9.2 Glicólise: oxidação de glicose a piruvato

Figura 9.3 Modelos de reações de oxidação-redução catalisadas por desidrogenases que têm NAD+ e FAD como coenzimas. O substrato reduzido (SH 2) é oxidado, perdendo dois átomos de hidrogênio, e as coenzimas convertem-se às suas formas reduzidas. O NAD+ recebe dois elétrons e um próton, ficando o segundo próton no meio; o FAD recebe os dois átomos de hidrogênio. Estão representadas apenas as partes reativas do NAD+ e FAD, o restante das moléculas sendo simbolizado por R.

9.2 Glicólise: oxidação de glicose a piruvato

A glicólise pode ser dividida em etapas correspondentes a seus eventos

fundamentais (Figura 9.4):

I. Dupla fosforilação da glicose, à custa de 2 ATP, originando uma

outra hexose, a frutose, com dois grupos fosfato.

 II. Clivagem da frutose, produzindo duas trioses fosforiladas, que são

interconvertíveis.

III. Oxidação e nova fosforilação das trioses fosfato, desta vez por

fosfato inorgânico (Pi), formando duas moléculas de um intermediário bifosforilado.

IV. Transferência dos grupos fosfato deste intermediário para 4 ADP,

formando 4 ATP e 2 piruvato.

As quatro etapas são cumpridas em 10 reações sequenciais que

compõem a glicólise (Figura 9.5).

Etapa I. A primeira reação da glicólise é a conversão de glicose a glicose 6-fosfato. A glicose 6-fosfato, ao contrário da glicose, é incapaz de atravessar a membrana plasmática, o que garante a sua permanência dentro das células. A fosforilação da glicose a partir de glicose e fosfato inorgânico

é uma reação inviável, por ter ΔGo′ positivo (Capítulo 4). Por isto, os organismos utilizam outra reação, que tem ΔGo′ negativo, e na qual o ATP é o doador de grupo fosfato. Esta reação é irreversível e catalisada por hexoquinases. As hexoquinases compõem uma família de enzimas ubíquas, que atuam sobre diversas hexoses. Nos tecidos de vertebrados, são encontradas quatro isoenzimas de hexoquinases, denominadas I a IV, que diferem por suas propriedades catalíticas, reguladoras, pela distribuição tecidual e localização intracelular. A hexoquinase IV é a isoenzima predominante em hepatócitos e células β do pâncreas; é comumente chamada de glicoquinase, embora não seja específica para glicose, podendo atuar com menor afinidade sobre outras hexoses.

Segue-se a isomerização da glicose 6-fosfato a frutose 6-fosfato, por ação da fosfoglicoisomerase, e nova fosforilação, análoga à anterior, também utilizando ATP e também irreversível, catalisada pela fosfofrutoquinase 1 (6-fosfofruto-1-quinase). Forma-se, então, uma hexose

com dois grupos fosfato: a frutose 1,6-bisfosfato1.

Etapa II. A frutose 1,6-bisfosfato é clivada em duas trioses isômeras, di-hidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato, por ação da aldolase. O gliceraldeído 3-fosfato é o substrato da próxima enzima da via glicolítica, mas as duas trioses fosforiladas são interconvertidas por ação da triose fosfato isomerase. A conversão de di-hidroxiacetona fosfato em gliceraldeído 3-fosfato possibilita que uma molécula de glicose (C6) seja convertida em duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato (2 × C3). Da reação da triose fosfato isomerase em diante, a via tem todos os seus intermediários duplicados e todos os carbonos da glicose são convertidos em piruvato.

Figura 9.4 Etapas fundamentais da glicólise. O símbolo ℗ representa o grupo PO 2 – 3, C6 indica hexose e C3, triose. Pi = fosfato inorgânico (HPO 2 – 4 a pH 7,4).

Figura 9.5 Via glicolítica. Deve-se notar que a di-hidroxiacetona fosfato converte-se a gliceraldeído 3-fosfato, que prossegue a via glicolítica (seta verde tracejada). A partir de uma molécula de glicose formam-se duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato, que originam 2 NADH, 4 ATP e 2 piruvato. As setas vermelhas indicam reações irreversíveis.

