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Glicólise

A glicólise é uma via metabólica central responsável pela quebra de glucose e tem um papel vital na geração de energia livre para a célula e metabolitos para posterior degradação oxidativa. A glucose fica disponível principalmente no sangue como resultado da degradação do glicogénio ou da sua síntese a partir de precursores não carboidratos (gluconeogénese), sendo importada para as células por proteínas transportadoras específicas. A glicólise ocorre no citoplasma e consiste em 10 reacções, cujo resultado líquido é a conversão de 1 glucose C6 em 2 moléculas de piruvato C3. A energia livre deste processo é recolhida para produzir adenosina trifosfato (ATP) e nicotinamida adenina dinucleótido hidreto (NADH), metabolitos-chave para a produção de energia. A estequiometria geral do percurso é: glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+> 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O (H+: ião hidrogénio, Pi: ião fosfato, NAD+: nicotinamida adenina dinucleótido).

Última atualização: 25 Feb, 2022

Responsibilidade editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Passos 1–5: 1.ª Metade da Glicólise

A 1.ª metade da glicólise requer um investimento energético de 2 moléculas de adenosina trifosfato (ATP) e serve para converter a glucose hexagonal em 2 trioses. O processo consiste em 5 etapas:

  1. Glucose → glucose 6-fosfato (G6P)
    • A hexocinase (HK) transfere um grupo fosforil do ATP para o 6.º carbono da glucose para formar G6P.
      • Requer magnésio (Mg2+) como cofator
      • Requer ATP
    • No fígado, esta etapa é catalisada pela glucocinase (uma enzima com a mesma função, mas com menor afinidade para a glucose), ajudando o fígado a servir de “tampão” para a glucose no sangue.
  2. G6P → frutose-6-fosfato (F6P)
    • A fosfoglucose isomerase (PGI) converte G6P em F6P.
    • Isomeriza a glucose aldose a uma frutose cetose
  3. F6P → frutose-1,6-bifosfato (FBP)
    • A fosfofrutocinase (PFK-1) fosforila F6P em C1, produzindo FBP.
    • Requer Mg2+ como cofator
    • Requer ATP
    • Esta é uma reação limitante na glicólise e é, portanto, uma etapa regulada
  4. FBP → gliceraldeído 3-fosfato (GAP) + dihidroxiacetona fosfato (DHAP)
    • A aldolase corta o FBP de 6 carbonos em 2 moléculas diferentes de 3 carbonos, GAP e DHAP.
    • A reação é uma clivagem de aldol com um intermediário enolato estabilizado por ressonância.
  5. DHAP → GAP
    • A triose-fosfato isomerase (TIM) converte o DHAP e o GAP para permitir que o DHAP prossiga através da glicólise.
Primeira metade da glicólise

Os 5 primeiros passos (primeira metade) do percurso da glicólise

Image by Lecturio.

Passos 6–10: 2.ª Metade de Glicólise

A segunda metade da glicólise converte a triose GAP em piruvato, com a geração concomitante de 4 ATP e 2 nicotinamida adenina dinucleótido hidreto (NADH) por cada 2 GAP. Assim, o investimento energético dos passos 1–5 é pago duas vezes aqui. Em certos tipos de células e condições, estes 5 passos são a fonte predominante de ATP:

  1. GAP → 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG)
    • A gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH) catalisa a fosforilação e a oxidação de GAP, produzindo 1,3-bifosfoglicerato (1,3-BPG).
    • O 1,3-BPG é o 1.º intermediário de alta energia na glicólise.
    • Produz 2 NADH a partir de nicotinamida adenina dinucleótido(NAD+) e um ião fosfato (Pi)
      • Em condições aeróbicas, a oxidação do NADH na cadeia respiratória regenera o NAD+e produz ATP adicional.
      • Sob condições anaeróbicas, são necessárias reações adicionais para regenerar o NAD+.
  2. 1,3-BPG → 3-fosfoglicerato
    • A fosfoglicerato cinase (PGK) converte 1,3-BPG em 3-fosfoglicerato (3PG).
    • Requer Mg2+ como cofator
    • Produz ATP
    • As reações das GAPDH e PGK são acopladas para permitir que a reação energética desfavorável da GAPDH seja “levada para a frente” pela reação altamente favorável PGK.
  3. 3PG → 2-fosfoglicerato
    • A fosfoglicarato mutase (PGM) converte 3PG em 2PG, transferindo o fosfato do grupo funcional do C3 para o C2.
    • Gera um complexo 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG)–enzima
  4. 2PG → fosfoenolpiruvato (PEP)
    • A enolase desidrata o 2PG a fosfenoenolpiruvato (PEP).
    • O PEP é o 2.º intermediário de alta energia formado na glicólise.
  5. PEP → piruvato
    • A piruvato cinase (PK) converte PEP em pyruvate (Pyr), libertando uma grande quantidade de energia, utilizada para impulsionar a síntese de ATP.
    • Produz ATP

Reacção líquida: glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Segunda metade da glicólise

Os últimos 5 passos (última metade) da via da glicólise.

Image by Lecturio.

Regulação da Glicólise

  • A glicólise opera continuamente na maioria dos tecidos, com uma taxa variável de acordo com as necessidades da célula.
  • Os fatores que induzem a glicólise inibem a gluconeogénese (o inverso da glicólise) e vice-versa, pois a gluconeogénese é regulada reciprocamente.
  • A insulina e o glucagon são as principais hormonas que controlam os fluxos da glicólise e da gluconeogénese.
  • A regulação otimal da via é conseguida através do controlo das reações com uma grande alteração negativa da energia livre, das quais há 3 em glicólise.
Regulação da glicólise

Uma visão geral da regulação da glicólise. Os ativadores da hexocinase (HK), da fosfofrutocinase-1 (PFK-1), ou a piruvato cinase (PK) estão marcados a verde. Os metabolitos que inibem estas enzimas estão marcados a vermelho.

