piruvato. A maior parte do piruvato por sua vez é oxidado através do ciclo do ácido cítrico. A função principal do catabolismo da glicose por esta via é gerar ATP. Porém, existem outras vias catabólicas que podem ser o destino da glicose. Estas vias constituem parte do metabolismo secundário da glicose e levam a produtos especializados necessários para a célula, sendo que duas destas vias produzem pentoses fosfato, D-glicuronato, importante na detoxificação e na excreção de compostos orgânicos estranhos, e o ácido ascórbico (vitamina C). A via das pentoses fosfato resulta em oxidação e descarboxilação na posição C-1 da glicose, produzindo NADPH, que fornece poder redutor para reações de biossíntese, e pentoses fosfato, que são componentes essenciais dos nucleotídeos e ácidos nucleicos.^[6]

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