A clivagem de frutose 1,6-bisfosfato e a isomerização de di-hidroxiacetona fosfato em gliceraldeído 3-fosfato são reações com ΔGo′ positivo. Isto significa que, nos respectivos equilíbrios, predominam frutose 1,6-bisfosfato e di-hidroxiacetona fosfato, respectivamente. Apesar disto, as duas reações processam-se no sentido da formação de gliceraldeído 3-fosfato, porque a retirada contínua deste composto pelas reações subsequentes torna negativo o sinal de ΔG′ das duas reações com ΔGo′ positivo.

Etapa III. As duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato obtidas por fosforilação à custa de 2 ATP são oxidadas e novamente fosforiladas, agora por fosfato inorgânico, formando duas moléculas de 1,3-bisfosfoglicerato. Este composto é um anidrido misto de um ácido carboxílico e o ácido fosfórico, um anidrido carboxílico-fosfórico, que é um composto rico em

energia (Tabela 4.4, Seção 4.1). Trata-se de uma reação de oxidação-redução/fosforilação complexa, catalisada pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase. Para facilitar a compreensão, a reação pode ser desmembrada em duas reações parciais:

1. oxidação do aldeído (gliceraldeído 3-fosfato) a ácido carboxílico,

com redução de NAD+a NADH, que é termodinamicamente favorável:

2. ligação do ácido carboxílico com o ácido fosfórico (HPO 2– 4 a pH

7,4), formando um anidrido carboxílico-fosfórico, que é endergônica:

Na realidade, as duas reações ocorrem acopladas, permitindo que parte da energia livre da reação de oxidação do aldeído seja conservada na formação do anidrido carboxílico-fosfórico. O acoplamento é efetuado por um intermediário tioéster, rico em energia, resultante da oxidação do aldeído, que fica ligado à enzima. O mecanismo de ação da gliceraldeído 3-

fosfato desidrogenase está esquematizado na Figura 9.6. O gliceraldeído 3-fosfato reage com o grupo sulfidrila de um resíduo de cisteína do centro

ativo da enzima (reação 1 na figura), formando-se um tio-hemiacetal2; segue-se a oxidação do tio-hemiacetal e a redução de um NAD+ ligado à enzima, formando o intermediário tioéster (reação 2); o NADH ligado à enzima é trocado por uma molécula livre de NAD+ (reação 3); o intermediário tioéster reage com fosfato inorgânico, formando 1,3-bisfosfoglicerato e regenerando o grupo SH da enzima (reação 4). A gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase é inibida por agentes específicos para

grupos SH como o iodoacetato (Seção 5.7).

Figura 9.6 Esquema da conversão de gliceraldeído 3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato, catalisada pela gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase. As reações 1 a 4 estão descritas no texto. P i = fosfato inorgânico (HPO 2 – 4 a pH 7,4); ℗ = PO 2 – 3.

Etapa IV. Compreende dois eventos de fosforilação de ADP a ATP por compostos com alto potencial de transferência do grupo fosforila: 1,3-bisfosfoglicerato e fosfoenolpiruvato. No primeiro, na reação catalisada pela fosfoglicerato quinase, o grupo fosfato da ligação anidrido carboxílico-fosfórico do 1,3-bisfosfoglicerato, uma ligação rica em energia, é transferido ao ADP, produzindo ATP. O segundo evento de síntese de ATP depende da conversão de uma ligação éster fosfato em uma ligação fosfoenol, rica em energia. Esta conversão inicia-se com a transferência intramolecular do grupo éster fosfato do 3-fosfoglicerato, do carbono 3 para

o carbono 2, catalisada pela fosfoglicerato mutase3. O processo envolve a formação intermediária de um composto bifosforilado, o 2,3-bisfosfoglicerato, originado por doação de um grupo fosfato da própria

enzima ao substrato (Figura 9.7). Em seguida, a enolase promove a desidratação do 2-fosfoglicerato, originando o fosfoenolpiruvato. A formação deste composto rico em energia possibilita a síntese de ATP na reação subsequente, irreversível, catalisada pela piruvato quinase.

Figura 9.7 Esquema da conversão de 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato, com a formação de um intermediário bifosforilado.

Em resumo, na Etapa I ocorrem duas fosforilações por ATP e, na Etapa III, duas por fosfato inorgânico; na Etapa IV, os quatro grupos fosfato são transferidos para ADP, formando quatro ATP – para cada molécula de glicose convertida a duas de piruvato pela glicólise, são produzidos 4 ATP (2 por triose). Para estabelecer o saldo final de produção de ATP devem ser descontados os 2 ATP consumidos inicialmente.