Image by Lecturio.

Hexocinase (HK)

  • Regula o passo 1 da via
  • Negativamente regulado pelo excesso de G6P
  • Não é relevante quando a glucose é derivada do glicogénio, já que a glucose é libertada do glicogénio como G6P

Fosfofrutocinase

  • A PFK-1 é o ponto primário de controlo do fluxo da glicólise; regula a etapa 3
  • A FBPase catalisa o passo inverso da PFK-1 na gluconeogénese, e ambas as enzimas são reguladas reciprocamente.
    • Quando a PFK-1 é inibida e a FBPase é ativada, o fluxo é deslocado da glicólise para a gluconeogénese.
  • A PFK-1 é inibida pelo ATP alostericamente, um indicador de abundância de energia.
  • A PFK-1 é ativada pela adenosina monofosfato (AMP) e pela adenosina difosfato (ADP) alostericamente, indicadores de escassez de energia.
  • A PFK-1 é inibida pelo citrato alostericamente.
  • A PFK-1 é fortemente ativada pela frutose-2,6-bifosfato (F2,6P) de forma alostérica.
    • A F2,6P tem o efeito oposto no passo oposto na gluconeogénese.
    • A F2,6P é sintetizada e degradada por uma enzima bifuncional chamada PFK-2/FBPase-2, cuja atividade é controlada por muitos efetores alostéricos e hormonas.
    • A F6P promove a síntese de F2,6P, ativando a glicólise.
    • No estado alimentado: a insulina estimula a desfosforilação de PFK-2/FBPase-2 → aumentando os níveis de F2,6P → aumentando o fluxo glicolítico
  • As catecolaminas (através do AMP cíclico) inibem as enzimas glicolíticas HK, PFK-1, PFK-2 (que produz a frutose 2,6 bifosfato) e PK.
    • Induz a síntese da piruvato carboxilase, da PEP carboxilase, da FBPase, e da G6Pase

Piruvato cinase (PK)

  • Regula o passo 10 (último) da
  • Ativado alostericamente pela FBP, indicando acumulação de intermediários glicolíticos a montante: resulta num “puxar” através do caminho glicolítico
  • Alostericamente inibido por ATP, indicando uma fonte de energia abundante
  • No fígado, alostericamente inibido pela alanina, um precursor da gluconeogénese

Relevância Clínica

  • Galactosemia: metabolismo defeituoso do açúcar galactose. As manifestações clínicas começam quando a alimentação do leite é iniciada. Os bebés desenvolvem letargia, icterícia, disfunção hepática progressiva, doença renal, cataratas, perda de peso e suscetibilidade a infeções bacterianas (especialmente E coli). Podem desenvolver incapacidade intelectual se a doença não for tratada. A base do tratamento é a exclusão da galactose da alimentação.
  • Intolerância hereditária à frutose: deficiência de frutose-1-fosfato aldolase. Os sintomas começam após a ingestão de frutose (açúcar da fruta) ou de sacarose, apresentando-se mais tarde na vida. Apresenta-se com dificuldade em ganhar peso, vómitos, hipoglicemia, disfunção hepática e defeitos renais. As crianças com a doença não apresentam problemas se evitarem a frutose e a sacarose alimentar.
  • Deficiência de frutose 1,6-difosfatase: associada a uma gluconeogénese deficiente. Os sintomas incluem hipoglicemia, intolerância ao jejum e hepatomegalia. Tratamento emergente de episódios hipoglicémicos com fluidos ricos em glucose por IV e a prevenção do jejum são os pilares da terapia. Casos graves podem requerer a suplementação com glicose para evitar a hipoglicemia.
  • Doenças de armazenamento do glicogénio: deficiência de enzimas responsáveis pela degradação do glicogénio. Dependendo da enzima afetada, estas doenças podem afetar o fígado, os músculos ou ambos. Existem várias doenças clinicamente significativas do armazenamento de glicogénio com diferentes apresentações.
  • Deficiência de glucose 6-fosfato desidrogenase (G6PD): doença genética que ocorre quase exclusivamente no sexo masculino e afeta principalmente os glóbulos vermelhos, causando hemólise e anemia hemolítica. Os sintomas incluem dispneia, fadiga, taquicardia, urina escura, palor e icterícia. A anemia hemolítica pode ser desencadeada por infeções, certos medicamentos (antibióticos, antimaláricos) e após a ingestão de favas.

De seguida estão apresentadas enzimas da via da glicólise que podem estar envolvidas em defeitos enzimáticos congénitos:

  • Deficiência de piruvato cinase (mais comum)
  • Hexokinase de eritrócitos
  • Glucose fosfato isomerase
  • Fosfofrutocinase

Estes defeitos enzimáticos congénitos produzem anemia hemolítica.

Anemia hemolítica: grupo de anemias que se devem à destruição ou eliminação prematura de hemácias. Anomalias intrínsecas de hemácias levam à depuração esplénica (hemólise extravascular). A destruição crónica de hemácias pode-se apresentar como icterícia, esplenomegalia, colelitíase, hematúria e sintomas de anemia (falta de ar, fadiga, síncope e taquicardia).

Referências

  1. Voet D., Voet J. G., Pratt C. W. (2016) Voet’s Principles of Biochemistry Global Edition.
  2. Allen, G. K. (2020). First Aid for the USMLE Step 1.

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